CN104964771A - 一种正电阻效应的拉力敏感型电阻传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种正电阻效应的拉力敏感型电阻传感器，包括拉敏电阻材料以及安装在所述拉敏电阻材料两端的金属电极；所述拉敏电阻材料是在硅橡胶材料中填充导电填料制成的体积电阻率介于1.0×102Ω.cm和1.0×105Ω.cm之间的一种导电硅橡胶材料。本发明的正电阻效应的拉力敏感型电阻传感器的电阻值随拉伸形变增加逐渐增大，在30%拉伸形变时产生2到50倍的电阻变化，且电阻与形变间具有良好的线性度，因而可以通过检测电阻值的变化获得传感器所受的外界作用力的信息。本发明的拉敏电阻传感器具有很好的柔性和弹性，力学量变化幅度较大，在生物力学检测、医疗康复、智能机器人、智能可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种拉力敏感型电阻传感器，特别涉及一种正电阻效应的拉力敏感型电阻传感器。
背景技术
1885年，英国物理学家开尔文发现金属在承受压力(拉力或扭力)后产生机械形变的同时，由于受材料尺寸(长度、截面积)改变的影响，电阻值也发生了特征性变异，即应变电阻效应。人们便从电阻值的变化获得材料受力的特征和量值，分别开发出压力敏感型和拉力敏感型的电阻应变传感器。目前使用的拉力敏感型电阻应变式传感器，简称拉敏电阻传感器，主要有金属应变电阻式、半导体应变电阻式、合金应变电阻式等。但是由于传感材料本身弹性模量的限制，这些应变型型电阻传感元件存在以下缺点：一是缺乏柔性和弹性、不能弯曲，因而在体育、医疗、智能穿戴等需要弯曲、拉伸等复杂形变的领域的应用受到限制；二是力学量变化幅度较小，因而不能用于形变量较大的领域；三是结构复杂，制造成本高，限制了其在更广领域的应用。特别是前两个缺点，给生物力学检测、康复医疗、智能可穿戴设备、智能机器人等领域中的许多特殊结构的应力应变的测量带来了很大困难，因此急需寻找新型的柔性的力学敏感材料制造柔性的电阻应变型传感器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种正电阻效应的拉力敏感型电阻传感器，提高传感器的柔性和弹性，增大力学量变化幅度，结构简单，降低制造成本。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种正电阻效应的拉力敏感型电阻传感器，包括拉敏电阻材料以及安装在所述拉敏电阻材料两端的金属电极；所述拉敏电阻材料是在硅橡胶材料中填充导电填料制成的体积电阻率介于1.0×102Ω.cm和1.0×105Ω.cm之间的一种导电硅橡胶材料。所述金属电极选自金属膜、金属箔、金属片中的一种，通过导电胶粘合、高温热压、丝网印刷或者真空镀膜的方式制作在拉敏电阻材料两端的表面。所述的正电阻效应的拉力敏感型电阻传感器在拉伸力作用下传感器电阻逐渐增加，呈现正拉敏电阻效应，在30％拉伸形变电阻变化倍率介于2到50倍，且电阻与形变之间具有良好的线性度，可以通过检测电阻值的变化或将变化的电阻信号转换成其他电平信号来获得外界作用力的信息，从而制成一种模拟型拉敏电阻应变式传感器，在生物力学检测、医疗康复、机器人、智能可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景，且该传感器件制造工艺简单、成本低。
为实现上述技术方案，所述导电硅橡胶材料按照质量份各组分配比为：硅橡胶100份，结构控制剂0.1-10份，硫化剂0.2-5份，补强填料5-40份，导电炭黑30-100份。其中，质量份是工业上出于计算方便使用的一个直观的质量配比方法，数字直接表示所需要配比物质的质量比。
进一步地，所述硅橡胶为高温硫化型硅橡胶，选自二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶和氟硅橡胶中的一种。
进一步地，所述结构控制剂，选自羟基硅油、二苯基硅二醇。
进一步地，所述导电炭黑，粒径为20-120nm，吸油值为40cm3/100g-200cm3/100g。
