CN103994844B - 一种基于热塑性弹性体的压敏元件及面载荷分布测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于热塑性弹性体的压敏元件及面载荷分布测量装置的原理及使用方法。该压敏元件采用在化学腐蚀硅片上形成的周期性金字塔结构负形，将其作为模具在热塑性弹性体平面上形成周期性金字塔结构，通过沉积导电层和刻蚀电路，形成单个或多个导电锥体的选通，测量形变时导电锥体与平面电极之间电容变化，得到施加于上述阵列的载荷及其分布的高灵敏度测量。

Description

一种基于热塑性弹性体的压敏元件及面载荷分布测量方法

技术领域

本发明属于一种高重复性和敏感性的弹性体载荷传感装置。

背景技术

测量软材料接触载荷和分布的柔性传感器在生在生物力学、机器人、消费电子产品等领域有广泛应用，近年来为了开发这类传感器人们设计了不同的实现方法，例如；制备具有形变敏感特性的聚合物导电材料，形成具有拉伸、压缩形变敏感的柔性传感器，其拉伸敏感形变范围达到100％，压缩敏感形变范围达到30％。这类以压阻材料为基础的具有结构简单、制备方便、材料器件一体化等特点，不足之处在于其重复性较差，尤其不适合长时间定量测量的应用。另一类通过测量弹性体形变的平面电容或制成以弹性体为基体的有机电子器件为原理，具有重复性好、可微加工等优势，但目前存在测量灵敏度低、成本较高等缺点。热塑性弹性体材料是包括多种性能优越的弹性体材料，热塑性弹性体材料通过调节成分可以做到硬度在很大范围调节，光学透明度、可加工性、破断延伸率及剩余形变等综合性能正逐渐超越大部分工程橡胶，且与金属、透明导电氧化物材料、导电聚合物具有良好的表面粘附性，适合用于制备柔性平面载荷传感结构。

利用硅片湿法刻蚀技术，可以在硅片表面制备四棱锥状腐蚀坑，例如用四甲基氢氧化铵、氢氧化钾对不同取向硅晶体腐蚀速率差异，腐蚀通过光刻暴露出的方形窗口，设计窗口尺寸和图形，可以得到不同尺寸和排列的腐蚀坑结构。以此结构作为模板，填充聚合物材料，可制成尺寸从几微米到几百微米的凸出反转结构。

正交排列的电极结构，广泛用于各种液晶显示屏、电阻触摸屏，在柔性材料表面制备正交电极结构，也广泛用于各种柔性显示器件和光电转换器件。将该电极结构应用于上述柔性传感结构，可实现单个锥体的选通及形变下的电容变化测量。

发明内容

本发明旨在提供一种基于热塑性弹性体的压敏元件及载荷测量方法，以弹性材料为基体，通过在热塑性弹性体表面制备具有导电层的金字塔锥体及阵列，测量其接触面上受载荷引起的锥体测量单元集体或单个的电容变化，实现载荷及分布测量。

本发明的技术方案为：一种基于热塑性弹性体的压敏元件，包括连续或分立的平行条带结构的对电极以及与其以正交方式设置的周期性的金字塔锥体，周期性金字塔锥体或独立的金字塔锥体与包含采样电阻的测量电路串联；所述的金字塔锥体是由弹性体表面覆盖导电薄膜得到的导电金字塔锥体，弹性体的厚度为0.3到3mm，所述的导电薄膜包括金属薄膜、氧化物薄膜、表面金属化薄膜、导电聚合物薄膜中的任意一种，厚度为30到100nm；所述的对电极为层状结构，为上下两层聚合物层中间设置金属或氧化物导电薄膜层，所述上层聚合物厚度为3到10μm，下层聚合物厚度为0.05到0.3mm，所述的条带宽度与金字塔锥体底边宽度相同。

所述的导电薄膜为铝、铜、银、金中任意种的金属薄膜，或导电氧化铟锡、氧化锌、氧化锡中任意一种的氧化物薄膜，或铜、铝、银离子中任意种表面金属化薄膜，或聚苯胺、聚乙烯二氧噻吩中任意一种导电聚合物薄膜。

