CN105738013A - 一种高灵敏度压力式传感器及其制作方法 - Google Patents

一种高灵敏度压力式传感器及其制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种基于聚合物网络结构的高灵敏度压力式传感器及其制作方法，包括聚合物网络结构和导电颗粒，聚合物网络结构具备一定的弹性，可以是规则的或者不规则的，作为支撑骨架分布在整个传感器空间中，导电颗粒均匀地镶嵌在聚合物网络结构中。通过施加外部压力，聚合物网络结构变得更为致密，导电颗粒相互之间接触更为紧密，降低了接触电阻，通过测量传感器电阻，即可确定压力大小。传感器制作过程中，通过引入第三种物质作为填充，后通过特殊方法洗去，降低了弹性模量，提高了传感器的灵敏度。本发明无需真空环境和加温过程，制成周期短，制作简单，成本低廉，适合大规模推广。

Description

一种高灵敏度压力式传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种压力式传感器，尤其涉及一种基于聚合物网络结构的高灵敏度压力式传感器及其制作方法。
背景技术
近几年来，压力式传感器，作为一种新的附加技术，被广泛应用于各种消费性电子产品(如iPhone6s)和商用电子设备中。压力式传感器作为一种传感器，高灵敏度一直是人们追求的方向，由此产生了一系列方法，通过改进母体弹性材料和填充导电颗粒的性能，来提高灵敏度。但是，已有的方法制作过程都过于复杂，一般需要加温过程和真空环境，制作周期长，并且所需材料种类繁多，成本高昂。
因此，本领域的技术人员致力于开发一种基于聚合物网络结构的高灵敏度压力式传感器及其制作方法，制作周期短，所需材料少，成本合理。
发明内容
鉴于现有技术的缺陷，本发明提供一种基于聚合物网络结构的高灵敏度压力式传感器及其制作方法，包括聚合物网络结构和导电颗粒，聚合物网络结构具备一定的弹性，可以是规则的或者不规则的，作为支撑骨架分布在整个传感器空间中，导电颗粒均匀地镶嵌在聚合物网络结构中。传感器制作过程中，通过引入第三种物质作为填充，后通过特殊方法洗去，降低了弹性模量，提高了传感器的灵敏度。传感器具体制作过程包括原材料混合，磁力搅拌，超声波振动，磁力搅拌，灌盒，曝光聚合，浸泡以洗去第三种物质，制成测试等过程。
为实现上述目的，本发明提供了一种高灵敏度压力式传感器，包括聚合物和导电颗粒，所述聚合物的网络结构作为支撑骨架分布在整个传感器空间，所述导电颗粒均匀地镶嵌在所述聚合物的网络结构中。
进一步地，所述聚合物为弹性材料，如Norland65。
进一步地，所述网络结构为规则结构，如用于稳定BPLC(蓝相液晶)的聚合物网络结构。
进一步地，所述网络结构为不规则结构，如用于PDLC(聚合物分散液晶)的聚合物网络结构。
进一步地，所述导电颗粒为金属颗粒、透明导电金属氧化物、透明导电有机高分子材料、碳纳米管、石墨烯或银纳米线中的一种。
本发明还提供一种高灵敏度压力式传感器的制作方法，包括以下步骤：
步骤1)提供聚合物单体、导电颗粒和第三原料；
步骤2)将聚合物单体、导电颗粒和第三原料通过磁力搅拌混合；
步骤3)将混合物超声波振动；
步骤4)将步骤3后的混合物再次进行磁力搅拌混合；
步骤5)将步骤4后的混合物灌于由导电电极层和衬底层组成的灌盒中；
步骤6)将步骤5后的灌盒混合物曝光；
步骤7)将曝光后的灌盒混合物放置在有机溶剂中浸泡；
步骤8)将浸泡后的灌盒混合物放在通风橱中挥发有机溶剂；
步骤9)将步骤8后的灌盒混合物制成测试。
进一步地，所述第三种物质为液晶，所述有机溶剂为丙酮。
进一步地，所述导电颗粒为金属颗粒、透明导电金属氧化物、透明导电有机高分子材料、碳纳米管、石墨烯或银纳米线中的一种。
进一步地，所述导电电极层材料为透明导电金属氧化物、透明导电有机高分子材料或无机材料中的一种；所述衬底层材料为硬质玻璃、柔性玻璃或PET材料。
进一步地，所述透明导电金属氧化物为铟锡氧化物；所述透明导电有机高分子材料为聚乙烯二氧噻吩，所述无机物材料为金属网格、银纳米线、石墨烯或碳纳米管中的一种。
第三种物质的选取以便于聚合物和导电颗粒的均匀混合，而用于浸泡洗去第三种物质的材料的选取以便于溶解去除第三种物质并不会在聚合物网络结构和导电颗粒里残留。
