CN103528721B - 横向电极式导电高分子复合材料压敏元件及其研制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种横向电极式导电高分子复合材料压敏元件及其研制方法，属于传感器技术领域。压敏元件的外层为绝缘封装层，由柔软的高分子材料构成；压敏元件的内层为压敏层，由导电高分子复合材料、横向电极和聚酰亚胺薄膜构成。绝缘封装层是利用催化剂和交联剂使液态高分子材料硫化成型制备而成，导电高分子复合材料是利用溶液混合法将纳米导电粉末分散到高分子基体中制备而成，每对电极与其间的导电高分子复合材料只占据一层，且每对电极的轴心连线与压敏元件的受力方向垂直。利用本发明提出的方法研制的压敏探头，具有灵敏度高、厚度薄、柔软性高、结构简约、工艺简单和成本低等优点，特别适用于曲面层间压力测量与电子皮肤研制。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，特别涉及到柔软传感器研制工艺。
背景技术
随着科技的发展，现代工业和民用领域中迫切需要薄型柔软压敏传感器，比如人工电子皮肤研制、重大设备狭小曲面层间压力监测等等。导电高分子复合材料具有柔软性、压阻特性和易加工性，故而可作为薄型柔软压力传感器的敏感材料。目前，基于这种材料研制的压敏元件是将敏感材料置于两层金属电极之间，再利用绝缘薄膜对其进行封装。这种元件层数较多，结构较为复杂，亟需进行精简、以使其厚度更薄，以适应更苛刻的应用环境(如：应用于间隙特别狭小的曲面层间或厚度更薄的人工电子皮肤)。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种横向电极式导电高分子复合材料压敏元件研制方法。利用本发明提出的方法所研制的压敏元件的绝缘封装层由柔软的高分子材料构成，压敏层由导电高分子复合材料、横向电极和聚酰亚胺薄膜构成，每对电极与其间的导电高分子复合材料只与据一层，且每对电极的轴心连线与压敏元件的受力方向垂直。利用本发明提出的方法研制的压敏探头，具有灵敏度高、厚度薄、柔软性高、结构简约、工艺简单和成本低等优点，特别适用于曲面层间压力测量与电子皮肤研制。
本发明提出的横向电极式导电高分子复合材料压敏元件研制方法包括以下步骤：
在聚酰亚胺薄膜上覆合一层铜箔电极，并通过光刻形成N×N(N为整数)对电极及其引线，并在每对电极之间开通透窗口，制成带有通透窗口和横向电极的聚酰亚胺薄膜，并将其贴附于微机控制升降台的下平台上备用；将干燥后的纳米导电粉末、液态高分子材料和有机溶剂按一定比例混合，对其进行大功率机械搅拌和超声振荡，使纳米导电粉末在混合溶液中分散，并在交联剂的作用下，形成导电高分子复合材料粘稠物；将导电高分子复合材料粘稠物灌入所述的带有通透窗口和横向电极的聚酰亚胺薄膜的N×N个通透窗口中，通过微机控制使升降台的上平台向下移动，将导电高分子复合材料粘稠物挤压为所需厚度的薄膜，其硫化成型后，将通透窗口之外的导电高分子复合材料去除，并将其从微机控制升降台的下平台上揭下，形成压敏层；在液态高分子材料中加入交联剂，搅拌后形成高分子胶状物，并将其涂覆在微机控制升降台的下平台之上，然后将所述的压敏层放置于这层高分子胶状物之上，再将剩余的高分子胶状物涂覆在压敏层之上，形成高分子胶状物-压敏层-高分子胶状物的三明治结构；通过微机控制使升降台的上平台的向下移动，将上述三明治结构挤压为所需厚度的薄膜，待高分子材料硫化成型后，将薄膜裁剪为所需尺寸以完成横向电极式导电高分子复合材料压敏元件的制备。
本发明的特点及效果：
1、本发明提出的横向电极式导电高分子复合材料压敏元件的研制方法，将电极设置在导电高分子复合材料的同一层，比传统三明治元件少了两个电极层，因而简化了元件结构、减小了传感器厚度，使其可应用于更为狭小的曲面层间。
