[发明专利]一种柔性自供能压力传感器

说明书

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种柔性自供能压力传感器，包括相互贴附设置的介电摩擦层和水凝胶介电层；介电摩擦层和水凝胶介电层的外侧分别依次设置有电极层和保护层，其中：水凝胶介电层为高分子聚合物和导电液体的混合物；介电摩擦层为摩擦介电高分子材料制成；介电摩擦层与水凝胶介电层的接触面上设置有凸起状的微结构。本发明提供的柔性压力传感器可用于测量结构所受的压力，相比传统压阻传感器、压电传感器和电容传感器，通过自身在受到外界压力来提供电源的构思，使得到的传感器具有柔性、功耗低，灵敏度高且测量时不需要添加电源的优点，本发明提供的柔性压力在可穿戴传感器和结构表面压力测量方面具有较大的潜在应用价值。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种柔性自供能压力传感器。

背景技术

随着科学技术的不断发展，人类社会的智能化程度越来越高，而传感器作为提供信息的主要来源，是物联网、智能设备、无人驾驶等的“心脏”。根据传感原理的不同，目前应用的传感器主要有压电传感器，压阻传感器，电容传感器三类，主要用于检测结构所受的应力、应变、温度、湿度等参数。相比压电和压阻两类传感器，电容传感器具有结构简单、能耗低、动态响应好、不易受环境因素影响等优点，因此被广泛用于航空航天、消费电子、生物传感等重要领域。

传统电容传感器是由两个平行电极组成，极间以空气为介质把被测的机械量转换为电容量的变化[Eaton W P,Staple B D,Smith J H.Capacitance pressure sensor:U.S.Patent6,012,336[P].2000-1-11.]。

经过多年的不断完善和发展，该类制作成本低，稳定性高，且针对这类传感器发展的各种补偿电路完善。但是这类电容传感器主要由硅材料制成，其承受变形能力差，灵敏度低，且其测量电路复杂，需要添加放大电路和滤波电路等，大大的增加了测量成本和后续的维护费用。

近年来，随着电子设备的迅速发展，柔性传感器在可穿戴设备、健康监测以及智能机器人等重要领域的发展潜力得到了广泛的关注和研究。柔性电容传感器主要基于柔性高分子材料易于变形的特点，通过在柔性高分子材料中添加碳纳米管、石墨烯、金属纳米颗粒等导电材料作为电容传感器的电极材料，通过测量量柔性电极之间的电容变化检测压力的大小。该类传感器除了具有刚性传感器的特点外还具有优良的柔韧性、延展性以及可以自由弯曲甚至折叠等特点[D.P.J.Cotton,I.M.Graz,S.P.Lacour,A MultifunctionalCapacitive Sensor for Stretchable Electronic Skins,IEEE Sens J 9(2009)2008-9.]。

利用导电高分子材料作为电容传感器电极，虽然可以提高传感器柔性性能，但其灵敏度较低。而为了提高传感器的灵敏度，国内外许多科研工作者通过模具把介电层做成金字塔、多孔、柱状阵列等结构可以有效地提高传感器的灵敏度，但随着外界压力的增大，传感器的量程会大幅降低。而且，上述所有传感器在测量时均需要外加辅助电源，大大的增加了测量成本。因此，发明一种柔性、功耗低，灵敏度高且测量时不需要添加电源的压力传感器具有重要意义。

发明内容

为解决上述背景技术中提到的问题，本发明提供一种柔性自供能压力传感器，包括相互贴附设置的介电摩擦层和水凝胶介电层；所述介电摩擦层和水凝胶介电层的外侧分别依次设置有电极层和保护层，其中：

所述水凝胶介电层为高分子聚合物和导电液体的混合物；

所述介电摩擦层为摩擦介电高分子材料制成；

所述介电摩擦层与所述水凝胶介电层的接触面上设置有凸起状的微结构；具体所述凸起状可以为半球状结构。

在上述方案的基础上，进一步地，所述保护层可以采用柔性材料制成，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚酰亚胺(PI)，硅胶(Ecoflex)等。