CN106338350B - 一种正电阻效应的拉力敏感型传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种正电阻效应的拉力敏感型传感器，包括拉敏材料以及安装在所述拉敏材料两端的金属电极；所述拉敏材料是在硅橡胶材料中填充导电粒子制成的电阻率介于1.0×102Ω.cm和1.0×105Ω.cm之间的一种导电橡胶材料。本发明的拉力敏感型传感器的电阻值随拉伸形变增加逐渐增大，在30%拉伸形变时产生5到50倍的电阻变化，且电阻与形变间具有良好的线性度，因而可以通过检测电阻值的变化，或者将电阻转换成电流、电压或电容信号，可以获得所受的外界作用力的信息。本发明的拉力敏感型传感器具有很好的柔性和弹性，力学量变化幅度较大，在生物力学检测、医疗康复、智能机器人、智能可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及一种拉力敏感型传感器，特别涉及一种正电阻效应的拉力敏感型传感器。
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。目前使用的拉力敏感型电阻应变式传感器，简称拉敏电阻传感器，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，因而在体育、医疗、智能穿戴等需要弯曲、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，限制了其在更广领域的应用。特别是前两个缺点，给生物力学检测、康复医疗、智能可穿戴设备、智能机器人等领域中的许多特殊结构的应力应变的测量带来了很大困难，因此急需寻找新型的柔性的力学敏感材料制造柔性的应变型传感器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种正电阻效应的拉力敏感型传感器，提高传感器的柔性和弹性，增大力学量变化幅度，结构简单，降低制造成本。
为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种正电阻效应的拉力敏感型传感器，包括拉敏材料以及安装在所述拉敏材料两端的金属电极；所述拉敏材料是在硅橡胶材料中填充导电炭黑制成的体积电阻率介于1.0×102Ω.cm和1.0×105Ω.cm之间的一种导电橡胶材料。所述金属电极选自金属膜、金属箔、金属片或异形金属构件中的一种，通过导电胶粘合、高温热压、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的表面。
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。
所述的正电阻效应的拉力敏感型传感器在拉伸力作用下传感器电阻逐渐增加，呈现正拉敏电阻效应，在30%拉伸形变电阻变化倍率介于5到50倍，且电阻与形变之间具有良好的线性度，可以通过检测电阻值的变化或将变化的电阻信号转换成电流、电压或者电容等其他电平信号来获得外界作用力的信息，从而制成一种拉敏型应变式传感器，在生物力学检测、医疗康复、机器人、智能可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景，且该传感器件制造工艺简单、成本低。
为实现上述技术方案，所述导电橡胶材料按照质量份各组分配比为：硅橡胶100份，结构控制剂0.1-10份，硫化剂0.2-5份，补强填料5-40份，导电炭黑10-100份。其中，质量份是工业上出于计算方便使用的一个直观的质量配比方法，数字直接表示所需要配比物质的质量比。
进一步地，所述硅橡胶为高温硫化型硅橡胶，选自二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶和氟硅橡胶中的一种。
进一步地，所述结构控制剂，选自羟基硅油、二苯基硅二醇。
进一步地，所述导电炭黑，粒径为20-120nm，吸油值为40cm3/100g - 200cm3/100g。
进一步地，所述补强填料选自气相二氧化硅，BET法所测比表面积100-400m2/g。气相二氧化硅除了补强之外，还具有改善拉敏电阻的电阻蠕变与松弛的作用。气相二氧化硅，也被称作白炭黑。
进一步地，所述硫化剂，选自有机过氧化物，包括过氧化苯甲酰BPO、过氧化二异丙苯DCP、过氧化二叔丁基DTBP、二（叔丁基过氧化异丙基）DIPB、2,4-二氯过氧化苯甲酰DCBP、2,5-二甲基-2,5-双（叔丁基过氧基）己烷DBPMH。
进一步地，所述导电硅橡胶材料的电阻率介于1.0×102Ω.cm和1.0×105Ω.cm之间。