2、本发明提出的横向电极式导电高分子复合材料压敏元件，每对电极轴线的连线与压敏元件的受力方向垂直，使元件具有高灵敏度，可用于研制高性能的柔软压敏传感器。
附图说明
图1为覆有横向电极的聚酰亚胺薄膜结构示意图。
图2为横向电极式导电高分子复合材料压敏元件制备流程示意图。
图1和图2中，a代表聚酰亚胺薄膜，b代表覆合在聚酰亚胺薄膜上的铜箔引线，c代表在聚酰亚胺薄膜上的通透窗口，d代表横向电极，e代表微机控制升降台的下平台，f代表导电高分子复合材料粘稠物，g代表经剪切过的导电高分子复合材料，h代表硫化成型后的硅橡胶。
具体实施方式
以下结合图1和图2说明本发明提出的横向电极式导电高分子复合材料压敏元件的研制方法：
在聚酰亚胺薄膜a上覆合一层铜箔电极，并通过光刻形成N×N(N为整数)对电极d及其引线b，并在每对电极之间开通透窗口c，制成带有通透窗口和横向电极的聚酰亚胺薄膜，如图1所示；将其贴附于微机控制升降台的下平台e上备用，如图2(1)所示；将干燥后的纳米导电粉末、液态高分子材料和有机溶剂按一定比例混合，对其进行大功率机械搅拌和超声振荡，使纳米导电粉末在混合溶液中分散，并在交联剂的作用下，形成导电高分子复合材料粘稠物f；将导电高分子复合材料粘稠物f灌入所述的带有通透窗口和横向电极的聚酰亚胺薄膜的N×N个通透窗口c中，通过微机控制使升降台的上平台向下移动，将导电高分子复合材料粘稠物挤压为所需厚度的薄膜，如图2(2)所示，其硫化成型后，将通透窗口c之外的导电高分子复合材料去除，并将其从微机控制升降台的下平台e上揭下，形成压敏层；在液态高分子材料中加入交联剂，搅拌后形成高分子胶状物，并将其涂覆在微机控制升降台的下平台之上，然后将所述的压敏层放置于这层高分子胶状物之上，再将剩余的高分子胶状物涂覆在压敏层之上，形成高分子胶状物-压敏层-高分子胶状物的三明治结构；通过微机控制使升降台的上平台的向下移动，将上述三明治结构挤压为所需厚度的薄膜，待高分子材料硫化成型后，将薄膜裁剪为所需尺寸以完成横向电极式导电高分子复合材料压敏元件的制备，如图2(3)所示。
实施例1
在聚酰亚胺薄膜上覆合一层铜箔电极，并通过光刻形成3×3对电极及其引线，并在每对电极之间开通透窗口，制成带有通透窗口和横向电极的聚酰亚胺薄膜；将其贴附于微机控制升降台的下平台上备用；将干燥后的导电炭黑(平均粒径：20nm)、室温硫化硅橡胶和正已烷按0.08：1：50的质量比混合，对其进行大功率机械搅拌和超声振荡，使导电炭黑在混合溶液中分散，并在正硅酸乙酯的作用下，形成导电炭黑/硅橡胶粘稠物；将导电炭黑/硅橡胶粘稠物灌入所述的带有通透窗口和横向电极的聚酰亚胺薄膜的3×3个通透窗口中，通过微机控制使升降台的上平台向下移动，将导电炭黑/硅橡胶粘稠物挤压为150微米的薄膜，其硫化成型后，将通透窗口之外的导电炭黑填充硅橡胶复合材料去除，并将其从微机控制升降台的下平台上揭下，形成压敏层；在室温硫化硅橡胶中加入正硅酸乙酯，搅拌后形成硅橡胶胶状物，并将其涂覆在微机控制升降台的下平台之上，然后将所述的压敏层放置于这层硅橡胶胶状物之上，再将剩余的硅橡胶胶状物涂覆在压敏层之上，形成硅橡胶胶状物-压敏层-硅橡胶胶状物的三明治结构；通过微机控制使升降台的上平台的向下移动，将上述三明治结构挤压为300微米厚的薄膜，待硅橡胶硫化成型后，将薄膜裁剪为所需尺寸以完成横向电极式炭黑填充硅橡胶复合材料压敏元件的制备。
实施例2
