本實(shí)用新型涉及柔性傳感器，尤其涉及一種檢測(cè)應(yīng)變的柔性傳感器。

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背景技術(shù)：
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傳統(tǒng)的硅基傳感器易碎且無(wú)法承受較大變形的特點(diǎn)使其很難適應(yīng)復(fù)雜曲面，其應(yīng)用有自身局限性。PVDF電荷響應(yīng)低、易于使用、柔順性好和靈敏性高的特點(diǎn)使其成為最理想的感知材料，采用PVDF壓電薄膜制備的傳感器得到了十分廣泛的應(yīng)用。利用PVDF薄膜制備的傳感器與現(xiàn)有硅基材料傳感器相比，其性能有著硅基材料傳感器無(wú)法比擬的明顯優(yōu)勢(shì)。PVDF薄膜這種智能柔性傳感材料柔軟質(zhì)輕，與人體皮膚有很大形似性。采用柔性電子技術(shù)制備的柔性PVDF傳感器有很好的柔韌性、耐沖擊性，可適應(yīng)更復(fù)雜的表面，擴(kuò)展了傳感器的應(yīng)用范圍。這些新型的柔性PVDF傳感器可與人體充分接觸，用以監(jiān)測(cè)人體的健康狀態(tài)。

《儀表技術(shù)與傳感器》2016年第1期公開(kāi)了“一種柔性PVDF壓電薄膜傳感器的制備方案”，作者劉旭、武澎、呂延軍，公開(kāi)了一種具有柔性基底的PVDF壓電薄膜傳感器結(jié)構(gòu)，利用PVDF粉末制備了性能良好的PVDF壓電薄膜，并提出了一種柔性PVDF薄膜傳感器的制備方案。該P(yáng)VDF壓電薄膜傳感器結(jié)構(gòu)從下向上依次是PDMS層、底電極、PVDF薄膜、頂電極、環(huán)氧膠。該傳感器實(shí)驗(yàn)制備的主要工藝步驟包括：沉積二氧化硅層；制備PDMS層；噴金形成下電極層；旋涂形成PVDF層；噴金形成上電極層；刻蝕底電極層；刻蝕犧牲層；器件轉(zhuǎn)移；導(dǎo)線粘接，表面加固10個(gè)步驟。但是，該柔性PVDF薄膜傳感器的制備方案工藝復(fù)雜、引線困難、產(chǎn)品成本高。

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技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：
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本實(shí)用新型要解決的技術(shù)問(wèn)題是提供一種工藝簡(jiǎn)單、引線容易、產(chǎn)品成本低廉，能夠代替PVDF壓電薄膜傳感器用于監(jiān)測(cè)人體健康狀態(tài)數(shù)據(jù)的檢測(cè)應(yīng)變的柔性傳感器。

為了解決上述技術(shù)問(wèn)題，本實(shí)用新型采用的技術(shù)方案是，一種檢測(cè)應(yīng)變的柔性傳感器，包括應(yīng)變薄膜和信號(hào)放大電路，應(yīng)變薄膜包括柔性襯底、復(fù)數(shù)條平行的導(dǎo)電層和復(fù)數(shù)個(gè)電極，電極包括電源輸入端、正極輸出端和負(fù)極輸出端；導(dǎo)電層分別覆蓋在柔性襯底的上下表面，包括基質(zhì)和分散在基質(zhì)中的第一導(dǎo)電粒子；導(dǎo)電層的兩端與對(duì)應(yīng)的電極電連接。

以上所述的檢測(cè)應(yīng)變的柔性傳感器，導(dǎo)電層包括第二導(dǎo)電粒子，第一導(dǎo)電粒子是碳粉或金屬粉，第二導(dǎo)電粒子是碳纖維，納米碳管或石墨烯，第二導(dǎo)電粒子的兩端分別朝向兩個(gè)電極。

以上所述的檢測(cè)應(yīng)變的柔性傳感器，所述的基質(zhì)為聚合物。

以上所述的檢測(cè)應(yīng)變的柔性傳感器，應(yīng)變薄膜包括兩個(gè)彈性層，所述的彈性層覆蓋在導(dǎo)電層的外表面。

以上所述的檢測(cè)應(yīng)變的柔性傳感器，應(yīng)變薄膜包括4條所述的導(dǎo)電層，4條所述的導(dǎo)電層連接成惠斯頓電橋，惠斯頓電橋的兩個(gè)相對(duì)的橋臂布置柔性襯底的頂面，另外兩個(gè)相對(duì)的橋臂布置在柔性襯底的底面。

