CN102374911B - 一种阵列式柔性力敏传感器 - Google Patents
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Abstract
一种阵列式柔性力敏传感器包括：上绝缘保护层及图形化于上绝缘保护层下表面的平行金属行电极；下绝缘保护层及图形化于下绝缘保护层上表面的平行金属列电极；和位于行电极和列电极间的第一敏感膜层；第一敏感膜层由填充式敏感材料层和附着在该填充式敏感材料层上表面的填充式敏感材料凸形条或凸形块组成；凸形条和凸形块的纵截面均为楔形、锥形或锯齿形；凸形条或凸形块与列电极上下对齐；行电极与列电极呈空间垂直相交状分布，其空间垂直相交的空间相交部分与该空间相交部分内包含的第一敏感膜层构成力敏单元；填充式敏感材料为绝缘柔性基体材料中均匀分散导电粒子的导电复合材料；具有灵敏度高，性能稳定，寿命长等优点。
Description
技术领域
本发明属于微机电系统(MEMS)和传感技术领域，特别涉及一种阵列式柔性力敏传感器。
背景技术
柔性传感器因为具有良好的柔性，不受被测物体形状的限制，能够贴附于各种规则或不规则曲面实现传感功能。柔性力敏传感器主要应用于挤压力和剪切力的测量，可作为一种触觉传感器。常见的柔性力敏传感器有压阻式、电容式和光学式等。
因为具有柔韧性好，测力量程和测量有效面积大，工艺相对简单等优点，利用压敏导电橡胶制作压阻式柔性力敏传感器逐渐成为主流设计思路。按工作原理主要分为材料敏感式和接触敏感式。材料敏感式是指通过检测敏感材料本身的体电阻变化来敏感外力，接触敏感式所检测的是敏感材料表面与电极间的接触电阻的变化。前者虽然性能稳定，但压阻系数受敏感材料本身特性的限制往往较小(如200810018554.9)；后者虽然敏感系数较大，但由于敏感材料接触表面的粗糙程度难于控制，传感器的初始电阻差异较大，而且表面微观形态易受压力破坏而导致传感器寿命较低(如Tekscan，2001，专利号：US 6,272,936，B1)。
发明内容
本发明是为了避免压阻式柔性力敏传感器所存在的不足，而提出一种阵列式柔性力敏传感器，该阵列式柔性力敏传感器具有灵敏度高，性能稳定，寿命长等优点。
本发明的技术方案如下：
本发明提供的阵列式柔性力敏传感器，其包括：
一上绝缘保护层1及图形化于所述上绝缘保护层1下表面上的平行金属行电极2；
一下绝缘保护层5及图形化于所述下绝缘保护层5上表面上的平行金属列电极2；
和
一位于所述平行金属行电极和所述平行金属列电极之间的第一敏感膜层3；所述第一敏感膜层3由一填充式敏感材料层31和附着在该填充式敏感材料层31上表面上的填充式敏感材料凸形条32或填充式敏感材料凸形块33组成；所述填充式敏感材料凸形条32的纵截面和所述填充式敏感材料凸形块33的纵截面均为楔形、锥形或锯齿形；
所述填充式敏感材料凸形条32或填充式敏感材料凸形块33与所述平行金属列电极4上下对齐；
所述平行金属行电极2与平行金属列电极4呈空间垂直相交状分布，其空间垂直相交的空间相交部分与该空间相交部分内包含的第一敏感膜层构成阵列式柔性力敏传感器的力敏单元；
所述填充式敏感材料为绝缘柔性基体材料c中均匀分散有导电粒子b的填充式导电复合材料；所述导电粒子填料b与所述绝缘柔性基体材料c的质量比为0.1～25∶100。
本发明提供的阵列式柔性力敏传感器，还可包括：一与所述第一敏感膜层3形状、尺寸相同的第二敏感膜层7；所述第一敏感膜层3上的凸形条32与所述第二敏感膜层7上的凸形条32呈垂直相交状接触；所述第一敏感膜层3上的凸形块33与所述第二敏感膜层7上的凸形块33上下对齐并相接触。