进一步地，所述金属电极选自金属箔、金属片、金属膜或异形金属构件中的一种，通过导电胶粘合、高温热压、银浆丝网印刷、真空镀膜或者机械压接的方式制作，以方便拉敏传感器与信号采集端的连接。所述导电银浆包括热固化型和紫外光固化型。所述真空镀膜的方法包括真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜、真空离子镀膜。
进一步地，所述拉力敏感型传感器包括拉敏材料以及安装在所述拉敏材料两端的金属电极，更进一步地，所述拉敏传感器的电阻值介于50kΩ和5000kΩ之间。
进一步地，所述拉敏传感器在拉伸力作用下100%拉伸形变范围内电阻值逐渐增加，在30%拉伸形变电阻变化倍率介于5到50倍，并且电阻与形变之间具有良好的线性度。拉敏传感器在形变前后电阻值的变化倍率，可以用来表征为传感器的灵敏度。
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的电容值随着拉伸形变增加而下降，100%拉伸形变范围内拉敏传感器的电容值变化倍率5到50倍。
本发明还提供了一种正电阻效应的拉力敏感型传感器的制造方法，包括以下步骤：
步骤A：按照一定的质量配比将硅橡胶基体、结构控制剂、导电填料、补强填料和硫化剂依照上述顺序依次加入到双辊开炼机或者密炼机进行混炼，设定温度低于为50℃，各组分混合均匀后，薄通出片，整个混炼过程的温度控制在80℃以下；
步骤B：将混炼好导电橡胶胶料放入一定的模腔尺寸的模具中，在一定的温度、压力和时间下硫化成型，得到导电橡胶板材。硫化分为一段硫化：150-200℃，压力10MPa-20MPa，5-15分钟；二段硫化：转移至烘箱中150-200℃，2-4小时；以及
步骤C：将导电橡胶板材，裁切成一定长度和宽度的橡胶样条，使用导电银胶粘接、高温热压、丝网印刷、真空镀膜或者机械压接的方法在样条两端做出金属电极，也可以进一步在其上连接金属导线，从而制备出正电阻效应的拉力敏感型传感器。
有益效果：本发明的正电阻效应的拉力敏感型电阻传感器的电阻值介于50kΩ和5000kΩ之间。拉敏传感器在100%拉伸形变范围内其电阻随形变增大逐渐增加，呈现正电阻效应，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下降，在30%拉伸形变时传感器的电阻值和电容值的变化倍率介于5到50倍。通过检测电阻值的变化，或者将变化的电阻信号转换成电流、电压或者电容等其他电平信号可以获得传感器受力的信息。本发明的拉敏传感器柔性好，力学量变化幅度大，结构简单，制造成本低。在生物力学检测、医疗康复、机器人、智能可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1-图7是正电阻效应拉敏传感器的电阻（电容）与形变的关系曲线图。
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拉敏传感器作详细说明：
实施例 1
导电橡胶的成份配比及制作方法如下：
按照以下顺序依次将100质量份的甲基乙烯基硅橡胶（牌号110-1，分子量45-70万，乙烯基含量0.13-0.22%，南京东爵有机硅公司），2质量份的二苯甲基硅二醇，80质量份的炭黑（3030B，粒径55nm，吸油值140m2/g，三菱化学），20质量份气相白炭黑（AEROSIL 150，赢创德固赛），2质量份的双25硫化剂（2,5-二甲基-2,5-双(过氧化叔丁基)己烷），加入到双辊开炼机进行混炼，开炼机温度设定为30℃，各组分混合均匀后，薄通出片。将混炼好的硅橡胶放入模具中，在170℃，15MPa压力下硫化8分钟，然后在鼓风烘箱中于180℃中二段硫化2小时，得到厚度为1mm的导电硅橡胶板材。
将导电硅橡胶板材，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导线12，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。
本实施例所述导电硅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1.0×105Ω.cm之间。本实施例得到拉敏材料柔性好，弹性好，本实施例得到的正电阻效应的拉敏传感器在拉伸力作用下电阻值不断增加，呈现出正电阻效应，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，按照质量份各组分配比为：硅橡胶100份，结构控制剂1份，硫化剂0.2份，补强填料5份，导电炭黑10份。
优选地，所述拉敏材料，按照质量份各组分配比为：硅橡胶100份，结构控制剂5份，硫化剂2.5份，补强填料20份，导电炭黑60份。
优选地，所述拉敏材料，按照质量份各组分配比为：硅橡胶100份，结构控制剂10份，硫化剂5份，补强填料40份，导电炭黑100份。
