CN109959476A - 一种吸盘式压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种吸盘式压力传感器及其制备方法，所述传感器包括外框、吸盘、电极材料和压敏材料；所述的外框底面开有凹槽，吸盘包括固连为一体的吸盘柄部和盘身，吸盘柄部插入外框底面凹槽内，吸盘柄部中空与盘身所围空间连通，电极材料附着于压敏材料两侧整体设置于吸盘柄部中空内，电极材料从吸盘柄部引出至外框外。所述的压敏材料是由弹性基体、导电相复合通过化学发泡制得，压敏材料的孔径为100‑800μm，其压敏区间为0～12kPa，结合吸盘产生的压强，测量的应变区间可以达到0％‑90％，弹性形变区间电阻灵敏度达600Pa^‑1，本发明的传感器可应用于人体脉搏的测量和其他具有微小压力或微小形变的场所，有着巨大的潜力和优势。

Description

一种吸盘式压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于传感器领域，涉及一种吸盘式压力传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，人们生活水平不断提高和社会发展的速度越来越快，对生活的品质的要求也越来越高，逐渐向着智能化自动化发展，越来越关注人体的健康。而轻便可穿戴的各式传感器使人们能随时随地监测人体的各项健康数据，比如血压，脉搏等，这样身体的异样能够更早地被发现并能及时治疗挽救生命。现有技术中很多应用于脉搏的测量，即为脉搏计等电子设备。所谓脉搏计，用于检测源于人体的心跳的波动的装置，是基于来自安装于例如前臂、手掌、手指等的脉波传感器的信号而检测源于心跳的信号的装置。

对于的一般的测量脉搏脉波传感器的压力传感器或光电传感器。光电传感器通过检测对生物体进行照射的光的反射光或者透过光的方法测量脉博。但是这两种传感器测得的振幅都会随着按压不同而不同，由于过大的按压或过小的按压都会导致脉波信号的下降，因此精度良好的脉波信号的处理，需要设定适当的按压。而光电传感器无法准确的完成对脉波压力的测量，一些压力传感器就会存在器件笨重，需要靠外力对其加压才能测量。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术的不足，提供一种吸盘式压力传感器。

本发明的一种吸盘式压力传感器，所述传感器包括外框、吸盘、电极材料和压敏材料；所述的外框底面开有凹槽，吸盘包括固连为一体的吸盘柄部和盘身，吸盘柄部插入外框底面凹槽内，吸盘柄部中空与盘身所围空间连通，电极材料附着于压敏材料两侧整体设置于吸盘柄部中空内，电极材料从吸盘柄部引出至外框外。

所述的压敏材料为电导率大于0.01S/cm且杨氏模量不超过2.5MPa的材料。

所述的压敏材料是由弹性基体、导电相复合通过化学发泡制得，采用米酒和淀粉作为发泡剂，具体方法是：将米酒和淀粉均匀混合得到共混混合物，之后加入弹性基体和导电相，搅拌后固化。

所述的吸盘采用杨氏模量不高于2.5MPa的硅胶材料。

所述的电极材料选自金、铜、铂、银、碳纳米管的一种或多种。

上述的吸盘式压敏传感器的制备方法，包括如下步骤：

a.使用3D打印技术将外框打印出来、并打印吸盘模具；

b.采用PDMS、Ecoflex或二者的混合溶液，浇筑到获得的吸盘模具后放入真空干燥箱100℃加热20min固化成型脱模即可得到吸盘，将吸盘装入外框，并用密封胶胶缝连接处；

c.称取米酒以及淀粉于容器中，加水溶解，以2000r/min转速混匀至少10s；再称取乙炔黑、ecoflex加入其中，加入乙醇防止混合物成团，再将混合物以3000r/min速度混匀至少10s，获得浆料；取出混匀好的浆料，倒入下凹形玻璃模具，放入真空干燥箱，在真空环境下保持10min对浆料除气泡，取出后利用玻璃板将浆料表面刮平，减少不规则凸起，之后放入加热板，90度加热1h，之后将温度升至110度，继续加热3h，获得压敏材料；

