[发明专利]一种可拉伸的双向电容压力传感器及其使用方法

说明书

一种可拉伸的双向电容压力传感器(20)，包括：由介电材料制成的第一弹性片(22)，具有位于第一弹性片上或内的一系列导线(221)；由介电材料制成的第二弹性片(28)，具有位于第二弹性片上或内的一系列导线(261)；其中，第一弹性片的导线与第二弹性片的导线基本正交；微结构，包括由介电材料制成、设置于弹性片之间的多个弹性支柱(241)；其中，微结构被绑定至第一和第二弹性片上，以使双向传感器可以通过第一和第二弹性片的运动记录正压和负压。本发明的另一方面公开了一种通过使用二维电容压力传感器收集流过物体的流体的相关数据的方法。

技术领域

本发明通常涉及一种用于测量压力的传感器。更具体地，本发明涉及具有两个弹性片的可拉伸的双向电容压力传感器，该弹性片带有一系列由弹性微结构隔开的嵌入碳纳米管电极。更进一步地，本发明涉及一种收集流过物体的流体的相关数据的方法，更具体地，涉及一种通过使用可拉伸的二维压力传感器，收集流过物体的流体的相关数据的方法。

背景技术

柔性和/或可拉伸的压力传感器是最新的进展，且是研究中广受关注的领域。这些传感器通常为二维传感器，可以通过读取区域的读数来测量作用于该区域上的力。柔性/可拉伸传感器中使用的传感机制可以各不相同，但它们可以分为压阻式、电容式和压电式，其中电容式传感器灵敏度高、响应速度快，且动态范围宽。电容传感机制的工作原理是传感器的电容随着电极之间距离的变化而改变。

正如Lipomi等人在“Skin-like pressure and strain sensors based ontransparent elastic films of carbon nanotubes”，Nature nanotechnology 6(12)p788-792中所述，可拉伸传感器可以由嵌入在弹性材料中、由连续的柔性介电聚合物构成的隔离层分隔的两个电极层构成。虽然，这种结构允许测量施加于电极层的正压力；但是，它灵敏度低且无法测量施加于电极层的负压力。Mannsfeld等人在“Highly sensitiveflexible pressure sensors with microstructured rubber dielectric layers”，Nature Materials 9(10)p859-864中展示的最新进展已经确定，可以通过由微结构构成的分离层而不是连续层来提高灵敏度，特别是当微结构是金字塔微结构时。但是，由于金字塔微结构附着于单个电极层上，因此这种灵敏度的提高仅限于检测正压力。

用于电极的材料类型从刚性导体到电解液各不相同。由于存在泄漏和断裂的可能性，因此使用这些类型的导体限制了应用领域。Majidi等人在US20120118066 A1中描述了一种压力传感器，该压力传感器具有多个液体填充的微通道，用于诸如可穿戴技术等领域。

Xu等人在“stretchable batteries with self-similar serpentineinterconnects and integrated wireless recharging systems”Nature Communication4 p1543中描述了一种可拉伸的无线更换系统，该系统使用各种可拉伸电子设备，例如蛇形导线和使用形成超级电容的碳纳米管薄膜。

传统上，流体流动的分析和研究是使用计算方法或实验方法进行的。在风洞内使用模型是一种常见的实验方法。虽然通过将测压孔或单点传感器引入模型区域，可以测量这些点的压力，但由于测压孔位置数量的限制，很难获得更完整的图像。此外，由于风洞或其他实验装置的大小，所使用的模型在大小上受到限制。计算方法，例如计算流体动力学(CFD)，已经在某种程度上解决了实验方法的局限性。然而，计算方法的准确性受限于计算模型的复杂性和可用的计算能力。这两种方法也受到低雷诺数条件的挑战，因为在实验方法中可能难以观察到这些条件，或者在计算上求解可能存在问题。