CN102207415A - 基于导电橡胶的柔性阵列片式压力传感器及制造方法 - Google Patents

Abstract

基于导电橡胶的柔性阵列片式压力传感器及制造方法，在上电极层和下电极层上印刷有下电极线和电极圈，电极圈设置有橡胶压敏单元，在没有敏感元件的地方设置有硅橡胶衬垫，橡胶压敏单元嵌套在硅橡胶衬垫内，上下电极线引出后连接在电极引出头上，上下电极层之间由高黏胶封接；当有力作用于橡胶压敏单元上时，橡胶压敏单元因受力发生了压缩变形，从而引起了橡胶压敏单元电阻值的变化，根据橡胶压敏单元上电阻值相对于最初电阻值的变化量便可反映出点接触处压力或集中载荷的大小；本发明采用基于丝网印刷工艺的制造方法，使制得的柔性阵列片式传感器具有重量轻、成本低、制作简单、可批量化生产的特点，并且使用寿命长、操作便捷。

Description

基于导电橡胶的柔性阵列片式压力传感器及制造方法

技术领域

本发明涉及医疗仪器中的传感技术领域，特别涉及基于导电橡胶的柔性阵列片式压力传感器及制造方法。

背景技术

传感器作为一种用来感知和获取外部信息的重要元件早已经与我们平时的日常生活和工业生产息息相关。在实际应用中，对于能粘贴在任意曲面的柔性传感器需求越来越多。国外一些研究机构早在上个世纪八十年代就开始了对这种柔性传感器的研究，并将其应用在生物医学、机器人、军事等领域。触觉是机器人实现与外部环境直接作用的必须媒介，柔性触觉传感器可以模拟人的感觉，在机器人传感领域备受重视。随着MEMS技术的发展，如果将柔性传感器的制作和对柔性传感器信号进行提取和处理的集成电路制作技术融为一体，则可以形成大面积、智能化的柔性传感器，这种发展趋势越来越受到国内外一些研究机构和公司的重视。现有的柔性阵列片式压力传感器的结构比较复杂，其中外面覆盖层和电极层是分开的，作为两层，而且电极层是采用传统的电路板，柔韧性较差；该柔性阵列片式压力传感器的结构相对简单，其中的覆盖层和电极层是合二为一的，采用将导电浆料印刷到PET薄膜上的方法，提高了柔韧性，对于现有的柔性阵列片式压力传感器取得了阶段性的进步。而且传统压力传感器不能对大面积接触物体间压力进行检测，并且具有体积大、重量重、操作不方便、制造成本高等一系列缺点

发明内容

为了克服上述现有技术的缺陷，本发明的目的在于提供一种基于导电橡胶的柔性阵列片式压力传感器及制造方法，该传感器能够检测出大面积接触物体间压力，具有体积小、重量轻、制作简单、可低成本批量化生产的特点，并且使用寿命长、操作简便。

为了达到上述目的，本发明的技术方案是这样实现的：

基于导电橡胶的柔性阵列片式压力传感器，包括上电极层1和下电极层4，上电极层1的下表面印刷有竖向的上电极线8，在下电极层4的上表面上印刷有横向的下电极线6，在上电极层1的下表面和下电极层4的上表面且上电极线8和下电极线6交叉的地方印刷有圆形的电极圈7，电极圈7处设置有橡胶压敏单元3，在上电极层1和下电极层4没有敏感元件3的地方设置有硅橡胶衬垫2，橡胶压敏单元3嵌套在硅橡胶衬垫2内，上电极线8和下电极线6引出后连接在外露的电极引出头5上，上电极层1和下电极层4之间由高黏胶封接。

所说的高黏胶为市售的名称为台湾四维的双面胶带，厚度为0.1mm。

基于导电橡胶的柔性阵列片式压力传感器的制造方法，包括以下步骤：

一、先制备形状大小相同的两片PET塑料薄膜，即上电极层1和下电极层4，并在四周留有10mm-15mm的余量；

二、将上电极层1固定在丝网印刷机的印刷台上，用导电银浆料在上电极层1的下表面印刷竖向的上电极线8，将下电极层4固定在丝网印刷机的印刷台上，用导电银浆料在下电极层4的上表面印刷横向的下电极线6，在上电极层1的下表面和下电极层4的上表面且上电极线8和下电极线6交叉的地方用碳浆印刷有圆形的电极圈7，并放置至干燥；

