CN101201277A - 阵列式超薄柔顺力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及阵列式超薄柔顺力传感器及其制备方法，属于力传感器技术领域，该传感器包括封装成一体的上下层电极及压于其间的导电高分子敏感膜，还包括通过信号线与该上下层电极相连的前置电路，导电高分子敏感膜采用主要以作为导电相的导电炭黑、以作为绝缘相的单组份硅橡胶和纳米SiO₂分散剂构成的具有压阻效应的导电高分子敏感膜，所述上下层电极均为利用柔性印刷电路板工艺在薄膜基底上制作的多条电极及与每个电极条相连的一条信号线，所述上、下层电极条相互交叉与所述导电高分子敏感膜构成M×N敏感单元阵列；所述各信号线汇集一起，形成引出密排电缆。本发明具有结构纤薄、柔顺性好、量程大、精度高、分辨率高的特点。

Description

阵列式超薄柔顺力传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于力传感器技术领域，特别涉及到阵列式超薄柔顺力传感器的结构设计。

背景技术

“柔顺传感器”概念的提出可以追溯到上世纪80年代末期，航空航天器中的许多特殊结构给传统刚性传感器的安装带来了很大困难。人们希望传感器具有良好的柔顺性能，不受被测物体形状限制，能够贴附于各种规则或不规则曲面实现正常的传感功能。进入上世纪90年代以后，美国、法国、日本、瑞士和葡萄牙等国家的科学家开始进行柔顺传感器的研究工作，许多新型的传感器材料和结构被应用到这一研究领域之中。

柔顺力传感器是柔顺传感器的一种，主要应用于挤压力和触觉力的测量。在柔顺传感器的研究中，柔顺力传感器一直占有重要的地位，根据敏感元件的不同，柔顺力传感器可分为三类：压电薄膜柔顺力传感器、半导体材料柔顺力传感器和导电高分子复合材料柔顺力传感器。

(1)压电薄膜柔顺力传感器

以瑞士的Kistler公司产品为主导，被应用于运动医学、口腔医学和汽车工程等领域中。这种传感器利用具有正压电效应的聚偏氟乙烯薄膜(PVDF)作为敏感材料，测量在动态力作用下敏感材料上下表面产生的电荷积累，从而反映力的大小。目前，对于PVDF压电薄膜的研究已经较为成熟，但压电薄膜柔顺力敏传感器仅能应用于动态力的测量。

由于敏感元件产生的电荷较弱，这种传感器对引出线的横截面积和长度都有较高的要求，无法应用超薄柔顺的密排电缆。

(2)半导体材料柔顺力传感器

随着MEMS加工技术的成熟，出现了半导体材料柔性力敏传感器。这一类型传感器的研究工作主要集中在半导体敏感单元的设计、加工以及柔性封装结构的设计上。2000年，德国杜伊斯堡大学在传统的圆形硅杯式压力传感器的基础上，利用橡胶制做了横隔膜上的凸台，研制了一种挤压力传感器。(Michael Leineweber，Georg Pelz，Michael Schmidt，et al.Newtactile sensor chip with silicone rubber cover.用硅橡胶封装的新型触觉传感器芯片。Sensors AndActuators A，传感器与执行器A，2000，84(3)：236～245)同年，中国科技大学研制出了一种硅压阻式触觉传感器，该传感器用弹性硅橡胶进行封装，并利用硬质凸台柱将触觉力传递至敏感单元。(Tao Mei，Wen J.Li，Yu Ge，et al.An integrated MEMS three-dimensional tactile sensorwith large force range.一种大量程的集成式MEMS三维触觉传感器。Sensors And Actuators A，传感器与执行器A，2000，80(2)：155～162)

这两种传感器都是以传统压力传感器的硅杯结构为基础，再附加力敏凸台和简单的柔性封装结构而成，它们可以实现接触挤压力的测量，但并不具有良好的柔顺性。

采用了MEMS工艺的半导体材料柔性力敏传感器具有精度高、分辨率高、线性度好、稳定性好、响应速度快等优点。随着体结构设计和加工技术的进步，它也能够实现较好的柔韧性。但是半导体材料柔性力敏传感器仍然属于微型传感器的范畴，通常在较小的面积内分布几十～数百个敏感单元。这虽然提高了空间分辨率，却无法充分发挥柔性传感器的优势，不能有效地测量大面积分布的力。另外，测力量程较小、加工工艺比较复杂、加工费用昂贵、成品率较低、器件容易受到损坏等不足都限制了它的应用。目前，半导体材料柔性力敏传感器仅适用于微型系统中力的测量，例如小卫星、小飞机、微型制动开关、微型机器人等。

