一种柔性电感式压力传感器及其制备方法

1.本发明涉及电感式压力传感器技术领域，具体为一种柔性电感式压力传感器及其制备方法。


背景技术：

2.柔性压力传感器是一种能将力学量转换为电学量的柔性电子器件，转换过程一般通过压阻效应、电容效应、压电效应或电磁感应原理实现。目前，柔性压力传感器广泛应用于人工智能、移动医疗、柔性触屏和可穿戴设备等领域。
3.根据信号转换原理的不同，压力传感器主要分为电阻式、电容式、压电式及电感式传感器。其中电感式压力传感器的工作原理基于电磁感应，压力的变化导致磁路和磁阻的变化，进一步引起线圈电感量的变化，从而实现压力的测量。电感式压力传感器由于具有体积小、稳定性高、使用寿命长、线性特性好、无温度迟滞等优点备受关注。
4.其中申请号为“cn201910564634.2”所公开的“基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列及其制备方法，包括柔性基底层，所述基底层上覆盖有柔性吸波材料，所述柔性基底层和柔性吸波材料之间设置有支撑件，所述柔性基底层采用的是柔性平面线圈，支撑件采用的是弹性支柱；所述平面线圈与柔性吸波材料之间通过多个弹性支柱连接隔开，形成柔性电感式压力传感器。本发明提供一种基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列，具有高灵敏度、快速响应、高稳定性、抗干扰强、耐久度高的性能特点，能够应用于可穿戴电子设备中”，但是该种血氧仪在实际使用过程中，还存在以下技术问题：电感式压力传感器大多由传统刚性材料制成，其工作原理是将压力信息转化为铁芯和线圈相对位置的变化，铁芯和线圈相对位置的变化带来线圈电感量的变化，从而实现压力的检测。这种电感式压力传感器存在体积大、稳定性差、灵敏度不足等问题，其应用范围被限制于传统工业领域，难以应用于人工智能，柔性触屏等新领域。在现有技术中，基于对置线圈互感的传感器使用柔性pdms材料制作的空壳海绵体，将两个线圈对置于海绵体内部，但两对置线圈距离较远，电感值变化率较小，进而影响了传感器响应的灵敏度。该技术虽然可以实现压力的测量，但存在稳定性差，两对置线圈容易发生扭曲产生横向位移，导致电感量的测量精度下降等问题。
5.为此，我们提出一种柔性电感式压力传感器及其制备方法。


