CN108801537B - 一种微压力值传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种微压力值传感器及其制备方，其技术方案要点是：包括接线板，包括接线板，所述接线板上设有被按压后能改变电阻值的压力感应件，所述压力感应件内部包覆有弹性回复机构，所述压力感应件的开口端与接线板一体成型。本发明的一种微压力值传感器，能够精确感应微电阻值变化，且能够多次重复验证，数据重现性好。

Description

一种微压力值传感器及其制备方法

【技术领域】

本发明属于微压力感测技术领域，具体涉及一种微压力值传感器及其制备方法。

【背景技术】

目前市面上的压力感测装置，多采用膜层结构，是在一基板上特别制作一压力感应层或者需要特别布设压力感应电极，再通过一光学胶贴合另一元件来形成压力感测装置，感应电阻值范围过大，一般为0～10K欧，数据变异较大，重现性不好，且使用中不能弯折变形，要求受力方向单一，受压时需要求受力面积需超过传感器受力面一定比例，否则因受力面积大小会影响感应数据准确度，环境适应性差，产品制作过程过于复杂，制备成本较高。

【发明内容】

本发明的目的是克服现有技术的不足，提供一种微压力值传感器，能够精确感应微电阻值变化，且能够多次重复验证，数据重现性好。

本发明还提供一种微压力值传感器的制备方法。

本发明技术方案如下：

一种微压力值传感器，包括接线板，所述接线板上设有被按压后能改变电阻值的压力感应件，所述压力感应件内部包覆有弹性回复机构，所述压力感应件的开口端与接线板一体成型。

优选的，所述压力感应件外侧设有多个用于增加灵敏度的触点凸起，所述触点凸起沿所述压力感应机构外侧均匀分布。

优选的，当所述压力感应件被按压后形变范围为0～3mm时，其电阻值变化范围为0～100欧姆。

优选的，所述压力感应件的主要组分为硅胶与纳米导电材料，所述纳米导电材料为纳米碳黑或纳米银粉。

优选的，所述弹性回复机构高弹性有机材料或弹性金属件。

优选的，所述纳米碳黑为采用石墨电极电弧放电生成的石墨烯，所述石墨烯为双层或四层石墨烯。

一种微压力值传感器的制备方法，包括如下步骤：

1)、混合：将橡胶颗粒与纳米导电材料粉末混合，并进行搅拌，在模具中加压加热，之后成型，成型压力为45～60kg/cm2，成型温度为145～165℃；

2)、硫化：在所述模具内，保持成型压力为45～60kg/cm2，成型温度为120～130℃的状态10～30分钟使其硫化，即制得半成品；

3)、加热：将硫化所得半成品在200℃条件烘烤1H，后冷却至室温；

4)、清洗：将加热烘烤后的半成品，利用碱性溶液清洗，获得微压力值传感器。

优选的，所述橡胶颗粒包括如下百分比组分

优选的，所述碱性溶液为NaCl或草酸钠，其溶液浓度≥0.2mol/L。

本发明相对于现有技术，有以下优点：

本发明公开了一种微压力值传感器，压力感应件具有随按压形变而改变电阻值输出的特性，利用这一性质，与一体化成型接线板构成微电信号回路，能够对微压力进行精确感应获取，压力感应件内部与其一体成型设置弹性回复机构，辅助其多次压缩形变回复，满足多次重复使用，相对现有的微压力精确感应器，精度更高价格更低廉；与现有市售传感器相比，本发明的压力感测装置采用一种压力感应胶层对触压力度进行检测，该压力感应胶层为一种新式压阻材料，包括光学胶和置入其内的纳米导电材料，使其同时具有粘贴特性和触压力度感测特性，且能够承受任意弯折形变，而不影响数据准确性，相比环境适应性更强，所以在将压力感应胶层使用在压力感测装置上的时候，可直接作为压力感应电极用来感测形变及电阻值，不受传感器受力面积约束，特别是微压范围内0～10N作用力范围，对应在0～100欧姆阻值范围变化的，产品可保证在小于500欧姆范围内，量测精度可以达到±1欧姆，精度高，重现性好，环境适应性好，特别适合医疗评测、将康理疗等设备使用；

