CN106197772A - 一种柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性压力传感器，包括感应层、衬底层、隔离层和电极，所述隔离层位于感应层与衬底层中间，与感应层、衬底层贴合在一起，将感应层与衬底层之间的电接触呈间断性的隔离；所述感应层的表面设有第一导电层，所述衬底层表面设有第二导电层，所述第一导电层与第二导电层相向的与隔离层贴合；所述电极从第一导电层或第二导电层上引出，与外置电路连接。本发明柔性压力传感器，用于检测压力的大小和波动，为将特定衬底上的柔性导电材料，与其他导电衬底贴合在一起，并引出电极，测量电极间电阻的变化，从而间接检测压力的大小和波动。实现了高灵敏度、高可靠性的可应用于柔性受力基体上的压力传感器，本发明采用的工艺简单，可以很方便的兼容现有电阻屏的加工工艺，易于实现规模化生产和应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力传感器及其制备方法，用于检测压力的大小和波动，具体涉及一种柔性的压力传感器。
背景技术
压力传感器是工业实践中最为常用一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。压力传感器的原理及其应用主要有以下几种：
1、应变片压力传感器：其原理与应用力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。应用最为广泛的是压阻式压力传感器。压阻式压力传感器主要利用电阻应变片，这是压阻式应变传感器的主要组成部分之一，电阻应变片最常见的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属应变片通过粘合剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路显示或执行机构。金属电阻应变片由基体材料、金属应片丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。这种传感器设计时容易受限，电阻应变片阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化过大，输出的零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。具体来讲，电阻应变片的工作原理是：吸附在基本材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，其电阻值即会发生改变。假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值更会增大；当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小，而截面增加，电阻值则会减小。只要测出加在电阻的变化(通常测电阻两端的电压)，即可获得应变金属丝的应变情况。
2、陶瓷压力传感器：压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接一个惠斯通电桥(闭桥)，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定等，可以和应变式传感器相兼容。
3、扩散硅压力传感器：其工作原理是将被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或陶瓷)，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，用电子线路检测这一变化，并转输出一个对应这一压力的标准测量信号。
4、蓝宝石压力传感器：利用变电式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。
5、压电压力传感器：主要命名用的压电材料包括有石英、酒石酸钾内和磷酸二氢胺。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用下的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。
对于应用于柔性可穿戴设备或衣物上，需要极高灵敏性。上述现有的压力传感器的作用原理及应用方式很难达到要求。现有技术中，多用PVDF或ZnO材料的压电薄膜，这些材料虽然可以实现压力传感的功能，但是受材料特性影响，其灵敏度不是很高，对于极微弱的应变不能准确识别。另外这些材料应用在柔性可穿戴电子行业时，柔性条件下的高灵敏性无法实现，且稳定性也较差。