以上所述的檢測(cè)應(yīng)變的柔性傳感器，柔性襯底包括折合在一起的上襯底和下襯底；惠斯頓電橋的兩個(gè)相對(duì)的橋臂覆蓋在上襯底的上表面，另外兩個(gè)相對(duì)的橋臂覆蓋在下襯底的下表面。

以上所述的檢測(cè)應(yīng)變的柔性傳感器，信號(hào)放大電路包括微分電容、兩個(gè)負(fù)反饋放大電路和兩個(gè)低通濾波電路；應(yīng)變薄膜的正極輸出端經(jīng)微分電容接第一負(fù)反饋放大電路，第一負(fù)反饋放大電路經(jīng)第一低通濾波電路接第二負(fù)反饋放大電路；第二負(fù)反饋放大電路經(jīng)第二低通濾波電路輸出。

以上所述的檢測(cè)應(yīng)變的柔性傳感器，負(fù)反饋放大電路包括運(yùn)放和負(fù)反饋電阻，負(fù)反饋電阻連接運(yùn)放的輸出端和反相輸入端；第一低通濾波電路包括第一濾波電阻和第一濾波電容，第二低通濾波電路包括第二濾波電阻和第二濾波電容；應(yīng)變薄膜的正極輸出端通過(guò)微分電容接第一負(fù)反饋放大電路運(yùn)放的反相輸入端，第一負(fù)反饋放大電路運(yùn)放的輸出端通過(guò)第一濾波電阻經(jīng)負(fù)端輸入電阻接第二負(fù)反饋放大電路運(yùn)放的反相輸入端；第二負(fù)反饋放大電路運(yùn)放的輸出端通過(guò)第二濾波電阻輸出；第一濾波電容的第一端接第一濾波電阻與負(fù)端輸入電阻的連接點(diǎn)，第二端接地；第二濾波電容的第一端接第二濾波電阻的輸出端，第二端接地；第一負(fù)反饋放大電路運(yùn)放的同相輸入端和第二負(fù)反饋放大電路運(yùn)放的同相輸入端接應(yīng)變薄膜的負(fù)極輸出端。

本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)和加工工藝簡(jiǎn)單、引線容易、產(chǎn)品成本低廉，靈敏度高，能夠代替PVDF壓電薄膜傳感器用于監(jiān)測(cè)人體心跳和呼吸狀態(tài)數(shù)據(jù)。

[附圖說(shuō)明]

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步詳細(xì)的說(shuō)明。

圖1是本實(shí)用新型實(shí)施例1應(yīng)變薄膜的主視圖。

圖2是本實(shí)用新型實(shí)施例1應(yīng)變薄膜的俯視圖。

圖3是本實(shí)用新型實(shí)施例1應(yīng)變薄膜顯示導(dǎo)電層的俯視圖。

圖4是圖1的AA剖視圖。

圖5是本實(shí)用新型實(shí)施例2應(yīng)變薄膜主視圖。

圖6是本實(shí)用新型實(shí)施例2應(yīng)變薄膜的仰視圖。

圖7是本實(shí)用新型實(shí)施例1應(yīng)變薄膜對(duì)折前的結(jié)構(gòu)圖。

圖8是本實(shí)用新型實(shí)施例3應(yīng)變薄膜主視圖。

圖9是本實(shí)用新型實(shí)施例3應(yīng)變薄膜的仰視圖。

圖10是本實(shí)用新型實(shí)施例4信號(hào)放大電路的原理圖。

圖11是本實(shí)用新型實(shí)施例4信號(hào)放大電路輸出的波形圖。

[具體實(shí)施方式]

本實(shí)用新型實(shí)施例1應(yīng)變薄膜的結(jié)構(gòu)如圖1至圖4所示，包括柔性襯底(薄膜)1、兩條導(dǎo)電層2、兩個(gè)橡膠彈性層3和4個(gè)電極5。4個(gè)電極5包括電源正輸入端、電源負(fù)輸入端、正極輸出端和負(fù)極輸出端

