CN105157891A - 一种负电阻效应的拉敏传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种负电阻效应的拉敏传感器及其制造方法，包括拉敏材料以及制作在其表面的金属电极。所述拉敏材料是将导电粒子分散在橡胶基体中经高能电子束或γ射线辐照交联而制成的电阻率介于1.0×102Ω.cm和1.0×106Ω.cm之间的一种导电橡胶。所述拉敏传感器在拉力作用下随形变增加电阻下降，呈现负电阻效应。通过检测电阻值的变化，或者将电阻信号转换成电流、电压或电容信号，能够获得传感器所受外界作用力的信息，因而可以在生物力学、康复医疗、智能穿戴以及人工智能等领域进行力学信息的测量。
Description
技术领域
本发明涉及拉力敏感型传感器领域，特别涉及一种负电阻效应的拉敏传感器及其制造方法。
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。目前广泛应用的电阻应变型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。在生物力学检测、康复医疗、智能机器人、可穿戴设备等领域的复杂结构力学测量过程中，要求传感器不但要具备良好的应力-电阻特性，而且要求有优秀的柔韧力学性能。而金属式或半导体式电阻应变传感器在这些领域中的应用就受到了自身弹性模量的限制。因此，需要寻找新的柔韧性优良的力学敏感材料制造柔性的拉力应变型传感器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种负电阻效应的拉敏型传感器，增强传感器的柔性和弹性，增大力学量的变化幅度，提高生产效率、降低制造成本。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种负电阻效应的拉敏传感器，包括拉敏材料以及制作在所述拉敏材料表面的金属电极。所述拉敏材料是在橡胶材料中填充导电炭黑并经高能电子束或γ射线辐照交联而制成的导电橡胶，所述金属电极选自金属箔、金属片和金属膜中的一种，通过导电胶粘合、导电银浆丝网印刷、真空镀膜或机械压接的方式制作。所述拉敏传感器在拉伸力作用下电阻不断下降，呈现出负电阻效应，当形变量为30％时可产生5-200倍的电阻变化，将变化的电阻信号转换成电流、电压或电容信号，可以在生物力学、康复医疗、智能穿戴以及人工智能等领域进行力的测量。
导电粒子在橡胶基体中通过微观的相互接触形成导电通路，因而当材料受到外界的压力或拉力作用时，材料内部相邻导电粒子的间距发生变化，导致依靠导电粒子的接触而形成的导电通路发生变化，引起宏观上材料的电阻发生变化，因此可以作为一种力学传感材料。橡胶基体自身优异的柔性和弹性赋予所述拉敏传感器优良的柔性和弹性，以及较大的力学量变化幅度，能够克服金属式或半导体式电阻应变传感器在柔韧性和弹性方面的不足。
为实现上述技术方案，所述拉敏材料包含橡胶基体、防老剂、导电炭黑，按照质量份，各组分比例为：橡胶基体100份，防老剂0.1～2份，导电炭黑30～120份。
进一步地，所述橡胶材料为天然橡胶、丁腈橡胶、三元乙丙橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、聚异戊二烯橡胶、顺丁橡胶中的至少一种。
进一步地，所述防护体系，包括胺类防老剂和酚类防老剂。
进一步地，所述导电填料为炭黑，平均粒径为20-120nm，吸油值为40cm3/100g-200cm3/100g。
进一步地，所述导电橡胶材料是采用高能电子束或γ射线辐照的方法进行交联，与采用硫磺或有机过氧化物作为交联剂的化学交联法相比，采用辐照技术对橡胶进行交联，具有以下优点：无需硫化剂、促进剂等有机化合物，减少环境污染；交联密度由辐照吸收剂量控制，易于调节和控制交联程度，因而导电橡胶电阻分布窄；辐照硫化的橡胶热稳定性和抗老化性好。
进一步地，所述高能电子束或γ射线的辐照剂量5到30Mrad。拉德(rad)，是每单位物质质量所接受的辐射能量的计量单位，Mrad是106rad。
