一種用于探測微弱應力的傳感器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及微弱應力探測技術，具體涉及一種用于探測微弱應力的傳感器及其制備方法，在微弱脈搏檢測、噪音檢測以及流量檢測等領域具有良好的應用前景。
【背景技術】
[0002]壓力傳感器是工業中常用的傳感器之一，廣泛應用于工業自動控制領域，涉及水利水電、鐵路交通、智能建筑、生產自控、航空航天、軍工、機床等眾多行業。
[0003]隨著柔性電子學及可穿戴設備的發展，應力傳感器越來越受到人們的關注。傳統的壓力傳感器可以分為壓阻式、電容式、壓電式等幾大類。
[0004]壓電式壓力傳感器是根據壓電效應制成的傳感器，具有結構簡單、重復性好、精度較高、靈敏度好、動態范圍寬、機械性能優良等優點，但是存在信號采集電路復雜、成本高等不足。
[0005]壓阻式壓力傳感器利用金屬或者半導體的電阻隨外界壓力的變化而變化的原理進行工作。目前應用的壓阻式壓力傳感器主要是硅基壓力傳感器，具有應用廣泛、動態范圍寬、利于集成等優點。但是，硅基壓力傳感器的使用溫度一般低于125°C，不能在高溫下使用，并且所測量的壓力下限一般為lOOOPa，不能測量超微壓力。
[0006]電容式壓力傳感器利用電容量隨壓力改變而變化的原理實現外界壓力的檢測，具有結構簡單、功耗低、線性度好、體積小等優點。但是，電容式應力傳感器易受到連接導線中的寄生電容影響，因此對測量電路要求較高。
[0007]上述應力傳感器在工業中均有較為廣泛的應用，但是適合測量微弱應力或微弱應變的傳感器卻不常見，例如用于探測脈搏產生等。
【發明內容】
[0008]針對上述技術現狀，本發明旨在提供一種用于探測微弱應力的傳感器。
[0009]為了實現上述技術目的，本發明人在本發明中所提供的技術方案是:一種用于探測微弱應力的傳感器，包括支撐殼體，以及位于支撐殼體內部的電感線圈；所述的電感線圈包括磁芯與空心線圈，磁芯穿過空心線圈內部；
[0010]所述的支撐殼體包括柔性支撐面，柔性支撐面上方連接柔性突起，柔性支撐面下方連接磁場單元，用于為電感線圈提供磁場；
[0011]工作狀態時，外界微弱應力作用在柔性突起上，柔性突起產生壓應力帶動柔性支撐面發生形變，引起磁場單元作用于電感線圈中的磁通量變化，線圈阻抗隨之改變，線圈兩端為阻抗輸出端，線圈兩端輸出該阻抗。
[0012]外界微弱應力的來源不限，可以是脈搏的起伏、氣流的沖撞、聲音音量引起的振動等。
[0013]所述的柔性支撐面材料不限，可以是聚二甲基硅氧烷(PDMS)、橡膠等柔性材料。
[0014]所述的柔性突起材料不限，可以是PDMS、橡膠等柔性材料。
[0015]當柔性支撐面材料的柔性較大時，有利于柔性支撐面發生較大形變，從而提高應力傳感靈敏度。因此，作為優選，所述的柔性支撐面材料的柔性大于柔性突起材料的柔性。
[0016]所述的磁場單元用于為電感線圈提供磁場，其材料不限，包括柔性材料與非柔性材料。作為優選，所述的磁場單元為柔性材料。作為一種優選的實現方式，所述的磁場單元由柔性材料PDMS與分布在PDMS中的磁粉組成。所述的磁粉包括但不限于永磁粉，例如鐵氧體等。
[0017]所述的磁芯為磁性材料，包括但不限于磁性金屬、磁性合金、非晶磁性材料等。
[0018]非晶磁致伸縮材料是非晶磁性材料中的一種。非晶磁致伸縮材料具有良好的巨磁阻抗以及巨應力阻抗效應，與巨應力阻抗效應相比，巨磁阻抗效應更為明顯，即微弱的磁場變化將會導致非晶磁致伸縮材料的阻抗發生變化。因此，本發明中，磁芯選用非晶磁致伸縮材料有利于提尚應力傳感靈敏度。
[0019]所述的非晶磁致伸縮材料可以是鐵基非晶軟磁材料或者鈷基非晶軟磁材料，包括但不限于 FeSiB、FeCuNbSiB, FeNiSiB, FeCoSiB, GdFeCo, CoSiB 等。
[0020]所述的空心線圈結構不限，可以是漆包線繞行在空心筒外圍而形成。
[0021]在柔性支撐面中，位于柔性突起正下方的位置的形變最大，因此，作為優選，所述的磁場單元位于柔性突起的正下方，有利于提高傳感靈敏度。
[0022]所述的支撐殼體的形狀不限，可以是中空柱體(或稱為鼓形)，其橫截面形狀不限，包括圓形、矩形、多邊形等，也可以是中空錐體，其橫截面形狀不限，包括圓形、矩形、多邊形等。
[0023]所述的突起面形狀不限，包括球面、橢圓面、圓柱面等。
[0024]所述的阻抗輸出端與阻抗分析儀相連接，或者阻抗輸出端與電阻構成惠斯通電橋結構，并且阻抗輸出端為惠斯通電橋的一個橋臂，惠斯通電橋的輸出與電壓表或電流表或阻抗分析儀相連接。
