CN111964815A - 一种柔性压力传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种柔性压力传感器及其制造方法，一种柔性压力传感器，包括绝缘外壳、微流道柔性导线层、压力敏感层；所述微流道柔性导线层设置在绝缘外壳内，所述微流道柔性导线层的中心设有“回”型流道，所述“回”型流道内填充液态金属；所述压力敏感层位于两组微流道柔性导线层中间，与两组“回”型柔性微流道柔性导线对应位置设有凹槽，凹槽内填充柔性压敏材料。本发明以3D打印方法一次性制作导电复合材料传感器及内部微流道，将镓基液态金属注入微流道并封闭注射口后实现电路连接，得到耐弯折柔性压力传感器。
Description
技术领域
本发明属于压力传感器领域，涉及一种柔性压力传感器及其制造方法。
背景技术
柔性压力传感器作为一种新型压力传感器，其具备可多点测量功能，可测量复杂曲面的压强变化情况，可用于人体运动监测、工业复杂表面压力感应、锂离子电池内部压力测试等各个方面。柔性压力传感器一般由柔性传感功能材料与柔性电路两部分组成。
目前常用柔性功能材料有机半导体材料、纳米材料等。有机场效应传感器就是一种由有机半导体材料组成的场效应晶体管，其加工工艺复杂。柔性导电复合材料也具备压敏特性，通过向柔性高分子材料基体内加入导电填料，如金属纳米线、纳米碳材料等，使填料在基体中形成导电网络。在压力的作用下产生形变时，内部导电网络的状态发生改变影响材料阻抗，从而表现出压敏特性。
目前在柔性电路方面，挠性电路板(FPC)是目前应用较为成熟的柔性电路，其优点在于其排线密度高、重量轻、厚度薄、柔韧性良好，多用于电子产品中不同空间位置电子元件的电路接通。大部分FPC是以聚酰亚胺为外膜、铜膜为导线来制作，在大变形量时铜膜会发生塑性变形甚至断裂，有失效的风险。如果发生折叠，则FPC会更快失效。
发明内容
为解决上述背景技术中存在的问题，本发明提出一种柔性压力传感器及其制造方法，其以3D打印方法，一次性制作导电复合材料传感器及内部连接通道，将镓基液态金属注入通道并封闭注射口后实现电路连接，得到耐弯折柔性压力传感器。
本发明解决上述问题的技术方案是：
一种柔性压力传感器，其特殊之处在于：
包括柔性材料制成的绝缘外壳、微流道柔性导线层、压力敏感层；
所述微流道柔性导线层设置在绝缘外壳内，所述微流道柔性导线层的中心设有“回”型流道，所述微流道柔性导线层的数量为两组，所述“回”型流道内填充液态金属；所述压力敏感层位于两组微流道柔性导线层中间，所述压力敏感层与两组“回”型柔性微流道柔性导线对应位置设有凹槽，凹槽内填充柔性压敏材料。
所述绝缘外壳，起封装流道作用；所述“回”型流道，以增大液态合金与压力敏感功能材料的接触面积。
进一步地，上述液态金属为镓基液态金属。
另外，本发明还提出一种上述柔性压力传感器的制造方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)制备导电复合3D打印材料；
2)制备镓基液态金属；
3)制备柔性压力传感器：设计柔性压力传感器的模型，利用3D打印机，开始打印柔性压力传感器；使用注射器将步骤2)制得的液态合金注入柔性传感器的微流道，作为器件的柔性导线；待合金液在流道内充型后，使用热熔胶与杜邦线对注射口进行封装后完成。
进一步地，上述步骤1)中，制备导电复合3D打印材料具体为：
1.1)称取一定配比的导电填料、热塑性聚氨酯(TPU)粉末置于干燥箱中，在60～80℃下烘干除去水分；
1.2)将粉体放入高速混合机中进行预混合，共混3～10min，得到粉末原料；
1.3)将粉末原料缓慢投入单螺杆(或双螺杆)挤出机中，熔融共混温度设定：180～200℃，螺杆转速：20～40r/min，冷却水温度：25℃，牵引速度：10～200cm/min，得到直径为1.75mm或者3.0mm的线状功能材料3D打印耗材，供FDM型3D打印机使用。
进一步地，上述导电填料可以是碳纳米管、石墨、炭黑、中间相炭微球等碳材料或者几种填料的任意比例混合填料。
进一步地，上述导电填料填充量为5～60％；
进一步地，上述步骤2)制备镓基液态金属具体为：
