CN102002252B - 微形变压阻材料及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种微形变压阻材料及其制作方法。其中该微形变压阻材料，由硬质塑胶(hard plastic)本体所构成，前述本体具有可微量变形(micro-deformable)的粗糙面，多个导电粒子均匀分散于前述本体中。当压阻材料受压时，粗糙面因受压而产生微量变形，且变形后会使得接触面积增加。依据电阻定律R＝ρL/A，当微形变压阻材料的截面积A增加时，输出电阻R降低，由此可作为压力感测器的压阻材料。当压力移除以后，微量变形的粗糙面可迅速回复原状，因此不会产生明显的迟滞现象。

Description

微形变压阻材料及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种压阻材料，特别是涉及一种使用硬质塑胶作为本体且具有可微量形变的粗糙面的压阻材料。
背景技术
现有的压阻材料具有高度可压缩性，受压时厚度L会显着变薄，依据电阻定律R＝ρL/A，当厚度L减少时，输出电阻R降低，而可以作为压力感测器的压阻材料。这种现有的压阻材料，在压力释放以后，弹性基材由于材料本身的粘滞性(viscoelasticity)因素，需要一段时间才能回复原状，因此在施压与释压过程中所得到的压力-电阻特性曲线，会产生明显的迟滞现象(hysteresis)，短时间内重复测试压力时会出现显着误差。
首先请参阅图1，一现有压力感测器包含有上层结构与下层结构，其中上层结构主要包括一基板10、一第一电极11以及一第一压阻层12。前述下层结构则主要包括一第二压阻层129、一第二电极119以及另一基板109。如图1所示，一支撑体15将第一压阻层12与第二压阻层129隔开一个空隙16，至此可形成一压力感测器结构。应了解的是，前述第一电极11以及第二电极119分别电性耦合至电路系统13，如此可构成一完整的感测回路，用于测量压力感测器的输出电阻。
接着请参阅图2，当前述压力感测器刚开始承受一外界压力P时，第一、第二压阻层12、129会相互接触，此时第一、第二压阻层12、129的总厚度为L1。其输出电阻则可依据电阻定律计算，将L1带入公式中，可以得到输出电阻R1＝ρL1/A。
再请参阅图3，当前述压力感测器持续受到外界压力P作用一段时间后，第一、第二压阻层12、129的总厚度会受到压缩而变薄，其中L2＜L1。压力感测器的输出电阻则可依据电阻定律计算，将L2带入公式中，可以得到输出电阻R2＝ρL2/A。
图4A是根据图1的压力感测器所测量得出的电阻-压力特性图，其中压力测试范围在0-10psi之间。如图4A所示，在施压的过程中(请见曲线C1)，当压力分别在2、4、6、8以及10psi时，输出电阻分别为6.69*103、3.86*103、2.95*103、2.54*103以及2.27*103欧姆；相反地，在释压过程中(请见曲线C2)，当压力分别在2、4、6、8以及10psi时，输出电阻则分别为4.64*103、2.96*103、2.53*103、2.31*103以及2.22*103欧姆。应注意的是，由图4A可以看出现有压力感测器的电阻-压力特性图呈现出明显的迟滞现象。
图4B是根据于图1的压力感测器所测量得出的导电率-压力特性图，其中压力测试范围在0-10psi之间，导电率则为电阻的倒数。如图4B所示，在施压的过程中(请见曲线C3)，当压力分别在2、4、6、8以及10psi时，输出导电率分别为1.49*102、2.59*102、3.39*102、3.94*102以及4.41*102μSiemens(西门子)；相反地，在释压过程中(请见曲线C4)，当压力分别在2、4、6、8以及10psi时，输出导电率分别为2.16*102、3.38*102、3.95*102、4.33*102以及4.50*102μsiemens，其中由图4B同样可看出现有压力感测器的导电率-压力特性图呈现出明显的迟滞现象。
发明内容
本发明提供一种可有效降低迟滞现象的压阻材料，不仅能提高测试实用性，同时可让使用者在短时间内的重复压力测试下仍可以得到准确的测试结果。
本发明一实施例的压阻材料采用硬质塑胶做为本体，导电粒子分散于硬质塑胶中。
本发明的一实施例更提供一种压力感测器，包括一第一电极、一第一压阻层、一第二电极、一第二压阻层以及一支撑体。前述第一、第二压阻层分别连接第一、第二电极，其中第一、第二压阻层是由前述微形变压阻材料所制成。前述支撑体使得该第一、第二压阻层之间形成一空隙。
本发明的一实施例更提供一种微形变压阻材料的制作方法，包括：提供多个导电粒子、多个分散体以及一硬质塑胶原料；接着，混合前述导电粒子以及分散体于硬质塑胶原料中以形成一压阻材料，然后把前述压阻材料印制于一目标材料上，最后再将压阻材料固化。
为使本发明能更明显易懂，下文特举实施例并配合所附附图做详细说明。
附图说明
图1为现有压力感测器的示意图；
