CN102507052A - 基于碳纳米管的点阵型压力分布传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于碳纳米管的点阵型压力分布传感器及其制备方法，属于齿科临床检验用传感装置技术领域。包括第一、第二薄膜基片；一组第一、第二电极；第一、第二绝缘层，位于第一、第二薄膜基片之间，其中：第一、第二薄膜基片均为聚酯薄膜，第一电极、第二电极、第一连线、第二连线、第一电极终端和第二电极终端的材料均为银。优点：具有拔萃的回复性和弹性，咬合使用寿命达 300 次以上；保障临床对牙齿矫治和义齿种植及保健的优异效果；保证上下牙齿咬合接触过程中端面上的每个细微点被测取；工艺步骤简而不繁，既可保证压力分布传感器的技术效果的全面体现，又能满足工业化大生产要求。

Description

基于碳纳米管的点阵型压力分布传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于齿科临床检验用传感装置技术领域，具体涉及一种用于对牙齿咬合受力测量的基于碳纳米管的点阵型压力分布传感器，并且还涉及该种压力分布传感器的制备方法。

背景技术

在牙科（也称齿科）临床中包括对牙齿矫治、义齿种植和保健等，均需对牙齿的上下牙之间的接触面上的各个点进行诊断，传统的诊断方法费时费料，价格昂贵，同时也会给患者增加痛苦。美国Tekscan公司于1989年提出了一种测量牙齿啮合的柔性压力传感器（专利号为：US4856993），该压力传感器由薄膜和涂布在薄膜上的涂覆层构成，涂覆层由聚合物粘合剂、半导电的填充颗粒（炭黑）和有机溶剂经搅匀构成。当患者咬住这种带有网格状接触点的薄片时，便在网格的纵与横之间的接触点上产生的压力导致电性能发生变化，通过软件使上下牙咬合的每一个接触点的状态在显示器上显示。这种压力传感器具有良好的高温稳定性、口腔使用安全和空间分辨率能区分分离0.050英寸的接触点等长处。

但是，由于US4856993所描述的压力传感器的涂覆层材料采用的是炭黑材料，因而存在以下缺憾：其一，由于炭黑材料具有一定的团聚性，经分散搅拌后的均匀性比较差，由此而引起的电导性能即压力和电阻率的关系趋向于由图4所示的指数衰减曲线形状，难以真实地反映下牙齿咬合的受力情况，对牙齿矫治和义齿种植等的效果构成一定的影响；其二，这种压力传感器虽然具有良好的柔性特点，但是由于材料和聚合的因素对诸如机械强度和稳定性造成一定的影响，具体表现为回复性差，咬合使用的寿命次数仅为30次左右；其三，如前述，由于炭黑的团聚性而使其分散不均匀，使某些点的导电性能欠缺，使得空间分辨率不高，从而难以全面地反映咬合面的细微状况。

鉴于上述原因，本申请人作了积极而有益的探索与实践，下面将要介绍的技术方案便是在这种背景下产生的。

发明内容

本发明的任务在于提供一种有助于真实地反映上下牙齿咬合的受力情况而藉以保障对牙齿矫治和义齿种植及保健的临床效果，有利于显著改善回复性而藉以显著提高咬合使用的寿命次数，有益于显著改善导电性能和确保空间分辨率而藉以保证在上下牙齿咬合接触过程中端面上的每个细微点得以被测取的基于碳纳米管的点阵型压力分布传感器，同时该传感器会随着牙齿的咬合压力大小而输出一个动态的电阻率的数据信号。

本发明的还有一个任务在于提供一种基于碳纳米管的点阵型压力分布传感器的制备方法，该方法工艺步骤简练并且不苛刻，能保障基于碳纳米管的点阵型压力分布传感器的所述技术效果的全面体现。