d.将导电材料制备成薄片，贴置于压敏材料两侧，整体置于吸盘内并将导电材料连接引线穿出外框。

本发明的吸盘式压力传感器中外框为传感器支撑部份，用于固定吸盘和压敏材料；吸盘为传感器与外界相连的部份，通过吸盘造成的真空吸附于外界物体如人体等表面；当吸盘与物体接触后将盘身中的空气排出，从而使盘体产生真空度，而吸盘产生的压力可以对压敏材料与被测物体产生一个基本固定的预载力，使压敏材料与物体充分接触，可以充分的感受物体微小的震动或形变，使信噪比增大，可以更好的进行数据处理，且使用过程中不需要加载外力。采用本发明方法制得的压敏材料孔径为100-800μm，电导率大于0.01S/cm，其压敏区间为0～12000Pa，结合吸盘产生的压强，测量的应变区间可以达到0％-90％，弹性形变区间电阻灵敏度达600Pa^-1，可用于测量脉搏等微小形变。

与现有技术相比，本发明具有的突破体现在如下三方面：

1)该传感器为压阻传感器，既可以测量静态形变又可以测量动态形变，是光电传感器不能达到的。

2)所带吸盘可为传感器提供预载，不需要外力的情况下即可吸附人体等较光滑表面，方便使用。

3)传感器灵敏度很高，应变范围高，吸盘所施加压力可随具体情况通过设计而改变应用范围广泛。

附图说明

图1为吸盘式压阻传感器的示意图；

图2为吸盘式压阻传感器的外框的一种结构的三视图；

图3为制备吸盘所用模具的一种结构示意三视图，由模具1和模具2共同使用制备吸盘；

图4是制备吸盘所采用的模具结构；

图5为基于0.05g淀粉制备米酒发泡的压阻传感器的应力应变，比电流-应变曲线图；

图6为基于0.1g淀粉制备米酒发泡的压阻传感器的应力应变，比电流-应变曲线图；

图7为基于0.15g淀粉制备米酒发泡的压阻传感器的应力应变，比电流-应变曲线图；

图8为基于0.2g淀粉制备米酒发泡的压阻传感器的应力应变，比电流-应变曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步的说明。

Ecoflex是由美国Smooth-on公司生产的具有弹性的硅橡胶，其是由A、B两种组分按等比例混合制得，即ecoflex-A与ecoflex-B。

实施例1

a.使用3D打印技术将外框按照设计(如图2为一种具体结构)打印出来，其边长为15mm，材质为ABS，预留出两个孔，为正负极引线的出口；按照设计(如图3所示为一种具体的模具结构，也可按需求自行设计)3D打印出吸盘的模具；

b.配制PDMS、Ecoflex混合溶液，质量比例为3：8，浇筑到吸盘模具后放入真空干燥箱100℃加热20min固化成型即可得到吸盘部份，其杨氏模量为565kPa，盘身半径为12.5mm，吸盘柄部插入外框底面凹槽用密封胶胶封；

c.制备压敏材料

1)称取1g孝感米酒，以及0.05g淀粉于塑料容器中，加入2ml水溶解，利用speedmixer高速混匀机对上述混合物以2000r/min转速混匀10s。

2)加入0.6g乙炔黑、3g ecoflex-A、3g ecoflex-B，并加入1ml乙醇防止混合物成团，再将混合物利用speedmixer以3000r/min速度混匀10s。

3)取出混匀好的浆料，倒入2cm×2cm×6mm下凹形玻璃模具。

4)将存有浆料的玻璃模具放入真空干燥箱，在真空环境下对浆料除气泡，保持10min，取出浆料。

5)利用玻璃板将浆料表面刮平，减少不规则凸起，将玻璃模具放入加热板，设置90度加热1h，之后将温度升至110度，继续加热3h，获得厚度为6mm感应层样品。将其裁剪为2.5x2.5mm的方形材料，其形变区间的性能如图5所示。

d.将铜导电材料制备成薄片，使薄片成外框形状，分别将薄片置于压敏材料上下，将其与压敏材料置入吸盘柄部中空内，并将正负极引线与电极材料连接引出，再用密封胶将预留孔密封。即可获得吸盘式压敏传感器。

