CN102023064B - 用于研制柔性传感器敏感单元的挤压式极间硫化成型封装法 - Google Patents

用于研制柔性传感器敏感单元的挤压式极间硫化成型封装法 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种用于研制柔性传感器敏感单元的挤压式极间硫化成型封装法，属于传感器技术领域。该方法利用溶液共混法将纳米导电粉末分散到高分子基体中，通过反复添加有机溶剂并使其挥发的方法，使纳米导电粉末在高分子基体中充分分散，形成纳米导电粉末/高分子材料胶状物。将胶状物涂覆在两层覆合有电极的绝缘薄膜之间，采用微机控制挤压法，得到所需厚度的薄膜。该胶状物在硫化过程中对两层绝缘薄膜起到良好的黏连作用，并在两层电极之间直接硫化成型。利用本发明提出的成型封装法所研制的柔性传感器敏感单元具有厚度均匀、接触电阻小、工艺简单等优点，适合于低成本地研制基于复合型导电高分子材料的柔性传感器敏感单元。

Description

用于研制柔性传感器敏感单元的挤压式极间硫化成型封装法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，特别涉及到柔性传感器敏感单元研制工艺。
背景技术
随着科技的发展，国防与工业等领域迫切需要传感器具有薄型柔性的特点。纳米导电高分子复合材料在适当的导电相浓度下，具有良好的柔韧性。而导电相在高分子基体中形成的导电网络在压力或形变的作用下呈规律性变化。因此，这种复合材料可以作为柔性压力/位移传感器的敏感材料。国内外的很多科研机构采用“旋涂法”制备基于导电高分子复合材料的压力敏感单元，具体方法是以有机玻璃作为旋转底盘，由小型电机提供旋转动力，通过控制底盘的转速和旋转时间，制备超薄力敏薄膜，硫化成型后，再将薄膜裁剪，放置在覆有电极的绝缘薄膜之上，在电极周围的薄膜上涂覆热固胶，利用柔性材料封装机将其封装在电极之间。但是，这种方法存在两个不足：1、由于“旋涂法”依靠离心力成膜，因此，离轴远近不同的部位离心力大小不一样，薄膜的厚度会出现同心圆状分布。因而，薄膜厚度和均匀性难以精确控制。2、敏感材料硫化成型后再进行剪裁、封装，导致敏感单元接触电阻过大，影响了传感器的性能。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种用于研制柔性传感器敏感单元的挤压式极间硫化成型封装法。利用本发明提出的成型封装法所研制的柔性传感器敏感单元具有厚度均匀、接触电阻小、工艺简单等优点，适合于低成本地研制基于复合型导电高分子材料的柔性传感器敏感单元。
本发明提出的用于研制柔性传感器敏感单元的挤压式双极间硫化成型封装法的技术方案如下：
将覆有铜电极的聚酰亚胺薄膜固定在微机控制升降台的下平台上备用。对纳米导电粉末进行干燥处理后，与液态高分子材料混合，并添加有机溶剂。对纳米导电粉末/液态高分子材料/有机溶剂混合溶液进行大功率机械搅拌，同时辅以超声振荡，使纳米导电粉末在混合溶液中分散，待有机溶剂挥发后，形成纳米导电粉末/高分子材料混合体。然后，再向混合体中添加有机溶剂，继续搅拌，并辅以超声振荡。如此重复数次，使纳米导电粉末在高分子材料中得到充分分散。最后，向混合物中加入交联剂和催化剂，通过机械搅拌得到纳米导电粉末/高分子材料胶状粘稠物。将胶状粘稠物均匀地涂覆在下平台上的聚酰亚胺覆铜薄膜上，并将另一层聚酰亚胺覆铜薄膜覆盖其上，形成三明治结构。利用微机控制升降台的上平台向下移动，挤压该三明治结构，形成总厚度小于100微米的敏感单元。在室温下，粘稠状的敏感材料在两层聚酰亚胺覆铜薄膜之间直接硫化，50小时后成型，完成敏感单元的封装。
本发明的特点及效果：
1、本发明利用溶液共混法将纳米导电粉末分散到高分子材料基体中。通过反复添加有机溶剂，并使其挥发的方法，使纳米导电粉末在高分子基体中得到充分分散。
2、本发明提出的成型封装法，采用微机控制挤压法，可以制备出所需厚度的薄膜，而且敏感单元厚度均匀，有效地避免了由“旋涂法”造成的敏感材料厚度不均匀的现象。
3、本发明提出的成型封装法，硫化、成型和封装过程同时进行，敏感材料直接在两层电极之间硫化成型，有效地减小了敏感单元的接触电阻。
4、采用本发明提出的方法，敏感材料在硫化过程中对上下两层绝缘薄膜起到良好的黏连作用，因而无需在绝缘薄膜上涂覆黏贴剂并进行热压封装，简化了制备流程、降低了成本。
附图说明
图1为本发明方法流程示意图。
1代表聚酰亚胺薄膜，2代表覆合在1之上的铜箔电极，3代表微机控制升降台的下平台，4代表未硫化的纳米导电粉末/高分子材料胶状物，5代表另一层覆合有铜箔电极的聚酰亚胺薄膜，6代表微机控制升降台的上平台，7代表由上平台向下运动而挤压成型的三明治结构，8代表直接在电极之间硫化成型的压敏材料。
具体实施方式
以下结合实施例说明本发明提出的用于研制柔性传感器敏感单元的挤压式双电极硫化成型封装法：
A、将覆有铜箔电极2的聚酰亚胺薄膜1固定在微机控制升降台的下平台3上备用，如图1(1)所示。
B、对纳米导电粉末进行干燥处理。
