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柔性压力传感器在刚性平面上的应用要点

2018-12-18
       柔性压力传感器是一种基于新型材料采用纳米工艺制备而成的新型压力传感器,不同于传统的压力传感器,因其柔韧性好、可自由弯曲、厚度小、灵敏度高、易于大规模生产等优点,尤其适用于柔软表面接触应力的测量,在智能家居、智慧医疗、可穿戴设备等领域具有广泛的应用前景。

图示:苏州能斯达电子柔性压力传感器产品
       苏州能斯达电子科技有限公司致力于柔性、薄膜压力传感器的研发和产业化,开创柔性传感和印刷电子行业领先品牌。在柔性压力传感器的应用中,柔性压力传感器具有超薄、可定制形状等优点,加上各行各业对柔性压力传感器有极大兴趣,不断尝试在自我产品上的应用。在此期间,由于对柔性压力传感器的了解、认识不够充分,部分客户在初期测试的时候会遇到一些问题,不利于柔性压力传感器技术与应用落地。本文将针对客户反馈“关于柔性压力传感器在刚性平面上的应用”问题,展开讨论,并给出应用建议。

       柔性压力传感器在刚性平面上测试时会发现柔性压力传感器输出电阻无变化柔性压力传感器检测到的压力与施加压力不对等的问题,以至于无法通过检测柔性传感器的电阻变化来监测接触应力的情况。

       两个刚性平面接触,表面之间产生接触应力,使用柔性压力传感器测量应力大小,可用下图所示模型表示:上下两个面为刚性面,柔性压力传感器置于两刚性平面中间。图中所示柔性压力传感器为苏州能斯达电子柔性压力传感器DF9-40系列产品。
 
 
图示:柔性压力传感器检测刚性平面间压力示意图
 
 
 
图示:苏州能斯达电子DF9-40柔性压力传感器
       DF9-40柔性压力传感器有效区域为图中压力传感器黑色敏感区域,只有敏感区域正常受力时,才可通过测量两电极之前的电阻值计算压力值。一般而言,如果测试时发现施加压力后,柔性压力传感器电阻值无变化(阻值极大)或不稳定,是因为敏感区域的受力不合理、不均匀所致。

       实际应用中,刚性平面的材质多种多样,有玻璃、塑料、树脂、金属等等;加工方式有模具注塑、冲压、切割、3D打印等等。由于设计公差和加工误差的因素,刚性平面并非绝对平整,在表面会形成轻微的凸起或凹陷:

     (1) 当柔性压力传感器敏感区域位于凹陷位置时,施加于刚性面的压力无法传导至敏感区域,此时敏感区无受力或受力微弱。反映在柔性压力传感器电极间的电阻为变化较小;
     (2) 当柔性压力传感器敏感区域位于凸起位置时,平面凸起处与柔性压力传感器接触面的大小、形状未知,此时若对刚性面施加压力,将会在敏感区域产生不可预知、不稳定的压力;同样不利于压力测量;

      造成上述问题的原因在于柔性压力传感器的厚度较小,通常在0.35mm以内,敏感区直径为7.5mm。测试时需要确保柔性压力传感器良好受力,这就要求不仅柔性压力传感器所在局部区域的平整度要小,整个刚性平面的平整度也要足够好,以免柔性压力传感器位置的刚性平面翘起。

       为了解决这一问题,可以从两方面考虑:

     (1)一方面提高刚性平面加工工艺,增加柔性压力传感器受力稳定性。

     (2)另一方面增加敏感区高度,确保受力稳定性。如下图所示,柔性压力传感器固定于刚性平面2上,在刚性平面1下方柔性压力传感器敏感区对应位置增加一个圆形胶垫。圆形胶垫具备一定的硬度和弹性,当两个刚性平面接触时,胶垫会与柔性压力传感器接触并产生一定的形变,可将刚性平面的接触压力传导至柔性压力传感器敏感区域;当刚性平面分离,胶垫恢复原状,应力消失。
 
图示:在刚性平面上贴胶垫以增加柔性压力传感器表面受力稳定
      贴胶垫以增加受力稳定性的方案可有效解决柔性传感器在刚性平面测量不稳定的问题,目前我公司已有若干客户采用此方案,实现了产品的批量化生产。
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