优选地，所述硅橡胶为高温硫化型硅橡胶，选自二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶和氟硅橡胶中的一种。
优选地，所述导电炭黑，粒径为20nm，吸油值为40cm3/100g。
优选地，所述导电炭黑，粒径为70nm，吸油值为120cm3/100g。
优选地，所述导电炭黑，粒径为120nm，吸油值为200cm3/100g。
优选地，所述补强填料选自气相二氧化硅，BET法所测比表面积100m2/g。
优选地，所述补强填料选自气相二氧化硅，BET法所测比表面积250m2/g。
优选地，所述补强填料选自气相二氧化硅，BET法所测比表面积400m2/g。
优选地，所述金属电极11选自金属箔、金属片、金属膜中的一种，通过导电胶粘合、高温热压、丝网印刷、真空镀膜或者机械压接的方式制作。
优选地，所述拉敏传感器的电阻值为50kΩ。
优选地，所述拉敏传感器的电阻值为500kΩ。
优选地，所述拉敏传感器的电阻值为5000kΩ。
优选地，所述拉敏传感器在拉伸力作用下100%拉伸形变范围内电阻值持续增加，形变为30%时电阻值变化倍率为5倍。
优选地，所述拉敏电阻器在拉伸力作用下100%拉伸形变范围内电阻值持续增加，形变为30%时电阻值变化倍率为30倍。
优选地，所述拉敏电阻器在拉伸力作用下100%拉伸形变范围内电阻值持续增加，形变为30%时电阻值变化倍率为50倍。
优选地，所述拉敏传感器在拉伸力作用下100%拉伸形变范围内电容值持续下降，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伸力作用下100%拉伸形变范围内电容值持续下降，形变为30%时电容值变化倍率为30倍。
优选地，所述拉敏传感器在拉伸力作用下100%拉伸形变范围内电容值持续下降，形变为30%时电容值变化倍率为50倍。
测试拉敏传感器随着拉伸形变的增加电阻值和电容值的变化规律，绘制电阻（电容）-拉伸形变关系曲线，如图1所示。
实施例 2
按照和实施例1相同方法制造拉力敏感型传感器，但用70质量份的炭黑（3030B，粒径55nm，吸油值140m2/g，三菱化学）替代实施例1中80质量份的炭黑（3030B，粒径55nm，吸油值140m2/g，三菱化学）。按照和实施例1中所述相同的方式制作拉敏传感器件并测试电阻、电容与形变之间的变化关系，结果列于图2。
实施例 3
按照和实施例1相同方法制造拉力敏感型传感器，但用50质量份的炭黑（3030B，粒径55nm，吸油值140m2/g，三菱化学）替代实施例1中80质量份的炭黑（3030B，粒径55nm，吸油值140m2/g，三菱化学）。按照和实施例1中所述相同的方式制作拉敏传感器件并测试电阻、电容与形变之间的变化关系，结果列于图3。
实施例 4
按照和实施例1相同方法制造拉力敏感型传感器，但用20质量份的炭黑（VXC72，粒径30nm，吸油值174m2/g，卡博特）替代实施例1中80质量份的炭黑（3030B，粒径55nm，吸油值140m2/g，三菱化学）。按照和实施例1中所述相同的方式制作拉敏传感器件并测试电阻、电容与形变之间的变化关系，结果列于图4。
实施例 5
按照和实施例1相同方法制造拉力敏感型传感器，但100质量份的炭黑（Raven430，粒径82nm，吸油值75m2/g）替代实施例1中80质量份的炭黑（3030B，粒径55nm，吸油值140m2/g，三菱化学）。按照和实施例1中所述相同的方式制作拉敏传感器件并测试电阻、电容与形变之间的变化关系，结果列于图5。
比较例 1
按照和实施例1相同方法制造拉力敏感型传感器，但用100质量份的炭黑（3030B，粒径55nm，吸油值140m2/g，三菱化学）替代实施例1中80质量份的炭黑（3030B，粒径55nm，吸油值140m2/g，三菱化学）。按照和实施例1中所述相同的方式制作拉敏传感器件并测试电阻、电容与形变之间的变化关系，结果列于图6。
比较例 2
按照和实施例1相同方法制造拉力敏感型传感器，但用35质量份的炭黑（3030B，粒径55nm，吸油值140m2/g，三菱化学）替代实施例1中80质量份的炭黑（3030B，粒径55nm，吸油值140m2/g，三菱化学）。按照和实施例1中所述相同的方式制作拉敏传感器件并测试电阻、电容与形变之间的变化关系，结果列于图7。
表 1
| 实施例1 | 实施例2 | 实施例3 | 实施例4 | 实施例5 | 比较例1 | 比较例2 | |
| 硅橡胶 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 | 100 |
| 二苯基硅二醇 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 | 2 |
| 气相白炭黑 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 | 20 |