本发明的这个任务是这样来完成的，一种基于碳纳米管的点阵型压力分布传感器，包括一第一薄膜基片和一第二薄膜基片，该第一、第二薄膜基片彼此的形状相同并且相互面对面配合；一组第一电极和一组第二电极，一组第一电极既彼此并行又相互间隔地敷设在所述的第一薄膜基片朝向所述的第二薄膜基片的一侧，而一组第二电极同样既彼此并行又相互间隔地敷设在第二薄膜基片朝向第一薄膜基片的一侧，并且第一、第二电极彼此形成十字交错关系，藉由第一、第二电极的十字交错形成行与列的电极矩阵点阵，所述的一组第一电极中的每个第一电极通过第一连线与第一电极终端相连接，所述的一组第二电极中的每个第二电极通过第二连线与第二电极终端相连接；一第一复合层和一第二复合层，位于所述的第一、第二薄膜基片之间，第一复合层覆盖于第一电极上，第二复合层覆盖于第二电极上；一第一绝缘层和一第二绝缘层，该第一、第二绝缘层位于第一、第二薄膜基片之间，其中：所述的第一、第二薄膜基片均为聚酯薄膜，所述的第一电极、第二电极、第一连线、第二连线、第一电极终端和第二电极终端的材料均为银。

在本发明的一个具体的实施例中，所述的第一、第二复合层均为使用了碳纳米管的树脂复合层。

在本发明的另一个具体的实施例中，所述的第一、第二绝缘层均为使用了绝缘油墨的绝缘层。

在本发明的又一个具体的实施例中，在所述的第一薄膜基片上并且在对应于所述的第二电极终端的位置构成有一第一凹腔，而在第二薄膜基片上并且在对应于所述的第一电极终端的位置构成有一第二凹腔，所述的第一电极终端位于所述第二凹腔内，而所述第二电极终端位于所述第一凹腔内。

在本发明的再一个具体的实施例中，所述的第一电极和所述的第二电极的宽度均为0.7-0.9㎜，相邻电极之间的间距均为0.4-0.6㎜。

在本发明的还有一个具体的实施例中，所述的行与列的电极矩阵点阵为30×30～80×80。

在本发明的更而一个具体的实施例中，所述的第一薄膜基片和所述的第二薄膜基片上共同地配设有一手柄，所述的第一电极终端和所述的第二电极终端在所述的手柄的部位通过输出电缆与外部设备连接。

在本发明的进而一个具体的实施例中，所述的碳纳米管为10-60nm的碳纳米管。

本发明的还有一个任务是这样来完成的，一种基于碳纳米管的点阵型压力分布传感器的制备方法，包括以下步骤：

A）原料准备，选择第一、第二薄膜基片、碳纳米管、树脂和溶剂，备用；

B）制备复合层材料，先将树脂溶解于溶剂内，得到树脂溶液，再将碳纳米管加入到树脂溶液内，得到碳纳米管树脂混合液，而后采用超声波分散仪对碳纳米管树脂混合液进行分散，使碳纳米管在树脂中均匀分散，得到复合层材料，备用，其中：控制树脂、溶剂和碳纳米管的重量份比为1∶1.8～4∶0.083～0.2。

）电路制版，依据一组第一电极和一组第二电极的数量、宽度以及间隔距离进行制版，得到作为构成第一电极、第二电极、第一连线、第二连线、第一电极终端和第二电极终端的导线层电路网板；

D）导电层印刷，按照导线层电路网板采用丝网印刷的方法将银浆印刷到第一薄膜基片朝向第二薄膜基片的一侧以及印刷到第二薄膜基片朝向第一薄膜基片的一侧，待固化并自然冷却后在第一薄膜基片上构成第一电极、第一连线和第一电极终端；在第二薄膜基片上构成第二电极、第二连线和第二电极终端，其中：银浆的印刷厚度为0.05-0.1㎜。

）覆盖复合层，将由步骤B）得到的复合层材料采用丝网印刷方法分别涂抹至第一电极的表面以及涂抹至第二电极的表面，在第一薄膜基片上形成覆盖第一电极的第一复合层，在第二薄膜基片上形成覆盖第二电极的第二复合层。

）覆盖绝缘层，在第一连线和第一电极终端上使用丝网印刷的方法覆盖第一绝缘层，在第二连线和第二电极终端上使用丝网印刷的方法覆盖第二绝缘层，经固化粘合后得到基于碳纳米管的点阵型压力分布传感器。

