CN105181185A - 柔性导电性压力传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及生物医学工程方法的技术领域，公开了柔性导电压力传感器及其制作方法，制作方法包括以下制作步骤：1)、制作可固化的铁磁性流体，且述铁磁性流体置于模具中；2)、将模具置于磁场中，使得铁磁性流体的内部形成多条微米级或纳米级的导电通道，且对导电通道进行真空除气处理；3)、固化铁磁性流体，形成铁磁性固化体；4)、将铁磁性固化体取出，并在铁磁性固化体的表面涂上导电胶，在导电胶上粘附上导电触片。铁磁性固化体形成稳定的、具高弹性性能且具有“力学-电学性能各项异性”的结构，通过导电胶粘附导电触片，形成可测量形变和导电性的结构，该制作方法简单、制作效率高，成本低，便于批量生产，经济效益和社会效益显著。

Description

柔性导电性压力传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及生物医学工程方法的技术领域，尤其涉及柔性导电性压力传感器及其制作方法。

背景技术

压力传感是各个领域中一项基本而重要的课题，特别在生物医学工程领域中，压力传感器有着广泛的应用，例如，截肢表面和假肢接口之间的界面应力分布以及足底应力分布被认为是医学工程和生物力学新的研究内容，越来越受到康复医学、矫形外科和科研工作者等的重视。柔软的压力传感器可以形成电子皮肤，并且能够实时测量三维界面应力分布和局部点微应力的大小，其在生物医学工程中的运用具有很好的发展前景。

目前，常见的压力传感器有压阻式、电容式、谐振式三种。传统的压阻式压力传感器的作用方式是，当有压力作用在敏感膜上时，带动敏感膜上附着的压敏电阻发生形变，压敏电阻的形变，由于压阻效应，导致电阻值改变，使得输出电压变化，这样，通过测量输出电压的变化，则可以得到相应压力的大小。

现有技术中，压阻式压力传感器的制作方法如下：在硅晶圆背面各向异性刻蚀形成空腔，在未刻透的腔底形成可感受外界压力的敏感膜。由于对于微小的敏电阻，需要考虑其是不容易直接受压变形的，因此，经常将满足压阻效应的压敏电阻制作在敏感膜上，这样，在制作敏感膜时，则须满足力学上的挠度理论，除此之外，还需要连接压敏电阻的金属导线以及与外围电路相连的焊盘，整个制作过程较为复杂，形成的压力传感器的结构也过于复杂，且制作效率低，成本也高。

灵敏度和线性度是压力传感器的两个重要的性能指标，压力传感器的灵敏度最大值由敏感膜的厚度和面积决定，敏感膜越薄、平面尺寸越大、变形越剧烈，则输出的灵敏度越大，但是，膜片的厚度容易受到工艺误差及工艺条件的限制，并且，敏感膜的平面尺寸的增大也会导致压力传感器整体的尺寸变大和均匀性变差；此外，压敏电阻的几何设计、形状与位置等都会影响压力传感器的灵敏度和线性度，因此，现有技术中，需要制作满足要求的压力传感器，其制作工艺较为复杂，且难以操作，制作效率低，成本也高。

发明内容

本发明的目的在于提供柔性导电压力传感器的制作方法，旨在解决解决现有技术中的压力传感器的制作较为复杂、制作效率低以及成本高的问题。

本发明是这样实现的，柔性导电压力传感器的制作方法，包括以下制作步骤：

1)、制作可固化的铁磁性流体，且将所述铁磁性流体置于模具中；

2)、将承载有所述铁磁性流体的模具置于磁场中，利用磁场与所述铁磁性流体的相互作用，使得所述铁磁性流体的内部形成多条微米级或纳米级的导电通道，且对所述导电通道进行真空除气处理；

3)、固化所述模具内的铁磁性流体，使得所述铁磁性流体形成铁磁性固化体；

4)、将所述铁磁性固化体从所述模具内取出，并在所述铁磁性固化体的表面涂上导电胶，在所述导电胶上粘附上导电触片。

进一步地，所述铁磁性流体为磁性微米级或纳米级颗粒、高分子材料以及固化剂混合而成。

进一步地，所述磁性微米级或纳米级颗粒与高分子材料的比例为2:1。

进一步地，在所述步骤2)中，在所述模具的两侧分别加载磁铁，形成磁场。

进一步地，在所述模具的底部设置加热膜，通过所述加热膜对所述模具进行加热，使得所述模具内的铁磁性流体固化。

进一步地，在所述步骤2)中，在所述模具的两侧加载通电线圈，通过所述通电线圈产生磁场。

进一步地，通过磁铁夹持在承载有所述铁磁性流体的模具的两侧，且将磁铁、铁磁性流体以及模具的组合体置于真空中加热，直至所述铁磁性流体固化。

进一步地，所述导电胶为导电银胶。

本发明还提供了柔性导电压力传感器，包括铁磁性固化体、导电胶以及导电触片，所述铁磁性固化体的内部形成有多个微米级或纳米级且呈真空状的导电通道，所述导电胶涂在所述铁磁性固化体的表面，所述导电触片粘附在所述导电胶上。