本发明提供的阵列式柔性力敏传感器，还可进一步包括：一位于所述平行金属行电极2与第一敏感膜层3之间的带通孔的隔离层6；所述第一敏感膜层3的凸形块33位于所述隔离层6的通孔内。
所述上绝缘保护层1和下绝缘保护层5均为柔性聚合物材质的绝缘保护层。
所述导电粒子填料b为炭黑、碳纳米纤维、碳纳米管或金属颗粒。
所述绝缘柔性基体材料c为柔性聚合物材料。
本发明的阵列式柔性力敏传感器，以填充式导电复合材料作为敏感材料，敏感材料制成的第一敏感膜层3与平行的金属行电极2之间采用楔形、锥形或锯齿形的接触，外界压力通过改变敏感材料与电极的接触面积使输出电阻发生变化。
本发明的工作原理为：参考图1所示，填充式敏感材料是将导电粒子b分散到绝缘柔性基体材料c中，导电粒子b之间通过直接接触或隧道效应互相连接成电阻网络；位于填充式敏感材料表面的导电粒子b将材料内部的电阻网络和外电极连接起来形成导电回路e。影响回路电阻的因素除了导电粒子b的浓度、形状、导电粒子与电极间的接触电阻外，还包括填充式敏感材料制作的敏感膜层与电极(包括平行的金属行电极2和平行的金属列电极4)的接触面积。接触面积越大，和金属行电极2连通的导电粒子越多，参与导电的内部电阻网络越多，回路电阻也越小。本发明的平行的金属行电极2和平行的金属列电极4之间采用空间垂直状，外电极a受压力作用时，接触面积有规律的变化导致回路电阻随压力有规律的变化。
本发明的阵列式柔性力敏传感器的有益效果在于：能够明显提高导电复合材料力敏传感器的敏感系数，而且性能稳定、迟滞小、寿命长。由于本发明基于填充式导电复合材料回路电阻与接触面积直接相关的现象，敏感材料表面与外电极之间采用以楔形、锥形或锯齿形等非平行方式接触，敏感单元受压时，敏感材料与外电极的接触面积随之增加，使参与导电的电阻网络增多，回路电阻降低。由于敏感系数正比于单位压力作用下接触面积的变化率，可以通过优化接触角度、初始接触面积，优选合适柔软度的敏感材料等方式来提高敏感系数。由于传感器的压阻响应来源于金属电极与柔软的敏感材料间规律的机械接触，常见的聚合物基体材料往往具有优异的柔韧性，卸载后恢复迅速，因此通过合理配置结构参数和优选材料可以明显提高传感器的稳定性，延长寿命，并且减少迟滞现象。
附图说明
图1为填充式敏感材料的示意图；
图2为本发明的阵列式柔性力敏传感器的结构示意图
图3为本发明的阵列式柔性力敏传感器的结构(分解)示意图；
图4为图2的剖面示意图；
图5为本发明的阵列式柔性力敏传感器(双层敏感材料层)结构(分解)示意图；
图6为带隔离层6的阵列式柔性力敏传感器的分解示意图；
图7为图5的剖面示意图。
具体实施方式
实施例1
如图2和图3，本实施例1提供的阵列式柔性力敏传感器，其包括：
本发明提供的阵列式柔性力敏传感器，其包括：
一上绝缘保护层1及图形化于所述上绝缘保护层1下表面上的平行金属行电极2；
一下绝缘保护层5及图形化于所述下绝缘保护层5上表面上的平行金属列电极2；
和
一位于所述平行金属行电极和所述平行金属列电极之间的第一敏感膜层3；所述第一敏感膜层3由一填充式敏感材料层31和附着在该填充式敏感材料层31上表面上的填充式敏感材料凸形条32或填充式敏感材料凸形块33组成；填充式敏感材料凸形条32纵截面或填充式敏感材料凸形块33纵截面均为楔形纵截面、锥形纵截面或锯齿纵截面；
所述填充式敏感材料凸形条32或填充式敏感材料凸形块33与所述平行金属列电极4上下对齐；
所述平行金属行电极2与平行金属列电极4呈空间垂直相交状分布，其空间垂直相交的相交部分与该相交部分内包含的第一敏感膜层构成阵列式柔性力敏传感器的力敏单元；