在本发明的又进而一个具体的实施例中，步骤A）中所述的树脂为苯氧基树脂；所述的溶剂为高分子有机溶剂，所述的高分子有机溶剂为酮类或乙二醇醚类溶剂。

本发明提供的技术方案由于摒弃了已有技术中的炭黑材料，在第一、第二复合层中使用具有碳纳米管的树脂复合层，碳纳米管能在树脂中分散均匀，具有拔萃的回复性和弹性，咬合使用寿命达300次以上；上下牙齿咬合的受力的动态情况能够得到真实反映，保障临床对牙齿矫治和义齿种植及保健的优异效果；第一、第二电极纵横交错，能以矩阵方式获得每个传感点的电阻率变化信息，以保证上下牙齿咬合接触过程中端面上的每个细微点被测取；提供的制备方法工艺步骤简而不繁，既可保证压力分布传感器的技术效果的全面体现，又能满足工业化大生产要求。

附图说明

图1为本发明的局部结构放大图。

图2为本发明的整体结构示意图。

图3为本发明的第一、第二薄膜基片组装后的示意图。

图4为已有技术中的压力传感器的受力与电阻率关系曲线图。

具体实施方式

为了使专利局的审查员尤其是公众能够更加清楚地理解本发明的技术实质和有益效果，申请人将在下面以实施例的方式作详细说明，但是对实施例的描述均不是对本发明方案的限制，任何依据本发明构思所作出的仅仅为形式上的而非实质性的等效变换都应视为本发明的技术方案范畴。

请见图1至图3，给出了由聚酯薄膜构成的一第一薄膜基片1和一第二薄膜基片2，第一、第二薄膜基片1、2的各一端扩设成与人体口腔的牙床趋于吻合的形状，这两个薄膜基片头部按照人体口腔结构加工成U型，U型底部延伸至与手柄7装配，且第一聚酯薄膜基片1在延伸部位开口长方形，定位暴露第一电极3各个电极引出点，第二聚酯薄膜基片2在尾部开口正方形，定位暴露第二电极4各个电极引出点，引出点采用全导电薄膜与第一电极3和第二电极4的各个电极相连；在第一薄膜基片1朝向第二薄膜基片2的一侧的表面敷设或称结合有一组第一电极3，而在第二薄膜2朝向第一薄膜1的一侧的表面敷设有一组第二电极4，并且第一电极3与第二电极4彼此形成十字交错关系。如果将第一电极3定义为列电极，而将第二电极4定义为行电极，那么第一、第二电极3、4便构成了复数个列电极与复数个行电极的电极矩阵点。

在本实施例中，第一电极3的列数为55条，即为55列，而第二电极4的行数为44条，即为44行，采用矩阵方式获得每个传感点的电阻率变化信息。

请重点见图2，一组第一电极3中的各个第一电极3均具有一第一电极终端31，同样，一组第二电极4中的各个第二电极4具有一第二电极终端41。由图2所示，在前述的第一薄膜基片1上并且在对应于第二电极终端41的位置（部位）构成有一第一凹腔11，而在第二薄膜基片2上并且在对应于第一电极终端31的位置（部位）构成有一第二凹腔21。前述的第一电极终端31位于第二凹腔21内，而前述的第二电极终端41位于第一凹腔11内。

前述的第一、第二电极3、4的宽度均优选为0.7-0.9㎜，最好为8㎜，本实施例为8㎜，并且每条相邻的第一电极3和每条相邻的第二电极4之间的间隔距离均优选0.4-0.6㎜，最好为0.5㎜，本实施例为0.5㎜。

请重点见图1，在第一、第二薄膜基片1、2之间结合有第一复合层5和第二复合层6，该第一复合层5为使用了10-60nm的碳纳米管的树脂复合层，由该第一复合层5将前述的第一电极3覆盖，该第二复合层6同样为使用了10-60nm的碳纳米管的树脂复合层，由该第二复合层6将前述的第二电极4覆盖。也就是说，第一复合层5以涂抹方式均匀地涂抹在第一电极3的表面，第二复合层6同样以涂抹方式均匀地涂抹在第二电极4的表面。

请重点见图3并且结合图2，第一、第二薄膜基片1、2彼此的形状相同，并且在相互面对面配合后共同地配设有手柄7，第一电极终端31及第二电极终端41在手柄7的过渡下即在手柄7的部位通过输出电缆71与外部设备连接。第一电极3由第一连线32与第一电极终端31连接，第二电极4由第二连接线42与第二电极终端4连接。