本发明的一种微压力值传感器制备方法，工艺简便，能够实现规模化大批量生产，品质稳定。

【附图说明】

图1：本发明立体示意图；

图2：本发明立体示意图；

图3：本发明剖面示意图；

图4：本发明传感器阻抗测试曲线；

图5：市售传感器阻值变化曲线；

图6：本发明传感器阻值变化曲线。

【具体实施方式】

如图1-3所示的一种微压力值传感器，包括接线板1，所述接线板1上设有被按压后能改变电阻值的压力感应件2，所述压力感应件2内部包覆有弹性回复机构3，所述压力感应件2的开口端与接线板1一体成型。压力感应件具有随按压形变而改变电阻值输出的特性，利用这一性质，与一体化成型接线板构成微电信号回路，能够对微压力进行精确感应获取，压力感应件内部与其一体成型设置弹性回复机构，辅助其多次压缩形变回复，满足多次重复使用，相对现有的微压力精确感应器，精度更高价格更低廉。

所述压力感应件2外侧设有多个用于增加灵敏度的触点凸起，所述触点凸起沿所述压力感应机构2外侧均匀分布。压力感应件为圆柱结构，圆柱形的一端与接线板连接，圆柱形的另一端具有圆滑的外边缘，便于接触按压具有舒适的体感，不会感觉生硬，压力感应件上与接线板连接的一侧设置至少一个触点凸起，优选的设置4个，沿压力感应件的圆柱形端面均布设置，即使有1个触点凸起受力，也会有数据回馈。

当所述压力感应件2被按压后形变范围为0～3mm时，其电阻值变化范围为0～12欧姆。现有压力感应胶或膜，其压感电阻范围介于0～300欧姆甚至更大，信号区间过大，且量测时数据跳跃大，参考性较差，在应用于一些微压力感应时，难以适用，不能获取有效数据，而本方案能够在较小区间的伸缩范围，如0～3mm内，获取到0～12欧姆的信号回馈，且精度达到误差小于1欧姆，特别是在医疗领域，如足底受力感应、脑部检测、肢体检测等方面，取得较现有检测的方式更精确的数据，且数据的重现性更高，受测个体的观感更加舒适。

所述压力感应件2的主要组分为硅胶与纳米导电材料，所述纳米导电材料为纳米碳黑、碳纳米管、纳米银粉、铝镀银粉。本申请选用的纳米银粉直径为10～18um，且在混合前需使用70％的盐酸或硝酸进行浸泡清洗，并通过负压抽干，可以去除银粉表面的氧化层，使混合后压力感应件中的纳米导电材料保持较好的导电性。

所述弹性回复机构3高弹性有机材料或弹性金属件。弹性回复机构可以是弹簧，也可以是具有高弹性回复力的有机材料，压力感应件的厚度约为2-3mm。

所述纳米碳黑为采用石墨电极电弧放电生成的石墨烯，所述石墨烯为双层或四层石墨烯。石墨电极电弧放电生成石墨烯，相对价格低廉，控制条件可生成双层或四层石墨烯，其中的每个碳原子都贡献出一个未成键的电子，电子呈锥形分布，这些电子可以在晶体中自由移动，赋予材料非常好的导电性，而双层石墨烯同样是零隙半导体，其载流子迁移率可轻松达到106cm2/Vs级别，而四层石墨烯能够达到更高的速度，赋予材料在微电领域的可操作的实用性。

下面结合具体实施例1～6对本发明装置的一种微压力值传感器的制备方法作进一步描述：

实施例1～3：

1)、混合：将橡胶颗粒与纳米导电材料粉末混合，并进行搅拌，在模具中加压加热，之后成型，成型压力为45～52kg/cm2，成型温度为145～155℃；

2)、硫化：在所述模具内，保持成型压力为45～52kg/cm2，成型温度为120～128℃的状态10～22分钟使其硫化，即制得半成品；

3)、加热：将硫化所得半成品在200℃条件烘烤1H，后冷却至室温；

4)、清洗：将加热烘烤后的半成品，利用碱性溶液清洗，获得微压力值传感器。

实施例4～6：

一种微压力值传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)、混合：将橡胶颗粒与纳米导电材料粉末混合，并进行搅拌，在模具中加压加热，之后成型，成型压力为45～60kg/cm2，成型温度为145～165℃；

