[发明专利]基于液态金属的高灵敏度拉力传感器及其制造方法

说明书

本发明公开了一种基于液态金属的高灵敏度拉力传感器及其制造方法。拉力传感器的上基片上布置有第一液态金属电阻R1和第三液态金属电阻R3，下基片上布置有第二液态金属电阻R2和第四液态金属电阻R4，中间隔层分隔上基片（1）和下基片（2）；四个液态金属电阻R1、R2、R3和R4电连接构成电桥。制造方法的步骤是：1、制作上基片、下基片和中间隔层的模具；2、将液态的PDMS分别倒入步骤1的模具中，待PDMS凝固以后，从模具中取出；3、将步骤2制作好的PDMS片层进行键合；4、打孔，利用注射器将液态金属注入，用502胶水进行封口。本发明的技术效果：提高了拉力检测的灵敏度，能自动补偿温度。

技术领域

本发明属于一种拉力传感器，具体涉及一种基于液态金属的拉力传感器和该拉力传感器的制造方法。

背景技术

柔性传感器在可穿戴电子，机器人，健康监测以及环境监测中具有广阔用途。在实际应用中，尤其是基于液态金属的硅橡胶柔性传感器更具有优势，因为它可以在产生超过200％的应变的情况下，仍不产生破坏。但是，现有的基于液态金属的柔性传感器不能检测和处理微小的拉力变化，即拉力的灵敏度较低，导致其应用受到很大的限制。

由于基于液态金属的柔性传感器因拉力产生变形，引起液态金属的电阻变化，所以检测出液态金属的电阻变化值，就能换算成拉力变化。电桥电路适用于测量微小电阻变化。现有的基于液态金属的柔性传感器有的采用单臂工作电桥的测量电路检测拉力变化，还有的采用分压式电路结构测量拉力变化，其灵敏度较低，且受温度影响较大。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明所要解决的技术问题就是提供一种基于液态金属的高灵敏度拉力传感器，它能够提高拉力检测的灵敏度、自动补偿温度、且能减小体积；本发明还提供一种该拉力传感器的制造方法。

为了解决上述技术问题：

本发明所提供的一种基于液态金属的高灵敏度拉力传感器，包括上基片、下基片和中间隔层，上基片上布置有第一液态金属电阻R1和第三液态金属电阻R3，下基片上布置有第二液态金属电阻R2和第四液态金属电阻R4，中间隔层分隔上基片和下基片，四个液态金属电阻R1、R2、R3和R4电连接构成电桥，电桥的一组对角点接入直流电源、另一组对角点输出检测电压；

所述液态金属电阻是在基片刻制的微流道内充入液态金属获得的电阻，上基片的第一微流道和第三微流道平行于拉伸方向排列，下基片的第二微流道和第四微流道垂直于拉伸方向排列。

本发明的基本原理：

电桥电路如图3所示，该电桥有四个电阻R1、R2、R3和R4，称为电桥的四个桥臂，现有基于液态金属的柔性传感器仅有一个液态金属电阻接入其中一个桥臂，本专利申请称之为“单臂工作电桥”。

本发明的四个桥臂全部接入液态金属电阻，本专利申请称之为“全臂工作电桥”。

以下推导“单臂工作电桥”与“全臂工作电桥”的检测灵敏度和温度补偿的工作原理：

电桥电路的一组对角点A、C接入直流电压(称为电源对角线)，另一组对角点B、D为输出信号Uc端(称为测量对角线)；设输出信号端的测量仪内阻为Rc,流经R1、R4、Rc的电流分别为I₁、I₄、Ic。

根据基尔霍夫电流定律和回路电压定律对节点A、B、D进行分析，对UABC回路、ABD回路和UADC回路，则有方程组：

联立求解得

令I_c＝0，则有：R₁R₃＝R₂R₄(U≠0)。此时电桥处于平衡状态，没有信号输出。