由图2所示，一第一绝缘层8和一第二绝缘层9位于前述的第一、第二薄膜基片1、2之间，该第一、第二绝缘层8、9均为使用了绝缘油墨的绝缘层。更具体地讲，第一绝缘层8覆盖在第一连线32和第一电极终端31上，第二绝缘层9覆盖在第二连线42和第二电极终端41上，覆盖方式采用丝网印刷方式。藉由第一、第二绝缘层8、9起到对第一、第二连线32、42之间以及起到对第一、第二电极终端31、41之间的绝缘作用。可见，第一绝缘层8不对除第一连线32和第一电极终端31以外的第一电极3的其它部分实施覆盖，同例，第二绝缘层9不对除第二连线42和第二电极终端41以外的第二电极4的其它部分实施覆盖。

上述本发明的基于碳纳米管的点阵型压力分布传感器可通过以下实施例所举的制备方法得到。

实施例1：

A）原料准备，选取第一、第二薄膜基片1、2、碳纳米管、树脂和溶剂，备用，其中：第一、第二薄膜基片1、2均为聚酯薄膜，并且预先加工成图2示意的几何形状，即加工成与人体口腔的牙床趋于吻合的形状，具体是将第一、第二薄膜基片1、2的头部即图2、图3所示位置状态的左端设计成U形，第一薄膜基片1上构成有第一凹腔11，而第二薄膜基片2上构成有第二凹腔21，碳纳米管为直径10-60nm的碳纳米管，树脂为苯氧基树脂，而溶剂为酮类或乙二醇醚类有机高分子溶剂，在本实施例中，使用酮类有机高分子溶剂例如使用丙酮、丁酮和环己酮中的任意一种，但并不排斥使用醚类有机高分子溶剂，醚类有机高分子溶剂如乙二醇甲醚、乙二醇乙醚和乙二醇丁醚中的任意一种；

B）制备复合层，该制备复合层也可称之为制备碳纳米管油墨，先将苯氧基树脂1份（重量份计，以下同）加入到1.8重量份的有机高分子溶剂（丙酮）中溶解，得到树脂溶液，再将0.11重量份的15-50nm的碳纳米管加入树脂溶液内，得到碳纳米管树脂混合液，而后采用超声波分散仪对碳纳米管树脂混合液进行分散，分散频率为30～50KHz之间，使碳纳米管在树脂即在苯氧基树脂中均匀分散，得到用作第一、第二复合层5、6的复合层材料，备用；

C）电路制版，依据作为列电极的第一电极3的条数和依据作为行电极的第二电极4的条数、第一、第二电极3、4的宽度（线宽）和间隔距离进行电路制版，在本步骤中，第一电极3的条数为55条，而第二电极4的条数为44条，即行电极和列电极分别为44条和55条，各电极的宽度（电极线宽度）为0.8㎜，相邻电极线之间的间隔距离为0.5㎜，间隔距离的公差控制为0.12㎜，形成即设计成0.5㎜的间隔以便形成有复数个传感点，得到作为构成第一、第二电极3、4、第一、第二连线32、42、第一电极终端31和第二电极终端42的导电层电路网板；

D）导电层印刷，按照由步骤C）得到的导电层电路网板采用丝网印刷的方法将银浆印刷到由步骤A）准备的第一薄膜基片1朝向第二薄膜基片2的一侧的表面以及印刷到第二薄膜2面对第一薄膜1的一侧的表面，待固化和/或自然冷却后便在第一薄膜基片1上构成一组第一电极3、第一连线32和第一电极终端31以及在第二薄膜2上构成一组第二电极4、第二连线42和第二电极终端41，银浆的厚度控制在0.05㎜；

E）覆盖复合层，将由步骤B）得到复合层材料采用丝网印刷方法涂抹（印刷）在由步骤D）得到的结合于第一薄膜基片1上的第一电极3的表面并且涂抹至结合于第二薄膜基片2上的第二电极4的表面，于是，在第一薄膜基片1上形成覆盖第一电极3的第一复合层5，并且在第二薄膜基片2上形成覆盖第二电极4的第二复合层6；