(3)导电高分子复合材料柔顺力传感器

导电高分子复合材料指近年来常见的导电橡胶、导电塑料、导电涂料、导电胶粘剂和导电薄膜等。导电高分子复合材料分为填充型和化合型两种，前者是将导电颗粒混合入聚合物基体中形成导电通道，是两种以上材料的混合体；而后者只是单一材料，自身具有导电性。功能材料领域的研究发现，填充型导电高分子复合材料具有压阻效应，因此一些研究机构利用其作为敏感元件材料，研制了柔顺力传感器。

1993年，日本工业产品研究所利用银粉填充丁晴橡胶复合材料的压阻效应，研制出一种触觉传感器(Makoto Shimojo，Masatoshi Ishikawa，Kikuo Kankaya.A flexible high resolutiontactile imager with video signal output.一种带视频输出的柔顺的高分辨率触觉成像器。Proceedings of The 1993 IEEE International Conference On Robotics And AutomationSacramento，1993年IEEE国际机器人与自动控制会议论文集Califorria，1993：384～391)，该传感器具有较好的柔顺性能。但是，由于银粉的导电规律不稳定等问题，传感器仅能测量0MPa、5MPa、20MPa三级阈值量，与大多数应用要求相比还有不小的差距。

2001年，日本大阪大学的研究人员研制了一种具有压阻效应的填充型高分子复合材料(Manwar Hussain，Yong-Ho Choa，Koichi Niihara.Fabrication process and electrical behavior ofnovel pressure-sensitive composites.新型压敏复合材料的制备过程与电学行为。Composites A，复合材料A，2001，32(4)：1689～1696)。该材料的制备方法为：将10～100μm直径的导电炭黑填充入双组份室温硫化硅橡胶中，采用正己烷作为有机溶剂，导电炭黑与双组份硫化硅橡胶的填充比例为1∶(20％～50％)，并采用了总量的0.6％～1.0％的Al₂O₃颗粒作为了分散剂成份，再进行硫化成型，时间为5℃下7天或10℃下3天，成型后的敏感材料厚度为0.5mm。在文献中，仅给出了一系列实验曲线，而没有给出定量的精度、分辨率等指标，并且没有进行敏感元件的结构设计和封装，无法实际应用。

2002年，日本东京大学利用具有压阻效应的力敏橡胶作为敏感元件，研制了一种挤压力传感器(Makoto Shinmojo，Ryota Makino，Akio Namiki，et al.A sheet type tactile sensor usingpressure conductive rubber with electrical-wires stitches method.一种用导电橡胶缝制导线法的片状触觉传感器。Proceedings of IEEE Sensors 2002，2002年IEEE传感器国际会议论文集，Orlando，USA，2002：1637～1642)，厚度为0.5mm，面积为5cm×10cm。该传感器可以贴附于一个机器人手指上，显示了较好的柔顺性。然而，传感器的厚度过大，影响了挤压力的传递，而且该敏感材料的压阻性能不高，导致传感器测力量程较小(仅为0～0.5MPa)和误差较大(达到20％FS)，因此仅能用于分布力的定性测量。另外，缝合用的铜箔引线强度不高，较容易折断。未经封装的导电橡胶也比较容易老化，从而丧失力敏性能。

美国Tekscan公司从上世纪90年代开始，就一直进行柔顺传感器的研究工作。2003年，该公司推出了一种导电高分子复合材料柔顺力传感器(Thomas V.Papakostas，Julian Lima，Mark Lowe.A large area force sensor for smart skin applications.一种为智能皮肤应用的大面积力传感器。Proceedings of IEEE Sensors 2002 Orlando，2002年IEEE国际传感器会议，USA，2002：1620～1624)，该传感器面积由十几平方厘米到一平方米不等，厚度为0.15mm。传感器敏感单元由上下两层电极和一层导电高分子复合材料构成，引线长度可达到700mm。采用聚酰亚胺膜将上下两层电极和一层导电高分子复合材料封装成一个传感器整体，保证了柔韧性和可靠性，最小允许弯曲半径达到100mm。但是，该传感器也并没有利用导电高分子复合材料的压阻效应，而是利用该导电高分子复合材料与电极之间的接触电阻变化来测量挤压力。因此，该传感器在制备过程更关注材料的导电性，直接加入了尽可能多的导电颗粒。而且，该传感器材料中的导电颗粒以银粉为主。目前，Tekscan公司的传感器误差较大，为10％～15％，并且响应较慢、迟滞现象明显。