2.1)将镓锭放入60℃真空干燥箱中加热3h转化为液态，然后按照镓、铟、锡质量比称好原料，加到洁净的石墨坩埚内，移入气氛炉中；
2.2)利用真空泵将炉内抽真空至0～-80Pa，再通入氩气，保证气氛炉内压力稳定在5～10Pa，加热温度500℃保温1h；
2.3)冶炼完成后待冷却至室温，取出坩埚倒入聚四氟乙烯瓶中封装待用。
进一步地，上述步骤3)制备柔性压力传感器包括：
3.1)利用三维制图软件设计柔性压力传感器的模型，将文件保存为*.stl格式并导入至3D打印机自带的模型切片软件，并在软件内设定打印参数，最后将切片文件导入至双喷头FDM型3D打印机；
3.2)工作时，将柔性导电3D打印材料和普通柔性打印材料分别装入打印机两个喷头，调整3D打印机参数后，开始打印柔性压力传感器；
3.3)打印完成后，使用注射器将步骤2)制得的液态合金注入柔性传感器的微流道，作为器件的柔性导线；
3.4)待合金液在流道内充型后，使用热熔胶与杜邦线对注射口进行封装，弯曲并甩动器件确保流道内部液态合金无外渗。
本发明的优点：
(1)本发明采用镓基液态金属填充微流道，制成可用于可穿戴设备的柔性耐弯折导电电线路；
(2)本发明以3D打印方法将柔性压敏功能材料与液态金属导线整合，可以制成不同形状的压力传感器，并具有可设计性；
(3)本发明可一步制成复杂形状要求的柔性传感器原型，也可以直接进行小批量生产，其过程无需使用模具，成本低，适应性强，可以用于工业设计、安全工程、新型机器人制造、运动生理与医疗保健等领域。
附图说明
图1为柔性压力传感器设计图；
图2为柔性压力传感器实物照片；
图3为柔性压力传感器输出电路接线示意图；
图4为柔性传感器与单片机连接后输出于计算机窗口的电信号；
其中，1为绝缘外壳，2为微流道柔性导线层，3为压力敏感区。
具体实施方式
为使本发明实施方式的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施方式中的附图，对本发明实施方式中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施方式是本发明一部分实施方式，而不是全部的实施方式。基于本发明中的实施方式，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施方式，都属于本发明保护的范围。因此，以下对在附图中提供的本发明的实施方式的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施方式。
液态金属具有高导电性，良好的流动性和低毒性，将其注入特定结构的高分子材料管道，则可以实现抗折叠、抗大变形量的柔性导线。
增材制造(又称为3D打印)是一项以数字三维模型为基础的新型快速成型技术，可以用来制造各种复杂形状的液态金属通道，形成柔性导线。与此同时，3D打印具有特定成分导电复合材料，也可以一次性制成柔性压力传感器。与传统制造技术相比，3D打印柔性压力传感器具有低成本、可设计性强、材料利用率高等优势。与液态金属导线相结合，将大幅度提高可穿戴设备和其他柔性传感器使用稳定性和耐久性，为工业设计、安全工程、新型机器人制造、运动生理与医疗保健等领域提供新的传感器技术手段。
一种柔性压力传感器，包括绝缘外壳1、微流道柔性导线层2、压力敏感层3；两组微流道柔性导线层2设置在绝缘外壳1内，所述微流道柔性导线层2的中心设有“回”型流道，所述“回”型流道内填充液态金属；所述压力敏感层3位于两组微流道柔性导线层2之间，压力敏感层3对应微流道柔性导线层2的“回”型流道处设有中间凹槽，中间凹槽内填充柔性压敏材料。所述绝缘外壳1起封装流道作用；所述“回”型流道，以增大液态合金与功能材料的接触面积。
一种上述柔性压力传感器的制造方法，包括以下步骤：
1)制备导电复合3D打印材料；
2)制备镓基液态金属；
3)制备柔性压力传感器：设计柔性压力传感器的模型，利用3D打印机，开始打印柔性压力传感器；使用注射器将步骤2)制得的液态合金注入柔性传感器的微流道，作为器件的柔性导线；待合金液在流道内充型后，使用热熔胶与杜邦线对注射口进行封装后完成。
进一步地，上述步骤1)中，制备导电复合3D打印材料具体为：