F）覆盖绝缘层，在第一连线32和第一电极终端31上使用丝网印刷的方法覆盖第一层绝缘层8，在第二连线42和第二电极终端41上使用丝网印刷的方法覆盖第二层绝缘层9，由第一、第二绝缘层8、9起到第一连线32和第二连线42之间以及第一电极终端31和第二电极终端41之间的电绝缘作用，第一电极3和第二电极4之间不覆盖绝缘层，经固化粘合后得到基于碳纳米管的点阵型压力分布传感器。使用时或称装配时，将第一电极终端31与第二凹腔21相配合，并且将第二电极终端41与第一凹腔11相对应，并且共同地将第一、第二薄膜基片1、2的右端（图2、图3状态）在手柄7的过渡下通过输出电缆71与外部设备连接。

当然，本发明并不受到上述实施例的限制，例如行与列的电极矩阵点可在30×30至80×80之间选择任何行、列数目自由组合。

综上所述，本发明使用碳纳米管聚合半导性材料。结构上采用两层三明治两端电极结构，按照牙床形状，一层为行而另一层为列的电极排列，采用矩阵方式获得每个传感点的电阻率变化信息；

使用超声波分散技术进行分散和搅拌，使得碳纳米管在苯氧基树脂中分散得更均匀，混合后具有更好的回复性和弹性，可允许在大的压力范围下进行高分辨率的反复咬合检测。咬合使用寿命达到300次；

碳纳米管的力学性能上相比于普通炭黑具有更高的强度，使得本发明具有大于1200Gpa杨氏模量强度，可以大于约100Gpa的拉伸强有力度；

咬合后其受力和电阻率的关系近乎于线性关系，为一条直线。

空间分辨率可以区分分离0.5㎜以下接触点。

实施例2：

仅将步骤B）中的有机高分子溶剂的重量份数改为4重量份的乙二醇甲醚，将碳纳米管的重量份改为0.2；将步骤C）中的各电极的宽度改为0.7㎜，将相邻电极线之间的间隔距离改为0.4㎜；将步骤D）中的银浆的厚度改为0.1㎜，其余均同对实施例1的描述。

实施例3：

仅将步骤B）中的有机高分子溶剂的重量份数改为2.2重量份的环己酮，将碳纳米管的重量份改为0.083；将步骤C）中的各电极的宽度改为0.9㎜，将相邻电极线之间的间隔距离改为0.6㎜；将步骤D）中的银浆的厚度改为0.075㎜，其余均同对实施例1的描述。

Claims (10)

1.一种基于碳纳米管的点阵型压力分布传感器，其特征在于包括一第一薄膜基片(1)和一第二薄膜基片(2)，该第一、第二薄膜基片(1、2)彼此的形状相同并且相互面对面配合；一组第一电极(3)和一组第二电极(4)，一组第一电极(3)既彼此并行又相互间隔地敷设在所述的第一薄膜基片(1)朝向所述的第二薄膜基片(2)的一侧，而一组第二电极(4)同样既彼此并行又相互间隔地敷设在第二薄膜基片(4)朝向第一薄膜基片(3)的一侧，并且第一、第二电极(3、4)彼此形成十字交错关系，藉由第一、第二电极(3、4)的十字交错形成行与列的电极矩阵点阵，所述的一组第一电极(3)中的每个第一电极(3)通过第一连线(32)与第一电极终端(31)相连接，所述的一组第二电极(4)中的每个第二电极(4)通过第二连线(42)与第二电极终端(41)相连接；一第一复合层(5)和一第二复合层(6)，位于所述的第一、第二薄膜基片(1、2)之间，第一复合层(5)覆盖于第一电极(3)上，第二复合层(6)覆盖于第二电极(4)上；一第一绝缘层(8)和一第二绝缘层(9)，该第一、第二绝缘层(8、9)位于第一、第二薄膜基片(1、2)之间，其中：所述的第一、第二薄膜基片(1、2)均为聚酯薄膜，所述的第一电极(3)、第二电极(4)、第一连线(32)、第二连线(42)、第一电极终端(31)和第二电极终端(41)的材料均为银。