技术实现要素：

6.本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种基于pdms—羰基铁粉复合海绵体的柔性电感式压力传感器及其制备方法。本发明将两个平行对置的电感线圈分别放置在pdms柔性复合海绵体的上下表面，用柔性薄膜包覆两平行对置线圈与复合海绵体，利用外界压力的变化来改变两对置线圈的间距，进而改变两线圈反向串联的电感值，最终实现压力的测量。
7.为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种柔性电感式压力传感器，包括
pdms复合海绵体、第一电感线圈、第二电感线圈和柔性薄膜，所述pdms复合海绵体上表面放置有第一电感线圈，所述pdms复合海绵体的下表面设置有第二电感线圈，所述第一电感线圈和第二电感线圈反向串联并对应连接第一出接线端口和第二出接线端口；所述柔性薄膜包覆pdms复合海绵体与第一电感线圈、第二电感线圈，且柔性薄膜能够将第一电感线圈、第二电感线圈固定在pdms复合海绵体表面。
8.优选的，所述第一电感线圈与第二电感线圈平行对置安装，且两线圈朝向相反。
9.优选的，所述pdms复合海绵体为类蜂窝状多孔海绵薄片。
10.优选的，所述第一电感线圈与所述第二电感线圈平行对置安装，两对置电感线圈的距离为5cm，所述柔性薄膜包覆所述pdms复合海绵体与所述第一电感线圈与所述第二电感线圈，所述柔性薄膜的厚度为2mm。
11.优选的，所述pdms复合海绵体的顶部和底部分别有上强磁圈和下强磁圈，所述上强磁圈和下强磁圈的内部均固定连接有若干个卡块，所述卡块顶部卡合连接有防护垫板层，所述上强磁圈和下强磁圈的边侧均连接有接线端。
12.一种柔性电感式压力传感器制备方法，具体包括以下步骤：步骤1：制备pdms复合海绵体；步骤2：制备两个第一电感线圈与所述第二电感线圈；步骤3：在所述pdms复合海绵体的上下表面分别放置第一电感线圈与第二电感线圈，并将两个线圈反向串联，再引出接线端口；步骤4：制备包覆所述pdms复合海绵体与两个第一电感线圈与第二电感线圈的柔性薄膜包裹，从而得到需要的柔性电感式压力传感器。
13.进一步地，进一步地，步骤1所述pdms复合海绵体（1）的制备过程具体为：（a）首先称取质量之比为10：1的pdms预聚体和固化剂，再称取混合物质量4倍的绵白糖和与固化剂质量相等的羰基铁粉，使其混合均匀。
14.（b）将混合物放入真空抽取机中进行真空处理1h，以去除混合物中的气泡。
15.（c）将搅拌均匀的混合物倒入模具中，并将模具放入80℃的恒温烘箱中加热3h。
16.（d）将固化后的固体绵白糖脱模取出，放入去离子水中进行除糖处理。
17.(e) 大约6h后绵白糖溶解完毕，取出并干燥一段时间后再进行裁剪、打孔等操作即可得到含有羰基铁粉的pdms复合海绵体。
18.所述第一电感线圈（2）与所述第二电感线圈（3）是通过用全自动热风绕线机缠绕直径2mm钢芯制成。
19.进一步地，步骤4所述柔性薄膜（4）的制备过程具体为：a）将pdms预聚体和固化剂以10:1的比例混合均匀；b将所述混合物放入真空箱；c将所述pdms复合海绵体1与两个第一电感线圈与第二电感线圈浸入pdms混合物，保持约10秒；d将所述包裹有pdms混合物的pdms复合海绵体与两个第一电感线圈与第二电感线圈放入温箱，保证在80℃温度中放置3h，形成所述柔性薄膜。
20.与现有技术相比，本发明的有益效果是：1、本发明使用pdms—羰基铁粉复合海绵体，向pdms海绵体中混入羰基铁粉增加了
传感器的灵敏度，且类蜂窝状空腔有助于提升pdms海绵体的柔韧性与弹性，优化了传感器的结构。
21.2、本发明使用的柔性薄膜让两个电感线圈不易从pdms复合海绵体表面脱落，增加了稳定性和使用寿命。
22.3、本发明使用两个平行对置的电感线圈并延伸出pdms复合海绵体的接线端口，测量两线圈之间的距离变化导致的电感值变化，并通过电感值的变化来反应压力的变化，增加了传感器的实用性。
23.4、本发明减小了两个电感线圈之间的相对距离，向传感器装置施加压力时能够使柔性薄膜进行形变并挤压pdms复合海绵体，使得反应过程更加便捷并提升灵敏度。
附图说明
24.图1为本发明整体结构示意图；图2为本发明上强磁圈结构示意图；图3为本发明柔性薄膜结构示意图；图4为本发明第二出接线端口结构示意图；图5为本发明第一出接线端口结构示意图；图6为本发明制备流程图。
25.图中：1-pdms复合海绵体；101-上强磁圈；102-下强磁圈；103-卡块；104-防护垫板层；2-第一电感线圈；3-第二电感线圈；4-柔性薄膜；401-软体海绵体框；402-橡胶隔层板；403-第一安装腔；404-第二安装腔；405-大电感线圈；406-小电感线圈；5-第一出接线端口；6-第二出接线端口。
具体实施方式
26.下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.本技术的说明书和权利要求书中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。此外，说明书以及权利要求中“和/或”表示所连接对象的至少其中之一，字符“/”，一般表示前后关联对象是一种“或”的关系。