总而言之，导电高分子复合材料柔顺力传感器具有柔顺性能好、测力量程和有效面积大，加工工艺比较简单、加工费用较低等优点。可用于工业生产和人体医疗康复过程中曲面间接触力和挤压力的在线监测，但是，为满足实际应用，这种传感器的厚度、精度、分辨率、线性度、稳定性和响应速度等性能指标都需要进一步提高。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种阵列式超薄柔顺力传感器。具有结构纤薄、柔顺性好、量程大、精度高、分辨率高的特点，特别适合用于工业生产和人体医疗康复过程中曲面间接触力的在线检测。

本发明提出的基于超薄柔顺敏感元件的挤压力传感器，包括封装成一体的上下层电极及压于其间的导电高分子敏感膜，还包括通过信号线与该上下层电极相连的前置电路，其特征在于：所述的导电高分子敏感膜采用主要以作为导电相的导电炭黑、以作为绝缘相的单组份硅橡胶和纳米SiO₂分散剂构成的具有压阻效应的导电高分子敏感膜，所述上下层电极均为利用柔性印刷电路板工艺在薄膜基底上制作的多条电极及与每个电极条相连的一条信号线，所述上、下层电极条相互交叉与所述导电高分子敏感膜构成M×N敏感单元阵列，M、N分别为上、下层或下、上层电极的条数，M、N均为正整数且M≥N；所述各信号线汇集一起，形成引出密排电缆。

本发明提出的制备上述传感器的方法，其特征在于，该方法包括超薄柔顺导电高分子敏感膜的制备和采用该敏感膜的阵列式柔顺力传感器的制备两部分，所述超薄柔顺导电高分子敏感膜的制备，包括以下步骤：

11)将平均直径小于1μm的导电炭黑粉末、10-50nm的SiO₂分散剂粉末和液态单组份硅橡胶在浓度为95％以上丙酮有机溶剂中混合；其中，各成分的体积浓度百分比为：单组份硅橡胶∶导电炭黑粉末∶纳米SiO₂分散剂粉末∶丙酮有机溶剂＝100∶10～15∶1～3∶300～500；

