CN106153207A - 一种柔性温度传感器及其制备工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性温度传感器及其制备工艺，所述传感器包括：位于传感器最顶层和最底层的柔性基底材料；位于底层基底材料之上的传感阵列下电极；位于所述下电极之上，并与下电极紧密接触的纳米温度敏感材料；位于纳米温敏材料之上，并与之紧密接触的传感阵列上电极，以及绝缘层材料。本发明通过纳米印制技术在柔性基底上制备柔性温度传感器，可以适用于不规则形状物体的温度分布监测，本发明提出的柔性温度传感器具有柔性好，测试范围大，性能稳定，成本低等突出优点。

Description

一种柔性温度传感器及其制备工艺

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及一种采用纳米印制技术来实现的柔性温度传感器及其制备工艺。

背景技术

温度传感器无论在工业领域还是个人使用领域都有着广泛的应用。例如热电阻、热电偶、光纤多种温度传感技术在各个领域得到了长足的发展。但是这些温度传感器普遍尺寸较大，对于小型物体的温度监测，很难进行安装布置；而且上述温度传感器是由非柔性材料制备，硬度较大，无法应用于三维物品的表面、用来测量三维物体的表面温度及分布情况。

并且，上述传感器具有使用寿命有限以及结构较复杂等缺陷，因此需要开发一种结构简单、可靠耐用、成本低、重量轻、灵敏度高以及测量范围可调的柔性温度传感器。

发明内容

(一)要解决的技术问题

有鉴于此，本发明要解决的技术问题在于，针对现有技术的温度传感器尺寸较大、非柔性、使用寿命有限且结构较复杂的缺陷，提供一种全柔性、成本低、重量轻、灵敏度高以及测量范围可调的柔性温度传感器。

(二)技术方案

为达到上述目的，本发明采用的技术方案如下：

一种柔性温度传感器，其特征在于，包括：位于传感器最顶层和最底层的柔性基底材料；位于底层基底材料之上的传感阵列下电极；位于所述下电极之上，并与下电极紧密接触的纳米温度敏感材料；位于纳米温敏材料之上，并与之紧密接触的传感阵列上电极，以及绝缘层材料。

进一步地说，所述柔性基板为天然橡胶、聚氨酯、硅橡胶、氟橡胶以及苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯或聚异丁烯聚合物等材料。

进一步地说，所述纳米温度敏感材料为纳米银浆、纳米炭浆等，其配比方案根据传感器量程及精度要求来制定。

进一步地说，所述纳米温度敏感材料的形状及位置分布可以根据传感器测量要求定制。

进一步地说，所述上、下电极及温敏材料的图形均采用纳米印制方法直接或间接实现。

本发明还提供一种所述的柔性温度传感器的制备方法，其制备工艺包括：

(1)在上下柔性基底材料的表面印刷导线层，并组成网格状测量回路；

(2)在两层网格交点位置分别印刷与其导线方向垂直的绝缘层；

(3)在绝缘层基础上，印刷与绝缘层线条方向垂直的应变温敏电阻材料层；

(4)下层电路印刷丝印胶层，丝印胶层成条状，与导线层导线相互平行；

(5)通过丝印胶层将上下电路粘接，在上下层电路交叉点位置构成柔性阵列温度传感器敏感单元。

(三)有益效果

本发明与现有技术相比有以下优点：

1、本发明全柔性温度传感器阵列的所有制作材料包括拉基底材料、电极材料、温度敏感材料，以及绝缘材料均为柔性材料，满足传感器的全柔性要求；

2、本发明所用柔性传感器单元采用纳米印制的方法来实现，其图形结构精确，整体性强，从而使其工作稳定，使用方便，适应性好；

3、本发明的传感器量程及灵敏度可以由温度敏感材料中所含有填料的组分比例及材料尺寸的得到控制，调节范围广。

附图说明

图1是本发明传感器第一实施例的结构示意图；

图2是本发明第一实施例传感器制备工艺的流程图；

图3是本发明第一实施例的传感器阵列线路设计图；

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

参照图1，示出了柔性温度传感器单元第一实施例的结构示意图，包括：

柔性基底1：位于传感器最顶层和最底层的柔性基底材料；用于整个柔性传感器元件的承载；所述柔性基板为天然橡胶、聚氨酯、硅橡胶、氟橡胶以及苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯或聚异丁烯聚合物等材料；

下电极2：位于底层基底材料之上的传感阵列下电极；用于将温敏电阻的一端引出，从而测试其电阻值变化；

温敏单元3：位于所述下电极之上，并与下电极紧密接触的纳米温度敏感材料；所述纳米温度敏感材料为纳米银浆、纳米炭浆等，其配比方案根据传感器量程及精度要求来制定，其形状及位置分布可以根据待测物体的测量要求定制。