1.1)称取一定配比的导电填料、热塑性聚氨酯(TPU)粉末置于干燥箱中，在60～80℃下烘干除去水分；
1.2)将粉体放入高速混合机中进行预混合，共混3～10min，得到粉末原料；
1.3)将粉末原料缓慢投入单螺杆(或双螺杆)挤出机中，熔融共混温度设定：180～200℃，螺杆转速：20～40r/min，冷却水温度：25℃，牵引速度：10～200cm/min，得到直径为1.75mm或者3.0mm的线状功能材料3D打印耗材，供FDM型3D打印机使用。
进一步地，上述导电填料可以是碳纳米管、石墨、炭黑、中间相炭微球等碳材料或者几种填料的任意比例混合填料。
进一步地，上述导电填料填充量为5～60％；
进一步地，上述步骤2)制备镓基液态金属具体为：
2.1)将镓锭放入60℃真空干燥箱中加热3h转化为液态，然后按照镓、铟、锡质量比称好原料，加到洁净的石墨坩埚内，移入气氛炉中；
2.2)利用真空泵将炉内抽真空至0～-80Pa，再通入氩气，保证气氛炉内压力稳定在5～10Pa，加热温度500℃保温1h；
2.3)冶炼完成后待冷却至室温，取出坩埚倒入聚四氟乙烯瓶中封装待用。
进一步地，上述步骤3)制备柔性压力传感器包括：
3.1)利用三维制图软件设计柔性压力传感器的模型，将文件保存为*.stl格式并导入至3D打印机自带的模型切片软件，并在软件内设定打印参数，最后将切片文件导入至双喷头FDM型3D打印机；
3.2)工作时，将柔性导电3D打印材料和普通柔性打印材料分别装入打印机两个喷头，调整3D打印机参数后，开始打印柔性压力传感器；
3.3)打印完成后，使用注射器将步骤2)制得的液态合金注入柔性传感器的微流道，作为器件的柔性导线；
3.4)待合金液在流道内充型后，使用热熔胶与杜邦线对注射口进行封装，弯曲并甩动器件确保流道内部液态合金无外渗。
实施例：
一种上述柔性压力传感器的制造方法，包括以下步骤：
(1)柔性导电3D打印功能材料制备
称取13.5g多壁碳纳米管(MWNTs)、9g中间相炭微球(MCMB)和127.5g热塑性聚氨酯(TPU)于烧杯内，机械混匀得到原料共150g。将原料投入单螺杆挤出机，在190℃下进行熔融共混挤出，其中螺杆转速为30r/min，冷却水温度为25℃，牵引速度为20cm/min，得到直径为1.75mm的线状3D打印功能材料耗材。
(2)镓基液态金属的制备
将镓锭放入60℃真空干燥箱中加热3h转化为液态，然后按照质量比镓：铟：锡＝67:20.5:12.5称好原料(金属原料纯度均为4N)，加到洁净的石墨坩埚内，移入气氛炉中。先利用真空泵将炉内抽真空至-80Pa，再通入氩气，保证气氛炉内压力稳定在5～10Pa，加热温度500℃保温1h。冶炼完成后待冷却至室温，取出坩埚倒入聚四氟乙烯中封装待用。
(2)柔性压力传感器的设计
使用Solidworks软件绘制柔性压力传感器模型，模型分解图如图1所示，包括：传感器的绝缘外壳1，起封装流道作用，厚度为0.2mm；微流道柔性导线层2，在器件中心敏感区设计“回”型流道，流道尺寸为0.5:mm×0.5mm；3为压力敏感区，中间凹槽为柔性压敏材料3D打印填充处，厚度为0.8mm。当传感器受压时，凹槽内柔性压敏材料发生形变，改变其自身电阻，并通过流道层的GaInSn合金柔性导线传递电信号。
(3)3D打印制造柔性压力传感器
将制备的柔性导电3D打印耗材装入FDM型打印机的1号喷头，将普通TPU柔性打印耗材装入打印机2号喷头，调整3D打印机参数后，将绘制好的模型文件用切片软件切片后，导入FDM型双喷头3D打印机，开始打印柔性压力传感器。打印参数如下：打印温度200℃、打印速度20mm/s、模型层高0.1mm、填充程度100％、模型顶、底及外壳厚度0.8mm、底板温度60℃、线宽0.4mm打印速度20mm/s；
使用注射器将步骤(2)制得的液态合金注入微流道中，使用热熔胶与杜邦线对注射口进行封装，即得到一个柔性压力传感器，柔性压力传感器原型器件如图2所示，a柔性压力传感器实物照片，b压敏感区域照片。图中黑色部分为传感器的敏感区，透明基体为普通TPU3D打印材料，亮色金属光泽的区域为液态金属区。
(4)柔性压力传感器的测试