实施例2：

a.使用3D打印技术将外框按照设计打印出来，其边长为5mm，材质为ABS等，预留出两个孔，为正负极的出口；按照设计3D打印出吸盘的模具；

b.配制PDMS和Ecoflex溶液，其质量比为1：3.5，浇筑到吸盘模具后放入真空干燥箱100℃加热20min固化成型即可得到吸盘部份，其盘身半径为10mm，测得其杨氏模量650KPa，吸盘柄部插入外框底面凹槽用密封胶胶封；

c.制备压敏材料

1)称取1g孝感米酒，以及0.15g淀粉于塑料容器中，加入2ml水溶解，利用speedmixer高速混匀机对上述混合物以2000r/min转速混匀10s。

2)称取0.6g乙炔黑、3g ecoflex-A、3g ecoflex-B，并加入1ml乙醇防止混合物成团，再将混合物利用speedmixer以3000r/min速度混匀10s。

3)取出混匀好的浆料，倒入2cm×2cm×6mm下凹形玻璃模具。

4)将存有浆料的玻璃模具放入真空干燥箱，在真空环境下对浆料除气泡，保持10min，取出浆料。

5)利用玻璃板将浆料表面刮平，减少不规则凸起，将玻璃模具放入加热板，设置90度加热1h，之后将温度升至110度，继续加热3h，获得感应层样品。将其裁剪为5x5mm的方形材料，其形变区间的性能如图6所示。

d.将铜导电材料制备成薄片，使薄片成外框形状，分别将薄片置于压敏材料上下，将其与压敏材料置入吸盘柄部中空内，并将正负极引线与电极材料连接引出，再用密封胶将预留孔密封。再用密封胶将其密封。即可获得吸盘式压敏传感器。

实施例3：

a.使用3D打印技术将外框按照设计打印出来，其边长为15mm，材质为ABS等，预留出两个孔，为正负极的出口；按照设计3D打印出吸盘的模具；

b.配制PDMS、Ecoflex混合溶液，质量比为1：2，浇筑到模具后放入真空干燥箱100℃加热20min固化成型即可得到吸盘部份，杨氏模量为1MPa其盘身半径为12.5mm；将吸盘柄部插入外框底面凹槽用密封胶胶封；

c.制备压敏材料

1)称取1g孝感米酒，以及0.05g淀粉于塑料容器中，加入2ml水溶解，利用speedmixer高速混匀机对上述混合物以2000r/min转速混匀10s。

2)称取0.6g乙炔黑、3g ecoflex-A、3g ecoflex-B，并加入1ml乙醇防止混合物成团，再将混合物利用speedmixer以3000r/min速度混匀10s。

3)取出混匀好的浆料，倒入2cm×2cm×6mm下凹形玻璃模具。

4)将存有浆料的玻璃模具放入真空干燥箱，在真空环境下对浆料除气泡，保持10min，取出浆料。

5)利用玻璃板将浆料表面刮平，减少不规则凸起，将玻璃模具放入加热板，设置90度加热1h，之后将温度升至110度，继续加热3h，获得厚度为6mm感应层样品。将其裁剪为15x15mm的方形材料，其形变区间的性能如图7所示。

d.将铜导电材料制备成两薄片，将薄片分别置于压敏材料上下，将其与压敏材料置入吸盘柄部中空内，并将正负极引线与电极材料连接引出，再用密封胶将预留孔密封。即可获得吸盘式压敏传感器。

实施例4：

a.使用3D打印技术将外框按照设计打印出来，其边长为10mm，材质为ABS等，预留出两个孔，为正负极的出口；按照设计3D打印出吸盘的模具；

b.配制PDMS、Ecoflex混合溶液，质量比为1：4，浇筑到模具后放入真空干燥箱100℃加热20min固化成型即可得到吸盘部份，杨氏模量为500KPa，其盘身半径为10mm，将吸盘柄部插入外框底面凹槽用密封胶胶封；

c.制备压敏材料

1)称取1g孝感米酒，以及0.2g淀粉于塑料容器中，加入2ml水溶解，利用speedmixer高速混匀机对上述混合物以2000r/min转速混匀10s。

2)称取0.6g乙炔黑、3g ecoflex-A、3g ecoflex-B，并加入1ml乙醇防止混合物成团，再将混合物利用speedmixer以3000r/min速度混匀10s。

3)取出混匀好的浆料，倒入2cm×2cm×6mm下凹形玻璃模具。

4)将存有浆料的玻璃模具放入真空干燥箱，在真空环境下对浆料除气泡，保持10min，取出浆料。

5)利用玻璃板将浆料表面刮平，减少不规则凸起，将玻璃模具放入加热板，设置90度加热1h，之后将温度升至110度，继续加热3h，获得压敏材料。将其裁剪为6x6mm的方形材料，其形变区间的性能如图8所示。

d将铜导电材料制备成两薄片，将薄片分别置于压敏材料上下，将其与压敏材料置入吸盘柄部中空内，并将正负极引线与电极材料连接引出，再用密封胶将预留孔密封。即可获得吸盘式压敏传感器。

本发明结构中吸盘为杨氏模量较低(通常不高于2.5MPa)的材料(包括但不限于PDMS、Ecoflex等常用材料)，其盘身的厚度通常为1～2mm，通过调节吸盘直径D与外框边长d的平方比，以及吸盘的杨氏模量E就可以调控吸盘产生不同的压强，其范围500Pa-50KPa，当吸盘盘身厚度为1mm时，其产生的压强可采用如下经验公式获得：

E为杨氏模量，atm为一个标准大气压，D为吸盘直径，d为外框边长；

本发明的传感器结合特殊的压敏材料及吸盘结构的优势，测量的应变区间可以达到0％-90％，弹性形变区间电阻灵敏度达600Pa^-1，可用于测量脉搏等微小形变。

Claims (6)

1.一种吸盘式压力传感器，其特征在于，所述传感器包括外框(1)、吸盘(2)、电极材料(3)和压敏材料(4)；所述的外框(1)底面上开有凹槽，吸盘(2)包括固连为一体的吸盘柄部和盘身，吸盘柄部插入外框底面凹槽内，吸盘柄部中空与盘身所围空间连通，电极材料附着于压敏材料两侧整体设置于吸盘柄部中空内，电极材料从吸盘柄部引出至外框外。

2.根据权利要求1所述的吸盘式压力传感器，其特征在于，所述的压敏材料为电导率大于0.01S/cm且杨氏模量不超过2.5MPa的材料。

3.根据权利要求2所述的吸盘式压力传感器，其特征在于，所述的压敏材料为由弹性基体、导电相复合通过化学发泡制得，采用米酒和淀粉作为发泡剂，具体方法是：将米酒和淀粉均匀混合得到共混混合物，之后加入弹性基体和导电相，搅拌后固化。

4.根据权利要求1所述的吸盘式压力传感器，其特征在于，所述的吸盘采用杨氏模量不高于2.5MPa的硅胶材料。

5.根据权利要求1所述的吸盘式压力传感器，其特征在于，所述的电极材料选自金、铜、铂、银、碳纳米管的一种或多种。

6.如权利要求1-5任一项所述的吸盘式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

a.使用3D打印技术将外框打印出来、并打印吸盘模具；

b.采用PDMS、Ecoflex或二者的混合溶液，浇筑到获得的吸盘模具后放入真空干燥箱100℃加热20min固化成型脱模即可得到吸盘，将吸盘装入外框，并用密封胶胶缝连接处；

c.称取米酒以及淀粉于容器中，加水溶解，以2000r/min转速混匀至少10s；再称取乙炔黑、ecoflex加入其中，加入乙醇防止混合物成团，再将混合物以3000r/min速度混匀至少10s，获得浆料；取出混匀好的浆料，倒入下凹形玻璃模具，放入真空干燥箱，在真空环境下保持10min对浆料除气泡，取出后利用玻璃板将浆料表面刮平，减少不规则凸起，之后放入加热板，90度加热1h，之后将温度升至110度，继续加热3h，获得压敏材料；

d.将导电材料制备成薄片，贴置于压敏材料两侧，整体置于吸盘内并将导电材料连接引线穿出外框。