进一步地，所述补强填料选自气相二氧化硅，BET法所测比表面积100-400m2/g。除了补强之外，还具有改善拉敏电阻的电阻蠕变与松弛的作用。
进一步地，所述硫化剂，选自有机过氧化物，包括过氧化苯甲酰BPO、过氧化二异丙苯DCP、过氧化二叔丁基DTBP、二(叔丁基过氧化异丙基)DIPB、2,4-二氯过氧化苯甲酰DCBP、2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷DBPMH。
进一步地，所述导电硅橡胶材料的电阻率介于1.0×102Ω.cm和1.0×105Ω.cm之间。
进一步地，所述金属电极选自金属箔、金属片、金属膜中的一种，通过导电胶粘合、高温热压、银浆丝网印刷或真空镀膜的方式制作，以方便拉敏电阻传感器与信号采集端的连接。所述导电银浆包括热固化型和紫外光固化型。所述真空镀膜的方法包括真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜、真空离子镀膜。
进一步地，所述拉敏电阻器在拉伸力作用下100％拉伸形变范围内电阻值逐渐增加，在30％拉伸形变电阻变化倍率介于2到50倍，并且电阻与形变之间具有良好的线性度。拉敏电阻传感器在形变前后电阻值的变化倍率，定义为传感器的灵敏度或灵敏因子。
本发明还提供了一种正电阻效应的拉力敏感型电阻传感器的制造方法，包括以下步骤：
步骤A：按照一定的质量配比将硅橡胶基体、结构控制剂、导电填料、补强填料和硫化剂依照上述顺序依次加入到双辊开炼机或者密炼机进行混炼，设定温度低于为50℃，各组分混合均匀后，薄通出片，整个混炼过程的温度控制在80℃以下；
步骤B：将混炼好导电橡胶胶料放入一定的模腔尺寸的模具中，在一定的温度、压力和时间下硫化成型，得到导电橡胶板材。硫化分为一段硫化：150-200℃，压力10MPa-20MPa，5-15分钟；二段硫化：转移至烘箱中150-200℃，2-4小时；以及
步骤C：将导电橡胶板材，裁切成一定长度和宽度的橡胶样条，使用导电银胶粘接、高温热压、丝网印刷或者真空镀膜的方法在样条两端做出金属电极，也可以进一步在其上连接金属导线，从而制备出正电阻效应的拉敏电阻传感器。
有益效果：本发明的正电阻效应的拉力敏感型电阻传感器在100％拉伸形变范围内其电阻随形变增大逐渐增加，呈现正电阻效应，在30％拉伸形变电阻变化倍率介于2到50倍，且电阻与形变之间的线性度良好，，可以通过检测电阻值的变化获得传感器受力的信息。而且该电阻传感器柔性好，力学量变化幅度大，结构简单，制造成本低。在生物力学检测、医疗康复、机器人、智能可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是正电阻效应拉力敏感型电阻传感器结构示意图；
图2-图8是正电阻效应拉敏电阻传感器中电阻与形变的关系曲线图。
图中标记：10-拉敏电阻材料；11-金属电极；12-金属导线。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例对本发明的模拟型拉敏电阻传感器作详细说明：
实施例1
结合图1，本实施例的正电阻效应的拉敏电阻传感器采用导电硅橡胶作为拉敏电阻材料10，其制作方法如下：
导电橡胶的成份配比及制作方法如下：
按照以下顺序依次将100质量份的甲基乙烯基硅橡胶(牌号110-1，分子量45-70万，乙烯基含量0.13-0.22％，南京东爵有机硅公司)，2质量份的二苯甲基硅二醇，80质量份的炭黑(3030B，粒径55nm，吸油值140m2/g，三菱化学)，20质量份气相白炭黑(AEROSIL150，赢创德固赛)，2质量份的双25硫化剂(2,5-二甲基-2,5-双(过氧化叔丁基)己烷)，加入到双辊开炼机进行混炼，开炼机温度设定为30℃，各组分混合均匀后，薄通出片。将混炼好的硅橡胶放入模具中，在170℃，15MPa压力下硫化8分钟，然后在鼓风烘箱中于180℃中二段硫化2小时，得到厚度为1mm的导电硅橡胶板材。
将导电硅橡胶板材，裁切成长度50mm，宽度5mm的样条，使用导电银胶粘接的方法在样条两端做出金属箔电极并在其上连接金属导线12，其中金属箔为镀镍铜箔，厚度0.035mm，长度10mm，宽度5mm；金属铜线直径0.4mm。