兩條導(dǎo)電層2分別覆蓋在柔性襯底1的上下表面上，橡膠彈性層3覆蓋在導(dǎo)電層2的外面。電極5布置在導(dǎo)電層2的兩端。導(dǎo)電層2包括基質(zhì)201，分散在基質(zhì)201中的第一導(dǎo)電粒子(圖中未示出)和第二導(dǎo)電粒子202，第二導(dǎo)電粒子202的兩端分別朝向兩端的電極5。

其中，第二導(dǎo)電粒子202可以是碳纖維，納米碳管或石墨烯?；|(zhì)201為聚合物，聚合物可以是環(huán)氧樹(shù)脂、聚氨酯或丙烯酸樹(shù)脂。彈性層3為橡膠層，橡膠層覆蓋在導(dǎo)電層2的外表面。

柔性襯底1兩面的導(dǎo)電層2作為感應(yīng)材料，當(dāng)應(yīng)變薄膜受力時(shí)會(huì)隨著薄膜的彎曲，呈現(xiàn)不同的阻抗，本實(shí)用新型可能通過(guò)檢測(cè)導(dǎo)電層2阻抗的變化來(lái)檢測(cè)是否有變形發(fā)生。

本實(shí)用新型實(shí)施例2應(yīng)變薄膜的結(jié)構(gòu)如圖5至圖7所示，與實(shí)施例1不同的是，包括6根引線和4條導(dǎo)電層2，柔性襯底1包括疊合后粘貼在一起的上襯底101和下襯底102。上襯底101與下襯底102由同一塊柔性襯底材料對(duì)折后粘貼為一體；6根引線和4條導(dǎo)電層2全部印刷在柔性襯底材料的上表面。在圖7中，線30為對(duì)折裁剪線。

4條導(dǎo)電層2連接成惠斯頓電橋，柔性襯底材料對(duì)折后，惠斯頓電橋的兩個(gè)相對(duì)的橋臂，即導(dǎo)電層2-1和導(dǎo)電層2-2，覆蓋在上襯底101的上表面，惠斯頓電橋的另外兩個(gè)相對(duì)的橋臂，即導(dǎo)電層2-3和導(dǎo)電層2-4，覆蓋在下襯底102的下表面。

導(dǎo)電層2-1位于導(dǎo)電層2-4的正上方，導(dǎo)電層2-1右端的電極5與導(dǎo)電層2-4右端的電極5電連接。導(dǎo)電層2-2右端的電極5與導(dǎo)電層2-3右端的電極5電連接。

引線為銀漿走線，覆蓋在折疊后柔性襯底1的兩個(gè)表面上，引線6-1的右端與導(dǎo)電層2-1左端的電極5連接，引線6-2的右端與導(dǎo)電層2-2左端的電極5連接，引線6-3的右端與導(dǎo)電層2-3左端的電極5連接，引線6-4的右端與導(dǎo)電層2-4左端的電極5連接。引線6-5的右端與導(dǎo)電層2-1右端的電極5及導(dǎo)電層2-4右端的電極5連接，引線6-6的右端與導(dǎo)電層2-2右端的電極5及導(dǎo)電層2-3右端的電極5連接。引線6-5的主體部分、引線6-1和引線6-2覆蓋在上襯底101的上表面，引線6-6的主體部分、引線6-3和引線6-4覆蓋在下襯底102的下表面。6根引線的左端是應(yīng)變薄膜的接頭端，用于外接接頭。

本實(shí)用新型實(shí)施例3應(yīng)變薄膜的結(jié)構(gòu)如圖8和圖9所示，包括8根引線、4條導(dǎo)電層2和橡膠彈性層(圖中未示出)，柔性襯底1為單層薄膜。橡膠彈性層覆蓋在導(dǎo)電層2的外面

4條導(dǎo)電層2連接成惠斯頓電橋，惠斯頓電橋的兩個(gè)相對(duì)的橋臂，即導(dǎo)電層2-1和導(dǎo)電層2-2，覆蓋在柔性襯底1的上表面101上，惠斯頓電橋的另外兩個(gè)相對(duì)的橋臂，即導(dǎo)電層2-3和導(dǎo)電層2-4，覆蓋在柔性襯底1的下表面102上。