专利CN104359597A公开了一种压力传感器，这种压力传感器采用两层内表面覆盖碳纳米管或石墨烯的导电材料，错位组装，受挤压形变时，两层表面接触面积发生变化，从而导致电阻发生变化，但是该工艺中两层导电材料需要覆盖在有一定形貌的表面，工艺复杂，很难完好的实现，且测量的灵敏度受表面平整度影响，而表面平整度的精确控制难度很大，成本高，难以规模化应用。
发明内容
本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种高灵敏度、高可靠性的柔性压力传感器；
本发明的另一目的是提供上述压力传感器的制备方法，方法简单易行，成本低，适于工业化的大规模生产。
本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：
一种柔性压力传感器，包括感应层、衬底层、隔离层和电极，所述隔离层位于感应层与衬底层中间，与感应层、衬底层贴合在一起，将感应层与衬底层之间的电接触呈间断性的隔离；所述感应层的表面设有第一导电层，所述衬底层表面设有第二导电层，所述第一导电层与第二导电层相向的与隔离层贴合；所述电极从第一导电层或第二导电层上引出，与外置电路连接。
优选的，所述第一导电层或第二导电层为石墨烯薄膜、碳纳米管薄膜、纳米银线薄膜、金属网格薄膜、碳纤维薄膜或导电树脂薄膜中的一种或两种以上的复合薄膜；优选的，所述第一导电层或第二导电层均为石墨烯薄膜；进一步优选的，石墨烯薄膜带有1-20层石墨烯，优选1层石墨烯。
优选的，所述感应层中第一导电层的背面为膜状或片状弹性基材，优选为硅胶、橡胶、硅橡胶或热熔胶中的一种或两种以上的复合材料，进一步优选为PDMS或TPE；
热塑性弹性体TPE(Thermoplastic Elastomer)是一种具有橡胶的高弹性，高强度，高回弹性，又具有可注塑加工的特征的材料。具有环保无毒安全，有优良的着色性，触感柔软，耐候性，抗疲劳性和耐温性，加工性能优越。
聚二甲基硅氧烷PDMS(polydimethylsiloxane)，简称有机硅。因其成本低，使用简单，同硅片之间具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性等特点，成为一种广泛应用于微流控等领域的聚合物材料。固态的二甲基硅氧烷为一种硅胶，无毒、疏水性(hydrophobic)和防水性，惰性物质，且为非易燃性、透明弹性体。二甲基硅氧烷的制程简便且快速，材料成本远低于硅晶圆，且其透光性良好、生物相容性佳、易与多种材质室温接合、以及因为低杨氏模量(Young’s modulus)导致的结构高弹性(structural flexibility)等。
优选的，所述弹性基材的厚度为0.1-2mm，例如：0.1mm、0.2mm、0.5mm、0.8mm、1.0mm、1.3mm、1.5mm、1.7mm、2mm，等；优选0.5mm。
优选的，所述衬底层为柔性基材，具体为塑料薄膜，优选为PET；所述柔性基材的厚度为1μm-10mm，例如：1μm、10μm、20μm、50μm、70μm、100μm、300μm、500μm、800μm、1mm、2mm、5mm、6mm、8mm、10mm，等；优选为20-100μm，例如：20μm、 30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm、100μm，等。
优选的，所述感应层为在PDMS上设定的感应区转移一层石墨烯的薄膜；所述衬底层为在PET上转移一层石墨烯的薄膜。
优选的，所述隔离层的材料为绝缘材料，优选为二氧化硅球或者绝缘的UV固化树脂。
进一步优选的，所述隔离层由厚度为100nm-1mm的离散的点或线组成。例如：厚度为100nm、500nm、800nm、1μm、50μm、100μm、200μm、500μm、700μm、1mm，等。
进一步优选为，相邻两个点或线的平均间距为1μm-100μm。例如：平均间距为1μm、5μm、10μm、25μm、50μm、75μm、80μm、95μm、100μm，等
所述离散点为粒径为3±0.5μm的二氧化硅球或者圆柱高度为1±0.1μm、直径为1±0.1μm的UV固化树脂；
作为最佳方案，所述隔离层为在衬底上涂布二氧化硅球而成或者在衬底上涂布圆柱状UV固化树脂并固化而成。所述二氧化硅球的涂布密度为相邻两个二氧化硅球的平均间距为10-20μm；所述UV固化树脂的涂布密度为UV固化树脂圆柱体均匀的分布在边长为5μm的连续正方形的四个顶点。
优选的，所述柔性传感器设有一个或多个感应区，每个感应区通过感应层、衬底层、隔离层的粘结封装围成。
优选的，每个感应区内，所述第一导电层或第二导电层的方阻均匀性不超过50％。
优选的，每个感应区均引出至少一对正负电极，优选的，所述电极为银浆电极。
上述的柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
1)感应层的制备：在弹性基材上转移石墨烯薄膜或涂布一层导电材料作为感应层；
2)衬底层的制备：在柔性基材上转移石墨烯薄膜或涂布一层导电材料作为衬底层；
3)隔离层的制备：在衬底层的导电材料的表面涂布隔离材料；
5)引出电极：在感应层或者衬底层的其中之一的的导电材料上引出一对电极，或者，在在感应层或者衬底层的导电材料上各引出一支电极；
6)感应器的形成：将感应层、涂布好隔离层的衬底层的两个导电层面贴合在一起，根据所需要的感应范围，在感应范围的边缘将感应层、衬底层固化封装。
所述步骤6)中，所述固化封装采用UV固化树脂点胶的方法。
本发明原理：
本发明柔性压力传感器，用于检测压力的大小和波动，为将特定衬底上的柔性导电材料，与其他导电衬底通过贴合点胶固定在一起，并引出电极，测量电极间电阻的变化，从而间接检测压力的大小和波动。实现了高灵敏度、高可靠性的可应用于柔性受力基体上的压力传感器，本发明采用的工艺简单，可以很方便的兼容现有电阻屏的加工工艺，易于实现规模化生产和应用。具体来说，本发明在高弹性的感应层与柔性衬底层的导电材料中间，加入特殊的隔离层，并进行贴合封装，使感应区内两导电层实现间断的电隔离状态。即，两层导电材料中间，通过隔离层隔开，使两层导电材料有较小面积的接触，但是大部分面积依然保持分离，受压力的情况下，两层导电材料接触面积增大，相当于并联电路中并联的电阻降低，使整个电路电阻下降，通过下降的电阻值可以测得压力变化的大小和波动。感应层材料和导电材料层的特殊选型，确保了此过程可以恢复和重复。
本发明的有益效果是：
1、本发明的工艺方法与工业上成熟的电阻式触摸屏的工艺兼容性好，易于实现规模化生产。
2、本发明的压力传感器灵敏度高，有微小的形变，就足以有较大的电阻改变，从而检测出压力。
3、本发明的压力传感器结构上可以实现柔性，应用在诸如可穿戴、电子皮肤等行业。
4、本发明可以通过调节隔离层厚度、隔离层形貌、两层电极方阻的大小，实现不同传感器不同的灵敏度及量程的要求。
5、本发明的压力传感器选用透明材料后可以实现透明、柔性的压力传感器，可以应用在手机电脑等电子数码产品中。
附图说明
图1为本发明压力传感器结构示意图；
图2为本发明压力传感器微观扩大示意图；
图3为本发明压力传感器未受压力时的状态示意图，此时两层导电材料中间有小面积的接触；
图4为本发明压力传感器受压力时的状态示意图，此时两层导电材料中间接触面积增加，两电极之间的电阻发生改变；
其中，1-感应层，11-用于压力感应的弹性材料，12-第一导电层，2-衬底层，21-支撑整个传感器结构的柔性基材，22-第二导电层，3-隔离层。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1：
在PDMS上转移一层石墨烯薄膜，作为感应层1，其中，PDMS为弹性基材11，石墨烯薄膜作为第一导电层12。在另一片PET上转移一层石墨烯薄膜作为衬底层2，其中，PET为柔性基材21，石墨烯薄膜为第二导电层22。在衬底层石墨烯薄膜表面涂布粒径为3±0.5μm的二氧化硅球，涂布密度为相邻两个二氧化硅球的平均间距在10-20μm的范围内，形成隔离层3。将感应层石墨烯面贴合在衬底层石墨烯薄膜表面，中间有二氧化硅球作为隔离层隔离。在PET/石墨烯表面两端丝印银浆电极并固化。感应层与衬底层接触的边缘用UV固化树脂点胶固化封装。
在两根银浆电极上接入100mA的直流电，并接入直流电压表，测量两电极之间的电压。当感应层表面的PDMS受到压力时产生形变，两层石墨烯接触面积改变，从而两电极之间的电阻发生变化。通过恒定电流的情况下的两电极之间电压的变化曲线，间接反应出压力的变化和波动。
实施例2：
在TPE上转移一层石墨烯薄膜，作为感应层1，其中，TPE为弹性基材11，石墨烯 薄膜为第一导电层12。在另一片PET上涂布一层碳纳米管薄膜作为衬底层2，其中，PET为柔性基材21，碳纳米管薄膜为第二导电层22。在衬底层碳纳米管薄膜表面通过印刷工艺，涂布厚度UV固化树脂并固化，作为隔离层3。UV树脂的形状为圆柱状，底面贴合衬底层碳纳米管，圆柱高度约为1μm，直径为1±0.1μm。所有圆柱状隔离材料在边长为5μm的连续的正方形的四个顶点分布。
将感应层石墨烯面贴合在衬底层碳纳米管薄膜表面，中间有隔离层隔离。在PET/碳纳米管表面一端丝印一根银浆电极并固化，在TPE/石墨烯表面一端同样通过丝印一根银浆电极并固化，两层的电极不直接接触。感应层与衬底层接触的边缘用UV固化树脂点胶固化封装。
在两根银浆电极上接入100mA的直流电，并接入直流电压表，测量两电极之间的电压。当感应层表面的TPE受到压力时产生形变，从而两层导电材料接触面积改变，从而两电极之间的电阻发生变化。通过恒定电流的情况下的两电极之间电压的变化曲线，间接反应出压力的变化和波动。
实施例3：
在硅橡胶上转移一层石墨烯薄膜，作为感应层1，其中，硅橡胶为弹性基材11，石墨烯薄膜为第一导电层12。在另一片PI薄膜上涂布一层纳米银线薄膜作为衬底层，其中，PI薄膜为柔性基材21，纳米银线薄膜为第二导电层22。在衬底层纳米银线薄膜表面通过印刷工艺，涂布厚度UV固化树脂并固化，作为隔离层3。UV树脂的形状为圆柱状，底面贴合衬底层碳纳米管，圆柱高度约为1μm，直径为1±0.1μm。所有圆柱状隔离材料在边长为5μm的连续的正六边形六个顶点分布。
将感应层石墨烯面贴合在衬底层纳米银线薄膜表面，中间有隔离层隔离。在感应层石墨烯表面通过丝印的方式印刷两根银浆电极并固化，电极不直接接触衬底层的纳米银线薄膜。感应层与衬底层接触的边缘用UV固化树脂点胶固化封装。
在两根银浆电极上接入100mA的直流电，并接入直流电压表，测量两电极之间的电压。当感应层表面的硅橡胶受到压力时产生形变，从而两层导电材料接触面积改变，从而两电极之间的电阻发生变化。通过恒定电流的情况下的两电极之间电压的变化曲线，间接反应出压力的变化和波动。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种柔性压力传感器，其特征在于：包括感应层、衬底层、隔离层和电极，所述隔离层位于感应层与衬底层中间，与感应层、衬底层贴合在一起，将感应层与衬底层之间的电接触呈间断性的隔离；所述感应层的表面设有第一导电层，所述衬底层表面设有第二导电层，所述第一导电层与第二导电层相向的与隔离层贴合；所述电极从第一导电层或第二导电层上引出，与外置电路连接。
2.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于：所述第一导电层或第二导电层为石墨烯薄膜、碳纳米管薄膜、纳米银线薄膜、金属网格薄膜、碳纤维薄膜或导电树脂薄膜中的一种或两种以上的复合薄膜；优选的，所述第一导电层或第二导电层均为石墨烯薄膜；进一步优选的，石墨烯薄膜带有1-20层石墨烯，优选1层石墨烯。
3.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于：所述感应层中第一导电层的背面为膜状或片状弹性基材，优选为硅胶、橡胶、硅橡胶或热熔胶中的一种或两种以上的复合材料，进一步优选为PDMS或TPE；优选的，所述弹性基材的厚度为0.1-2mm，优选0.5mm。
优选的，所述衬底层为柔性基材，具体为塑料薄膜，优选为PET；所述柔性基材的厚度为1μm-10mm，优选为20-100μm。
4.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于：所述感应层为在PDMS上设定的感应区转移一层石墨烯的薄膜；所述衬底层为在PET上整面转移一层石墨烯的薄膜。
5.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于：所述隔离层的材料为绝缘材料；优选为二氧化硅球或者绝缘的的UV固化树脂。
6.根据权利要求5所述的柔性压力传感器，其特征在于：所述隔离层由厚度为100nm-1mm的离散的点或线组成；优选的，相邻的两个点或线的平均间距为1μm-100μm；
进一步优选的，所述离散点为粒径为3±0.5μm的二氧化硅球或者圆柱高度为1±0.1μm、直径为1±0.1μm的UV固化树脂；
优选的，所述隔离层为在衬底上涂布二氧化硅球而成或者在衬底上涂布圆柱状UV固化树脂并固化而成；进一步优选的，所述二氧化硅球的涂布密度为相邻两个二氧化硅球的平均间距为10-20μm；和/或，所述UV固化树脂的涂布密度为UV固化树脂圆柱体均匀的分布在边长为5μm的连续正方形的四个顶点。
7.根据权利要求1-6任一项所述的柔性压力传感器，其特征在于：所述柔性传感器设有一个或多个感应区，每个感应区通过感应层、衬底层、隔离层的粘结封装围成。
8.根据权利要求7所述的柔性压力传感器，其特征在于：每个感应区内，所述第一导电层或第二导电层的方阻均匀性小于50％。
9.根据权利要求7所述的柔性压力传感器，其特征在于：每个感应区均引出至少一对正负电极，优选的，所述电极为银浆电极。
10.根据以上任一权利要求所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
1)感应层的制备：在弹性基材上转移石墨烯薄膜或涂布一层导电材料作为感应层；
2)衬底层的制备：在柔性基材上转移石墨烯薄膜或涂布一层导电材料作为衬底层；
3)隔离层的制备：在衬底层的导电材料的表面涂布隔离材料；
5)引出电极：在感应层或者衬底层的其中之一的的导电材料上引出一对电极，或者，在在感应层或者衬底层的导电材料上各引出一支电极；
6)感应器的形成：将感应层、涂布好隔离层的衬底层的两个导电层面贴合在一起，根据所需要的感应范围，在感应范围的边缘将感应层、衬底层固化封装，优选的，所述固化封装采用UV固化树脂点胶的方法。
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