在聚酰亚胺薄膜上覆合一层铜箔电极，并通过光刻形成6×6对电极及其引线，并在每对电极之间开通透窗口，制成带有通透窗口和横向电极的聚酰亚胺薄膜；将其贴附于微机控制升降台的下平台上备用；将干燥后的碳纳米管(长径比：300)、室温硫化硅橡胶和正已烷按0.04：1：100的质量比混合，对其进行大功率机械搅拌和超声振荡，使碳纳米管在混合溶液中分散，并在正硅酸乙酯的作用下，形成碳纳米管/硅橡胶粘稠物；将碳纳米管/硅橡胶粘稠物灌入所述的带有通透窗口和横向电极的聚酰亚胺薄膜的6×6个通透窗口中，通过微机控制使升降台的上平台向下移动，将碳纳米管/硅橡胶粘稠物挤压为90微米的薄膜，其硫化成型后，将通透窗口之外的碳纳米管填充硅橡胶复合材料去除，并将其从微机控制升降台的下平台上揭下，形成压敏层；在室温硫化硅橡胶中加入正硅酸乙酯，搅拌后形成硅橡胶胶状物，并将其涂覆在微机控制升降台的下平台之上，然后将所述的压敏层放置于这层硅橡胶胶状物之上，再将剩余的硅橡胶胶状物涂覆在压敏层之上，形成硅橡胶胶状物-压敏层-硅橡胶胶状物的三明治结构；通过微机控制使升降台的上平台的向下移动，将上述三明治结构挤压为180微米厚的薄膜，待硅橡胶硫化成型后，将薄膜裁剪为所需尺寸以完成横向电极式碳纳米管填充硅橡胶复合材料压敏元件的制备。
实施例3
在聚酰亚胺薄膜上覆合一层铜箔电极，并通过光刻形成5×5对电极及其引线，并在每对电极之间开通透窗口，制成带有通透窗口和横向电极的聚酰亚胺薄膜；将其贴附于微机控制升降台的下平台上备用；将干燥后的碳纳米管(长径比：100)、室温硫化硅橡胶和正已烷按0.06：1：100的质量比混合，对其进行大功率机械搅拌和超声振荡，使碳纳米管在混合溶液中分散，并在正硅酸乙酯的作用下，形成碳纳米管/硅橡胶粘稠物；将碳纳米管/硅橡胶粘稠物灌入所述的带有通透窗口和横向电极的聚酰亚胺薄膜的5×5个通透窗口中，通过微机控制使升降台的上平台向下移动，将碳纳米管/硅橡胶粘稠物挤压为100微米的薄膜，其硫化成型后，将通透窗口之外的碳纳米管填充硅橡胶复合材料去除，并将其从微机控制升降台的下平台上揭下，形成压敏层；在室温硫化硅橡胶中加入正硅酸乙酯，搅拌后形成硅橡胶胶状物，并将其涂覆在微机控制升降台的下平台之上，然后将所述的压敏层放置于这层硅橡胶胶状物之上，再将剩余的硅橡胶胶状物涂覆在压敏层之上，形成硅橡胶胶状物-压敏层-硅橡胶胶状物的三明治结构；通过微机控制使升降台的上平台的向下移动，将上述三明治结构挤压为200微米厚的薄膜，待硅橡胶硫化成型后，将薄膜裁剪为所需尺寸以完成横向电极式碳纳米管填充硅橡胶复合材料压敏元件的制备。
Claims (2)
1.一种横向电极式导电高分子复合材料压敏元件的研制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
在聚酰亚胺薄膜上覆合一层铜箔电极，并通过光刻形成N×N(N为整数)对电极及其引线，并在每对电极之间开通透窗口，制成带有通透窗口和横向电极的聚酰亚胺薄膜，并将其贴附于微机控制升降台的下平台上备用；将干燥后的纳米导电粉末、液态高分子材料和有机溶剂按一定比例混合，对其进行大功率机械搅拌和超声振荡，使纳米导电粉末在混合溶液中分散，并在交联剂的作用下，形成导电高分子复合材料粘稠物；将导电高分子复合材料粘稠物灌入所述的带有通透窗口和横向电极的聚酰亚胺薄膜的N×N个通透窗口中，通过微机控制使升降台的上平台向下移动，将导电高分子复合材料粘稠物挤压为所需厚度的薄膜，其硫化成型后，将通透窗口之外的导电高分子复合材料去除，并将其从微机控制升降台的下平台上揭下，形成压敏层；在液态高分子材料中加入交联剂，搅拌后形成高分子胶状物，并将其涂覆在微机控制升降台的下平台之上，然后将所述的压敏层放置于这层高分子胶状物之上，再将剩余的高分子胶状物涂覆在压敏层之上，形成高分子胶状物-压敏层-高分子胶状物的三明治结构；通过微机控制使升降台的上平台的向下移动，将上述三明治结构挤压为所需厚度的薄膜，待高分子材料硫化成型后，将薄膜裁剪为所需尺寸以完成横向电极式导电高分子复合材料压敏元件的制备。
2.如权利要求1所述的横向电极式导电高分子复合材料压敏元件的研制方法，其特征在于，用该方法研制的所述横向电极式导电高分子复合材料压敏元件的每对电极的轴心连线与该压敏元件的受力方向垂直。
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