C、将纳米导电粉末、液态高分子材料按一定比例的质量比混合，然后，在纳米导电粉末/液态高分子材料混合体中添加有机溶剂，体积比为1∶40。
D、对纳米导电粉末/液态高分子材料/有机溶剂混合溶液进行大功率机械搅拌，同时辅以超声振荡，使纳米导电粉末在混合溶液中分散，温度为50度，待有机溶剂完全挥发后，形成纳米导电粉末/液态高分子材料混合体。
E、将有机溶剂与纳米导电粉末/液态高分子材料混合体按40∶1的体积比混合，重复步骤D。
F、重复步骤E数次，使纳米导电粉末在液态高分子材料中得到充分分散，并加入交联剂和催化剂，通过机械搅拌得到纳米导电粉末/液态高分子材料胶状粘稠物；
G、将胶状粘稠物均匀地涂在步骤A中的聚酰亚胺覆铜薄膜2上，如图1(2)所示。将另一层聚酰亚胺覆铜薄膜5覆盖其上，形成三明治结构，如图1(3)所示。
H、利用微机控制升降台的上平台6向下移动，挤压三明治结构，形成总厚度小于100微米的敏感单元7，如图1(4)和(5)所示。
I、将敏感单元置于无尘环境中，在室温下，粘稠状的敏感材料8在两层聚酰亚胺覆铜薄膜之间硫化，50小时后成型，切去薄膜周围溢出的多余敏感材料，完成敏感单元的封装，如图1(6)所示。
用本发明提出的成型封装法所研制的柔性传感器敏感单元具有厚度均匀、接触电阻小、工艺简单等优点，适合于低成本地研制基于复合型导电高分子复合材料的柔性传感器敏感单元。
实施例1
A、将覆有铜箔电极的聚酰亚胺薄膜固定在微机控制升降台的下平台上备用。
B、对内径小于3纳米的单壁碳纳米管进行干燥处理。
C、将单壁碳纳米管和聚二甲基硅氧烷按0.02∶1的质量比混合，然后，在单壁碳纳米管/聚二甲基硅氧烷混合体中添加正己烷有机溶剂，体积比为1∶40。
D、对单壁碳纳米管/正己烷/聚二甲基硅氧烷混合溶液进行大功率机械搅拌，同时辅以超声振荡，使单壁碳纳米管在混合溶液中分散，温度为50度，待正己烷完全挥发后，形成单壁碳纳米管/聚二甲基硅氧烷混合体。
E、将正己烷与单壁碳纳米管/聚二甲基硅氧烷混合体按40∶1的体积比混合，重复步骤D。
F、重复步骤E四次，使单壁碳纳米管在聚二甲基硅氧烷中得到充分分散，并加入交联剂和催化剂，通过机械搅拌得到单壁碳纳米管/聚二甲基硅氧烷胶状粘稠物；
G、将胶状粘稠物均匀地涂在步骤A中的聚酰亚胺覆铜薄膜上。将另一层聚酰亚胺覆铜薄膜覆盖其上，形成三明治结构。
H、利用微机控制升降台的上平台向下挤压三明治结构，形成总厚度为80微米的敏感单元。
I、将敏感单元置于无尘环境中，在室温下，粘稠状的敏感材料在两层聚酰亚胺覆铜薄膜之间硫化，50小时后成型，切去薄膜周围溢出的多余敏感材料，完成敏感单元的封装。
实施例2
A、将覆有铜箔电极的聚酰亚胺薄膜固定在微机控制升降台的下平台上备用。
B、对比表面积大于700m2/g的导电炭黑粉末进行干燥处理。
C、将导电炭黑粉末、聚二甲基硅氧烷按0.08∶1的质量比混合，然后，在炭黑/聚二甲基硅氧烷混合体中添加正己烷有机溶剂，体积比为1∶40。
D、对炭黑/正己烷/聚二甲基硅氧烷混合溶液进行大功率机械搅拌，同时辅以超声振荡，使炭黑在混合溶液中分散，温度为50度，待正己烷完全挥发后，形成炭黑/聚二甲基硅氧烷混合体。
E、将正己烷与炭黑/聚二甲基硅氧烷混合体按40∶1的体积比混合，重复步骤D。
F、重复步骤E四次，使炭黑在聚二甲基硅氧烷中得到充分分散，并加入交联剂和催化剂，通过机械搅拌得到炭黑/聚二甲基硅氧烷胶状粘稠物；
G、将胶状粘稠物均匀地涂在步骤A中的聚酰亚胺覆铜薄膜上。将另一层聚酰亚胺覆铜薄膜覆盖其上，形成三明治结构。
H、利用微机控制升降台的上平台向下挤压三明治结构，形成总厚度为90微米的敏感单元。
I、将敏感单元置于无尘环境中，在室温下，粘稠状的敏感材料在两层聚酰亚胺覆铜薄膜之间硫化，50小时后成型，切去薄膜周围溢出的多余敏感材料，完成敏感单元的封装。
实施例3
A、将覆有铜箔电极的聚酰亚胺薄膜固定在微机控制升降台的下平台上备用。
B、对长径比为50的多壁碳纳米管进行干燥处理。
C、将多壁碳纳米管和聚二甲基硅氧烷按0.04∶1的质量比混合，然后，在多壁碳纳米管/聚二甲基硅氧烷混合体中添加正己烷有机溶剂，体积比为1∶40。
D、对多壁碳纳米管/正己烷/聚二甲基硅氧烷混合溶液进行大功率机械搅拌，同时辅以超声振荡，使多壁碳纳米管在混合溶液中分散，温度为50度，待正己烷完全挥发后，形成多壁碳纳米管/聚二甲基硅氧烷混合体。
E、将正己烷与多壁碳纳米管/聚二甲基硅氧烷混合体按40∶1的体积比混合，重复步骤D。
F、重复步骤E四次，使碳纳米管在聚二甲基硅氧烷中得到充分分散，并加入交联剂和催化剂，通过机械搅拌得到多壁碳纳米管/聚二甲基硅氧烷胶状粘稠物；
G、将胶状粘稠物均匀地涂在步骤A中的聚酰亚胺覆铜薄膜上。将另一层聚酰亚胺覆铜薄膜覆盖其上，形成三明治结构。
H、利用微机控制升降台的上平台向下挤压三明治结构，形成总厚度为70微米的敏感单元。
I、将敏感单元置于无尘环境中，在室温下，粘稠状的敏感材料在两层聚酰亚胺覆铜薄膜之间硫化，50小时后成型，切去薄膜周围溢出的多余敏感材料，完成敏感单元的封装。