柔性压力传感器的信号输出及信号可视化。为了能够将压力传感器实际的传感效果表达于人们可视的窗口上，借助Arduino单片机、电脑、1kΩ定值电阻来表征其对压力的敏感性与信号可视化。电路连接示意图如图3所示；数据串口信号在电脑上的输出结果如图4所示(其中：(a)实物连接图，(b)无按压，(c)缓速按压，(d)中速按压，(e)快速按压)，实验结果表明所制作的传感器能够快速相应压力的变化情况，具有较高的灵敏度。
以上所述仅为本发明的实施例，并非以此限制本发明的保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的系统领域，均同理包括在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种柔性压力传感器，其特征在于：
包括绝缘外壳、微流道柔性导线层、压力敏感层；
所述微流道柔性导线层设置在绝缘外壳内，所述微流道柔性导线层的中心设有“回”型流道，所述微流道柔性导线层的数量为两组，所述“回”型流道内填充液态金属；所述压力敏感层位于两组微流道柔性导线层中间，所述压力敏感层与两组“回”型柔性微流道柔性导线对应位置设有凹槽，凹槽内填充柔性压敏材料。
2.根据权利要求1所述的一种柔性压力传感器，其特征在于：
所述液态金属为镓基液态金属。
3.一种柔性压力传感器的制造方法的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)制备导电复合3D打印材料；
2)制备镓基液态金属；
3)制备柔性压力传感器：设计柔性压力传感器的模型，利用3D打印机，开始打印柔性压力传感器；使用注射器将步骤2)制得的液态合金注入柔性传感器的微流道，作为器件的柔性导线；待合金液在流道内充型后，使用热熔胶与杜邦线对注射口进行封装后完成。
4.根据权利要求3所述的一种柔性压力传感器的制造方法的制造方法，其特征在于：
述步骤1)中，制备导电复合3D打印材料具体为：
1.1)称取导电填料、热塑性聚氨酯粉末置于干燥箱中，在60～80℃下烘干除去水分；
1.2)将粉体放入高速混合机中进行预混合，共混3～10min，得到粉末原料；
1.3)将粉末原料缓慢投入单螺杆或双螺杆挤出机中，熔融共混温度设定：180～200℃，螺杆转速：20～40r/min，冷却水温度：25℃，牵引速度：10～200cm/min，得到直径为1.75mm或者3.0mm的线状功能材料3D打印耗材，供3D打印机使用。
5.根据权利要求4所述的一种柔性压力传感器的制造方法的制造方法，其特征在于：
所述导电填料可以是碳纳米管、石墨、炭黑、中间相炭微球的一种或者几种填料的任意比例混合填料。
6.根据权利要求5所述的一种柔性压力传感器的制造方法的制造方法，其特征在于：
所述导电填料填充量为5～60％。
7.根据权利要求3-6任一所述的一种柔性压力传感器的制造方法的制造方法，其特征在于：
所述步骤2)制备镓基液态金属具体为：
2.1)将镓锭放入60℃真空干燥箱中加热3h转化为液态，然后按照镓、铟、锡质量比称好原料，加到洁净的石墨坩埚内，移入气氛炉中；
2.2)利用真空泵将炉内抽真空至0～-80Pa，再通入氩气，保证气氛炉内压力稳定在5～10Pa，加热温度500℃保温1h；
2.3)冶炼完成后待冷却至室温，取出坩埚倒入聚四氟乙烯瓶中封装待用。
8.根据权利要求7所述的一种柔性压力传感器的制造方法的制造方法，其特征在于：
步骤3)制备柔性压力传感器包括：
3.1)利用三维制图软件设计柔性压力传感器的模型，将文件保存为*.stl格式并导入至3D打印机自带的模型切片软件，并在软件内设定打印参数，最后将切片文件导入至双喷头3D打印机；
3.2)工作时，将柔性导电3D打印材料和普通柔性打印材料分别装入打印机两个喷头，调整3D打印机参数后，开始打印柔性压力传感器；
3.3)打印完成后，使用注射器将步骤2)制得的液态合金注入柔性传感器的微流道，作为器件的柔性导线；
3.4)待合金液在流道内充型后，使用热熔胶与杜邦线对注射口进行封装，弯曲并甩动器件确保流道内部液态合金无外渗。
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