三、将上电极层1和下电极层4对正放置，使上电极线8和下电极线6相互交叉，在其交叉点即电极圈7上放置橡胶压敏单元3，且橡胶压敏单元3的尺寸刚好与碳浆印刷的电极圈7的尺寸吻合，并且用硅橡胶衬垫2对橡胶压敏单元3进行位置固定，然后用高黏胶将上电极层1、下电极层4、硅橡胶衬垫2和橡胶压敏单元3点阵封装在一起；所说的高黏胶为市售的名称为台湾四维的双面胶带，厚度为0.1mm。

四、在上电极线7和下电极线6引出端均连接在外露的电极引出头5上，便于传感器与外部电路的连接。

本发明采用基于丝网印刷工艺的制造方法，使制得的柔性阵列片式传感器具有重量轻、成本低、制作简单、可批量化生产的特点，并且使用寿命长、操作便捷。

采用本发明制作的柔性阵列片式压力传感器由于其特殊的结构，在许多领域有广泛的市场前景。可应用于工作空间大的接触物体间的压力的检测以及类似特殊应用场合。近年来。随着智能机器人研究的深入开展，作为模仿皮肤的这些触觉功能的触觉传感器收到了越来越多的重视和期待，这种技术可以将传感器制作成康复机器人的衣服、手套或鞋垫，来检测受力或接触的大小、范围和形状等情况，则可以帮助实现真正意义上的人工智能。总之，柔性阵列片式传感器作为一个新发展领域，将大大促进MEMS传感器的应用前景和应用范围。

附图说明

图1为本发明柔性阵列片式传感器结构示意图。

图2为上电极的透视图。

图3为图1的剖面图。

图4为本发明柔性阵列片式传感器一个应用实例的测量电路原理图。

图5为使用本发明传感器进行测量康复机器人手掌的压力大小的示意图。图中：12为手掌；9为柔性阵列片式压力传感器；10为放大处理电路；11为电脑显示压力云图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作进一步的详细说明。

参照图1、图2、图3，基于导电橡胶的柔性阵列片式压力传感器，包括上电极层1和下电极层4，上电极层1的下表面印刷有竖向的上电极线8，在下电极层4的上表面上印刷有横向的下电极线6，在上电极层1的下表面和下电极层4的上表面且上电极线8和下电极线6交叉的地方印刷有圆形的电极圈7，电极圈7处设置有橡胶压敏单元3，在上电极层1和下电极层4没有敏感元件3的地方设置有硅橡胶衬垫2，橡胶压敏单元3嵌套在硅橡胶衬垫2内，上电极线8和下电极线6引出后连接在外露的电极引出头5上，上电极层1和下电极层4之间由高黏胶封接。

所说的高黏胶为市售的名称为台湾四维的双面胶带，厚度为0.1mm。

基于导电橡胶的柔性阵列片式压力传感器的制造方法，包括以下步骤：

一、先制备形状大小相同的两片PET塑料薄膜，即上电极层1和下电极层4，并在四周留有10mm至15mm的余量；

二、将上电极层1固定在丝网印刷机的印刷台上，用导电银浆料在上电极层1的下表面印刷竖向的上电极线8，将下电极层4固定在丝网印刷机的印刷台上，用导电银浆料在下电极层4的上表面印刷横向的下电极线6，在上电极层1的下表面和下电极层4的上表面且上电极线8和下电极线6交叉的地方用碳浆印刷有圆形的电极圈7，并放置至干燥；

三、将上电极层1和下电极层4对正放置，使上电极线8和下电极线6相互交叉，在其交叉点即电极圈7上放置橡胶压敏单元3，且橡胶压敏单元3的尺寸刚好与碳浆印刷的电极圈7的尺寸吻合，并且用硅橡胶衬垫2对橡胶压敏单元3进行位置固定，然后用高黏胶将上电极层1、下电极层4、硅橡胶衬垫2和橡胶压敏单元3点阵封装在一起；

所说的高黏胶为市售的名称为台湾四维的双面胶带，厚度为0.1mm。

四、在上电极线7和下电极线6引出端均连接在外露的电极引出头5上，便于传感器与外部电路的连接。

当上述丝网印刷阵列片式传感器与外接电路连接并通过测试后能正常工作，该传感器外露部分电极引出头5与外接导线连接部分用绝缘硅胶将其覆盖以防银电极长期处于在空气中被氧化而削弱或丧失了其导电性能。