28.在本发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、
ꢀ“
上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
29.在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“设置”应做广义理解，例如，可以是固定相连、设置，也可以是可拆卸连接、设置，或一
体地连接、设置。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
实施例一
30.请参阅图1-6，本发明提供一种技术方案：一种柔性电感式压力传感器，包括pdms复合海绵体1、第一电感线圈2、第二电感线圈3和柔性薄膜4，pdms复合海绵体1上表面放置有第一电感线圈2，pdms复合海绵体1的下表面设置有第二电感线圈3，第一电感线圈2和第二电感线圈3反向串联并对应连接第一出接线端口5和第二出接线端口6；柔性薄膜4包覆pdms复合海绵体1与第一电感线圈2、第二电感线圈3，且柔性薄膜4能够将第一电感线圈2、第二电感线圈3固定在pdms复合海绵体1表面。
31.第一电感线圈2与第二电感线圈3平行对置安装，且两线圈朝向相反。
32.pdms复合海绵体1为类蜂窝状多孔海绵薄片。
33.第一电感线圈2与第二电感线圈3平行对置安装，两对置电感线圈的距离为5cm，柔性薄膜4包覆pdms复合海绵体1与第一电感线圈2与第二电感线圈3，柔性薄膜4的厚度为2mm。
34.pdms复合海绵体1的顶部和底部分别有上强磁圈101和下强磁圈102，上强磁圈101和下强磁圈102的内部均固定连接有若干个卡块103，卡块103顶部卡合连接有防护垫板层104，上强磁圈101和下强磁圈102的边侧均连接有接线端。
实施例二
35.请参阅图5，将pdms复合海绵体1与第一电感线圈2、第二电感线圈3整体浸入以10:1比例混合的pdms预聚体材料与固化剂制成的pdms混合物中，放入温度温箱中时间，固化后获得包覆pdms复合海绵体1与第一电感线圈2、第二电感线圈3的薄膜，这层柔性薄膜4使的第一电感线圈2、第二电感线圈3不易从pdms复合海绵体1表面脱落，增加稳定性和使用寿命；且由于pdms材料的柔性，对传感器装置施加压力时能够使柔性薄膜4进行形变并挤压pdms复合海绵体1，使得使用过程更加便捷并提升灵敏度；将制作的pdms预聚体、固化剂、绵白糖、羰基铁粉搅拌混合均匀，将混合后的溶液倒入类蜂窝状薄片型模具中，放入80℃的环境中，放置3h，固化后脱模并泡于温水中进行除糖，等待干燥后裁剪并打孔，制成pdms柔性复合海绵体，向pdms复合海绵体1中混入羰基铁粉增加了传感器的灵敏度，两个平行对置的第一电感线圈2和第二电感线圈3之间的相对距离减小，且类蜂窝状空腔有助于提升pdms复合海绵体1的柔韧性与弹性，且使用pdms复合海绵体1能够确定传感器装置中两个线圈的位置，优化了传感器的结构，提升了传感器的灵敏度；其次，使用两个平行对置的第一电感线圈2、第二电感线圈3并引出延伸出pdms复合海绵体1的第一出接线端口5和第二出接线端口6，测量两个第一电感线圈2、第二电感线圈3之间的距离变化导致的电感值变化，并通过电感值的变化来反应压力的变化，增加了传感器的实用性。
36.请参阅图6，一种柔性电感式压力传感器制备方法，具体包括以下步骤：步骤1：制备pdms复合海绵体1；
步骤2：制备两个第一电感线圈2与第二电感线圈3；步骤3：在pdms复合海绵体1的上下表面分别放置第一电感线圈2与第二电感线圈3，并将两个线圈反向串联，再引出接线端口；步骤4：制备包覆pdms复合海绵体1与两个第一电感线圈2与第二电感线圈3的柔性薄膜4包裹，从而得到需要的柔性电感式压力传感器。
37.进一步地，步骤1所述pdms复合海绵体（1）的制备过程具体为：（a）首先称取质量之比为10：1的pdms预聚体和固化剂，再称取混合物质量4倍的绵白糖和与固化剂质量相等的羰基铁粉，使其混合均匀。
38.（b）将混合物放入真空抽取机中进行真空处理1h，以去除混合物中的气泡。
39.（c）将搅拌均匀的混合物倒入模具中，并将模具放入80℃的恒温烘箱中加热3h。
40.（d）将固化后的固体绵白糖脱模取出，放入去离子水中进行除糖处理。
41.(e) 大约6h后绵白糖溶解完毕，取出并干燥一段时间后再进行裁剪、打孔等操作即可得到含有羰基铁粉的pdms复合海绵体。
42.进一步地，步骤2所述第一电感线圈（2）与所述第二电感线圈（3）是通过用全自动热风绕线机缠绕直径2mm钢芯制成。
43.进一步地，步骤4柔性薄膜4的制备过程具体为：a将pdms预聚体和固化剂以10:1的比例混合均匀；b将混合物放入真空箱；c将pdms复合海绵体1与两个第一电感线圈2与第二电感线圈3浸入pdms混合物，保持约10秒；d将包裹有pdms混合物的pdms复合海绵体1与两个第一电感线圈2与第二电感线圈3放入温箱，放入80℃的环境中，放置3h，形成柔性薄膜4。
44.需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。
45.尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。