绝缘层4：位于上下柔性基底材料之间，除去2、3组分的区域，用于绝缘隔离，隔离温敏单元之间的互相影响，也避免了上下电极之间短路情况的发生。

上电极5：位于纳米温敏材料之上，并与之紧密接触的传感阵列上电极，用于将温敏电阻的另一端引出，从而测试其电阻值随温度的变化；

参照图2，示出了本发明第一实施例传感器制备工艺的流程，具体包括：

步骤S101：在上下柔性基材的表面印刷导线层并组成网格状测量回路。需要根据具体应用对传感器敏感单元的密度要求设计确定导线层的导线宽度和间距等工艺参数；在本实施例中，传感器的点阵密度设计为9点/cm2；

步骤S102：在两层网格交点位置分别印刷与其导线方向垂直的绝缘层，绝缘层为线条状，其宽度和厚度视传感器的要求而定；本实施例中所采用的厚度为200～500um，宽度为0.3mm～2mm；

步骤S103：在绝缘层基础上，印刷与绝缘层线条方向垂直的温敏电阻材料层；

温敏电阻制备成方形，其电阻方形块长宽和厚度尺寸是传感器性能的决定性因素，直接影响传感器的灵敏度和量程等关键参数；本实施例中温敏电阻浆料的粘度在100-300Pa·S，其干燥温度为125-130℃，时间为10-15分钟，烘干温度为130-150℃，时间为30-40分钟；

步骤S104：下层电路印刷丝印胶层，丝印胶层成条状，与导线层导线相互平行，其线条宽度视传感器间距而定，一般为该间距的五分之一；

步骤S105：通过丝印胶层将上下电路粘接，这样上下层电路交叉点位置就构成了柔性阵列温度传感器敏感单元，温敏单元的电阻值随着温度的变化而变化。

图3给出了本发明第一实施例的传感器线路设计图，通过合理的布线设计，将温敏传感单元阵列的上下电极按照标准接口的形式引出。

如图所示，柔性传感器的上基底表面的四个电极引出分别为：T1、T2、T3、T4，下基底表面的两个电极分别引出为B1、B2，6个电极按约定规则等间距排列，对于该类型8点式柔性阵列文敏传感器，信号采集装置只需要制备一个对应的标准接口电路即可方便的实现与传感器元件的信号对接与采集处理。

对于前述的各方法实施例，为了描述简单，故将其都表述为一系列的动作组合，但是本领域的技术人员应该知悉，本发明并不受所描述的动作顺序的限制，因为根据本发明，某些步骤可以采用其他顺序或同时执行；其次，本领域技术人员也应该知悉，上述方法实施例均属于优选实施例，所涉及的动作和模块并不一定是本发明所必须的。

本说明书中的各个实施例均采用递进的方式描述，每个实施侧重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似的部分互相参见即可。

对本发明公开的一种基于纳米印制技术的柔性温度传感器及其制备工艺，文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种柔性温度传感器，其特征在于，包括：

位于传感器最顶层和最底层的柔性基底材料；

位于底层基底材料之上的传感阵列下电极；

位于所述下电极之上，并与下电极紧密接触的纳米温度敏感材料；

位于纳米温敏材料之上，并与之紧密接触的传感阵列上电极，

以及绝缘层材料。

2.根据权利要求1所述的柔性温度传感器，其特征在于，所述柔性基板为天然橡胶、聚氨酯、硅橡胶、氟橡胶以及苯乙烯-乙烯-丁二烯-苯乙烯、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯或聚异丁烯聚合物材料。

3.根据权利要求1所述的柔性温度传感器，其特征在于，所述纳米温度敏感材料为纳米银浆、纳米炭浆，其配比方案根据传感器量程及精度要求来制定。

4.根据权利要求1所述的柔性温度传感器，其特征在于，所述纳米温度敏感材料的形状及位置分布可以根据待测物体的测量要求定制。

5.根据权利要求1所述的柔性温度传感器，其特征在于，所述上、下电极及温敏材料的图形均采用纳米印制方法直接或间接实现。

6.根据权利要求1所述的柔性温度传感器，其制备工艺包括：

(1)在上下柔性基底材料的表面印刷导线层，并组成网格状测量回路；

(2)在两层网格交点位置分别印刷与其导线方向垂直的绝缘层；

(3)在绝缘层基础上，印刷与绝缘层线条方向垂直的应变温敏电阻材料层；

(4)下层电路印刷丝印胶层，丝印胶层成条状，与导线层导线相互平行；

(5)通过丝印胶层将上下电路粘接，在上下层电路交叉点位置构成柔性阵列温度传感器敏感单元。