本发明提出的压力式传感器制作过程简单，无需真空环境和加热过程，制作周期短，所需材料种类少，制成传感器灵敏度高，成本低廉，适合大规模推广。
以下将结合附图对本发明的构思、具体结构及产生的技术效果作进一步说明，以充分地了解本发明的目的、特征和效果。
附图说明
图1是本发明的一个较佳具体实施例的压力式传感器器件图；
图2是本发明的一个较佳具体实施例的压力式传感器层的结构示意图。
具体实施方式
图1为本发明的一个较佳具体实施例的压力式传感器器件图，从图中可以看出，本发明提出的一种基于聚合物网络结构的压力式传感器器件1,包括压力式传感器层10、导电电极层110和111、衬底层120和121。导电电极层110和111分别在压力式传感器层10的上下表面，衬底层120和121分别在导电电极层110和111的上下表面。导电电极层110和111可以是同一种材料，也可以分别是不同材料，可以是柔性材料，也可以是硬质材料。衬底层120和121可以是同一种材料，也可以分别是不同材料，可以是柔性材料，也可以是硬质材料。本实施例中，导电电极层110和111的材料都选为透明金属氧化物ITO，衬底层120和121的材料都选为玻璃。
图2为图1中的压力式传感器层10的结构示意图，压力式传感器层10包括聚合物网络结构100和导电颗粒101。聚合物网络结构100由弹性材料构成，具备一定的弹性。该聚合物网络结构100可以是规则的网络结构，也可以是不规则的网络结构。该聚合物网络结构100作为支撑骨架分布在整个压力式传感器层10中，导电颗粒101均匀地镶嵌在聚合物网络结构100中。通过施加外部压力13，聚合物网络结构100变得更为致密，导电颗粒101相互之间接触更为紧密，降低了导电颗粒101相互之间的接触电阻，通过测量导电电极层110和111之间的压力式传感器层10电阻，即可确定外部压力13大小。本实施例中，聚合物网络结构100选为用于PDLC(聚合物分散液晶)的Norland65，导电颗粒101选为无机物材料碳纳米管。
压力式传感器层10的制作过程如下所述：将一定比例的聚合物单体、导电颗粒101、第三种物质混合，磁力搅拌30分钟，以使三种物质混合均匀，超声波振动30分钟，以分散团聚的碳纳米管，再磁力搅拌30分钟，以使三种物质进一步混合均匀，将混合均匀的胶状物灌于由导电电极层110和111、衬底层120和121组成的灌盒中，曝光1小时，以使聚合物单体形成聚合物网络结构100，有机溶剂浸泡10小时，以去除第三种物质，在通风橱中等待丙酮挥发干净，制成测试。因为第三种物质的填充和去除，有效地降低了聚合物网络结构100的弹性模量，增加了压力式传感器层10的灵敏度。本实施例中，第三种物质选为液晶E7，有机溶剂选为丙酮。
本领域技术人员应该理解，本发明不仅仅限于本优选的具体实施例的设置，在另外一些优选实施例中导电电极层110和111的材料可以选为透明导电金属氧化物或者透明导电有机高分子材料，如PEDOT(聚乙烯二氧噻吩)等，还可以为无机物材料，如金属网格、银纳米线、石墨烯和碳纳米管等，衬底层120和121的材料可以选为硬质玻璃、柔性玻璃或PET等柔性材料，聚合物网络结构100可以选为用于稳定BPLC(蓝相液晶)的规则结构，用于填充的第三种物质可以选为E7,BP007等其他材料，导电颗粒101可以选为其他无机物材料，如银纳米线、石墨烯等，或者为金属颗粒，如金、银、铜等，或者为透明导电金属氧化物，如ITO(铟锡氧化物)等，或者为透明导电有机高分子材料，如PEDOT(聚乙烯二氧噻吩)等。压力式传感器层10的具体制作方法也根据所选材料的不同而有相应不同的过程变化。
本发明利用先填充第三种物质后通过特殊方法洗去的方式，降低了压力式传感器的弹性模量，增加了灵敏度，并且制作简单，无需真空环境和加热过程，制成周期短，所需材料简单，成本低廉，适合大规模推广。
以上详细描述了本发明的较佳具体实施例。应当理解，本领域的普通技术无需创造性劳动就可以根据本发明的构思作出诸多修改和变化。因此，凡本技术领域中技术人员依本发明的构思在现有技术的基础上通过逻辑分析、推理或者有限的实验可以得到的技术方案，皆应在由权利要求书所确定的保护范围内。