所述弹性体是指邵氏硬度A30到A90之间的热塑性弹性体；

所述周期性的金字塔锥体为相邻金字塔锥体之间的间距为20到150μm的周期性结构；单个金字塔锥体的底边长50到250μm、倾角54.7°。

所述的对电极聚合物层为聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯中的任意一种。

所述的对电极金属或氧化物导电薄膜层为铝、铜、银、金、导电氧化铟锡、氧化锌、氧化锡构成的薄膜中任意一种。

周期性金字塔锥体全部或金字塔锥体条带与带有采样电阻的测量电路串联，对电极均匀覆盖在金字塔椎体结构表面，垂直对电极的载荷及分布通过测量全部或单个金字塔锥体在形变下与对电极之间的电容变化来实现。

通过标定垂直于测量面的载荷确定加载和卸载时电容变化对应的载荷，得到标准的电容变化与载荷的对应关系，通过读取电容变化值来测量未知垂直测量面载荷，对任意方向载荷通过在立方体垂直的六个正交面放置相同的压敏元件来测量。

所述的基于热塑性弹性体的压敏元件的载荷测量方法，单个锥体的电容测量通过将平行条带导通的金字塔锥体阵列与平行条带的对电极正交排列，交替选通测量锥体条带，施加交流偏压，读取串联的采样电阻分压来得到每个锥体的电容变化来实现垂直与测量面载荷分布的测量。

所述的基于热塑性弹性体的压敏元件的载荷测量方法，被测载荷垂直施压于周期性金字塔锥体，通过测量该周期性金字塔锥体上集体选通或单个选通的金字塔锥体与对电极间在形变下的电容变化，实现对柔性材料的载荷及分布测量。

电容测量采用测量串联于交流偏压电路上的采样电阻分压来实现。

有益效果

以热塑性弹性体为基体材料，用微加工的硅片为模具，可以方便的制备各种尺寸、排列的表面导电锥形传感结构，利用弹性体锥体尖端压缩时接触面积与位移成指数关系变化，从而单个锥体形变产生的电容变化远大于平行电极电容测量的变化，因此上述设计具有高灵敏度、高重复性、高抗老化性等特点，满足多个领域的应用，导电层用磁控溅射镀膜法沉积的铝、铜、银、金等金属薄膜，或沉积透明的导电氧化铟锡、氧化锌、氧化锡等氧化物薄膜。或采用离子注入法注入铜、铝、银离子等表面金属化薄膜，或采用原味聚合方法沉积聚苯胺、聚乙烯二氧噻吩等导电聚合物薄膜，上述薄膜厚度在30到100nm，该导电层与弹性体表面粘附稳定，在10000次以上压缩变形下保持导电。对电极基体材料选择弹性模量略大于锥体材料的聚合物材料，可以是聚乙烯、聚氯乙烯、聚氨酯中的任意一种，该电极导电层采用与锥体表面导电层相同方法制备，在导电层上涂覆绝缘薄层厚度3到10μm，薄层材料可以是聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯中任一种，采用加热粘合法将上述材料薄膜贴合于电极表面形成绝缘层。

上述传感结构可以制成不同用途的器件，例如制成埋入式传感器，集体选通传感单元的测量结构，可用于测量各种弹性体大压缩形变下平面或复杂接触面的载荷；单个选通传感单元的测量结构，可制成透明触觉传感器阵列，用作高空间和载荷分辨电容式触摸屏。

附图说明

图1锥形阵列及测量示意图。

图2三维载荷测量示意图。

图3锥体阵列扫描电子显微镜图像。

图4载荷与电容差关系曲线，电容差为加载时测量电容与初始零载荷的电容差，测量值为二十次重复的平均结果。

具体实施方式

一种基于热塑性弹性体的压敏元件，包括连续或分立的平行条带结构的对电极以及以正交方式设置在对电极上的周期性的金字塔锥体，周期性金字塔锥体全部或平行的金字塔锥体条带与采样电阻串联；所述的金字塔锥体是由热塑性弹性体表面覆盖导电薄膜得到的导电金字塔锥体，弹性体的厚度为0.3到3mm，所述的导电薄膜包括金属薄膜、氧化物薄膜、表面金属化薄膜，导电聚合物薄膜中的任意一种，厚度为30到100nm；所述的对电极为层状结构，为上下两层聚合物层中间设置金属或氧化物导电薄膜层，所述聚合物层上层厚度为3到10μm，下层厚度0.05到0.3mm，所述的条带宽度略大于金字塔锥体底边宽度，如图1所示，图1上示意的为阵列结构的压敏装置，其中采样电阻的电压测量电路和电极选通电路在图中未标；图1下示意的为单个金字塔锥体形成的压敏装置，从单个的压敏装置可以清楚的看出整个测试回路的连接关系。测试时，垂直测量面的载荷对金字塔锥体进行垂直加压，可以单个联通也可以多个联通金字塔锥体。

