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专利号: 2019105646342
申请人: 苏州大学
专利类型:发明专利
专利状态:已下证
更新日期:2025-12-22
缴费截止日期: 暂无
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摘要:

权利要求书:

1.基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列,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,其特征在于: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。

2.根据权利要求1所述的基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列,其特征在于:柔性吸波材料采用PET-铁氧体膜,PET-铁氧体膜包括PET膜,以及附着在PET膜上的至少一片铁氧体膜,且铁氧体膜位于PET膜与平面线圈之间。

3.根据权利要求1所述的基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列,其特征在于:交流信号输入平面线圈的线圈时,线圈内部将产生一个磁场,由于线圈的顶部设置的铁氧体膜的磁导率远大于真空磁导率 μ0,铁氧体膜将对平面的线圈产生的磁场起到屏蔽作用,使磁场主要分布在铁氧体膜及其与线圈之间的气隙中,线圈与铁氧体膜之间磁场的有效磁导率增大,使得线圈的自感随之提升,有效电感L0遵循公式:(1)

其中,N为线圈匝数,μ0为真空磁导率,μr为铁氧体膜的磁导率,lf 和Af 分别表示磁场在铁氧体膜中经过路径的长度和面积,可分别等效看作铁氧体膜的边长和纵截面积;la 和Aa 则分别表示磁场在气隙中经过路径的长度和面积,可分别等效看作气隙的厚度和横截面积,所述气隙的厚度即平面线圈与铁氧体之间的距离d。

4.根据权利要求3所述的基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列,其特征在于:铁氧体膜/线圈外径的边长为a、铁氧体膜厚度为t,线圈外径边长与铁氧体膜边长相等;未按压传感器时所述气隙的厚度为d0,按压传感器时所述气隙的厚度为d',设在外部压力下铁氧体膜和线圈之间的距离变化为Δd,电感的变化为ΔL,代入所述公式1后有:(2)

其中,C代表因为其他因素而损耗的磁场,该值由平面线圈自身参数决定,由于其值远小于分子中的另一项 ,可将C看作一个常数。

5.根据权利要求4所述的基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列,其特征在于:根据薄板理论,能建立起Δd与施加在电感式压力传感器上压强的变化值 ΔP之间的关系式:(3)

其中,T为PET-铁氧体膜的厚度之和、ν为PET-铁氧体膜的等效泊松比、E为PET-铁氧体膜等效杨氏模量。

6.根据权利要求5所述的基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列,其特征在于:所述当外界压力被施加在PET-铁氧体膜上时,PET-铁氧体膜由于自身的柔性发生形变弯曲,随着铁氧体膜和线圈之间的距离 d 减小,有效磁导率进一步增大;给平面线圈加装铁氧体膜后,随着施加在所述传感器上的压力逐渐增大,平面线圈的自感值线性增加,将公式3代入公式2可得传感器的灵敏度表达式:(4)

所述传感器的灵敏度受传感器的选材和尺寸的影响,其中,对灵敏度影响最大的因素有两个:PET-铁氧体膜的整体厚度T和铁氧体膜/线圈的外径边长a,整体厚度T的立方与电感式压力传感器的灵敏度呈反比,外径边长a的平方与电感式压力传感器的灵敏度呈正比。

7.根据权利要求6所述的基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列,其特征在于:所述PET-铁氧体膜的整体厚度T和平面线圈的外径边长a;PET-铁氧体膜的厚度T值过大时,传感器的可压缩性和柔性会受到影响,为了同时确保电感式压力传感器的柔性,所述PET-铁氧体膜的整体厚度T选用150 250μm,所述PET-铁氧体膜的整体厚度T中铁氧体膜厚度t选用~了50 125μm,并通过改变PET膜的厚度来改变T值。

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8.基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列的制备方法,其特征在于:第一步,平面线圈制造,平面线圈中设置有至少一个线圈,线圈即平面电感,使用标准丝网印刷法和湿法蚀刻工艺对双面覆铜聚酰亚胺 PI 膜进行图案化,即制作平面螺旋电感,同时,在双面覆铜聚酰亚胺PI膜上添加弹性支柱的定位标记;

第二步,激光微加工,采用激光微机械加工技术,将铁氧体膜和PET膜切割成需要的尺寸,使用打孔器的冲头在双面胶带上切割出弹性圆柱作为弹性支柱;

第三步,器件组装,将弹性支柱对准PI膜上的弹性支柱的定位标记粘贴在平面电感上,并将铁氧体膜附着在PET膜的基底上形成PET-铁氧体膜,然后将PET-铁氧体膜组装到具有黏性的弹性支柱上;平面电感的起始端和末端分别使用铜线引出一个焊盘,通过连接导线引出。

9.根据权利要求8中所述的基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列的校验方法,其特征在于:所述传感器连接测试平台,所述测试平台包括实验台、线性位移导轨、测力计、阻抗分析仪;通过接测试平台对传感器进行灵敏度的校准,以及对所述传感器可重复性、响应时间和稳定性评估。

10.基于铁氧体膜的柔性电感式压力传感器阵列的校验方法,其特征在于:灵敏度的校准,通过测力计负责提供传感器承载的外部压力,测力计底端装有特制的圆锥形加压头,传感器平放于测力计下方,并固定在实验台上;

线性位移导轨垂直于实验台放置,测力计通过连接钉固定在线性位移导轨上,驱动线性位移导轨,能控制测力计移动的距离,传感器通过导线连接到用于测量平面线圈自感的阻抗分析仪上,阻抗分析仪为传感器提供了一个频率为1 kHz、峰-峰值为1 V的交流信号作为平面线圈的信号源,整个实验过程中,阻抗分析仪能实时显示平面线圈的自感;

测量传感器的最小分辨率时,首先将测力计的加压头置于即将与PET-铁氧体膜接触的临界位置,通过控制测力计在线性移动导轨上进行微小位移,使得PET-铁氧体膜承载的压力极小且增加缓慢,直到阻抗分析仪显示的平面线圈自感出现明显的响应后撤回压力,并实时记录阻抗分析仪显示的传感器输出值。