图2为图1的压力感测器刚开始受压时的示意图；
图3为图2的压力感测器持续受压时的示意图；
图4A为现有压力感测器的电阻-压力特性图；
图4B为现有压力感测器的导电率-压力特性图；
图5为本发明一实施例的压力感测器示意图；
图6为图5中区域55的局部放大图；
图7为前述区域55中的粗糙面26、269受压接触时的局部放大图；
图8为前述区域55中的粗糙面26、269持续受压接触时的局部放大图；
图9A为根据图5的压力感测器所测量得出的电阻-压力特性图；
图9B为根据图5的压力感测器所测量得出的导电率-压力特性图；
图10A为表示本发明另一实施例中根据图5的压力感测器所测量得出的电阻-压力特性图；以及
图10B为对应于图10A的导电率-压力特性图。
主要元件符号说明
基板10、109；
第一电极11；
第二电极119；
电路系统13；
支撑体15；
空隙16；
第一压阻层12、22；
第二压阻层129、229；
粗糙面26、269；
区域55；
导电粒子222；
分散体223；
接触面A1、A2；
隙缝S1、S2。
具体实施方式
图5表示本发明一实施例的压力感测器示意图，其中图5与图1所示的压力感测器的主要差别在于：本实施例的压力感测器是采用杨氏系数大于0.2GPa的硬质塑胶材料作为第一压阻层22以及第二压阻层229，其中第一压阻层22具有一粗糙面26，第二压阻层229则具有另一粗糙面269。举例而言，前述硬质塑胶材料可包括酚树脂(phenol resin)、尿素树脂(urea resin)、美耐皿树脂(melamine resin)、不饱和聚脂树脂(unsaturated polyester resin)、环氧树脂(epoxy resin)、硅脂树脂(silicone resin)、或者聚安基甲酸脂(polyurethane resin，PU)。
图6是表示图5中区域55的局部放大图。如图所示，前述第一、第二压阻层22、229分别掺杂多个导电粒子222与分散体223，其中分散体223可具有吸附能力，用以吸附导电粒子222，前述导电粒子222相对于该微形变压阻材料干膜时的重量百分比约介于10％～50％之间。
应了解的是，在本实施例中的分散体223可例如为具有改质基的二氧化硅材质等材料，可和硬质塑胶相互融合以达到均匀分散的效果，由于分散体223可吸附导电粒子222，故可将导电粒子222均匀地分散到硬质塑胶内部，用于构成本实施例中的压阻层22、229。
如图6所示，前述第一压阻层22具有粗糙面26，第二压阻层229则具有粗糙面269，其中粗糙面26、269的粗糙度t约控制在单一压阻层厚度T的1-10％左右。此外，粗糙面26、269的最大压缩形变量则可控制在粗糙度t的2％左右，也就是说每一粗糙面的形变量约占其对应压阻层厚度的0.02～0.2％左右。由于前述压阻层22、229的厚度变化极小(在本实施例中的压阻层22、229的厚度变化可小于0.2％)，因此压阻层22、229在施压前、后的厚度几乎可视为不变。
在本实施例中，前述分散体223可以是：硅(Si)氧化物或具有改质基的二氧化硅材质；或是金属氧化物如：钛(Ti)氧化物、铝(Al)氧化物、铜(Cu)氧化物、锌(Zn)氧化物、钙(Ca)氧化物、锡(Sn)氧化物、钨(W)氧化物、以及铬(Cr)氧化物等。
图7表示前述区域55中的粗糙面26、269刚开始受压接触时的局部放大图。如图所示，当图5的压力感测器刚开始受压时，压阻层22、229之间会产生一面积极小的接触面A1，此时压阻层22、229之间有较多隙缝S1，压力感测器的输出电阻可依据电阻定律计算，将接触面A1的面积带入公式中，可以得到输出电阻R1＝ρL/A1。
图8表示前述区域55中的粗糙面26、269持续受压接触的局部放大图。如图所示，当图5的压力感测器持续受压后，压阻层22、229之间会产生一较大的接触面A2，接触面A2会随着压力的上升而增加，压阻层22、229之间的隙缝S2则会随着压力的上升而减少。依据电阻定律，将接触面A2的面积带入公式中，可以得到输出电阻R2＝ρL/A2，由于压阻层22、229的总厚度只有极微量的压缩变形，故其总厚度可视为不变。
图9A是根据图5的压力感测器所测量得出的电阻-压力特性图，其中压力测试范围在0-10psi之间。如图9A所示，在施压的过程中(请见曲线C5)，当压力分别在2、4、6、8以及10psi时，输出电阻分别为1.26×104、6.68×103、4.79×103、3.94×103欧姆以及3.56×103欧姆；相反地，在释压过程中(请见曲线C6)，当压力分别在2、4、6、8以及10psi时，输出电阻分别为1.13×104、6.54×103、4.69×103、3.87×103以及3.51×103欧姆。由图9A可以看出，本发明的压力感测器并未产生显着的迟滞现象。