所述填充式敏感材料为绝缘柔性基体材料c中均匀分散有导电粒子b的填充式导电复合材料；所述导电粒子b选用多壁碳纳米管，绝缘柔性基体材料c选用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物，导电粒子b与绝缘柔性基体材料c的质量比为1∶100；
本实施例中的上绝缘保护层1和下绝缘保护层5均选用聚酰亚胺材料；
平行金属行电极2与平行金属列电极4均为图形化的铜电极，与上绝缘保护层1和下绝缘保护层5一起采用标准的柔性电路板工艺制作；电极表面镀金以改善与第一敏感膜层3的接触特性，金属电极厚度为40μm。
第一敏感膜层3与平行金属行电极2为楔形接触；第一敏感膜层3采用铸模成型，模具由机械加工或MEMS工艺制造。
采用溶液法制备填充式导电复合材料溶液的步骤如下：
在室温和常压下，将碳纳米管加入至挥发性溶剂中进行超声分散处理40分钟，超声分散处理的超声功率为300W；所述挥发性溶剂为体积比为1∶1的甲苯和丙酮组成的混合溶剂或为乙酸乙酯溶剂；所述碳纳米管与挥发性溶剂的比例为1mg∶60ml；
再加入绝缘柔性基体材料，继续超声处理4小时，得到含碳纳米管和绝缘柔性基体材料的混合溶液；所述碳纳米管和绝缘柔性基体材料的质量比为5∶100；
将得到的含碳纳米管和绝缘柔性基体材料的混合溶液进行5000转/分的高速离心30分钟；得到均匀分散的含碳纳米管和绝缘柔性基体材料的混合溶液清液和对所得沉淀称重，并计算出含碳纳米管和绝缘柔性基体材料的混合溶液清液中的碳纳米管的实际浓度；
向上述含碳纳米管和绝缘柔性基体材料的混合溶液清液中再加入绝缘柔性基体材料，使碳纳米管与绝缘柔性基体材料的质量比为1.5∶100；然后再超声分散2-4小时，得到填充式导电复合材料溶液；
将模具置于开口容器底部，使模具的楔形槽表面朝上，把溶液状态的填充式导电复合材料注入该容器中，待溶剂完全挥发后填充式导电复合材料凝固，剥离得到第一敏感膜层3；力敏单元连接薄层厚度为30μm。
将制备的第一敏感膜层3下表面均匀涂布微量溶剂，使其表面处于粘稠状，覆盖在平行金属列电极4之上，将平行金属列电极4与第一敏感膜层3的图形条32上下对齐并压牢；在平行的金属行电极2的下表面均匀涂布微量溶剂，平行金属行电极2按垂直于平行金属列电极4的方向对齐；施加0.1Mpa的压力并置入温控炉中升温至60℃并保持2小时，取出即得到本发明的阵列式柔性力敏传感器。
实施例2
本实施例与实施例1的区别在于：第一敏感膜层3采用压模成型制备。第一敏感膜层3为绝缘柔性基体材料c中均匀分散有导电粒子b的填充式导电复合材料制成的膜层。所述导电粒子b选用炭黑，绝缘柔性基体材料c选用聚硅橡胶，导电粒子b与绝缘柔性基体材料c的质量比为15∶100；所述填充式导电复合材料采用溶液法制备。
压膜成型所需的模具采用由机械加工或MEMS工艺制造。将所述填充式导电复合材料放入压模机中，加热至200℃，待材料填充式导电复合材料熔融，压模机施加压力，冷却材料至室温取出既得第一敏感膜层3。力敏单元连接薄层厚度为100μm。
实施例3
本实施例与实施例1、2的区别在于第一敏感膜层3的凸形条32为锥形纵截面凸形条或锯齿形纵截面凸形条。所述导电粒子b选用炭黑，绝缘柔性基体材料c选用聚硅橡胶，导电粒子b与绝缘柔性基体材料c的质量比为0.1∶100。
实施例4
参考图4，本实施例与前述实施例的区别在于：还包括第二敏感膜层7；该第二敏感膜层7与所述第一敏感膜层3的形状、尺寸相同，但相对放置，即所述第一敏感膜层3的凸形条32与所述第二敏感膜层7的凸形条32相对放置并呈垂直相交状接触；