所述的导电薄膜为铝、铜、银、金中任意一种的金属薄膜，或导电氧化铟锡、氧化锌、氧化锡中任意种的氧化物薄膜，或铜、铝、银离子中任意一种表面金属化薄膜，或聚苯胺、聚乙烯二氧噻吩中任意一种导电聚合物薄膜。

所述热塑性弹性体是指邵氏硬度A30到A90之间的热塑性弹性体；

所述周期性的金字塔锥体为相邻金字塔锥体之间的间距为20到150μm的周期性结构；单个金字塔锥体的底边长50到250μm、倾角54.7°。

所述的对电极聚合物层是聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯中任意一种

所述的对电极金属或氧化物导电薄膜层为铝、铜、银、金、导电氧化铟锡、氧化锌、氧化锡构成的薄膜中任意一种。

基于所述的热塑性弹性体的压敏元件的载荷测量方法，单个锥体的形变下电容变化测量是通过单个锥体与对电极形成正交排列，施加交流电压选通单个电极来实现。

所述的基于热塑性弹性体的压敏元件的载荷测量方法，载荷垂直于测量面施压于周期性金字塔锥体，通过测量该周期性金字塔锥体上集体选通或单个选通的金字塔锥体与对电极间在形变下的电容变化，实现对柔性材料的载荷及分布测量。对载荷不垂直于测量面的场合，通过在三维立方体正交面上放置压敏元件，测量三维载荷的方法来实现。

未知载荷通过对每个压敏元件标定标准载荷与电容变化关系，与测量的电容变化值比较来得到，电容测量用测量串联于对电极上采样电阻的分压来实现。

本发明采用的热塑性弹性体材料是邵氏硬度A30到A90之间的热塑性弹性体，选择的加工温度在该材料对应的粘度低于20Pa.s，并保持材料透明度、稳定性无明显变化。上述测量结构采用将选择的弹性体预制片(厚度0.3到3mm)覆盖于模具表面，真空加热、加压方法制备。

适合测量应力在几千帕到几兆帕范围内，压缩应变低于30％的场合，对应的锥体尺寸底边长50到250μm、倾角54.7°，对应的阵列为间距从20到150μm的周期结构。

本发明通过以下应用例来实现特定的应用。

应用例1

本应用例的传感元件，在测量面上对电极和锥体阵列均为集体串联到一个采样电阻，对电极接地，在采样电阻上加一恒定交流电压，测量采样电阻上分压得到锥体阵列与对电极间电容在垂直于接触面载荷下的变化，通过对比标准载荷下的电容变化，得到对未知垂直于接触面载荷的测量。

应用例2

本应用例的载荷测量方法，将若干个上述传感元件以正交方式埋入被测材料体内，通过测量相互垂直方向的垂直于测量面的载荷，得到材料体内任意方向的压缩载荷和剪切载荷。如图2所示，选择一个标准测量块，其力学常数已知，测量贴在六个正交面上的多个传感元件上的正压力，从不同位置正压力大小，可以得到压力的垂直分量Pzz，以及剪切分量Txy，Txy等三维载荷，从而得到任意方向压缩和剪切载荷。

应用例3

本应用例的基于热塑性弹性体的压敏元件和载荷测量方法，金字塔锥体阵列表面用磁控溅射方法沉积透明导电氧化物薄膜，该薄膜可以是氧化铟锡、氧化锌、氧化锡中任意一种，或在金字塔锥体阵列表面用原位聚合方法沉积透明导电聚合物薄膜，该薄膜可以是聚苯胺、聚乙烯二氧噻吩中任意一种，上述导电薄膜厚度小于100nm，电阻率低于1000Ω·cm，可见光透过率高于70％。热塑性弹性体膜厚度为0.3到0.5mm，对电极厚度0.05到0.1mm。

在金字塔锥体阵列和对电极上制备出平行导电条带，宽度略大于金字塔锥体底部尺寸，锥体阵列上每根条带通过选通电路串联于一个采样电阻，再联接到交流恒压源；对电极平行条带与锥体平行条带垂直，使每个锥体尖端置于正交条带正方形中央，除一根条带外，对电极每个条带也用选通电路联接到同一交流恒压源，该一条带接地，选通电路交替扫描选择每一条带接地，同时选通电路选择测量采样电阻上电压幅值，对同一接地对电极条带，分别读取与其正交的各个锥体条带上采样电阻电压，对电极扫描所有条带后，测量面上每个锥体的电容值均被测量，比较电容值的变化，得到测量面上所有锥体所受的载荷。