图9B是根据图5的压力感测器所测量得出的导电率-压力特性图，其中压力测试范围在0-10psi之间，导电率则是电阻的倒数。如图9B所示，在施压的过程中(请见曲线C7)，当压力分别在2、4、6、8以及10psi时，输出导电率分别为7.94×101、1.50×102、2.09×102、2.54×102以及2.81×102μsiemens；相反地，在释压过程中(请见曲线C8)，当压力分别在2、4、6、8以及10psi时，输出导电率分别为8.88×101、1.55×102、2.13×102、2.58×102以及2.85×102μsiemens，由图9B同样可以看出本发明的压力感测器并未产生显着的迟滞现象。
图10A是根据图5的压力感测器所测量得出的电阻-压力特性图。需特别说明的是，在本实施例中是采用聚酯树脂于二甲苯溶剂中(polyester resin inxylene)，均匀混合重量百分比为10％的碳黑(carbon black)导电粒子222以及重量百分比20％的分散体223，用以制作压阻层材料；接着，可以利用例如网印印制到已有金属电极层的基材上，当压阻层材料硬化之后，其所具有的表面粗糙度约为压阻层厚度的10％以下。通过上述方法可制成如图5所示的压力感测器，其压力测试范围在0-200psi之间，在施压的过程中，当压力分别在50、100、150、200psi时，分别得到输出电阻为1.38×103、8.32×102、6.28×102以及5.34×102欧姆；在释压的过程中，当压力分别在50、100、150、200psi时，同样可得到相近的数值。由图10A中可以看出，通过本发明的前述方法所制作的压力感测器，无论在施压或释压的过程中皆能得到近似的测量结果，不会有显着的迟滞现象产生。
图10B是对应于图10A的导电率-压力特性图，其中压力测试范围在0-200psi之间，导电率则是电阻的倒数。如图10B所示，在施压的过程中，当压力分别在50、100、150、以及200psi时，分别得到输出导电率为7.25×102、1.20×103、1.59×103以及1.87×103μsiemens；在释压的过程中，当压力分别在50、100、150、200psi时，同样可得到相近的数值。由图10B中依然可以看出，通过前述实施例所制作的压力感测器，无论在施压或释压的过程中皆能得到近似的测量结果，不会有显着的迟滞现象产生。
本发明之一实施例提供一种微形变压阻材料及其制作方法，不仅可有效减少迟滞现象的产生，以提高测试实用性，由此可让使用者在短时间内进行重复压力测试下仍可以得到准确的测量结果。
虽然以实施例揭露了本发明，然而其并非用以限定本发明。本发明所属技术领域中熟悉此技术者，在不脱离本发明的精神和范围内，可做些许的更动与润饰。因此本发明的保护范围应以所附的权利要求所界定的为准。

Claims (10)

1.一种微形变压阻材料，包括：
硬质塑胶本体，选自于下述族群中的一种：酚树脂、尿素树脂、美耐皿树脂、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、硅脂树脂、或者聚氨基甲酸酯；
多个导电粒子，分散于该硬质塑胶本体中；以及
一粗糙面，形成于该硬质塑胶本体上，具有一个粗糙度占该硬质塑胶本体厚度的1-10％。
2.如权利要求1所述的微形变压阻材料，其中该粗糙面的最大变形量占该粗糙度的比例小于2％，或者占该硬质塑胶本体厚度的比例小于0.2％。
3.如权利要求1所述的微形变压阻材料，其中该微形变压阻材料还包括多个分散体，使该些导电粒子均匀分散于该硬质塑胶本体中。
4.如权利要求3所述的微形变压阻材料，其中该分散体的成分，包含选自于下述族群中的一种：硅(Si)氧化物、钛(Ti)氧化物、铝(Al)氧化物、铜(Cu)氧化物、锌(Zn)氧化物、钙(Ca)氧化物、锡(Sn)氧化物、钨(W)氧化物、以及铬(Cr)氧化物。
5.如权利要求1所述的微形变压阻材料，其中该些导电粒子的重量百分比介于10％～50％之间。
6.如权利要求1所述的微形变压阻材料，其中该硬质塑胶本体的杨氏系数大于0.2GPa。
7.一种压力感测器，包含：
第一电极；以及
第一压阻层，连接该第一电极，其中该第一压阻层具有如权利要求1所述的微形变压阻材料；
第二电极；
第二压阻层，连接该第二电极，其中该第二压阻层具有如权利要求1所述的微形变压阻材料；以及
支撑体，使得该第一、第二压阻层之间形成一空隙。
8.根据权利要求1所述的一种微形变压阻材料的制作方法，包括：
提供多个导电粒子以及一硬质塑胶原料；
混合该些导电粒子以及该硬质塑胶原料，制成一压阻材料；
将该压阻材料印制于一目标材料上；以及
固化该压阻材料。
9.如权利要求8所述的一种微形变压阻材料的制造方法，还包括：分散体混合于该压阻材料中。
10.根据权利要求3所述的一种微形变压阻材料的制造方法，包括：
提供多个导电粒子、多个分散体以及一硬质塑胶原料；
混合该些导电粒子、该些分散体以及该硬质塑胶原料，制成一压阻材料；
将该压阻材料印制于一目标材料上；以及
固化该压阻材料。
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