引線為銀漿走線，柔性襯底1的上表面有引線6-1、引線6-2、引線6-3和引線6-4。引線6-1與導(dǎo)電層2-1的右端連接，引線6-2與導(dǎo)電層2-1的左端連接；引線6-4與導(dǎo)電層2-2的右端連接，引線6-3與導(dǎo)電層2-2的左端連接。

柔性襯底1的下表面有引線6-5、引線6-6、引線6-7和引線6-8。引線6-7與導(dǎo)電層2-3的右端連接，引線6-5與導(dǎo)電層2-3的左端連接；引線6-8與導(dǎo)電層2-4的右端連接，引線6-6與導(dǎo)電層2-4的左端連接。

引線6-1和引線6-7通過(guò)過(guò)孔7-1電連接，并接左端的接地極G；引線6-2和引線6-6通過(guò)過(guò)孔7-2電連接，并接左端的輸出正極P；引線6-3和引線6-5通過(guò)過(guò)孔7-3電連接，并接左端的輸出負(fù)極N；引線6-4和引線6-8通過(guò)過(guò)孔7-4電連接，并接左端的電源正極V。

如圖10所示，信號(hào)放大電路包括微分電容、兩個(gè)負(fù)反饋放大電路和兩個(gè)低通濾波電路；應(yīng)變薄膜B1的正極輸出端經(jīng)微分電容接第一負(fù)反饋放大電路，第一負(fù)反饋放大電路經(jīng)第一低通濾波電路接第二負(fù)反饋放大電路；第二負(fù)反饋放大電路經(jīng)第二低通濾波電路輸出。

第一負(fù)反饋放大電路包括運(yùn)放U1A和負(fù)反饋電阻R5，負(fù)反饋電阻R5連接運(yùn)放U1A的輸出端和反相輸入端。第二負(fù)反饋放大電路包括運(yùn)放U1B和負(fù)反饋電阻R4，負(fù)反饋電阻R4連接運(yùn)放U1B的輸出端和反相輸入端。

第一低通濾波電路包括濾波電阻R1和濾波電容C3，第二低通濾波電路包括濾波電阻R3和濾波電容C4。

應(yīng)變薄膜B1的正極輸出端通過(guò)微分電容C2接運(yùn)放U1A的反相輸入端，運(yùn)放U1A的輸出端通過(guò)濾波電阻R1和負(fù)端輸入電阻R2接運(yùn)放U1B的反相輸入端，運(yùn)放U1B的輸出端通過(guò)濾波電阻R3輸出。

濾波電容C3的第一端接濾波電阻R1與負(fù)端輸入電阻R2的連接點(diǎn)，第二端接地；濾波電容C4的第一端接濾波電阻R3的輸出端，第二端接地.

運(yùn)放U1A的同相輸入端和運(yùn)放U1B的同相輸入端接應(yīng)變薄膜B1的負(fù)極輸出端。

當(dāng)應(yīng)變薄膜B1有形變時(shí)，應(yīng)變薄膜柔性襯底兩面的導(dǎo)電層，一面因拉伸電阻變大，一面因壓縮電阻變小，電橋輸出差分值變大。微分電容C2將按壓形變瞬間的微分信號(hào)傳遞給運(yùn)放U1A,放大的信號(hào)經(jīng)R1、C3低通濾波，去除噪聲后，送給第二級(jí)放大電路U1B,放大的信號(hào)經(jīng)R3、C4低通濾波后，輸出給ADC轉(zhuǎn)為數(shù)字信號(hào)。經(jīng)過(guò)這個(gè)信號(hào)放大電路，能將應(yīng)變薄膜很小的信號(hào)放大10000倍以上，使之達(dá)到壓電薄膜的輸出幅度。

本實(shí)用新型以上實(shí)施例的檢測(cè)應(yīng)變的柔性傳感器采用了應(yīng)變薄膜技術(shù)，結(jié)構(gòu)和加工工藝簡(jiǎn)單、引線容易、產(chǎn)品成本低廉，靈敏度高，能夠完全替代PVDF壓電薄膜。放在床墊里，能檢測(cè)到人體的心跳和呼吸，測(cè)得數(shù)據(jù)曲線如圖11。放在枕頭下面，同樣能檢測(cè)到心跳波形。應(yīng)變薄膜樣品，可以彎曲成10mm直徑的圓，柔韌性好，彎曲100萬(wàn)次也不會(huì)損壞。