[0025]本發明還提供了一種制備上述應力傳感器的方法，其中，所述的支撐殼體材料為PDMS、柔性突起材料為PDMS、磁場單元由PDMS與分布在PDMS中的磁粉組成，包括如下步驟:
[0026](I)制備磁場單元
[0027]PDMS主劑與固化劑組成PDMS混合液，將PDMS混合液與磁粉混合均勻，在60?120 C中供干，然后取出在磁場中磁化。
[0028]步驟(I)中，作為優選，所述的PDMS混合液中，PDMS主劑與固化劑的質量比為10:
I?2山
[0029]步驟(I)中，作為優選，所述的PDMS混合液與磁粉的質量比為10:1?2:1。
[0030]步驟⑴中，作為優選，所述的磁場強度為I?2特斯拉。
[0031]步驟⑴中，作為優選，所述的烘干時間為0.5?4小時。
[0032](2)制備支撐殼體
[0033]支撐殼體由殼體底座以及殼體上部分組成，所述的殼體上部分包括除殼體底座外的殼體其余部分，即包括柔性支撐面。
[0034](2-1)制備殼體上部分
[0035]采用模具制備所述的殼體上部分，殼體上部分的模具，由上模具與下模具組成；將PDMS主劑與固化劑混合均勻后灌注在下模具中，然后將磁場單元放置在下模具底部中央位置，再扣合上模具，經烘干后，得到集成磁場單元的殼體上部分8。
[0036]步驟(2-1)中，作為優選，PDMS主劑與固化劑的質量比為15:1?5:1。
[0037]步驟(2-1)中，作為優選，所述的烘干溫度為60?120°C。
[0038]步驟(2-1)中，作為優選，所述的烘干時間為0.5?3小時。
[0039](2-2)制備殼體底座
[0040]采用模具制備所述的殼體底座；將PDMS主劑與固化劑混合均勻后灌注在殼體底座模具中，然后將電感線圈置于殼體底座模具的底部中央位置，再倒扣步驟(2-1)制得的集成磁場單元的殼體上部分，經烘干后，得到集成磁場單元與電感線圈的支撐殼體。
[0041]步驟(2-2)中，作為優選，PDMS主劑與固化劑的質量比為10:1?3:1。
[0042]步驟(2-2)中，作為優選，所述的烘干溫度為60?100°C。
[0043]步驟(2-2)中，作為優選，所述的烘干時間為0.5?3小時。
[0044](3)制備突起
[0045]采用模具制備所述的突起，將PDMS主劑與固化劑混合均勻后置于突起模具中，烘干后取出脫模，得到突起。
[0046]步驟(3)中，作為優選，PDMS主劑與固化劑的質量比為10:1?2:1。
[0047]步驟(3)中，作為優選，所述的烘干溫度為60?120°C ;
[0048]步驟(3)中，作為優選，所述的烘干時間為0.5?4小時；
[0049](4)將步驟(3)制得的突起置于柔性支撐面的上表面，連接位置處涂覆PDMS主劑與固化劑的混合液，然后烘干，突起粘接在柔性支撐面上。
[0050]步驟⑷中，作為優選，PDMS主劑與固化劑的質量比為10:1?2:1 ;
[0051]步驟(4)中，作為優選，所述的烘干溫度為60?120°C。
[0052]綜上所述，本發明采用柔性支撐體、柔性突起，磁場單元以及電感線圈，通過結構設計，將外界微弱應力作用在柔性突起上，柔性突起產生壓應力帶動柔性支撐面發生形變，引起磁場單元作用于電感線圈中的磁通量變化，線圈阻抗隨之改變，通過線圈兩端輸出該阻抗，從而實現了對外界微弱應力應變的探測。該壓力傳感器結構簡單，成本低，靈敏度高，尤其是當電感線圈中的磁芯為具有巨磁阻抗材料時，由微弱壓力信號產生的微弱磁場變化會導致明顯的線圈阻抗變化，從而能夠進一步提高檢測靈敏度。另外，該壓力傳感器生物兼容性好，并且具有無線探測兼容性，因此適用于探測各種微弱應力或微弱應變，例如用于探測脈搏產生的應力，氣流產生的應力，以及聲音產生的應力等，具有良好的應用前景。
【附圖說明】
[0053]圖1是本發明實施例中用于檢測微弱應力的傳感器的結構示意圖；
[0054]圖2是用于制備圖1中柔性支撐體下部分的下模具結構示意圖；
[0055]圖3是用于制備圖1中柔性支撐體下部分的上模具結構示意圖；
[0056]圖4是利用圖1所示壓力傳感器探測脈搏的結果圖。
具體實施方案
[0057]下面結合附圖與實施例，進一步闡明本發明。應理解，這些實施例僅用于說明本發明，而不用于限制本發明的范圍。
[0058]圖1至3中的附圖標記為:柔性支撐面1、電感線圈2、殼體側壁3、磁場單元4、突起5、位置6、位置7、集成磁場單元的殼體上部分8。
[0059]本實施例中，如圖1所示，用于探