本发明柔性阵列片式传感器的检测原理如下：当处于点接触状态时物体间的一集中载荷(集中力)作用于橡胶压敏单元3上时，橡胶压敏单元3因受到了压力作用发生了一定的压缩变形，从而引起了橡胶压敏单元3电阻值的变化；根据橡胶压敏单元3上电阻值相对于最初电阻值的变化量便可反映出点接触处压力或集中载荷的大小。集中载荷与轴向长度、电阻阻值与轴向长度的关系如下：

$\mathrm{\ΔL}=\frac{\mathrm{FL}}{\mathrm{ES}}---\left(1\right)$

其中：L——敏感元件的原始厚度；

S——敏感元件的横截面面积；

F——作用于敏感元件上的集中载荷；

E——敏感元件的弹性模量；

ΔL——敏感元件导电橡胶厚度的改变量。

$R=\mathrm{\ρ}\frac{L}{S}---\left(2\right)$

其中：L——敏感元件导电橡胶的厚度；

S——敏感元件导电橡胶的横截面面积；

ρ——敏感元件导电橡胶的电阻率；

R——敏感元件导电橡胶的电阻值。

如图4所示，当外力作用于阵列传感器后由于敏感元件电阻值的改变而产生了一定的微弱电信号，用行列扫描电路将此微弱电信号采集，通过比例放大器将该信号放大；然后再通过低通滤波器将其他高频干扰信号过滤或者去除；最后再通过A/D转换器限压转换将外力引起的并经过处理的电信号转换为计算机能识别的数字电压信号，当然也可以直接将低通滤波器处理后的电信号直接输入至可以接收该信号的模拟显示仪器或处理仪器例如模拟信号示波显示器或者模拟信号处理电路板。

如图5所示，是一个对此柔性阵列片式传感器的实际应用，人手12按压在此传感器9上之后，该传感器就会有一定的电阻值变化量，通过一系列的电路采集这些信号，最后在电脑上显示一个手的压力的力的大小的一个云图，从而达到把该传感器运用到智能机器人身上的效果，该传感器还可以运用到其他一些很广泛的应用上。

Claims (4)

1.基于导电橡胶的柔性阵列片式压力传感器，其特征在于，包括上电极层(1)和下电极层(4)，上电极层(1)的下表面印刷有竖向的上电极线(8)，在下电极层(4)的上表面上印刷有横向的下电极线(6)，在上电极层(1)的下表面和下电极层(4)的上表面且上电极线(8)和下电极线(6)交叉的地方印刷有圆形的电极圈(7)，电极圈(7)处设置有橡胶压敏单元(3)，在上电极层(1)和下电极层(4)没有敏感元件(3)的地方设置有硅橡胶衬垫(2)，橡胶压敏单元(3)嵌套在硅橡胶衬垫(2)内，上电极线(8)和下电极线(6)引出后连接在外露的电极引出头(5)上，上电极层(1)和下电极层(4)之间由高黏胶封接。

2.基于导电橡胶的柔性阵列片式压力传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：

一、先制备形状大小相同的两片PET塑料薄膜，即上电极层(1)和下电极层(4)，并在四周留有10mm-15mm的余量；

二、将上电极层(1)固定在丝网印刷机的印刷台上，用导电银浆料在上电极层(1)的下表面印刷竖向的上电极线(8)，将下电极层(4)固定在丝网印刷机的印刷台上，用导电银浆料在下电极层(4)的上表面印刷横向的下电极线(6)，在上电极层(1)的下表面和下电极层(4)的上表面且上电极线(8)和下电极线(6)交叉的地方用碳浆印刷有圆形的电极圈(7)，并放置至干燥；

三、将上电极层(1)和下电极层(4)对正放置，使上电极线(8)和下电极线(6)相互交叉，在其交叉点即电极圈(7)上放置橡胶压敏单元(3)，且橡胶压敏单元(3)的尺寸刚好与碳浆印刷的电极圈(7)的尺寸吻合，并且用硅橡胶衬垫(2)对橡胶压敏单元(3)进行位置固定，然后用高黏胶将上电极层(1)、下电极层(4)、硅橡胶衬垫(2)和橡胶压敏单元(3)点阵封装在一起；

四、在上电极线(7)和下电极线(6)引出端均连接在外露的电极引出头(5)上，便于传感器与外部电路的连接。

3.根据权利要求1所述的基于导电橡胶的柔性阵列片式压力传感器，其特征在于，所说的高黏胶为市售的名称为台湾四维的双面胶带，厚度为0.1mm。

4.根据权利要求2所述的基于导电橡胶的柔性阵列片式压力传感器的制造方法，其特征在于，所说的高黏胶为市售的名称为台湾四维的双面胶带，厚度为0.1mm。

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