2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管的点阵型压力分布传感器，其特征在于所述的第一、第二复合层(5、6)均为使用了碳纳米管的树脂复合层。

3.根据权利要求1所述的基于碳纳米管的点阵型压力分布传感器，其特征在于所述的第一、第二绝缘层(8、9)均为使用了绝缘油墨的绝缘层。

4.根据权利要求1所述的基于碳纳米管的点阵型压力分布传感器，其特征在于在所述的第一薄膜基片(1)上并且在对应于所述的第二电极终端(41)的位置构成有一第一凹腔(11)，而在第二薄膜基片(2)上并且在对应于所述的第一电极终端(31)的位置构成有一第二凹腔(21)，所述的第一电极终端(31)位于所述第二凹腔(21)内，而所述第二电极终端(41)位于所述第一凹腔(11)内。

5.根据权利要求1所述的基于碳纳米管的点阵型压力分布传感器，其特征在于所述的第一电极(3)和所述的第二电极(4)的宽度均为0.7-0.9㎜，相邻电极之间的间距均为0.4-0.6㎜。

6.根据权利要求1所述的基于碳纳米管的点阵型压力分布传感器，其特征在于所述的行与列的电极矩阵点阵为30×30～80×80。

7.根据权利要求1或4所述的基于碳纳米管的点阵型压力分布传感器，其特征在于所述的第一薄膜基片(1)和所述的第二薄膜基片(2)上共同地配设有一手柄(7)，所述的第一电极终端(31)和所述的第二电极终端(41)在所述的手柄(7)的部位通过输出电缆(71)与外部设备连接。

8.根据权利要求1或2所述的基于碳纳米管的点阵型压力分布传感器，其特征在于所述的碳纳米管为10-60nm的碳纳米管。

9.一种如权利要求1所述的基于碳纳米管的点阵型压力分布传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

A）原料准备，选择第一、第二薄膜基片(1、2)、碳纳米管、树脂和溶剂，备用；

B）制备复合层材料，先将树脂溶解于溶剂内，得到树脂溶液，再将碳纳米管加入到树脂溶液内，得到碳纳米管树脂混合液，而后采用超声波分散仪对碳纳米管树脂混合液进行分散，使碳纳米管在树脂中均匀分散，得到复合层材料，备用，其中：控制树脂、溶剂和碳纳米管的重量份比为1∶1.8～4∶0.083～0.2。

C）电路制版，依据一组第一电极(3)和一组第二电极(4)的数量、宽度以及间隔距离进行制版，得到作为构成第一电极(3)、第二电极(4)、第一连线(32)、第二连线(42)、第一电极终端(31)和第二电极终端(32)的导线层电路网板；

D）导电层印刷，按照导线层电路网板采用丝网印刷的方法将银浆印刷到第一薄膜基片(1)朝向第二薄膜基片(2)的一侧以及印刷到第二薄膜基片(2)朝向第一薄膜基片(1)的一侧，待固化并自然冷却后在第一薄膜基片(1)上构成第一电极(3)、第一连线(32)和第一电极终端(31)；在第二薄膜基片(2)上构成第二电极(4)、第二连线(42)和第二电极终端(41)，其中：银浆的印刷厚度为0.05-0.1㎜。

E）覆盖复合层，将由步骤B）得到的复合层材料采用丝网印刷方法分别涂抹至第一电极(3)的表面以及涂抹至第二电极(4)的表面，在第一薄膜基片(1)上形成覆盖第一电极(3)的第一复合层(5)，在第二薄膜基片(2)上形成覆盖第二电极(4)的第二复合层(6)。

F）覆盖绝缘层，在第一连线(32)和第一电极终端(31)上使用丝网印刷的方法覆盖第一绝缘层(8)，在第二连线(42)和第二电极终端(41)上使用丝网印刷的方法覆盖第二绝缘层(9)，经固化粘合后得到基于碳纳米管的点阵型压力分布传感器。

10.根据权利要求9所述的基于碳纳米管的点阵型压力分布传感器的制备方法，其特征在于步骤A）中所述的树脂为苯氧基树脂；所述的溶剂为高分子有机溶剂，所述的高分子有机溶剂为酮类或乙二醇醚类溶剂。

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