Claims (5)

1.一种用于研制柔性传感器敏感单元的挤压式极间硫化成型封装法，其特征在于，该方法包括：将覆有铜电极的聚酰亚胺薄膜固定在微机控制升降台的下平台上备用，对纳米导电粉末进行干燥处理后，将其与液态高分子材料混合，并在混合物中添加有机溶剂，对纳米导电粉末/液态高分子材料/有机溶剂混合溶液进行大功率机械搅拌，同时辅以超声振荡，使纳米导电粉末在混合溶液中分散，待有机溶剂挥发后，形成纳米导电粉末/高分子材料混合体，然后，再向混合体中添加有机溶剂，继续搅拌，并辅以超声振荡，如此重复数次，使纳米导电粉末在高分子材料中得到充分分散，向混合物中加入交联剂和催化剂，通过机械搅拌得到纳米导电粉末/高分子材料胶状粘稠物，将胶状粘稠物均匀地涂覆在下平台上的聚酰亚胺覆铜薄膜上，并将另一层聚酰亚胺覆铜薄膜覆盖其上，形成三明治结构，利用微机控制升降台的上平台向下移动，挤压该三明治结构，形成总厚度小于100微米的敏感单元，在室温下，粘稠状的敏感材料在两层聚酰亚胺覆铜薄膜之间直接硫化，50小时后成型，完成敏感单元的封装。
2.如权利要求1所述的用于研制柔性传感器敏感单元的挤压式极间硫化成型封装法，其特征在于，通过反复向纳米导电粉末/高分子材料混合体中添加有机溶剂并使其挥发的方法，使纳米导电粉末在高分子基体中充分分散。
3.如权利要求1所述的用于研制柔性传感器敏感单元的挤压式极间硫化成型封装法，其特征在于，采用微机控制挤压法，可以制备出所需厚度的薄膜，而且敏感单元厚度均匀，有效地避免了由“旋涂法”造成的敏感材料厚度不均匀的现象。
4.如权利要求1所述的用于研制柔性传感器敏感单元的挤压式极间硫化成型封装法，其特征在于，硫化、成型和封装过程同时进行，敏感材料直接在两层电极之间硫化成型，有效地减小了敏感单元的接触电阻。
5.如权利要求1所述的用于研制柔性传感器敏感单元的挤压式极间硫化成型封装法，其特征在于，敏感材料在硫化过程中对上下两层绝缘薄膜起到良好的黏连作用，因而无需在绝缘薄膜上涂覆黏贴剂并进行热压封装，简化了制备流程、降低了成本。
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