技术特征：
1.一种柔性电感式压力传感器，包括pdms复合海绵体（1）、第一电感线圈（2）、第二电感线圈（3）和柔性薄膜（4），其特征在于，所述pdms复合海绵体（1）上表面放置有第一电感线圈（2），所述pdms复合海绵体（1）的下表面设置有第二电感线圈（3），所述第一电感线圈（2）和第二电感线圈（3）反向串联并对应连接第一出接线端口（5）和第二出接线端口（6）；所述柔性薄膜（4）包覆pdms复合海绵体（1）与第一电感线圈（2）、第二电感线圈（3），且柔性薄膜（4）能够将第一电感线圈（2）、第二电感线圈（3）固定在pdms复合海绵体（1）表面。2.根据权利要求1所述的一种柔性电感式压力传感器，其特征在于：所述第一电感线圈（2）与第二电感线圈（3）平行对置安装，且两线圈朝向相反。3.根据权利要求1所述的一种柔性电感式压力传感器，其特征在于：所述pdms复合海绵体（1）为类蜂窝状多孔海绵薄片。4.根据权利要求1所述的一种柔性电感式压力传感器，其特征在于：所述第一电感线圈（2）与所述第二电感线圈（3）平行对置安装，两对置电感线圈的距离为5cm，所述柔性薄膜（4）包覆所述pdms复合海绵体（1）与所述第一电感线圈（2）与所述第二电感线圈（3），所述柔性薄膜（4）的厚度为2mm。5.根据权利要求1所述的一种柔性电感式压力传感器，其特征在于：所述pdms复合海绵体（1）的顶部和底部分别有上强磁圈（101）和下强磁圈（102），所述上强磁圈（101）和下强磁圈（102）的内部均固定连接有若干个卡块（103），所述卡块（103）顶部卡合连接有防护垫板层（104），所述上强磁圈（101）和下强磁圈（102）的边侧均连接有接线端。6.根据权利要求1-5任意一项所述的柔性电感式压力传感器的感器制备方法，具体包括以下步骤：步骤1：制备pdms复合海绵体（1）；步骤2：制备两个第一电感线圈（2）与所述第二电感线圈（3）；步骤3：在所述pdms复合海绵体（1）的上下表面分别放置第一电感线圈（2）与第二电感线圈（3），并将两个线圈反向串联，再引出接线端口；步骤4：制备包覆所述pdms复合海绵体（1）与两个第一电感线圈（2）与第二电感线圈（3）的柔性薄膜（4）包裹，从而得到需要的柔性电感式压力传感器；进一步地，步骤1所述pdms复合海绵体（1）的制备过程具体为：（a）首先称取质量之比为10：1的pdms预聚体和固化剂，再称取混合物质量4倍的绵白糖和与固化剂质量相等的羰基铁粉，使其混合均匀；（b）将混合物放入真空抽取机中进行真空处理1h，以去除混合物中的气泡；（c）将搅拌均匀的混合物倒入模具中，并将模具放入80℃的恒温烘箱中加热3h；（d）将固化后的固体绵白糖脱模取出，放入去离子水中进行除糖处理；(e) 大约6h后绵白糖溶解完毕，取出并干燥一段时间后再进行裁剪、打孔等操作即可得到含有羰基铁粉的pdms复合海绵体；所述第一电感线圈（2）与所述第二电感线圈（3）是通过用全自动热风绕线机缠绕直径2mm钢芯制成；进一步地，步骤4所述柔性薄膜（4）的制备过程具体为：a）将pdms预聚体和固化剂以10:1的比例混合均匀；b）将所述混合物放入真空箱；
c）将所述pdms复合海绵体（1）与两个第一电感线圈（2）与第二电感线圈（3）浸入pdms混合物，保持约10秒；d）将所述包裹有pdms混合物的pdms复合海绵体（1）与两个第一电感线圈（2）与第二电感线圈（3）放入温箱，保证在80℃环境中，进行3h放置，形成所述柔性薄膜（4）。

技术总结
本发明公开了一种柔性电感式压力传感器，包括PDMS复合海绵体、第一电感线圈、第二电感线圈和柔性薄膜，PDMS复合海绵体上表面放置有第一电感线圈，PDMS复合海绵体的下表面设置有第二电感线圈，第一电感线圈和第二电感线圈反向串联并对应连接第一出接线端口和第二出接线端口；柔性薄膜包覆PDMS复合海绵体与第一电感线圈、第二电感线圈，且柔性薄膜能够将第一电感线圈、第二电感线圈固定在PDMS复合海绵体表面，本发明使用PDMS—羰基铁粉复合海绵体，向PDMS海绵体中混入羰基铁粉增加了传感器的灵敏度，且类蜂窝状空腔有助于提升PDMS海绵体的柔韧性与弹性，优化了传感器的结构。优化了传感器的结构。优化了传感器的结构。


技术研发人员：刘志坚 姜钰宁 王禹程 孙喆 赵政 张馨月 苏鑫 张尉桐 张根涛 张钧源
受保护的技术使用者：大连海事大学
技术研发日：2023.04.07
技术公布日：2023/7/25