12)在超声振荡下进行机械搅拌，搅拌环境温度为40-60℃，搅拌时间为2-4小时，达到凝胶状态混合体；

13)再继续机械搅拌20-30分钟，使丙酮挥发；

14)将挥发后的混合体滴入旋转平台，旋涂成型，厚度为70-100μm的导电高分子膜；

15)用该导电高分子膜总体积1％的正硅酸乙脂交联剂和2％的二月桂酸二丁基锡催化剂对该导电高分子膜上进行硫化，时间为24小时以上，以形成良好的弹性膜；

上述步骤13)中还可将混合体总体积量的3-5％的粒径为20～30μm的顺丁橡胶颗粒加入到该混合体中后，再继续机械搅拌20-30分钟，使丙酮挥发；

采用所述敏感膜制备阵列式超薄柔顺力传感器的方法，包括以下步骤：

21)聚酰亚胺薄膜覆铜：在聚酰亚胺薄膜上覆合一层铜箔；

22)光刻电极和引线：对铜箔进行光刻形成上层行电极条、下层列电极条、密排引线和外接插头；行、列电极条互相垂直形成阵列，行、列引线和插头互相错开；

23)涂覆定位胶：在电极之间涂覆一层定位胶，以固定高分子敏感膜在电极上的位置；

24)贴附导电高分子敏感膜：将制备好的超薄导电高分子敏感膜剪裁成与电极层相应的尺寸，贴附在下层列电极上；

25)涂覆封装胶：在下层电极的聚酰亚胺薄膜边缘涂覆具有热固性的封装胶；

26)热压封装：将上层行电极贴附超薄导电高分子敏感膜，利用柔性材料封装机进行热压封装成一个阵列式柔顺传感器探头；

27)将封装好的柔顺传感器探头的引出密排电缆的插头与前置电路相连，形成阵列式超薄柔顺力传感器。

本发明的特点：

1、本发明中的敏感元件，具有大的量程，以及高的力敏精度和分辨率。

2、本发明中，敏感元件阵列及其引出电缆的基底材料具有良好的柔顺性。因此，传感器可以贴附在任意形状的表面间进行测量。而传统的力传感器无法安装在曲面上进行测量。

3、可进行大面积范围内的快速测量。由于采用了FPCB工艺，传感器阵列可以分布在很大的面积范围内(400mm×700mm甚至更大)，从而实现大面积范围的测量。而其它工艺，如MEMS等微细加工工艺，就无法制作大面积范围的柔性传感器阵列，因此也难以实现大面积范围内的测量。如果利用单个传感器进行大面积范围的测量，则需要利用机械装置控制传感器或被测目标按规律动作，这必然影响测量的速度和精度。而在本发明中，利用多路选通开关，对传感器阵列实现快速循环扫描。扫描一个通道仅需20毫秒。

4、超薄。传感器阵列及其引出电缆的厚度最小可做到0.13mm，适合安装在狭小的空间中进行测量。

5、密排电缆。传感器阵列的引线汇集到一起，形成密排长电缆，使结构更加紧凑。由于采用循环扫描的测量方法，任意时刻，电缆中只有一对线中有信号传输，因此，电缆所传输信号互不干扰。

6、本发明采用的前置电路带有负反馈调节电阻的，以及采用数模转换方式，以及采用行列交叉选通方式，能够减少选通开关数量，并实现线性输出。

7、本发明相对传统力传感器，能适用于更多测量场合，如曲面测量、大面积范围内快速测量、狭小空间中的测量等。基底材料如采用聚合材料聚酰亚胺，则该传感器阵列还能应用在高温(300-400℃)、辐射等测量场合。

本发明可达到优异的性能指标。

1、传感器厚度小，仅为0.13mm；

2、柔顺性能好，最小弯曲半径可达到200mm；

3、传感器阵列面积可订做，范围为400～700mm²；

4、测力量程为0～2MPa；

5、测力精度达到1％FS；

6、测力分辨率达到0.2％FS。

附图说明

图1为本发明的传感器的光刻后行电极的截面示意图。

图2为本发明的传感器的光刻后列电极的截面示意图。

图3为本发明的传感器阵列的行、列电极及引线的平面结构示意图。

图4为本发明的传感器涂覆定位胶工艺后的结构示意图。

图5为本发明的传感器贴附导电高分子敏感膜工艺后的结构示意图。

图6为本发明的传感器涂覆封装胶工艺后的结构示意图。

图7为本发明的传感器热压封装工艺后的结构示意图。

图8为本发明的传感器的前置电路实施例组成示意图。

图9为采用本发明的传感器的一种实际工作的示意图。

具体实施方式

本发明提出的阵列式超薄柔顺力传感器及其制备方法，结合附图及实施例详细说明如下：

本发明提出的基于超薄柔顺敏感元件的挤压力传感器，包括封装成一体的上下层电极及压于其间的导电高分子敏感膜，还包括通过信号线与该上下层电极相连的前置电路，其特征在于：所述的导电高分子敏感膜采用主要以作为导电相的导电炭黑、以作为绝缘相的单组份硅橡胶和纳米SiO₂分散剂构成的具有压阻效应的导电高分子敏感膜，所述上下层电极均为利用柔性印刷电路板工艺在薄膜基底上制作的多条电极及与每个电极条相连的一条信号线，所述上、下层电极条相互交叉与所述导电高分子敏感膜构成M×N敏感单元阵列，M、N分别为上、下层或下、上层电极的条数，M、N均为正整数且M≥N；所述各信号线汇集一起，形成引出密排电缆。

所说的敏感膜可以制作成单层或双层甚至多层，电极形状可以是圆形、方形或其它形状。

所述的前置电路包括一个M路行选电子模拟开关和一个N路列选电子模拟开关，由M×N个前置电阻、M×N个敏感单元和M个运算放大器组成的电阻反馈电路；该电路的各元器件的连接关系为：各敏感单元通过信号线跨接在运算放大器的输出端和负向输入端形成反馈电阻；各前置电阻一端接运算放大器的负向输入端，另一端通过列选开关接参考电压Vref；运算放大器的输出端通过行选开关输出与挤压力成正比的输出信号Vout，正向输入端接地。