进一步地，所述铁磁性固化体包括磁性微米级或纳米级颗粒、高分子材料以及固化剂。

与现有技术相比，本发明提供的柔性导电压力传感器的制作方法中，利用磁场引导铁磁性流体，含磁性微米级或纳米级铁磁性颗粒的铁磁性流体相互作用，其内部形成多条微米级或纳米级均匀分布的导电通道，对导电通道内进行真空除气处理，并将铁磁性流体固化为铁磁性固化体，从而，铁磁性固化体形成稳定的、具高弹性性能且具有“力学-电学性能各项异性”的结构，铁磁性固化体的表面加上通过导电胶粘附导电触片，形成可测量形变和导电性的结构。该制作方法简单、易于操作，制作效率高，同时，可有效降低生产成本，便于实现批量生产，经济效益和社会效益显著。

通过上述制作方法形成的柔性导电压力传感器的结构也简单，其制作操作简单，制作效率高，且成本也低。

附图说明

图1是本发明实施例提供的柔性导电压力传感器处于制作过程中的剖切示意图；

图2是本发明实施例提供的柔性导电压力传感器的剖切示意图；

图3是本发明实施例提供的模具的立体示意图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

以下结合具体实施例对本发明的实现进行详细的描述。

本发明实施例的附图中相同或相似的标号对应相同或相似的部件；在本发明的描述中，需要理解的是，若有术语“上”、“下”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制，对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语的具体含义。

参照图1～3所示，为本发明提供的较佳实施例。

本实施例提供的柔性导电压力传感器的制作方法包括以下步骤：

1)、制作可固化的铁磁性流体11，并将铁磁性流体11置于模具12中，当然，此处的模具12形状可以多样化，根据铁磁性流体11所需要固化形成的形状而定，如圆柱状或方形状等等；

2)、将承载有铁磁性流体11的模具12置于磁场16中，利用磁场16与铁磁性流体11的相互作用，使得铁磁性流体11的内部形成多条微米级或纳米级的导电通道，并对导电通道进行真空除气处理；

3)、将模具12内的铁磁性流体11进行固化，形成铁磁性固化体14；

4)、将铁磁性固化体14从模具12中取出，且在铁磁性固化体14的表面上涂上导电胶13，再粘附导电触片，从而形成可测量形变和导电性的结构。

在上述提供的柔性导电压力传感器的制作方法中，利用磁场16引导铁磁性流体11，含磁性微米级或纳米级铁磁性颗粒的铁磁性流体11相互作用，其内部形成多条微米级或纳米级均匀分布的导电通道，对导电通道内进行真空除气处理，并将铁磁性流体11固化为铁磁性固化体14，从而，铁磁性固化体14形成稳定的、具高弹性性能且具有“力学-电学性能各项异性”的结构，铁磁性固化体14的表面加上通过导电胶13粘附导电触片，形成可测量形变和导电性的结构。该制作方法简单、易于操作，制作效率高，同时，可有效降低生产成本，便于实现批量生产，经济效益和社会效益显著。

本实施例中，可固化的铁磁性流体11包括磁性微米或纳米颗粒、高分子材料及固化剂，这样，可以使得可固化的铁磁性流体11具有较好的磁性和流动性、并易于固化。

依据性能需求，按照合适的比例混合铁磁性流体11，具体地，采用磁性纳米颗粒，并选择PDMS作为高分子材料，其比例为：磁性纳米颗粒：PDMS＝2:1。

当然，为使固化后的铁磁性固化体14具有足够的柔性，高分子材料也可以是PDMS、橡胶、硅胶中的一种或多种的组合等。

在上述步骤2)中，可以通过在模具12的两侧分别加载磁铁，从而形成所需要的磁场16，通过已知固定磁场16强度的磁铁，计算所需磁铁数量后，附加在模具12的两侧，产生均匀磁场16。

或者，作为其它实施例，通过通电线圈来产生磁场16，通过控制电流大小，从而，控制通电线圈产生的磁场16大小，通电线圈附加在模具12的两侧，产生均匀磁场16。

为使固化后的铁磁性固化体14的内部不含有干扰性气泡，对导电通道进行真空除气处理，本实施例中，采用真空炉对导电通道进行真空除气处理。

本实施例中，步骤3)中对模具12内的铁磁性流体11进行固化，具体如下：在模具12底部设置加热膜，利用加热膜对模具12进行加热，使得模具12内的铁磁性流体11固化。为了提高电热转换效率高、延长使用寿命、提高耐疲劳性，并避免磁场16受到影响，加热膜可以选择碳纤维加热膜。