本实施例的拉敏电阻器如图1所示，包括拉敏电阻材料10以及安装在所述拉敏电阻材料10两端的金属电极11；所述拉敏电阻材料10是在硅橡胶材料中填充导电填料制成的电阻率介于1.0×102Ω.cm和1.0×105Ω.cm之间的一种导电硅橡胶材料，按照质量份各组分配比为：硅橡胶100份，结构控制剂1份，硫化剂0.2份，补强填料5份，导电炭黑30份。
优选地，所述导电硅橡胶材料，按照质量份各组分配比为：硅橡胶100份，结构控制剂5份，硫化剂2.5份，补强填料20份，导电炭黑60份。
优选地，所述导电硅橡胶材料，按照质量份各组分配比为：硅橡胶100份，结构控制剂10份，硫化剂5份，补强填料40份，导电炭黑100份。
优选地，所述硅橡胶为高温硫化型硅橡胶，选自二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶和氟硅橡胶中的一种。
优选地，所述导电炭黑，粒径为20nm，吸油值为40cm3/100g。
优选地，所述导电炭黑，粒径为70nm，吸油值为120cm3/100g。
优选地，所述导电炭黑，粒径为120nm，吸油值为200cm3/100g。
优选地，所述补强填料选自气相二氧化硅，BET法所测比表面积100m2/g。
优选地，所述补强填料选自气相二氧化硅，BET法所测比表面积250m2/g。
优选地，所述补强填料选自气相二氧化硅，BET法所测比表面积400m2/g。
优选地，所述金属电极11选自金属箔、金属片、金属膜中的一种，通过导电胶粘合、高温热压、丝网印刷或者真空镀膜的方式制作。
优选地，所述拉敏电阻器在拉伸力作用下100％拉伸形变范围内电阻值持续增加，形变为30％时电阻变化倍率为2倍。
优选地，所述拉敏电阻器在拉伸力作用下100％拉伸形变范围内电阻值持续增加，形变为30％时电阻变化倍率为30倍。
优选地，所述拉敏电阻器在拉伸力作用下100％拉伸形变范围内电阻值持续增加，形变为30％时电阻变化倍率为50倍。
测试拉敏电阻传感器器随着拉伸形变的增加电阻值的变化规律，绘制电阻-拉伸形变关系曲线，如图2所示。
实施例2
按照和实施例1相同方法制造拉敏电阻传感器，但用70质量份的炭黑(3030B，粒径55nm，吸油值140m2/g，三菱化学)替代实施例1中80质量份的炭黑(3030B，粒径55nm，吸油值140m2/g，三菱化学)。按照和实施例1中所述相同的方式制作拉敏电阻传感器件并测试电阻与形变之间的变化关系，结果列于图3。
实施例3
按照和实施例1相同方法制造拉敏电阻传感器，但用50质量份的炭黑(3030B，粒径55nm，吸油值140m2/g，三菱化学)替代实施例1中80质量份的炭黑(3030B，粒径55nm，吸油值140m2/g，三菱化学)。按照和实施例1中所述相同的方式制作拉敏电阻传感器件并测试电阻与形变之间的变化关系，结果列于图4。
实施例4
按照和实施例1相同方法制造拉敏电阻传感器，但用30质量份的炭黑(VXC72，粒径30nm，吸油值174m2/g，卡博特)替代实施例1中80质量份的炭黑(3030B，粒径55nm，吸油值140m2/g，三菱化学)。按照和实施例1中所述相同的方式制作拉敏电阻传感器件并测试电阻与形变之间的变化关系，结果列于图5。
实施例5
按照和实施例1相同方法制造拉敏电阻传感器，但100质量份的炭黑(Raven430，粒径82nm，吸油值75m2/g)替代实施例1中80质量份的炭黑(3030B，粒径55nm，吸油值140m2/g，三菱化学)。按照和实施例1中所述相同的方式制作拉敏电阻传感器件并测试电阻与形变之间的变化关系，结果列于图6。
比较例1
按照和实施例1相同方法制造拉敏电阻传感器，但用100质量份的炭黑(3030B，粒径55nm，吸油值140m2/g，三菱化学)替代实施例1中80质量份的炭黑(3030B，粒径55nm，吸油值140m2/g，三菱化学)。按照和实施例1中所述相同的方式制作拉敏电阻传感器件并测试电阻与形变之间的变化关系，结果列于图7。
比较例2
按照和实施例1相同方法制造拉敏电阻传感器，但用35质量份的炭黑(3030B，粒径55nm，吸油值140m2/g，三菱化学)替代实施例1中80质量份的炭黑(3030B，粒径55nm，吸油值140m2/g，三菱化学)。按照和实施例1中所述相同的方式制作拉敏电阻传感器件并测试电阻与形变之间的变化关系，结果列于图8。