上述测量装置可以覆盖在各种显示器件表面，用作高空间、载荷敏感的透明触摸屏。

实施例1

制备硅片模板：

硅片厚度3mm，制备模板硅片选用表层热氧化硅片，氧化层厚度100到500nm，晶向〈100〉，采用普通负胶光刻法。在硅表面形成去除氧化层的周期性方形窗口，窗口尺寸为100μm，用四甲基氢氧化铵(20％质量比)水溶液于异丙醇(1：1体积比)70℃下充分腐蚀窗口区硅层，待尖端平台小于3μm停止，以此腐蚀锥坑阵列用作模具。

制备周期性金字塔锥体：

采用巴斯夫热塑性聚氨酯透明预制片，厚度1mm，邵氏硬度为A60。将上述聚氨酯预制片覆盖于硅模具表面，采用平面加压夹具，将厚膜与硅模具加压贴合，应力0.1到0.5MPa，真空加热，真空度低于10torr，温度为163±1.5℃，保持20分钟，缓慢降温，脱模，制成透明聚氨酯表面金字塔锥形周期结构。

金字塔锥体镀导电薄膜：

导电层用磁控溅射法沉积透明的导电氧化铟锡氧化物薄膜。溅射电流3A，靶距9cm，真空度3×10-3Ps得到膜厚100nm，使得该导电层与聚氨酯弹性体表面粘附稳定，在10000次以上压缩变形下保持导电。

平行分立的导电条带采用在沉积导电层前在锥体阵列上放置平行掩膜，或在沉积后用激光刻蚀方法制备。

制备对电极：

对电极采用厚度为0.05mm聚苯乙烯厚膜，采用与上述相同方法制备透明氧化铟锡电极和平行导电条带，宽度略大于锥体的表面电极宽度，采用热合法将厚度为10μm聚苯乙烯薄膜覆盖于上述电极表面，加热贴合后要求电极表面无气泡。

如图1所示，将锥体阵列与对电极以正交方式贴合，锥体尖端置于对电极条带中间，固定形成透明载荷测量阵列。

在金字塔锥体电极引出线串联12MΩ电阻作为采样电阻，同时金字塔锥体与电容、采样机测量面串联，将50千赫兹交流电压加于上述正交对电极上，通过测量面对金字塔锥体进行加压，测量采样电阻在该频率下不同载荷下的压降，得到该锥体与对电极间电容。扫描对电极偏压和扫描测量采样电阻分压，得到对上述任意锥体上电容变化的测量，从而得到载荷分布测量。

单个金字塔锥体受垂直压力变形，其与平面电极接触面积增加，如图1下右所示，使得平面对电极与锥体电极间电容增加，集体电容也相应增加，测量集体电容变化与载荷关系，如图3所示，样品受压后电容变化与压力有很好的单调对应关系，得到电容与正压力标准曲线，通过测量电容和参考标准曲线来测量未知压力载荷。

实施例2

采用导电聚合物作为透明导电层，用原位聚合方法，在金字塔锥体阵列表面沉积厚度均匀的聚苯胺薄膜。

将4.7克苯胺和3.8克过硫酸铵分别溶于100毫升0.4MHCl溶液，将表面制备了金字塔结构的聚氨酯膜先用1MHCl浸泡2小时，清洗后放入苯胺溶液，再倒入过硫酸铵溶液，持续搅拌，上述混合溶液维持4℃，搅拌30分钟后取出聚氨酯膜，去离子水清洗后放入1MHCl溶液，10小时后取出，烘干。

上述方法制备的聚苯胺薄膜厚度约为80nm，可见光透光度大于70％，电阻率约为500Ω·cm。该薄膜与聚氨酯结合良好，重复变形耐久性高于磁控溅射法制备的氧化铟锡薄膜。

模板制备方法、对电极制备方法、测量方式同实施例1。

实施例3

采用巴斯夫热塑性聚苯胺弹性体透明预制片，厚度1mm，邵氏硬度为A60。将上述聚苯胺预制片覆盖于硅模具表面，采用平面加压夹具，将厚膜与硅模具加压贴合，应力0.1到0.5MPa，真空加热，真空度低于10torr，温度为150±3℃，保持20分钟，缓慢降温，脱模，制成透明聚苯胺表面金字塔锥形周期结构。

模板制备方法、导电膜制备方法、对电极制备方法、测量方式同实施例1。

实施例4

采用石墨烯悬浮液喷涂方法制备与聚氨酯弹性体结合牢固，耐多次形变的导电层，石墨烯悬浮液制备方法参照(Inkjetprintingofhighconductivity,flexiblegraphenepatterns,JournalofPhysicalChemistryLetters,3,1347-1351,2013；Highmobility,printable,andsolution-processedgrapheneElectronics,NanoLetters,10,92-98,2010),将用以上方法制备的石墨烯用过滤纯化方法提纯，溶解到水/甲醇(1:5体积比)混合溶液中制成悬浮液均匀喷射到金字塔尖端和底部，调节石墨烯浓度到4mg/ml,选择喷头尺寸使液滴尺寸约为20μm，液滴间距20μm，使得金字塔尖端和根部均匀覆盖石墨烯片，以此在金字塔周期结构表面制备平行透明导电层，120度烘干2小时后，用溶剂蒸发法在材料表面表面再沉积一层聚乙烯薄膜，厚度低于200nm，60度烘干2小时，得到导电性良好，耐多次压缩变形，透明的导电层。

模板制备方法、对电极制备方法、测量方式同实施例1，金字塔结构制备方法同实施例3。

Claims (8)

1.一种基于热塑性弹性体的压敏元件，其特征在于，包括连续或分立的平行条带结构的对电极以及与对电极以正交方式设置的周期性的金字塔锥体阵列，所述的金字塔锥体阵列是由热塑性弹性体表面覆盖导电薄膜得到的导电金字塔锥体，热塑性弹性体的厚度为0.3到3mm，所述的导电薄膜包括金属薄膜、氧化物薄膜、表面金属化薄膜、导电聚合物薄膜中的任意一种，厚度为30到100nm；所述的对电极为层状结构，为上下两层聚合物层中间设置金属或氧化物导电薄膜层，所述上层聚合物厚度为3到10μm，下层聚合物厚度为0.05到0.3mm，所述的条带宽度略大于金字塔锥体底边宽度；所述周期性的金字塔锥体为相邻金字塔锥体之间的间距为20到150μm的周期性结构；单个金字塔锥体的底边长50到250μm、倾角54.7°。

2.如权利要求1所述的基于热塑性弹性体的压敏元件，其特征在于，所述的导电薄膜为铝、铜、银、金中任意一种的金属薄膜，或氧化铟锡、氧化锌、氧化锡中任意一种的氧化物薄膜，或铜、铝、银离子中任意一种表面金属化薄膜，或聚苯胺、聚乙烯二氧噻吩中任一种导电聚合物薄膜。

3.如权利要求1所述的基于热塑性弹性体的压敏元件，其特征在于，所述的热塑性弹性体是指邵氏硬度A30到A90之间的聚氨酯、苯乙烯弹性体、聚氨酯弹性体、聚烯烃共聚物弹性体、热塑性硫化弹性体中的任一种。

4.如权利要求1所述的基于热塑性弹性体的压敏元件，其特征在于，所述对电极的聚合物层为聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯中的任意一种。

5.如权利要求1所述的基于热塑性弹性体的压敏元件，其特征在于，所述的对电极中间导电薄膜层为铝、铜、银、金、氧化铟锡、氧化锌、氧化锡中任意一种。

6.基于权利要求1到5任一所述的基于热塑性弹性体的压敏元件的载荷测量方法，其特征在于，周期性金字塔锥体全部或金字塔锥体条带与带有采样电阻的测量电路串联，对电极均匀覆盖在金字塔椎体结构表面，垂直对电极的载荷及分布通过测量全部或单个金字塔锥体在形变下与对电极之间的电容变化来实现。

7.如权利要求6所述的基于热塑性弹性体的压敏元件的载荷测量方法，其特征在于，通过标定垂直于测量面的载荷确定加载和卸载时电容变化对应的载荷，得到标准的电容变化与载荷的对应关系，通过读取电容变化值来测量未知垂直测量面载荷，对任意方向载荷通过在立方体垂直的六个正交面放置相同的压敏元件来测量。

8.如权利要求6所述的基于热塑性弹性体的压敏元件的载荷测量方法，其特征在于，单个锥体的电容测量通过将平行条带导通的金字塔锥体阵列与平行条带的对电极正交排列，交替选通测量锥体条带，施加交流偏压，读取串联的采样电阻分压来得到每个锥体的电容变化来实现垂直与测量面载荷分布的测量。