| 炭黑3030B | 80 | 70 | 50 | 100 | 35 | ||
| 炭黑VXC72 | 20 | ||||||
| 炭黑Raven430 | 100 | ||||||
| 双 25硫化剂 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 | 2.5 |
| 初始电阻(KΩ) | 55 | 140 | 520 | 1600 | 180 | 3 | 10000 |
| 电阻率(Ω.cm) | 1.1×10<sup>3</sup> | 2.8×10<sup>3</sup> | 1.0×10<sup>4</sup> | 3.2.×10<sup>4</sup> | 3.6×10<sup>3</sup> | 6.0×10<sup>1</sup> | 2.0×10<sup>5</sup> |
注：物料组成单位：质量份。
通过图1到图5中实施例1至实施例5所描述的拉敏传感器的电阻（电容）随拉伸形变的变化曲线可以看出，本发明制造的拉敏传感器的初始电阻值介于20kΩ和5000kΩ之间，其电阻值随着拉伸形变的增加而增加，表现出正电阻-拉力系数关系，且在拉伸形变小于30%时传感器的电阻值与拉伸形变之间的线性度良好，此时的电阻相比拉伸之前变化倍率在5-50倍之间。利用电阻与形变的线性关系，可以通过测量器件电阻值的变化获得传感器受力或形变的信息。而当拉敏传感器的初始电阻值低于20kΩ和高于5000kΩ时，如比较例1和2，传感器的电阻与形变之间良好的线性度破坏，如图6和图7所示。将电阻值转换成电容值，电容值随形变也存在一定的对应关系，如图1至图5所示，因此也可以通过检测传感器电容值获得外力的信息。
综上，本发明的正拉敏效应的拉敏型传感器在拉伸力作用下电阻增加，呈现正电阻效应，电阻值的变化与形变之间存在一定程度的近似线性关系，通过测量器件电阻值的变化或者将电阻信号转换成电容信号可以获得传感器受力或形变的信息，起到一种传感器的作用。本发明的拉敏传感器柔性和弹性大，力学量变化幅度大，结构简单，制造成本低，在电子技术、仪器仪表、生物测量、健康医疗、人工智能等领域具有广阔的应用前景。
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 (6)
1.一种正电阻效应的拉力敏感型传感器，其特征在于：包括拉敏材料以及安装在所述拉敏材料两端的金属电极；所述拉敏材料是在硅橡胶材料中填充导电炭黑制成的电阻率介于1.0×102Ω.cm和1.0×105Ω.cm之间的一种导电硅橡胶，按照质量份各组分配比为：硅橡胶100份，结构控制剂0.1-10份，硫化剂0.2-5份，补强填料5-40份，导电炭黑10-100份；所述拉力敏感型传感器在100%拉伸形变范围内电阻值持续增加，在30%拉伸形变时电阻变化倍率介于5到50倍；所述拉力敏感型传感器在拉伸力作用下随拉伸形变增加电容值下降，拉伸形变30%时电容值变化倍率为5-50倍。
2.如权利要求1所述的正电阻效应的拉力敏感型传感器，其特征在于，所述硅橡胶为高温硫化型硅橡胶，选自二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶和氟硅橡胶中的一种。
3.如权利要求1所述的正电阻效应的拉力敏感型传感器，其特征在于，所述导电炭黑，粒径为20-120nm，吸油值为40cm3/100g - 200cm3/100g。
4.如权利要求1所述的正电阻效应的拉力敏感型传感器，其特征在于，所述补强填料选自气相二氧化硅，BET法所测比表面积100-400m2/g。
5.如权利要求1所述的正电阻效应的拉力敏感型传感器，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所述的正电阻效应的拉力敏感型传感器，其特征在于：所述拉力敏感型传感器的电阻值介于50kΩ和5000kΩ之间。
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Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 炭黑填充复合型硅橡胶屏蔽性能及拉敏特性研究;刘顺华 等;《大连理工大学学报》;20060331;第46卷(第2期);207-211 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
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| CN104964771A (zh) | 2015-10-07 |
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