上绝缘保护层1、下绝缘保护层5、平行的金属行电极2、第二敏感膜层7采用实施例1相同的工艺加工；在第二敏感膜层7的凸形条表面匀涂布微量溶剂，使其表面处于粘稠状态，覆盖于所述第一敏感膜层3的凸形条上，所述第一敏感膜层3的凸形条32与所述第二敏感膜层7的凸形条32相对并呈垂直相交状接触并压牢；
平行金属行电极2按垂直于平行金属列电极4的方向对齐，施加0.05Mpa的压力并置入温控炉中升温至50℃并保持1小时，取出即得到本实施例的阵列式力敏传感器。
所述第一敏感膜层3和第二敏感膜层7均为绝缘柔性基体材料c中均匀分散有导电粒子b的填充式导电复合材料制成的膜层；所述导电粒子b选用银颗粒，绝缘柔性基体材料c选用聚硅橡胶，导电粒子b与绝缘柔性基体材料c的质量比为25∶100。
实施例5
如图5与图6所示，本实施例与前述实施例的不同在于：为了改善单个敏感单元的独立性，在敏感单元之间添加隔离层6；隔离层6选择柔性较好的硅橡胶，其厚度等于第一敏感膜层3突形块的最大高度；隔离层6采用机械加工或MEMS工艺制造；在隔离层6的上下表面匀涂布微量溶剂，使上下表面处于粘稠状态，覆盖于已制备的第一敏感膜层3上，对齐(将突形块33对准隔离层6的通孔)并压牢；使突形块33位于隔离层6的通孔中；平行金属行电极2按垂直于平行金属行列极4的方向对齐，覆盖于隔离层6上表面，并施加0.08Mpa的压力并置入温控炉中升温至70℃并保持3小时，取出即得到制备的柔性阵列式力敏传感器。
Claims (5)
1.一种阵列式柔性力敏传感器，其包括：
一上绝缘保护层（1）及图形化于所述上绝缘保护（1）下表面上的平行金属行电极（2）；
一下绝缘保护层（5）及图形化于所述下绝缘保护层（5）上表面上的平行金属列电极（4）；
一位于所述平行金属行电极（2）和所述平行金属列电极（4）之间的第一敏感膜层（3）；所述第一敏感膜层（3）由一填充式敏感材料层（31）和附着在该填充式敏感材料层（31）上表面上的填充式敏感材料凸形条（32）或填充式敏感材料凸形块（33）组成；所述填充式敏感材料凸形条（32）的纵截面和所述填充式敏感材料凸形块（33）的纵截面均为楔形、锥形或锯齿形；
所述填充式敏感材料凸形条（32）或填充式敏感材料凸形块（33）与所述平行金属列电极（4）上下对齐；
所述平行金属行电极（2）与平行金属列电极（4）呈空间垂直相交状分布，其空间垂直相交的空间相交部分与该空间相交部分内包含的第一敏感膜层构成阵列式柔性力敏传感器的力敏单元；
所述填充式敏感材料为绝缘柔性基体材料（c）中均匀分散有导电粒子（b）的填充式导电复合材料；所述导电粒子填料（b）与所述绝缘柔性基体材料（c）的质量比为0.1～25：100；
和
一与所述第一敏感膜层（3）形状、尺寸相同的第二敏感膜层（7）；所述第一敏感膜层（3）上的凸形条（32）与所述第二敏感膜层（7）上的凸形条（32）呈垂直相交状接触；所述第一敏感膜层（3）上的凸形块（33）与所述第二敏感膜层（7）上的凸形块（33）上下对齐并相接触。
2.按权利要求1所述的阵列式柔性力敏传感器，其特征在于，还进一步包括：一位于所述平行金属行电极（2）与第一敏感膜层（3）之间的带通孔的隔离层6；所述第一敏感膜层（3）的凸形块（33）位于所述隔离层（6）的通孔内。
3.按权利要求1所述的阵列式柔性力敏传感器，其特征在于，所述上绝缘保护层（1）和下绝缘保护层（5）均为柔性聚合物材质的绝缘保护层。
4.按权利要求1所述的阵列式柔性力敏传感器，其特征在于，所述导电粒子填料（b）为炭黑、碳纳米纤维、碳纳米管或银颗粒。
5.按权利要求1所述的阵列式柔性力敏传感器，其特征在于，所述绝缘柔性基体材料（c）为柔性聚合物材料。
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