2)、硫化：在所述模具内，保持成型压力为45～60kg/cm2，成型温度为120～130℃的状态10～30分钟使其硫化，即制得半成品；

3)、加热：将硫化所得半成品在220℃条件烘烤1.5H，后冷却至室温；

4)、清洗：将加热烘烤后的半成品，利用碱性溶液清洗，获得微压力值传感器。

表1：实施例1～6中各组成材料组成

本方案的硅胶组分，选用独特的配方组分，固化剂的主要组分为磷酸二氢钠，催化剂为氧化锆，使得硅胶具有较好的分散性，能够很好的与纳米导电材料混合，减少了纳米导电材料的团聚，避免了压力感应件材料的局部电阻敏感或局部电阻迟缓，极大改善内部结构的各向异性，能够使材料形变与电阻值在微小范围呈线性变化关系，同时还保证材料具有较好的弹性，能够辅助压力感应件进行压缩回复，且多次重复后仍具有较好的弹性；

所述碱性溶液为NaCl或草酸钠，其溶液浓度≥0.2mol/L。NaCl或草酸钠的高浓度溶液呈碱性，能够将附着于微压力值感应获取装置上的油污或杂质与其本体予以分离，从而激发压力感应件的中纳米导电材料的活性，使其能够配合压力感应件进行灵敏感应，从而获取电阻值的微小变化量。

如图4所示，对本申请实施例1-6的微压力值传感器，任意选择一款分别进行100次、200次、300次的压感测试，并获取阻抗变化，经过上百次的测试，电阻与受力呈现稳定的线性关系，特别是在压力在10N以下时，三条曲线基本重合，证明本申请产品具有良好的分辨效果，特别是在微压条件下，具有良好的检出性。

图5为现有市售传感器阻值变化曲线，图6为本申请产品阻值变化曲线，相比市售的传感器，本申请产品没有突兀的变化拐点，曲线更加平滑，线性关系更加稳定，表征阻值与压力感应数据更加精确。

Claims (3)

1.一种微压力值传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

1)、混合：将硅胶颗粒与纳米导电材料粉末混合，并进行搅拌，在模具中加压加热，之后成型，成型压力为45～60kg/cm2，成型温度为145～165℃；

2)、硫化：在所述模具内，保持成型压力为45～60kg/cm2，成型温度为120～130℃的状态10～30分钟使其硫化，即制得半成品；

3)、加热：将硫化所得半成品在200～220℃条件烘烤1～1.5H，之后冷却至室温；

4)、清洗：将加热烘烤后的半成品，利用碱性溶液清洗，获得微压力值传感器；

所述微压力值传感器，包括接线板(1)，所述接线板(1)上设有被按压后能改变电阻值的压力感应件(2)，所述压力感应件(2)内部包覆有弹性回复机构(3)，所述压力感应件(2)的开口端与接线板(1)一体成型；

所述压力感应件(2)外侧设有多个用于增加灵敏度的触点凸起，所述触点凸起沿所述压力感应件(2)外侧均匀分布；当所述压力感应件(2)被按压后形变范围为0～3mm时，其电阻值变化范围为0～12欧姆；所述纳米导电材料粉末为纳米碳黑、碳纳米管、纳米银粉、铝镀银粉混合；

所述硅胶颗粒包括如下百分比组分：

2.根据权利要求1所述的一种微压力值传感器的制备方法，其特征在于：所述微压力值传感器的弹性回复机构(3)为高弹性有机材料或弹性金属件。

3.根据权利要求1所述的一种微压力值传感器的制备方法，其特征在于：所述纳米碳黑为采用石墨电极电弧放电生成的石墨烯，所述石墨烯为双层或四层石墨烯。