CN106706180B - 同面共享电极型差动压力传感探头及其研制方法 - Google Patents

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    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material

Abstract

本发明涉及一种同面共享电极型差动压力传感探头及其研制方法，属于测量技术领域。同面共享电极型差动压力传感探头包括由覆合有三条金属电极的绝缘薄膜构成的电极层、压阻材料层和高分子层。压阻材料层包括横跨在第一条边缘电极和中间电极之间负压阻系数敏感膜和横跨在第二条边缘电极和中间电极之间正压阻系数敏感膜。用本发明提出的方法研制的同面共享电极型差动压力传感探头可降低系统温漂并提高灵敏度，探头的所有电极都处于同一平面且中间电极由负压阻系数敏感膜和正压阻系数敏感膜共享，与传统的三明治探头相比，不但减少了电极数、还节省了一个电极层，更有利于安装在狭小空间，适用于电子皮肤研制或国防设备狭小曲面层间压力测量等领域。

Description

同面共享电极型差动压力传感探头及其研制方法
技术领域
本发明属于测量技术领域，特别涉及到柔性差动压力传感器。
背景技术
大型设备狭小曲面层间压力测量是确保系统安全运行的关键。但由于层间间隙狭小、接触表面不规则，因此给传统刚性传感器的安装带来困难。故而，迫切需要传感器具有薄型和柔性的特点。导电高分子复合材料不但具有压阻特性，而且具有易加工性和良好的柔韧性，故而可以用来研制薄型柔性压力传感器并应用于狭小曲面层间压力测量。由于这种复合材料的电阻具有温度依赖性，因此，温度会引起的压敏元件输出漂移。故而如何减小温度对压敏元件输出的影响是该领域目前的关键问题。高导电相含量的压敏子单元与低导电相含量的压敏子单元的电阻随压力变化趋势相反而随温度变化趋势相同，故可采用基于这两种压敏子单元的差动电桥来降低温漂提高灵敏度。由于传统的压敏子单元都采用三明治探头具有两层电极结构，且增加压敏子单元的数量会增加电极数量，使探头结构更为复杂。但是在很多工程应用中能够安装传感器的空间狭小，因此，亟需精简探头结构，以使其能安装于空间狭小的结构中以完成测量任务。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种同面共享电极型差动压力传感探头及其研制方法。所述的同面共享电极型差动压力传感探头包括电极层、压阻材料层和高分子层。电极层由覆合有三条相互平行的金属电极的绝缘薄膜构成；高分子层由聚二甲基硅氧烷构成；压阻材料层包括负压阻系数敏感膜和正压阻系数敏感膜；负压阻系数敏感膜由横跨在第一条边缘电极和中间电极之间的高碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料构成，正压阻系数敏感膜由横跨在第二条边缘电极和中间电极之间的低碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料构成。
所述的同面共享电极型差动压力传感探头的研制方法包括以下步骤：
在绝缘薄膜上覆合三条相互平行且宽度均为1毫米的金属电极作为电极层，第一条边缘电极和中间电极之间的垂直距离为5.26厘米、中间电极和第二条边缘电极之间的垂直距离为0.68厘米；将电极层置于旋转平台上备用，并确保覆合有三条电极的一侧向上；
将平均长度为10微米和平均直径为15纳米的碳纳米管和聚二甲基硅氧烷按0.11∶1的质量比混合，利用机械搅拌和超声振荡使碳纳米管在由聚二甲基硅氧烷和有机溶剂构成的混合溶液中分散，待有机溶剂挥发后，形成高碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料；将高碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料滴入固定于旋转平台上的电极层的第一条边缘电极和中间电极所围成的区域；把高碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料旋涂成所需厚度；去除溢出在第一条边缘电极和中间电极所围成的区域之外的高碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料，使高碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料成为横跨在第一条边缘电极和中间电极之间的宽度为0.38厘米的矩形薄膜，进而完成压阻材料层的负压阻系数敏感膜的制备；
将平均长度为10微米和平均直径为15纳米的碳纳米管和聚二甲基硅氧烷按0.05∶1的质量比混合，利用机械搅拌和超声振荡使碳纳米管在由聚二甲基硅氧烷和有机溶剂构成的混合溶液中分散，待有机溶剂挥发后，形成低碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料；将低碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料滴入固定于旋转平台上的电极层的中间电极和第二条边缘电极所围成的区域；把低碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料旋涂成所需厚度；去除溢出在中间电极和第二条边缘电极所围成的区域之外的低碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料，使低碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料成为横跨在中间电极和第二条边缘电极之间的宽度为3.21厘米的矩形薄膜，进而完成压阻材料层的正压阻系数敏感膜的制备；
将由压阻材料层和电极层所组成的双层结构放置于程控升降台的固定平台上备用，并确保覆合有负压阻系数敏感膜和正压阻系数敏感膜的一侧向上；将交联剂和聚二甲基硅氧烷按一定比例混合制备为绝缘高分子材料；将绝缘高分子材料涂覆在程控升降台的固定平台上的由压阻材料层和电极层所组成的双层结构上，通过微机控制固定于程控升降台可动平台上的光滑刚性平板向下移动，将绝缘高分子材料挤压为所需厚度；去除溢出在由压阻材料层和电极层所组成的双层结构之外的绝缘高分子材料，剩余的绝缘高分子材料即为高分子层，进而完成同面共享电极型差动压力传感探头的制备。
本发明的特点及效果：
利用本发明的方法制备的同面共享电极型差动压力传感探头，其所包括的负压阻系数敏感膜和正压阻系数敏感膜的碳纳米管含量是通过大量实验和分析得到的，可确保负压阻系数敏感膜和正压阻系数敏感膜的电阻随压力的变化趋势相反、且随温度的变化趋势相同；负压阻系数敏感膜和正压阻系数敏感膜的尺寸也是通过理论分析和实验验证得到的，可确保负压阻系数敏感膜和正压阻系数敏感膜的初始电阻接近相等，进而保证良好的电桥特性。因此，负压阻系数敏感膜和正压阻系数敏感膜可作位电桥相邻桥臂来实现温度漂移的降低和灵敏度的提高。与传统的三明治探头相比，利用本发明提出的方法研制的同面共享电极型差动压力传感探头把所有电极设计在同一平面且中间电极由负压阻系数敏感膜和正压阻系数敏感膜共享，不但减少了电极数量、还节省了一个电极层，因此，有利于安装在狭小空间，适用于电子皮肤研制或国防设备狭小曲面层间压力测量等领域。
附图说明
图1为电极层的俯视图。
图2为由负压阻系数敏感膜、正压阻系数敏感膜和电极层构成的双层结构的剖面图。
图1-图2中，a代表电极层的绝缘膜；b代表覆合在电极层的绝缘膜上的第一条边缘电极；c代表覆合在电极层的绝缘膜上的中间电极；d代表覆合在电极层的绝缘膜上的第二条边缘电极；e代表覆合在电极层的绝缘膜上的负压阻系数敏感膜；f代表覆合在电极层的绝缘膜上的正压阻系数敏感膜。
具体实施方式
如图1所示，在绝缘薄膜上a覆合三条相互平行且宽度均为1毫米的金属电极作为电极层，第一条边缘电极b和中间电极c之间的垂直距离为5.26厘米、中间电极c和第二条边缘电极d之间的垂直距离为0.68厘米；将电极层置于旋转平台上备用，并确保覆合有三条电极的一侧向上；
将平均长度为10微米和平均直径为15纳米的碳纳米管和聚二甲基硅氧烷按0.11∶1的质量比混合，利用机械搅拌和超声振荡使碳纳米管在由聚二甲基硅氧烷和有机溶剂构成的混合溶液中分散，待有机溶剂挥发后，形成高碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料；将高碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料滴入固定于旋转平台上的电极层的第一条边缘电极b和中间电极c所围成的区域；把高碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料旋涂成所需厚度；去除溢出在第一条边缘电极b和中间电极c所围成的区域之外的高碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料，使高碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料成为横跨在第一条边缘电极和中间电极之间的宽度为0.38厘米的矩形薄膜e，进而完成压阻材料层的负压阻系数敏感膜e的制备，如图2所示；
将平均长度为10微米和平均直径为15纳米的碳纳米管和聚二甲基硅氧烷按0.05∶1的质量比混合，利用机械搅拌和超声振荡使碳纳米管在由聚二甲基硅氧烷和有机溶剂构成的混合溶液中分散，待有机溶剂挥发后，形成低碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料；将低碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料滴入固定于旋转平台上的电极层的中间电极c和第二条边缘电极d所围成的区域；把低碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料旋涂成所需厚度；去除溢出在中间电极c和第二条边缘电极d所围成的区域之外的低碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料，使低碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料成为横跨在中间电极c和第二条边缘电极d之间的宽度为3.21厘米的矩形薄膜f，进而完成压阻材料层的正压阻系数敏感膜f的制备，如图2所示；
将由压阻材料层和电极层所组成的双层结构放置于程控升降台的固定平台上备用，并确保覆合有负压阻系数敏感膜e和正压阻系数敏感膜f的一侧向上；将交联剂和聚二甲基硅氧烷按一定比例混合制备为绝缘高分子材料；将绝缘高分子材料涂覆在程控升降台的固定平台上的由压阻材料层和电极层所组成的双层结构上，通过微机控制固定于程控升降台可动平台上的光滑刚性平板向下移动，将绝缘高分子材料挤压为所需厚度；去除溢出在由压阻材料层和电极层所组成的双层结构之外的绝缘高分子材料，剩余的绝缘高分子材料即为高分子层，进而完成同面共享电极型差动压力传感探头的制备。
实施例
在聚酰亚胺薄膜上覆合三条相互平行且宽度均为1毫米的铜电极作为电极层，第一条边缘电极和中间电极之间的垂直距离为5.26厘米、中间电极和第二条边缘电极之间的垂直距离为0.68厘米；将电极层置于旋转平台上备用，并确保覆合有三条电极的一侧向上；
将平均长度为10微米和平均直径为15纳米的碳纳米管和聚二甲基硅氧烷按0.11∶1的质量比混合，利用机械搅拌和超声振荡使碳纳米管在由聚二甲基硅氧烷和正己烷构成的混合溶液中分散，待正己烷挥发后，形成高碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料；将高碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料滴入固定于旋转平台上的电极层的第一条边缘电极和中间电极所围成的区域；把高碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料旋涂成70微米厚的薄膜；去除溢出在第一条边缘电极和中间电极所围成的区域之外的高碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料，使高碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料成为横跨在第一条边缘电极和中间电极之间的宽度为0.38厘米的矩形薄膜，进而完成压阻材料层的负压阻系数敏感膜的制备；
将平均长度为10微米和平均直径为15纳米的碳纳米管和聚二甲基硅氧烷按0.05∶1的质量比混合，利用机械搅拌和超声振荡使碳纳米管在由聚二甲基硅氧烷和正己烷构成的混合溶液中分散，待正己烷挥发后，形成低碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料；将低碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料滴入固定于旋转平台上的电极层的中间电极和第二条边缘电极所围成的区域；把低碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料旋涂成70微米厚的薄膜；去除溢出在中间电极和第二条边缘电极所围成的区域之外的低碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料，使低碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料成为横跨在中间电极和第二条边缘电极之间的宽度为3.21厘米的矩形薄膜，进而完成压阻材料层的正压阻系数敏感膜的制备；
将由压阻材料层和电极层所组成的双层结构放置于程控升降台的固定平台上备用，并确保覆合有负压阻系数敏感膜和正压阻系数敏感膜的一侧向上；将正硅酸乙酯和聚二甲基硅氧烷按1∶100的体积比混合制备为绝缘高分子材料；将绝缘高分子材料涂覆在程控升降台的固定平台上的由压阻材料层和电极层所组成的双层结构上，通过微机控制固定于程控升降台可动平台上的光滑刚性平板向下移动，将绝缘高分子材料挤压为40微米厚的薄膜；去除溢出在由压阻材料层和电极层所组成的双层结构之外的绝缘高分子材料，剩余的绝缘高分子材料即为高分子层，进而完成同面共享电极型差动压力传感探头的制备。

Claims (1)

1.一种同面共享电极型差动压力传感探头的研制方法，其特征在于，该方法包括以下步骤：
在绝缘薄膜上覆合三条相互平行且宽度均为1毫米的金属电极作为电极层，第一条边缘电极和中间电极之间的垂直距离为5.26厘米、中间电极和第二条边缘电极之间的垂直距离为0.68厘米；将电极层置于旋转平台上备用，并确保覆合有三条电极的一侧向上；
将平均长度为10微米和平均直径为15纳米的碳纳米管和聚二甲基硅氧烷按0.11∶1的质量比混合，利用机械搅拌和超声振荡使碳纳米管在由聚二甲基硅氧烷和有机溶剂构成的混合溶液中分散，待有机溶剂挥发后，形成高碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料；将高碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料滴入固定于旋转平台上的电极层的第一条边缘电极和中间电极所围成的区域；把高碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料旋涂成所需厚度；去除溢出在第一条边缘电极和中间电极所围成的区域之外的高碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料，使高碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料成为横跨在第一条边缘电极和中间电极之间的宽度为0.38厘米的矩形薄膜，进而完成压阻材料层的负压阻系数敏感膜的制备；
将平均长度为10微米和平均直径为15纳米的碳纳米管和聚二甲基硅氧烷按0.05∶1的质量比混合，利用机械搅拌和超声振荡使碳纳米管在由聚二甲基硅氧烷和有机溶剂构成的混合溶液中分散，待有机溶剂挥发后，形成低碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料；将低碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料滴入固定于旋转平台上的电极层的中间电极和第二条边缘电极所围成的区域；把低碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料旋涂成所需厚度；去除溢出在中间电极和第二条边缘电极所围成的区域之外的低碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料，使低碳纳米管含量的碳纳米管填充聚二甲基硅氧烷复合材料成为横跨在中间电极和第二条边缘电极之间的宽度为3.21厘米的矩形薄膜，进而完成压阻材料层的正压阻系数敏感膜的制备；
将由压阻材料层和电极层所组成的双层结构放置于程控升降台的固定平台上备用，并确保覆合有负压阻系数敏感膜和正压阻系数敏感膜的一侧向上；将交联剂和聚二甲基硅氧烷按一定比例混合制备为绝缘高分子材料；将绝缘高分子材料涂覆在程控升降台的固定平台上的由压阻材料层和电极层所组成的双层结构上，通过微机控制固定于程控升降台可动平台上的光滑刚性平板向下移动，将绝缘高分子材料挤压为所需厚度；去除溢出在由压阻材料层和电极层所组成的双层结构之外的绝缘高分子材料，剩余的绝缘高分子材料即为高分子层，进而完成同面共享电极型差动压力传感探头的制备。
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