进一步地，所述导电橡胶材料的电阻率介于1.0×102Ω.cm和1.0×106Ω.cm之间。
进一步地，所述金属电极选自金属箔、金属片、金属膜或异形金属件中的一种，通过导电胶粘合、高温热压、导电银浆丝网印刷、真空镀膜或者机械压接的方式制作在拉敏材料两端。所述导电银浆为紫外光固化型。所述真空镀膜的方法包括蒸发镀膜、磁控溅射镀膜、离子镀膜。
进一步地，所述负电阻效应的拉敏传感器，包括拉敏材料以及制作在所述拉敏材料表面的金属电极，所述拉敏材料是在橡胶中填充导电炭黑并经电子束或γ射线辐照交联而制成的导电橡胶。
更进一步地，拉敏传感器的电阻值介于20kΩ和50000kΩ之间。
所述拉敏传感器在拉伸力作用下电阻值下降，呈现出负电阻效应，当拉伸30％时可产生5-200倍的电阻变化。拉敏电阻传感器在拉伸形变前后电阻值的变化倍率，可以表征传感器的灵敏度。
所述拉敏传感器在受到拉力作用之后，拉敏材料长度增加，截面积变小，以及材料内部导电粒子间隙的变化导致材料微观导电网络变化，从而引起材料电阻率的变化。材料电阻率、电极间材料的长度等因素的综合变化也同时导致了拉敏材料两端电极之间的电容值发生变化。
进一步地，本发明的拉敏型传感器电极两端的电容值随着拉伸形变增加而增加，30％拉伸形变范围内拉敏传感器的电容值变化倍率为5到200倍。
在本发明还提供了一种负电阻效应的拉敏传感器的制造方法，包括以下步骤：
A.将所述的橡胶基体、所述防老剂、所述炭黑例依次加入到双辊开炼机或者密炼机中进行混炼，混炼时间5～30分钟，得到混炼胶。
B.将混炼胶料通过橡胶成型设备，制备出片状、圆柱状或其他形状的拉敏橡胶半成品。
C.将橡胶半成品用高能电子束或或γ射线辐照的方法进行交联。
D.将已经交联的橡胶制成一定形状的拉敏橡胶，在橡胶表面制作出金属电极，得到负电阻效应的拉敏传感器。
较佳地，在步骤B中，橡胶成型设备包括螺杆挤出机、压延机和平板硫化机。
较佳地，在步骤D中，所述金属电极是通过导电胶粘接、银浆丝网印刷、真空镀膜或机械压接的方式制作在拉敏材料的两端。
有益效果：本发明提供的负电阻效应的拉敏传感器电阻值介于20kΩ和50000kΩ之间。在拉伸力作用下拉敏传感器的电阻随着拉伸形变增加不断下降，呈现负电阻效应，同时随着拉伸形变增加传感器两端金属电极之间的电容值增加，当形变量为30％时传感器的电阻值和电容值产生5-200倍的变化，且经过1000次拉伸后仍能保持良好的稳定性能。橡胶自身优异的柔韧性赋予所述传感器优良的柔性和弹性，以及较大的力学量变化幅度，克服了金属式和半导体式应变传感器在弹性和柔性方面的不足。将拉伸过程中传感器电阻的变化转换成电压、电流或电容信号，能够在生物力学、康复医疗、智能穿戴以及人工智能等领域进行力的测量，具有广泛的应用前景。而且，本发明拉敏传感器中导电橡胶采用电子束或γ射线辐照进行交联，相对于采用硫磺或有机过氧化物作交联剂的化学交联法，具有生产效率高、环境污染小、交联密度容易控制以及导电橡胶电阻分布窄的优点。
附图说明
图1-图11是拉敏传感器的电阻值、电容值随拉伸形变增加的变化曲线图。
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负电阻效应的拉敏传感器作详细说明：
实施例1
本实施例的负电阻效应的拉敏传感器采用导电天然橡胶作为拉敏材料，其制作方法如下：
导电橡胶的成份配比及制作方法如下：
按照以下顺序将天然橡胶NR(牌号SCR5，海南橡胶)100质量份、防老剂D(化学名称：二苯胍)1质量份，炭黑(Raven520U，粒径58nm，吸油值120m2/g，哥伦比亚化学)120质量份，依次加入到双辊开炼机进行混炼，开炼机温度设定为50℃，各组份混合均匀后，薄通出片。将混炼好的导电天然橡胶放入模具中，在130℃，15MPa压力下模压10分钟，得到1mm厚度的导电橡胶的半成品。
将天然橡胶半成品用高能电子束进行辐照交联，辐照剂量10Mrad，得到导电橡胶片材。
将导电橡胶片材裁切成长度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铜导线，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。
本实施例所述导电橡胶材料作为本发明的拉敏材料，其电阻率介于1.0×102Ω.cm和1.0×106Ω.cm之间。本实施例得到的拉敏材料柔性好，弹性好，拉敏传感器在拉力作用下电阻值不断下降，呈现出负电阻效应，而且力学量变化幅度大，结构简单，制造成本低。
本发明所述拉敏材料是在橡胶材料中填充导电填料制成的导电橡胶材料，所述金属电极选自金属箔、金属片和金属膜中的一种，通过导电胶粘合、高温热压、导电银浆丝网印刷、真空镀膜或机械压接的方式制作在拉敏材料两端。本发明提供的拉敏传感器在拉伸力下随着拉伸形变增加电阻不断下降，当形变量为30％时可产生5-200倍的电阻变化。橡胶自身优异的柔韧性赋予所述传感器优良的柔性和弹性，以及较大的力学量变化幅度。而且，本发明拉敏电阻传感器中导电橡胶采用电子束或γ射线辐照进行交联，相对于常规的采用硫磺或有机过氧化物的化学交联法，具有生产效率高、交联密度容易控制以及材料电阻分布窄的优点。
所述拉敏材料，按照质量份各组分比例为：橡胶材料100份，防护体系0.1份，导电填料30份。
优选地，按照质量份各组份比例为：橡胶材料100份，防护体系1份，导电填料80份。
优选地，按照质量份各组份比例为：橡胶材料100份，防护体系2份，导电填料120份。
优选地，所述橡胶材料为天然橡胶、丁腈橡胶、三元乙丙橡胶、丁苯橡胶、聚异戊二烯橡胶和顺丁橡胶中的至少一种。
优选地，防护体系包括胺类防老剂和酚类防老剂。
优选地，所述导电填料为炭黑，该炭黑的平均粒径为20nm，吸油值为40cm3/100g。
优选地，所述导电填料为炭黑，该炭黑的平均粒径为70nm，吸油值为120cm3/100g。
优选地，所述导电填料为炭黑，该炭黑的平均粒径为120nm，吸油值为200cm3/100g。
优选地，所述导电橡胶采用电子束或γ射线辐照进行交联，辐照剂量5Mrad。
优选地，所述导电橡胶采用电子束或γ射线辐照进行交联，辐照剂量15Mrad。
优选地，所述导电橡胶采用电子束或γ射线辐照进行交联，辐照剂量30Mrad。
优选地，所述导电橡胶材料的电阻率为1.0×102Ω.cm。
优选地，所述导电橡胶材料的电阻率为1.0×104Ω.cm。
优选地，所述导电橡胶材料的电阻率为1.0×106Ω.cm。
优选地，所述金属电极选自金属箔、金属片、金属膜或异型金属构件中的一种，通过导电胶粘合、丝网印刷、真空镀膜或机械压接的方式制作在拉敏材料两端。
优选地，所述拉敏传感器的电阻值为20kΩ。
优选地，所述拉敏传感器的电阻值为1000kΩ。
优选地，所述拉敏传感器的电阻值为50000kΩ。
优选地，所述拉敏传感器在拉力作用下电阻值随形变增加而下降，形变为30％时电阻值变化倍率为5倍。
优选地，所述拉敏传感器在拉力作用下电阻值随形变增加而下降，形变为30％时电阻值变化倍率为100倍。
优选地，所述拉敏传感器在拉力作用下电阻值随形变增加而下降，形变为30％时电阻值变化倍率为200倍。
优选地，所述拉敏传感器在拉力作用下电容值随形变增加而增加，形变为30％时电容值变化倍率为5倍。
优选地，所述拉敏传感器在拉力作用下电容值随形变增加而增加，形变为30％时电容值变化倍率为100倍。
优选地，所述拉敏传感器在拉力作用下电容值随形变增加而增加，形变为30％时电容值变化倍率为200倍。
按照如下测试方法测试拉敏传感器的拉敏特性：
(a)测试拉敏传感器随着拉伸形变的增加其电阻值和电容值的变化规律，绘制电阻值、电容值与拉伸形变的关系曲线，如图1所示。
(b)测试拉敏传感器在定伸形变下电阻变化的可重复性能及稳定性能：设定拉伸形变30％，设定样品在拉伸至定伸长度的保持时间为5秒，卸载拉力后样品的回复时间为30秒，重复拉伸的次数为1000次，记录每次拉伸前电阻和拉伸至拉伸形变30％时的电阻值，数据列于表2中。
实施例2
结合图2，按照和实施例1相同方法制造负电阻效应的拉敏电传感器，但用110质量份的炭黑(Raven520U，粒径58nm，吸油值120m2/g，哥伦比亚化学)替代实施例1中120质量份的炭黑(Raven520U，粒径58nm，吸油值120m2/g，哥伦比亚化学)。按照和实施例1中所述相同的方式测试拉敏传感器的各项性能，结果列于表2中。
实施例3
结合图3，按照和实施例1相同方法制造负电阻效应的拉敏传感器，但用100质量份的炭黑(Raven520U，粒径58nm，吸油值120m2/g，哥伦比亚化学)替代实施例1中120质量份的炭黑(Raven520U，粒径58nm，吸油值120m2/g，哥伦比亚化学)。按照和实施例1中所述相同的方式测试拉敏传感器的各项性能，结果列于表2中。
实施例4
结合图4，按照和实施例1相同方法制造负电阻效应的拉敏传感器，但用80质量份的炭黑(Raven520U，粒径58nm，吸油值120m2/g，哥伦比亚化学)替代实施例1中120质量份的炭黑(Raven520U，粒径58nm，吸油值120m2/g，哥伦比亚化学)。按照和实施例1中所述相同的方式测试拉敏传感器的各项性能，结果列于表2中。
实施例5
结合图5，按照和实施例1相同方法制造负电阻效应的拉敏传感器，但用60质量份的炭黑(Raven520U，粒径58nm，吸油值120m2/g，哥伦比亚化学)替代实施例1中120质量份的炭黑(Raven520U，粒径58nm，吸油值120m2/g，哥伦比亚化学)。按照和实施例1中所述相同的方式测试拉敏传感器的各项性能，结果列于表2中。
实施例6
结合图6，按照和实施例1相同方法制造负电阻效应的拉敏传感器，但用75质量份的炭黑(3030B，粒径55nm，吸油值130m2/g，三菱化学)替代实施例1中120质量份的炭黑(Raven520U，粒径58nm，吸油值120m2/g，哥伦比亚化学)，用0.5质量份的防老剂D替代实施例1中1质量份的防老剂D，用5Mrad的辐照剂量替代实施例1中10Mrad的辐照剂量。按照和实施例1中所述相同的方式测试拉敏传感器的各项性能，结果列于表2中。
实施例7
结合图7，按照和实施例6相同方法制造负电阻效应的拉敏传感器，用10Mrad的辐照剂量替代实施例6中5Mrad的辐照剂量。按照和实施例1中所述相同的方式测试拉敏传感器的各项性能，结果列于表2中。
实施例8
结合图8，按照和实施例6相同方法制造负电阻效应的拉敏传感器，用20Mrad的辐照剂量替代实施例6中5Mrad的辐照剂量按照和实施例1中所述相同的方式测试拉敏传感器的各项性能，结果列于表2中。
实施例9
结合图9，按照和实施例6相同方法制造负电阻效应的拉敏传感器，用30Mrad的辐照剂量替代实施例6中5Mrad的辐照剂量。按照和实施例1中所述相同的方式测试拉敏传感器的各项性能，结果列于表2中。
实施例10
结合图10，按照和实施例1相同方法制造负电阻效应的拉敏传感器，但用丁苯橡胶SBR(牌号1502，吉林化工)代替实施例1中的天然橡胶，用50质量份的炭黑(3050B，粒径50nm，吸油值175m2/g，三菱化学)替代实施例1中120质量份的炭黑(Raven520U，粒径58nm，吸油值120m2/g，哥伦比亚化学)，用2.5质量份的防老剂D替代实施例1中1质量份的防老剂D。按照和实施例1中所述相同的方式测试拉敏传感器的各项性能，结果列于表2中。
实施例11
结合图11，按照和实施例1相同方法制造负电阻效应的拉敏电阻传感器，但用三元乙丙橡胶EPDM(牌号J-3080，吉林化工)代替实施例1中的天然橡胶，用50质量份的炭黑(3050B，粒径50nm，吸油值175m2/g，三菱化学)替代实施例1中120质量份的炭黑(Raven520U，粒径58nm，吸油值120m2/g，哥伦比亚化学)，用2.5质量份的防老剂D替代实施例1中1质量份的防老剂D。按照和实施例1中所述相同的方式测试拉敏传感器的各项性能，结果列于表2中。
各实施例拉敏电阻材料配方组成：
表1
注：物料组成单位：质量份；
初始电阻和电阻率为平均值。
表2
通过图1到图11，实施例1至实施例11的负电阻效应的拉敏传感器的电阻或电容与拉伸形变的关系曲线可以看出，本发明提供的拉敏传感器，其电阻值随着拉伸形变的增加不断下降，电容值随拉伸形变增加不断增加。拉敏传感器的初始电阻与导电橡胶材料中炭黑填充量相关，如从实施例1至实施例5炭黑填充量依次降低，导致拉敏传感器的初始电阻依次增加。拉敏传感器的初始电阻也与辐照剂量相关，如实施例6至实施例9，导电橡胶的炭黑填充量相同，拉敏传感器的初始电阻值随辐照剂量增加而下降，原因是辐照剂量增加导致交联密度增加，从而挤压炭黑在橡胶中的分布，形成更多的导电网链，宏观上体现为电阻的降低。
通过表2中的数据，可以看出，本发明的负电阻效应的拉力敏感型电阻传感器具有很好的电阻重复性能和拉敏效应重复性能，拉敏电阻器经过1000次拉伸之后仍然具有优良的拉敏效应，且拉敏电阻的电阻变化强度没有下降，因此具有非常优异的稳定性和重复性。
综上，本发明提供的负电阻效应拉敏传感器在拉伸力作用下电阻随着拉伸形变增加不断下降，呈现负电阻效应，同时随着拉伸形变增加传感器两端金属电极之间的电容值增加，当形变量为30％时传感器的电阻和电容值产生5-200倍的变化，且经过1000次拉伸后仍能保持良好的稳定性能。通过检测拉伸过程传感器电阻的变化，或者将变化的电阻信号转换成电压、电流或电容信号，能够在生物力学、康复医疗、智能穿戴以及人工智能等领域进行力的测量。而且，本发明拉敏传感器中导电橡胶采用电子束或γ射线辐照进行交联，相对于采用硫磺或有机过氧化物作交联剂的化学交联法，具有生产效率高、环境污染小、交联密度容易控制以及导电橡胶电阻分布窄的优点。
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 (10)
1.一种负电阻效应的拉敏传感器，其特征在于：包括拉敏材料以及制作在所述拉敏材料表面的金属电极；所述拉敏材料是导电粒子分散在橡胶材料中制成的电阻率介于1.0×102Ω.cm和1.0×106Ω.cm之间的一种导电橡胶，各组分的质量份比例为：橡胶基体100份，防老剂0.1-2份，导电粒子30-120份。
2.如权利要求1所述的负电阻效应的拉敏传感器，其特征在于：所述橡胶材料选自天然橡胶、丁腈橡胶、三元乙丙橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡胶、聚异戊二烯橡胶、顺丁橡胶中的至少一种。
3.如权利要求1所述的负电阻效应的拉敏传感器，其特征在于：所述导电粒子选自炭黑，平均粒径为20-120nm，吸油值为40cm3/100g-200cm3/100g。
4.如权利要求1所述的负电阻效应的拉敏传感器，其特征在于，所述导电橡胶是采用电子束或γ射线辐照的方法进行交联，辐照剂量5到30Mrad。
5.如权利要求1所述的负电阻效应的拉敏传感器，其特征在于：所述金属电极选自金属膜、金属箔、金属片或异形金属件中的一种。
6.如权利要求1所述的负电阻效应的拉敏传感器，其特征在于：所述拉敏传感器的电阻值介于20kΩ和50000kΩ之间。
7.如权利要求1所述的负电阻效应的拉敏传感器，其特征在于：所述拉敏传感器的电阻值在拉力作用下随拉伸形变增加而下降，拉伸形变30%时电阻变化倍率为5-200倍；所述拉敏传感器的电容值在拉力作用下随拉伸形变而增加，拉伸形变30%时电容值变化倍率为5-200倍。
8.一种根据权利要求1所述的一种负电阻效应的拉敏传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
A．将所述的橡胶基体、所述防老剂、所述炭黑例依次加入到双辊开炼机或者密炼机中进行混炼，混炼时间5~30分钟，得到混炼胶；
B．将混炼胶料通过橡胶成型设备，制备出片状、圆柱状或其他形状的拉敏橡胶半成品；
C．将橡胶半成品用高能电子束或γ射线辐照的方法进行交联；以及
D．将已经交联的橡胶制成拉敏橡胶，在橡胶表面制作出金属电极，得到负电阻效应的拉敏传感器。
9.一种根据权利要求8所述的一种负电阻效应的拉敏传感器的制造方法，其特征在于，在步骤B中，橡胶成型设备包括螺杆挤出机、压延机和平板硫化机的任意一种。
10.一种根据权利要求9所述的一种负电阻效应的拉敏传感器的制造方法，其特征在于，在步骤D中，所述金属电极是通过导电胶粘接、银浆丝网印刷、真空镀膜或机械压接的方式制作。
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