表1
注：物料组成单位：质量份。
结合图1，通过图2到图6中实施例1至实施例5所描述的拉敏电阻传感器的电阻随拉伸形变的变化曲线可以看出，本发明制造的柔性模拟型拉敏电阻传感器，其电阻值随着拉伸形变的增加缓慢增加，表现出正电阻-拉力系数关系，且拉敏电阻的电阻值与拉伸形变之间的线性度良好。特别是当拉伸形变小于30％时，这种电阻与形变的线性关系更为明显，此时的电阻相比拉伸之前变化倍率在5-20倍之间。利用这种电阻与形变的线性关系，可以通过测量器件电阻值的变化获得传感器受力或形变的信息，起到一种模拟型电阻应变式传感器的作用。而当拉伸形变高于30％时，随着拉敏电阻材料10电阻率的不同，有一段曲线上呈现出一定程度的非线性关系。特别是在电阻率较小的实施例1的曲线上表现的更为明显，当拉敏材料电阻率进一步减小，达到比较例1中的拉敏电阻的电阻率时，电阻随形变的曲线表现为先上升后下降，在形变30％左右达到峰值，如图7所示。
综上，本发明的正拉敏效应的模拟型电阻传感器在拉伸力作用下传感器电阻不断增加，呈现出正拉敏电阻效应，电阻值的变化与形变之间存在一定程度的近似线性关系，特别是当拉伸形变小于30％时，这种电阻与形变的线性关系更为明显，通过测量器件电阻值的变化获得传感器受力或形变的信息，起到一种模拟型传感器的作用。本发明的拉敏电阻传感器柔性和弹性大，力学量变化幅度大，结构简单，制造成本低，在电子技术、仪器仪表、生物测量、健康医疗、人工智能等领域具有广阔的应用前景。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (6)
1.一种正电阻效应的拉力敏感型电阻传感器，其特征在于：包括拉敏电阻材料以及安装在所述拉敏电阻材料两端的金属电极；所述拉敏电阻材料是在硅橡胶材料中填充导电填料制成的体积电阻率介于1.0×102Ω.cm和1.0×105Ω.cm之间的一种导电硅橡胶，按照质量份各组分配比为：硅橡胶100份，结构控制剂0.1-10份，硫化剂0.2-5份，补强填料5-40份，导电炭黑30-100份。
2. 如权利要求1所述的正电阻效应的拉力敏感型电阻传感器，其特征在于，所述硅橡胶为高温硫化型硅橡胶，选自二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶和氟硅橡胶中的一种。
3. 如权利要求1所述的正电阻效应的拉力敏感型电阻传感器，其特征在于，所述导电炭黑，粒径为20-120nm，吸油值为40cm3/100g - 200cm3/100g。
4. 如权利要求1所述的正电阻效应的拉力敏感型电阻传感器，其特征在于，所述补强填料选自气相二氧化硅，BET法所测比表面积100-400m2/g。
5. 如权利要求1所述的正电阻效应的拉力敏感型电阻传感器，其特征在于所述金属电极选自金属箔、金属片、金属膜中的一种，通过导电胶粘合、高温热压、丝网印刷或真空镀膜的方式制作。
6. 如权利要求1所述的正电阻效应的拉力敏感型电阻传感器，其特征在于，所述正电阻效应的拉力敏感型电阻传感器在100%拉伸形变范围内电阻值持续增加，在30%拉伸形变时电阻变化倍率介于2到50倍。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| C06 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| C04 | Withdrawal of patent application after publication (patent law 2001) | ||
| WW01 | Invention patent application withdrawn after publication |
Application publication date: 20151007 |
|
| C10 | Entry into substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |