CN111713800B - 一种压力传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种压力传感器，包括两个电极层以及被夹持在两个所述电极层之间的感应层，所述感应层包括减压缓冲套和填充在所述减压缓冲套内的纳米碳材‑高分子发泡树脂材料，所述电极层抵顶在所述纳米碳材‑高分子发泡树脂材料上；本发明还提供了一种压力传感器的制作方法以及采用该压力传感器的鞋底或鞋垫。通过设置减压缓冲套，能够有效提升压力传感器所能够承受的压力值，使其能够承受整个人体的重力，进而可以应用于鞋底或鞋垫等产品中，极大提升其应用范围，同时，提升压力传感器受的压力值的提升，也能够提升压力检测范围，确保其具有相对较大的压力检测范围。

Description

一种压力传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种传感装置及其制作方法，尤其是一种压力传感器及其制作方法。
背景技术
随着可穿戴设备的发展，压力传感器在鞋服上的应用也越来越多，目前应用于鞋服的压力传感器通常为柔性压力传感器，现有的柔性压力传感器通常可以分为应变式、压阻式、柔性电容式和柔性压电式等几种类型，其中，应变式传感器主要是通过外力作用过程中结构体发生形变，使得电阻值变化，进而根据电阻的变化侦测外部作用力的大小，然而，常规的应变式压力传感器的压力检测范围通常相对较小，且常规的应变式压力传感器通常难以承受整个人体的重量，难以应用于鞋底或鞋垫等产品中，应用范围较为局限。
有鉴于此，本申请人对上述问题进行了深入的研究，遂有本案产生。
发明内容
本发明的目的在于提供一种压力检测范围相对较大且应用范围相对较广的压力传感器及其制作方法，同时还提供了一种应用该压力传感器的鞋底或鞋垫。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种压力传感器，包括两个电极层以及被夹持在两个所述电极层之间的感应层，所述感应层包括减压缓冲套和填充在所述减压缓冲套内的纳米碳材-高分子发泡树脂材料，所述电极层抵顶在所述纳米碳材-高分子发泡树脂材料上。
作为本发明的一种改进，所述纳米碳材-高分子发泡树脂材料中含有的高分子发泡树脂为聚氨酯或乙烯-醋酸乙烯共聚物，所述纳米碳材-高分子发泡树脂材料中含有的纳米碳管为活性炭、纳米碳管或石墨烯。
作为本发明的一种改进，所述电极层为金属电极层或碳浆电极层。
作为本发明的一种改进，所述减压缓冲套的材质为乙烯-醋酸乙烯共聚物、热塑性聚氨酯弹性体橡胶或聚乳酸。
一种压力传感器的制作方法，包括以下步骤：
S1、采用丝网印刷的方式在PU膜上制作获得电极，然后对所述电极进行烘烤，之后将所述电极粘贴在TPU基板或柔性金属基板上，获得电极层；
S2、采用化学发泡或者3D打印、押出或射出的方式制作获得减压缓冲套；
S3、采用化学发泡的方式制作获得纳米碳材-高分子发泡树脂材料；
S4、将所述纳米碳材-高分子发泡树脂材料裁切成块，使之与所述减压缓冲套的内孔相匹配，然后将被裁切成块的所述纳米碳材-高分子发泡树脂材料装入所述减压缓冲套，再将两个所述电极层分别粘贴在所述减压缓冲套的两端，并确保所述电极层与所述纳米碳材-高分子发泡树脂材料接触，形成压力传感器。
作为本发明的一种改进，在步骤S4中，将两个所述电极层分别粘贴在所述减压缓冲套的两端之后，还采用PU胶膜黏合所述电极层和所述减压缓冲套。
作为本发明的一种改进，在步骤S3中，所述纳米碳材-高分子发泡树脂材料的制作方法包括以下依次进行的步骤，
S3.1、将酸化纳米碳管倒入铁氟龙烧杯中；
S3.2、将分子量为数值A的聚乙二醇滴入所述铁氟龙烧杯中，再将分子量为数值B的聚乙二醇加入所述铁氟龙烧杯中，其中所述数值A小于所述数值B；
S3.3、对所述铁氟龙烧杯进行油浴处理，油浴温度为70-75℃，待分子量为数值B的聚乙二醇熔融后，慢速搅拌5-10分钟，待所述铁氟龙烧杯内的溶液变黑后再快速搅拌100分钟；
S3.4、将二月桂酸二丁基锡和硅油加入所述铁氟龙烧杯中，并快速搅拌100-120分钟；
S3.5、将去离子水加入所述铁氟龙烧杯中，并搅拌30-45分钟；
S3.6、停止对所述铁氟龙烧杯的油浴处理，再将聚合二苯甲烷二异氰酸酯加入所述铁氟龙烧杯中，并搅拌2-4秒；
S3.7、将所述铁氟龙烧杯内的溶液在室温下进行发泡获得发泡物质，再将所述发泡物质放置于55-65℃的环境下进行烘烤，获得纳米碳材-高分子发泡树脂材料。
作为本发明的一种改进，所述慢速搅拌的搅拌速度为150rpm,所述快速搅拌的搅拌速度为400rpm。
一种鞋垫或鞋底，该鞋垫或鞋底内嵌有上述的压力传感器。
采用上述技术方案，本发明具有以下有益效果：
通过设置减压缓冲套，能够有效提升压力传感器所能够承受的压力值，使其能够承受整个人体的重力，进而可以应用于鞋底或鞋垫等产品中，极大提升其应用范围，同时，提升压力传感器受的压力值的提升，也能够提升压力检测范围，确保其具有相对较大的压力检测范围。
附图说明
图1为本发明压力传感器的结构示意图；
图2为本发明压力传感器的分解结构示意图。
图中对应标示如下：
10-电极层； 20-感应层；
21-减压缓冲套； 22-纳米碳材-高分子发泡树脂材料。
具体实施方式
下面结合具体实施例对发明做进一步的说明：
如图1和图2所示，本实施例提供的一种压力传感器，包括两个电极层10以及被夹持在两个电极层10之间的感应层20，其中，感应层20包括减压缓冲套21和填充在减压缓冲套21内的纳米碳材-高分子发泡树脂材料22，各电极层10分别抵顶在纳米碳材-高分子发泡树脂材料22上，以便在使用时能够实现电连接。
电极层10为金属电极层或碳浆电极层，如引电极、碳浆电极、铜电极等；减压缓冲套21的材质为乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)或聚乳酸(PLA)等相关复合材料，当然也可以为其他高分子材料或高分子复合材料；纳米碳材-高分子发泡树脂材料22主要由高分子发泡树脂和纳米碳材所组成，其中，纳米碳材-高分子发泡树脂材料22中含有的高分子发泡树脂为聚氨酯或乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)等可化学发泡或物理发泡的高分子材料，纳米碳材-高分子发泡树脂材料22中含有的纳米碳管为活性炭、纳米碳管或石墨烯等碳材。
在本实施例中，减压缓冲套21呈圆筒状，实际使用时，减压缓冲套21也可以呈方筒状或具有三角形或异形等其他截面的筒状体。减压缓冲套21和纳米碳材-高分子发泡树脂材料22的厚度相同，在本实施例中以两者的厚度为8mm为例进行说明，但实际使用时并不限于此。
使用时，当压力施加于压力传感器之后，减压缓冲套21和纳米碳材-高分子发泡树脂材料22受压变形，使得纳米碳材-高分子发泡树脂材料22的电阻下降，进而根据电阻的变化侦测外部作用力的大小，由于加压缓冲套21的存在，需要受到相对较大的作用力才能使得米碳材-高分子发泡树脂材料22被压缩到极限厚度，有效提升了压力传感器的压力检测范围。
本实施例同时提供了一种压力传感器的制作方法，包括以下步骤：
S1、以银浆为原料，采用丝网印刷的方式在PU膜(聚氨酯膜)上制作获得电极，然后对电极进行烘烤，具体的，将电极放置于55-65℃的环境下烘烤一天，电极被放置在烘箱中进行烘烤，烘烤的温度为60℃；烘烤完成之后，将电极粘贴在TPU基板或柔性金属基板上，获得电极层；需要说明的是，也可以采用其他软性高分子材质代替上述TPU基板或柔性金属基板。
S2、采用化学发泡或者3D打印、押出或射出的方式制作获得减压缓冲套。减压缓冲套的具体制作工艺可以采用常规的工艺，但是需要确保所获得的减压缓冲套满足以下性能要求：1、在感应层20有阻抗变化的范围内，减压缓冲套的压缩变化不可以达到饱和值；2、在人体的重量范围压力下(该压力通常小于150Kg)，减压缓冲套的压缩变化不可以达到饱和值(即仍具有压缩变化)。
S3、采用化学发泡的方式制作获得纳米碳材-高分子发泡树脂材料；具体的，纳米碳材-高分子发泡树脂材料的制作方法包括以下依次进行的步骤，
S3.1、将酸化纳米碳管缓慢倒入铁氟龙烧杯中，倒入铁氟龙烧杯中的酸化纳米碳管的量为纳米碳材-高分子发泡树脂材料的0.616wt％,在本实施例中以130mg为例进行说明。
S3.2、将分子量为数值A的聚乙二醇滴入铁氟龙烧杯中，再将分子量为数值B的聚乙二醇加入铁氟龙烧杯中，其中数值A小于数值B，具体在本实施例中，将分子量为400(<1000g/mol.)的聚乙二醇(PEG)滴入铁氟龙烧杯中，最好滴在酸化纳米碳管上，以使得酸化纳米碳管不会因震动而扬起，在本实施例中，分子量为400的PEG的用量为5.2g；接着再将7.8g分子量为6000(1000<Mn<20000g/mol.)的PEG加入铁氟龙烧杯中。
S3.3、对铁氟龙烧杯进行油浴处理，油浴温度为70-75℃，待分子量为6000的PEG(即分子量为数值B的聚乙二醇)熔融后，慢速搅拌5-10分钟，待铁氟龙烧杯内的溶液变黑后再快速搅拌100分钟。需要说明的是，此处的慢速搅拌是相对于快速搅拌而言的，同样的，快速搅拌也是相对于慢速搅拌而言的，在本实施例中，慢速搅拌的搅拌速度为150rpm，快速搅拌的搅拌速度为400rpm。
优选的，搅拌时，先用搅拌机的搅拌叶片慢速搅拌铁氟龙烧杯内未与酸化纳米碳管混合的分子量为6000的PEG，使得搅拌叶片表面沾黏一层分子量为6000的PEG，再去搅拌铁氟龙烧杯内的有酸化纳米碳管的区域，随着铁氟龙烧杯内的溶液变黑再慢慢调高转速，在这个过程中，边搅拌边绕圈，确保铁氟龙烧杯底部的每个区域都有搅拌到，从而让酸化纳米碳管不聚集在同一区块。
S3.4、将0.0342g的二月桂酸二丁基锡(DBTDL)和0.39g的硅油加入铁氟龙烧杯中，并快速搅拌100-120分钟，在本实施例中，搅拌的时间为110分钟，需要说明的是，本步骤的快速搅拌也是相对于上一步骤中的慢速搅拌而言的，其搅拌速度与上一步骤中的快速搅拌的搅拌速度相同，此外，在本步骤中，铁氟龙烧杯始终属于油浴中。
S3.5、将0.234ml的去离子水加入铁氟龙烧杯中，并搅拌30-45分钟；其中，去离子水的R值(反应物中与预聚反应中所有基团的摩尔比的比值)为1，搅拌的速度为600-1000rpm，优选为800rpm。
S3.6、停止对铁氟龙烧杯的油浴处理，即将铁氟龙烧杯移出油浴，再将7.31592g的聚合二苯甲烷二异氰酸酯(PMDI)加入所述铁氟龙烧杯中，并搅拌2-4秒；在本实施例中，PMDI的分子量为360，异氰酸酯基占比为31.5％，搅拌时间为3秒，搅拌速度为1000rpm。
S3.7、将铁氟龙烧杯内的溶液在室温下进行发泡获得发泡物质，再将所获得的发泡物质放置于55-65℃的环境下进行烘烤，获得纳米碳材-高分子发泡树脂材料，具体的，发泡物质在烘箱中进行烘烤，烘烤温度为60℃。
S4、将发泡后形成的纳米碳材-高分子发泡树脂材料裁切成块，使之与减压缓冲套的内孔相匹配，然后将被裁切成块的纳米碳材-高分子发泡树脂材料装入减压缓冲套，再使用双面胶将两个电极层分别固定粘贴在减压缓冲套的两端，并确保电极层与纳米碳材-高分子发泡树脂材料接触，形成压力传感器。
优选的，将两个电极层分别粘贴在减压缓冲套的两端之后，还采用PU胶膜黏合电极层和减压缓冲套，是使之形成一个整体。
此外，本实施例还提供了一种鞋垫或鞋底，该鞋垫或鞋底内嵌有上述的压力传感器。
上面结合附图对本发明做了详细的说明，但是本发明的实施方式并不仅限于上述实施方式，本领域技术人员根据现有技术可以对本发明做出各种变形，这些都属于本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种压力传感器，其特征在于，包括两个电极层以及被夹持在两个所述电极层之间的感应层，所述感应层包括减压缓冲套和填充在所述减压缓冲套内的纳米碳材-高分子发泡树脂材料，所述电极层抵顶在所述纳米碳材-高分子发泡树脂材料上；
所述纳米碳材-高分子发泡树脂材料的制作方法包括以下依次进行的步骤，
S3.1、将酸化纳米碳管倒入铁氟龙烧杯中；
S3.2、将分子量为数值A的聚乙二醇滴入所述铁氟龙烧杯中，再将分子量为数值B的聚乙二醇加入所述铁氟龙烧杯中，其中所述数值A小于所述数值B；
S3.3、对所述铁氟龙烧杯进行油浴处理，油浴温度为70-75℃，待分子量为数值B的聚乙二醇熔融后，慢速搅拌5-10分钟，待所述铁氟龙烧杯内的溶液变黑后再快速搅拌100分钟；
S3.4、将二月桂酸二丁基锡和硅油加入所述铁氟龙烧杯中，并快速搅拌100-120分钟；
S3.5、将去离子水加入所述铁氟龙烧杯中，并搅拌30-45分钟；
S3.6、停止对所述铁氟龙烧杯的油浴处理，再将聚合二苯甲烷二异氰酸酯加入所述铁氟龙烧杯中，并搅拌2-4秒；
S3.7、将所述铁氟龙烧杯内的溶液在室温下进行发泡获得发泡物质，再将所述发泡物质放置于55-65℃的环境下进行烘烤，获得纳米碳材-高分子发泡树脂材料。
2.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述纳米碳材-高分子发泡树脂材料中含有的高分子发泡树脂为聚氨酯或乙烯-醋酸乙烯共聚物，所述纳米碳材-高分子发泡树脂材料中含有的纳米碳管为活性炭、纳米碳管或石墨烯。
3.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述电极层为金属电极层或碳浆电极层。
4.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述减压缓冲套的材质为乙烯-醋酸乙烯共聚物、热塑性聚氨酯弹性体橡胶或聚乳酸。
5.一种压力传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1、采用丝网印刷的方式在PU膜上制作获得电极，然后对所述电极进行烘烤，之后将所述电极粘贴在TPU基板或柔性金属基板上，获得电极层；
S2、采用化学发泡或者3D打印、押出或射出的方式制作获得减压缓冲套；
S3、采用化学发泡的方式制作获得纳米碳材-高分子发泡树脂材料；
S4、将所述纳米碳材-高分子发泡树脂材料裁切成块，使之与所述减压缓冲套的内孔相匹配，然后将被裁切成块的所述纳米碳材-高分子发泡树脂材料装入所述减压缓冲套，再将两个所述电极层分别粘贴在所述减压缓冲套的两端，并确保所述电极层与所述纳米碳材-高分子发泡树脂材料接触，形成压力传感器；
所述纳米碳材-高分子发泡树脂材料的制作方法包括以下依次进行的步骤，
S3.1、将酸化纳米碳管倒入铁氟龙烧杯中；
S3.2、将分子量为数值A的聚乙二醇滴入所述铁氟龙烧杯中，再将分子量为数值B的聚乙二醇加入所述铁氟龙烧杯中，其中所述数值A小于所述数值B；
S3.3、对所述铁氟龙烧杯进行油浴处理，油浴温度为70-75℃，待分子量为数值B的聚乙二醇熔融后，慢速搅拌5-10分钟，待所述铁氟龙烧杯内的溶液变黑后再快速搅拌100分钟；
S3.4、将二月桂酸二丁基锡和硅油加入所述铁氟龙烧杯中，并快速搅拌100-120分钟；
S3.5、将去离子水加入所述铁氟龙烧杯中，并搅拌30-45分钟；
S3.6、停止对所述铁氟龙烧杯的油浴处理，再将聚合二苯甲烷二异氰酸酯加入所述铁氟龙烧杯中，并搅拌2-4秒；
S3.7、将所述铁氟龙烧杯内的溶液在室温下进行发泡获得发泡物质，再将所述发泡物质放置于55-65℃的环境下进行烘烤，获得纳米碳材-高分子发泡树脂材料。
6.如权利要求5所述的压力传感器的制作方法，其特征在于，在步骤S4中，将两个所述电极层分别粘贴在所述减压缓冲套的两端之后，还采用PU胶膜黏合所述电极层和所述减压缓冲套。
7.如权利要求5所述的压力传感器的制作方法，其特征在于，所述慢速搅拌的搅拌速度为150rpm,所述快速搅拌的搅拌速度为400rpm。
8.一种鞋垫或鞋底，其特征在于，该鞋垫或鞋底内嵌有如权利要求1-4中任一权利要求所述的压力传感器。
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