或者，作为其它实施例，将可固化的铁磁性流体11与模具12的组合体夹持在选定磁场强度的磁铁中，将磁铁与铁磁性流体11、模具12的组合体置于真空中并加热，直至固化后再撤离。这样，实现了导电通道的除气处理，且铁磁性流体11固化以及分离等。

本实施例中，涂在铁磁性固化体14表面上的导电胶13可以使用导电银胶，导电触片可以采用金属导电薄片，该金属导电薄片粘附在导电胶13上，可以增强导电性。这样，相对于传统中的压力传感器，需要连接压敏电阻的金属导线以及与外围电路相连的焊盘，本实施例中的压力传感器使用导电银胶，更加简化步骤。

当可固化铁磁性流体11承载在模具12中，在模具12中设有排气缩孔15，这样，可以将铁磁性流体11内部的气体排出。

本实施例还提供的柔性导电性压力传感器，其包括固化后的铁磁性固化体14、导电胶13以及导电触片，其中，铁磁性固化体14为铁磁性流体11固化而成，其形状可以多样化，根据实际需要而定，在铁磁性固化体14的内部形成有多条微米级或纳米级的导电通道，并且，导电通道内部进行了真空除气处理；导电胶13涂在铁磁性固化体14的表面上，且在导电胶13上粘附有导电触片。

在上述的柔性导电压力传感器中，铁磁性固化体14的内部形成有多个微米级或纳米级的导电通道，其形成稳定、具有弹性性能且具有“力学-电学性能各项异性”的结构，通过导电胶13粘附上导电触片，从而，形成可测量形变和导电性的结构，结构简单，便于操作及制作，制作效率高，且大大降低成本。

上述的铁磁性固化体14内部的多条导电通道均匀分布，并且，通过真空除气处理以后，呈真空状。导电胶13为导电银胶，导电触片可以采用金属导电薄片。

铁磁性固化体14包括磁性微米或纳米颗粒、高分子材料及固化剂，依据性能需求，采用磁性纳米颗粒，并选择PDMS作为高分子材料，其比例为：磁性纳米颗粒：PDMS＝2:1，当然，高分子材料也可以是PDMS、橡胶、硅胶中的一种或多种的组合等。

上述形成的柔性导电压力传感器，通过导线将导电触片与外部元件连接，当导电触片发生形变时，其电阻值发生变化，从而通过外部元件可以测量该变化，进而可以得到压力值。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.柔性导电压力传感器的制作方法，其特征在于，包括以下制作步骤：

1)、制作可固化的铁磁性流体，且将所述铁磁性流体置于模具中；

2)、将承载有所述铁磁性流体的模具置于磁场中，利用磁场与所述铁磁性流体的相互作用，使得所述铁磁性流体的内部形成多条微米级或纳米级的导电通道，且对所述导电通道进行真空除气处理；

3)、固化所述模具内的铁磁性流体，使得所述铁磁性流体形成铁磁性固化体；

4)、将所述铁磁性固化体从所述模具内取出，并在所述铁磁性固化体的表面涂上导电胶，在所述导电胶上粘附上导电触片。

2.如权利要求1所述的柔性导电压力传感器，其特征在于，所述铁磁性流体为磁性微米级或纳米级颗粒、高分子材料以及固化剂混合而成。

3.如权利要求2所述的柔性导电压力传感器，其特征在于，所述磁性微米级或纳米级颗粒与高分子材料的比例为2:1。

4.如权利要求1至3任一项所述的柔性导电压力传感器，其特征在于，在所述步骤2)中，在所述模具的两侧分别加载磁铁，形成磁场。

5.如权利要求4所述的柔性导电压力传感器，其特征在于，在所述模具的底部设置加热膜，通过所述加热膜对所述模具进行加热，使得所述模具内的铁磁性流体固化。

6.如权利要求1至3任一项所述的柔性导电压力传感器，其特征在于，在所述步骤2)中，在所述模具的两侧加载通电线圈，通过所述通电线圈产生磁场。

7.如权利要求1至3任一项所述的柔性导电压力传感器，其特征在于，通过磁铁夹持在承载有所述铁磁性流体的模具的两侧，且将磁铁、铁磁性流体以及模具的组合体置于真空中加热，直至所述铁磁性流体固化。

8.如权利要求1至3任一项所述的柔性导电压力传感器，其特征在于，所述导电胶为导电银胶。

9.柔性导电压力传感器，其特征在于，包括铁磁性固化体、导电胶以及导电触片，所述铁磁性固化体的内部形成有多个微米级或纳米级且呈真空状的导电通道，所述导电胶涂在所述铁磁性固化体的表面，所述导电触片粘附在所述导电胶上。

10.如权利要求9所述的柔性导电压力传感器，其特征在于，所述铁磁性固化体包括磁性微米级或纳米级颗粒、高分子材料以及固化剂。