本发明提出的阵列式超薄柔顺力传感器的制备方法包括超薄柔顺导电高分子敏感膜的制备和采用该敏感膜的阵列式柔顺力传感器的制备两部分，所述超薄柔顺导电高分子敏感膜的制备，包括以下步骤：

11)将平均直径小于1μm的导电炭黑粉末、10-50nm的SiO₂分散剂粉末和液态单组份硅橡胶在浓度为95％以上丙酮有机溶剂中混合；其中，各成分的体积浓度百分比为：单组份硅橡胶∶导电炭黑粉末∶纳米SiO₂分散剂粉末∶丙酮有机溶剂＝100∶10～15∶1～3∶300～500；

12)在超声振荡下进行机械搅拌，搅拌环境温度为40-60℃，搅拌时间为2-4小时，达到凝胶状态混合体；

13)再将混合体总体积量的3-5％的顺丁橡胶颗粒(20～30μm)加入到该混合体中(加顺丁橡胶颗粒可增加弹性，也可不加顺丁橡胶颗粒)，继续机械搅拌20-30分钟，使丙酮挥发；

14)将挥发后的混合体滴入旋转平台，旋涂成型，厚度为70-100μm的导电高分子膜；

15)用该导电高分子膜总体积1％的正硅酸乙脂交联剂和2％的二月桂酸二丁基锡催化剂对该导电高分子膜上进行硫化，时间为24小时以上，以形成良好的弹性膜；

采用所述敏感膜制备阵列式超薄柔顺力传感器的方法，如图1～图7所示包括以下步骤：

21)聚酰亚胺薄膜覆铜：在聚酰亚胺薄膜11上覆合一层铜箔；

22)光刻电极和引线：对铜箔进行光刻形成上层行电极条12、下层列电极条13、密排引线14和外接插头15；行、列电极条互相垂直形成阵列，行、列引线和插头互相错开。图1和图2所示为行、列电极的剖面图，图3所示为行、列电极和引线的平面结构图；

23)涂覆定位胶：在电极之间涂覆一层定位胶16，目的是为了固定高分子敏感膜在电极上的位置，如图4所示；

24)贴附导电高分子敏感膜：将制备好的超薄导电高分子敏感膜17剪裁成与电极层相应的尺寸，贴附在下层列电极上，如图5所示；

25)涂覆封装胶：在下层电极的聚酰亚胺薄膜边缘涂覆具有热固性的封装胶18(利用热压作用粘附上下电极的两层聚酰亚胺，可以达到良好的密封和防水效果)，如图6所示；

26)热压封装：将上层行电极贴附超薄导电高分子敏感膜17，利用柔性材料封装机进行热压封装成一个阵列式柔顺传感器探头，如图7所示；

27)将封装好的柔顺传感器探头的引出密排电缆的插头与前置电路的多路选通开关相连，形成阵列式超薄柔顺力传感器。

本发明提供超薄柔顺导电高分子敏感膜的制备方法的三种实施例：

实施例1

11)将平均直径小于1μm的导电炭黑粉末、10nm的SiO₂分散剂粉末和液态单组份硅橡胶在浓度为95％以上丙酮有机溶剂中混合；其中，各成分的体积浓度百分比为：单组份硅橡胶∶导电炭黑粉末∶纳米SiO₂分散剂粉末∶丙酮有机溶剂＝100∶10∶1∶300；

12)在超声振荡下进行机械搅拌，搅拌环境温度为40℃，搅拌时间为2小时，达到凝胶状态混合体；；

13)再将混合体总体积量的3％的顺丁橡胶颗粒(10μm)加入到该混合体中，继续机械搅拌20分钟，使丙酮挥发；

14)将挥发后的混合体滴入旋转平台，旋涂成型，厚度为70μm的导电高分子膜；

15)用该导电高分子膜总体积1％的正硅酸乙脂交联剂和2％的二月桂酸二丁基锡催化剂对该导电高分子膜上进行硫化，时间为24小时以上，以形成良好的弹性膜。

实施例2

11)将平均直径小于1μm的导电炭黑粉末、50nm的SiO₂分散剂粉末和液态单组份硅橡胶在浓度为95％以上丙酮有机溶剂中混合；其中，各成分的体积浓度百分比为：单组份硅橡胶∶导电炭黑粉末∶纳米SiO₂分散剂粉末∶丙酮有机溶剂＝100∶15∶3∶500；

12)在超声振荡下进行机械搅拌，搅拌环境温度为60℃，搅拌时间为4小时，达到凝胶状态混合体；

13)再将混合体总体积量的5％的顺丁橡胶颗粒(30μm)加入到该混合体中，继续机械搅拌30分钟，使丙酮挥发；

14)将挥发后的混合体滴入旋转平台，旋涂成型，厚度为100μm的导电高分子膜；

15)用该导电高分子膜总体积1％的正硅酸乙脂交联剂和2％的二月桂酸二丁基锡催化剂对该导电高分子膜上进行硫化，时间为24小时以上，以形成良好的弹性膜。

实施例3

11)将平均直径小于1μm的导电炭黑粉末、30nm的SiO₂分散剂粉末和液态单组份硅橡胶在浓度为95％以上丙酮有机溶剂中混合；其中，各成分的体积浓度百分比为：单组份硅橡胶∶导电炭黑粉末∶纳米SiO₂分散剂粉末∶丙酮有机溶剂＝100∶12∶2∶400；

12)、在超声振荡下进行机械搅拌，搅拌环境温度为50℃，搅拌时间为3小时，达到凝胶状态混合体；

13)再继续机械搅拌25分钟，使丙酮挥发；

14)将挥发后的混合体滴入旋转平台，旋涂成型，厚度为85μm的导电高分子膜；

15)用该导电高分子膜总体积1％的正硅酸乙脂交联剂和2％的二月桂酸二丁基锡催化剂对该导电高分子膜上进行硫化，时间为24小时以上，以形成良好的弹性膜。

本发明的采用该敏感膜的阵列式柔顺力传感器的制备实施例说明如下：

21)聚酰亚胺薄膜覆铜：采用常规FPCB工艺在聚酰亚胺薄膜(本实施例采用日本宇部公司生产的Upilex-R型，厚度为12.5μm)上覆合一层铜箔(本实施例采用标准电路板用覆铜箔，厚度为10μm)；

22)光刻电极和引线：采用常规FPCB工艺对铜箔进行光刻分别在聚酰亚胺薄膜上形成3行电极条、3列电极条、与各电极条相连的密排引线及其外接插头；上、下电极层叠合时，行、列电极互相垂直，形成3×3的阵列，行、列引线和插头互相错开。本实施例仅示出了一种样品模型的结构行、列电极宽度均为3mm，电极间距为8mm，引线宽度为0.5mm。，根据需要可以在更大的面积上制备更多的电极和引线构成更大的阵列；

23)涂覆定位胶：采用常规FPCB工艺在电极之间涂覆一层薄定位胶(德国Dusseldorf公司的PX T4粘胶)，厚度略大于10μm，目的是为了固定高分子敏感膜在电极上的位置；

24)贴附导电高分子敏感膜：将超薄导电高分子敏感膜剪裁成与电极层相应的尺寸，贴附在下层列电极上；

25)涂覆封装胶：采用常规FPCB工艺在下层电极的聚酰亚胺薄膜边缘涂覆具有热固性的封装胶(采用与上述定位胶相同的产品)，利用热压作用粘附上下电极的两层聚酰亚胺薄膜，可以达到良好的密封和防水效果。

26)热压封装：采用常规FPCB工艺将上层行电极贴附在导电高分子敏感膜上，利用柔性材料封装机进行热压封装成一个3×3阵列柔顺传感器探头，本实施例的柔顺传感器探头，厚度为130μm，引线部分长度为110mm，在35mm×40mm的面积上分布3×3个敏感单元(采用本发明相同工艺制备的实用于层间挤压力测量的阵列式超薄柔顺力传感器面积可达400×700mm²，以组成数目更大的敏感单元阵列)。

27)将封装好的柔顺传感器探头的引出密排电缆的插头与前置电路(多路选通开关)相连，形成阵列式超薄柔顺力传感器。

本发明的前置电路实施例如图8所示，前置电路主要包括行选、列选多路电子模拟开关Kr和Kc，由前置电阻Rd11～Rd33、敏感单元Rf11～Rf33和运算放大器A1～A3组成的电阻反馈电路；各部件的连接关系为(以第一个敏感单元为例)：敏感单元Rf11跨接在运算放大器A1的输出端和负向输入端形成反馈电阻；前置电阻Rd11一端接运算放大器A1的负向输入端，另一端通过列选开关Kc1接参考电压Vref；运算放大器A1的输出端通过行选开关Kr1输出与挤压力成正比的输出信号Vout，正向输入端接地。其它敏感单元的连接与此相同。

本前置电路的工作原理为：Rf11～Rf33为传感器探头中的单个敏感单元，两端电极分别接在运放的负反馈端和输出端形成反馈电阻。控制电路通过列地址信号轮选各列将参考电压Vref分别接入各列，同时通过行地址轮选各行使多路模拟开关分别选通各行，这样保证了分时采样各敏感单元的输出信号，并且各单元之间不互相串扰。

本发明的前置电路是在传统的“电压镜法”的基础上进行了改进，用于基于导电高分子材料的超薄柔顺传感器。因为导电高分子材料的表面电阻率为1.51×10⁵Ω·mm，两个相邻敏感元件间的表面电阻达到1.2×10⁶Ω，所以相邻敏感单元间基本不通过力敏橡胶表面传输电流。地址信号输入模拟开关Kc，被选列接入参考电压Vref，传感器阵列的每一列均接入通过运算放大器形成负反馈。其中，运算放大器正输入端接入参考电压地，被选列的负反馈输出接入后续电路的A/D转换器的电压输入端口。在A/D转换器中，高参考电压值为+5V(一定范围可调)，低参考电压值为0V。这样，除了被选中的敏感单元，其余各行列在阵列电阻网络中形成等势区，使与被选敏感单元并联的电阻网络无法形成干扰电流。

采用此电路，可以将原有的m×n个电子开关通道减少为m+n个电子开关通道(m为行数、n为列数，m与n可为相同或不同的整数)，并且实现了线性输出。

本发明的阵列式超薄柔顺力传感器的敏感元件的工作原理，说明如下：

从微观导电机制的角度分析可知，炭黑填充硅橡胶复合材料产生压阻效应的原因可归结为炭黑颗粒在硅橡胶基体中分布的变化，更准确的说，是导电炭黑颗粒间距的变化。外界压力可以压缩复合材料的体积，由于导电炭黑颗粒的可压缩性远小于硅橡胶基体，因此导电颗粒的间距减小，提高了接触传导和隧道效应发生的几率。随着压力增大，导电炭黑颗粒的间距逐渐减小，由于接触传导和隧道效应机制的作用，在材料的内部形成了导电通道。而接触传导和隧道效应机制的产生，又受到导电颗粒的粒径和形状的影响，因此材料的压阻效应表现出与形貌参数的密切关系。材料的形貌参数值越大，接触传导和隧道效应产生的几率就越高，材料的压阻效应也就越明显。

从导电渗流现象的角度分析，材料的电阻率在导电渗流区内随导电填料体积浓度的变化十分明显。这是因为，当外界压力减小了聚合物基体的体积时，导电颗粒的体积浓度相应增加，引起材料电阻率的明显变化。材料变形引起了导电渗流变化，材料的电阻率随之减小。炭黑体积浓度越接近渗流阈值，材料的压阻效应就越明显。在有效介质普适方程中，炭黑的体积浓度、渗流阈值和材料的形貌参数一起表征了导电渗流现象，也说明炭黑填充硅橡胶复合材料的压阻效应是其导电渗流现象的一个具体表现。另外，材料的变形不但引起电阻率的变化，还改变了其电阻几何系数(即沿电流方向上材料的长度与横截面积的比值)。综上所述，炭黑填充硅橡胶复合材料的受力变形是其产生压阻效应的直接原因。

在宏观表象上，由于压力的作用，构成敏感元件的导电高分子材料产生了电阻变化，这种变化在一定范围内与压力呈现线性比例关系。

本发明的阵列式超薄柔顺力传感器的工作方式，结合图9所示，说明如下：

实际工作时，将传感器92贴附在曲面间91和94，在一些装配应用中需要在曲面间附加泡沫垫层93，如图9所示，通过测量传感器每对电极间的电阻变化，根据标定曲线，得到对应的接触压力值。通过后续信号取样和阵列扫描电路以及多路选通开关，对敏感元件进行快速循环扫描，可以测出每个敏感元件承受的挤压力。由于这些敏感元件的分布方式是已知的，因此，对测量结果进行数据处理，就可以得到曲面间接触力的分布。

对本发明的传感器阵列进行实验测试，其厚度为0.12mm，最小弯曲半径可达到200mm，测力量程为0～2MPa，测力精度达到1％FS，测力分辨率达到0.2％FS。

Claims (3)

1.一种基于超薄柔顺敏感元件的挤压力传感器，包括封装成一体的上下层电极及压于其间的导电高分子敏感膜，还包括通过信号线与该上下层电极相连的前置电路，其特征在于：所述的导电高分子敏感膜采用主要以作为导电相的导电炭黑、以作为绝缘相的单组份硅橡胶和纳米SiO₂分散剂构成的具有压阻效应的导电高分子敏感膜，所述上下层电极均为利用柔性印刷电路板工艺在薄膜基底上制作的多条电极及与每个电极条相连的一条信号线，所述上、下层电极条相互交叉与所述导电高分子敏感膜构成M×N敏感单元阵列，M、N分别为上、下层或下、上层电极的条数，M、N均为正整数且M≥N；所述各信号线汇集一起，形成引出密排电缆。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述的前置电路包括一个M路行选电子模拟开关和一个N路列选电子模拟开关，由M×N个前置电阻、M×N个敏感单元和M个运算放大器组成的电阻反馈电路；该电路的各元器件的连接关系为：各敏感单元通过信号线跨接在运算放大器的输出端和负向输入端形成反馈电阻；各前置电阻一端接运算放大器的负向输入端，另一端通过列选开关接参考电压Vref；运算放大器的输出端通过行选开关输出与挤压力成正比的输出信号Vout，正向输入端接地。

3.制备如权利要求1所述传感器的方法，其特征在于，该方法包括超薄柔顺导电高分子敏感膜的制备和采用该敏感膜的阵列式柔顺力传感器的制备两部分，所述超薄柔顺导电高分子敏感膜的制备，包括以下步骤：

11)将平均直径小于1μm的导电炭黑粉末、10-50nm的SiO₂分散剂粉末和液态单组份硅橡胶在浓度为95％以上丙酮有机溶剂中混合；其中，各成分的体积浓度百分比为：单组份硅橡胶∶导电炭黑粉末∶纳米SiO₂分散剂粉末∶丙酮有机溶剂＝100∶10～15∶1～3∶300～500；

12)在超声振荡下进行机械搅拌，搅拌环境温度为40-60℃，搅拌时间为2-4小时，达到凝胶状态混合体；

13)再继续机械搅拌20-30分钟，使丙酮挥发；

14)将挥发后的混合体滴入旋转平台，旋涂成型，厚度为70-100μ m的导电高分子膜；

15)用该导电高分子膜总体积1％的正硅酸乙脂交联剂和2％的二月桂酸二丁基锡催化剂对该导电高分子膜上进行硫化，时间为24小时以上，以形成良好的弹性膜；

上述步骤13)中还可将混合体总体积量的3-5％的粒径为20～30μm的顺丁橡胶颗粒加入到该混合体中后，再继续机械搅拌20-30分钟，使丙酮挥发；

采用所述敏感膜制备阵列式超薄柔顺力传感器的方法，包括以下步骤：

21)聚酰亚胺薄膜覆铜：在聚酰亚胺薄膜上覆合一层铜箔；

22)光刻电极和引线：对铜箔进行光刻形成上层行电极条、下层列电极条、密排引线和外接插头；行、列电极条互相垂直形成阵列，行、列引线和插头互相错开；

23)涂覆定位胶：在电极之间涂覆一层定位胶，以固定高分子敏感膜在电极上的位置；

24)贴附导电高分子敏感膜：将制备好的超薄导电高分子敏感膜剪裁成与电极层相应的尺寸，贴附在下层列电极上；

25)涂覆封装胶：在下层电极的聚酰亚胺薄膜边缘涂覆具有热固性的封装胶；

26)热压封装：将上层行电极贴附超薄导电高分子敏感膜，利用柔性材料封装机进行热压封装成一个阵列式柔顺传感器探头；

27)将封装好的柔顺传感器探头的引出密排电缆的插头与前置电路相连，形成阵列式超薄柔顺力传感器。

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