Claims (10)

1.一种高灵敏度压力式传感器，其特征在于，包括聚合物和导电颗粒，所述聚合物的网络结构作为支撑骨架分布在整个传感器空间，所述导电颗粒均匀地镶嵌在所述聚合物的网络结构中。
2.如权利要求1所述的高灵敏度压力式传感器，其特征在于，所述聚合物为弹性材料。
3.如权利要求1所述的高灵敏度压力式传感器，其特征在于，所述网络结构为规则结构。
4.如权利要求1所述的高灵敏度压力式传感器，其特征在于，所述网络结构为不规则结构。
5.如权利要求1所述的高灵敏度压力式传感器，其特征在于，所述导电颗粒为金属颗粒、透明导电金属氧化物、透明导电有机高分子材料、碳纳米管、石墨烯或银纳米线中的一种。
6.一种高灵敏度压力式传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)提供聚合物单体、导电颗粒和第三原料；
步骤2)将聚合物单体、导电颗粒和第三原料通过磁力搅拌混合；
步骤3)将混合物超声波振动；
步骤4)将步骤3后的混合物再次进行磁力搅拌混合；
步骤5)将步骤4后的混合物灌于由导电电极层和衬底层组成的灌盒中；
步骤6)将步骤5后的灌盒混合物曝光；
步骤7)将曝光后的灌盒混合物放置在有机溶剂中浸泡；
步骤8)将浸泡后的灌盒混合物放在通风橱中挥发有机溶剂；
步骤9)将步骤8后的灌盒混合物制成测试。
7.如权利要求6所述的高灵敏度压力式传感器的制作方法，其特征在于，所述第三种物质为液晶，所述有机溶剂为丙酮。
8.如权利要求6所述的高灵敏度压力式传感器的制作方法，其特征在于，所述导电颗粒为金属颗粒、透明导电金属氧化物、透明导电有机高分子材料、碳纳米管、石墨烯或银纳米线中的一种。
9.如权利要求6所述的高灵敏度压力式传感器的制作方法，其特征在于，所述导电电极层材料为透明导电金属氧化物、透明导电有机高分子材料或无机材料中的一种；所述衬底层材料为硬质玻璃、柔性玻璃或PET材料。
10.如权利要求9所述的高灵敏度压力式传感器的制作方法，其特征在于，所述透明导电金属氧化物为铟锡氧化物；所述透明导电有机高分子材料为聚乙烯二氧噻吩，所述无机物材料为金属网格、银纳米线、石墨烯或碳纳米管中的一种。
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