CN113091996A - 一种压力传感器及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种压力传感器及其制备方法和应用，所述压力传感器包括壳体，传感器芯片和线路板组件；所述壳体的材质包括硅橡胶；所述壳体的厚度为3‑5mm。本发明所述压力传感器具有良好的绝缘性、耐热强度和抗氧化强度，能够在电力高压区域、高温以及各种风沙湿度的环境中长时间使用。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种压力传感器及其制备方法和应用。
背景技术
在电力设施的监测中，有些电力设施为高压设备，在高压设备附近有很强的电场，在高电场的作用下，一些绝缘体会被击穿，在电压足够高时，能够使绝缘体被电离，它的内部也会出现大量的自由电子或离子，成为导体，此时传感器装置基本会被损坏，无法实现监测功能。
CN110749386A公开了一种柔性薄膜压力传感器封装结构，其公开的柔性薄膜压力传感器封装结构包括柔性薄膜压力传感器、力学传递件以及封装保护件，其公开的封装保护件封装在所述柔性薄膜压力传感器上，其公开的力学传递件的第一端与所述柔性薄膜压力传感器接触，其公开的力学传递件的第二端穿出所述封装保护件，以接收并传递压力至所述柔性薄膜压力传感器。其公开的柔性薄膜压力传感器封装结构可以有效提高压力传感器的灵敏度，并且，在测量过程中，借助封装保护件，可以有效保护柔性薄膜压力传感器，防止外力直接作用于柔性薄膜压力传感器上，可以有效提高柔性薄膜压力传感器的使用寿命，降低成本。但是其没有考虑高电场作用下导体对传感器装置的破坏，绝缘性较差。
CN110108397A公开了一种可抗高电压的薄膜压力传感器及其制备方法，其公开的压力传感器包括基底、苯乙酮改性SiO2薄膜绝缘层、应变电阻层和引线膜，绝缘层设置在基底上，应变电阻层设置在绝缘层上，引线膜设置在应变电阻层上，苯乙酮改性SiO2薄膜的厚度为0.6-0.8mm，苯乙酮改性SiO2薄膜与基底的结合力为30-50mN，其公开的制备方法包括以下步骤，提供基底，脉冲激光沉积法在基底上沉积苯乙酮改性SiO2薄膜绝缘层；在绝缘层上制作第一光刻胶，以第一光刻胶为掩模，采用多元素靶材通过脉冲激光沉积法在绝缘层上沉积应变电阻层；通过脉冲激光沉积法在应变电阻层上沉积引线膜。其公开的压力传感器能够克服现有技术中的薄膜压力传感器在受到高电压时，容易给电流击穿，抗交流能力较低的问题，但是需要通过复杂的方法制备绝缘层才能达到较好的效果。
综上所述，开发一种组成简单且具有良好绝缘性的压力传感器至关重要。
发明内容
针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种压力传感器及其制备方法和应用，所述压力传感器具有良好的绝缘性、耐热强度和抗氧化强度，能够在电力高压区域、高温以及各种风沙湿度的环境中长时间使用。
为达此目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供一种压力传感器，所述压力传感器包括壳体，传感器芯片和线路板组件；
所述壳体的材质包括硅橡胶；
所述壳体的厚度为3-5mm，例如3.2mm、3.4mm、36mm、3.8mm、4.0mm、4.2mm、4.4mm、4.6mm、4.8mm等。
本发明所述压力传感器的壳体为硅橡胶材质，硅橡胶主要是由高摩尔质量的线型聚硅氧烷组成，由于-Si-O-Si-键是其构成的基本键型，硅原子主要连接甲基，侧链上引入极少量的不饱和基团，分子间作用力小，分子呈螺旋状结构，甲基朝外排列并可自由旋转，因此硅橡胶硫化后具有优异的耐高、低温，耐候，憎水，憎水迁移，电气绝缘性和生理惰性等特点，能够使压力传感器具有良好的绝缘性和稳定性；壳体的厚度为3-5mm，不仅能满足壳体的支撑作用，还能使所述压力传感器具有良好的绝缘性、耐热强度和抗氧化强度，提升压力传感器在电力高压区域的使用时间。
优选地，所述壳体内设置有封装胶。
本发明在壳体内部设置了封装胶，封装胶的设置提高了壳体的密封性和绝缘性。
优选地，所述封装胶的材质包括硅橡胶。
优选地，所述硅橡胶的制备原料包括A组分和B组分；
所述A组分包括端羟基二甲基硅油、第一催化剂和助剂；
所述B组分包括交联剂、增粘剂和第二催化剂。
本发明所述壳体和封装胶的材质均由上述硅橡胶得到，但是二者所使用硅橡胶中A组分和B组分的具体组成和比例可以不同。
优选地，所述第一催化剂包括有机锡。
优选地，所述助剂包括增塑剂和固化剂的组合。
优选地，所述A组分按照重量份数包括100份端羟基二甲基硅油、0.05-0.2份第一催化剂、18-22份增塑剂和0.5-1.5份固化剂。
所述第一催化剂的重量份数为0.05-0.2份，例如0.06份、0.08份、0.1份、0.12份、0.14份、0.16份、0.18份等，优选0.1份。
所述增塑剂的重量份数为18-22份，例如18.5份、19份、19.5份、20份、20.5份、21份、21.5份等，优选20份。
所述固化剂的重量份数为0.5-1.5份，例如0.6份、0.7份、0.8份、0.9份、1份、1.1份、1.2份、1.3份、1.4份等，优选1份。
优选地，所述B组分按照重量份数包括100份交联剂、8-12份增粘剂和0.03-0.07份第二催化剂。
所述增粘剂的重量份数为8-12份，例如8.5份、9份、9.5份、10份、10.5份、11份、11.5份等，优选10份。
所述第二催化剂的重量份数为0.03-0.07份，例如0.04份、0.05份、0.06份等，优选0.05份。
优选地，所述A组分和B组分的质量比为(8-12):1，例如9:1、10:1、11:1等，优选10:1。
本发明所述硅橡胶中A组分和B组分的质量比为(8-12):1，优选10:1，该质量比制备的硅橡胶具有良好的绝缘性、耐热强度和抗氧化强度。
优选地，所述传感器芯片嵌在所述壳体上表面。
优选地，所述线路板组件在所述壳体内。
优选地，所述线路板组件包括信号检测单元、无线通讯单元、印制式天线和纽扣电池。
本发明所述压力传感器在使用时，当传感器芯片检测到外部压力变化，信号检测单元进行压力变化信号的处理，然后给无线通信单元发送到中继，整个过程由纽扣电池供电。
第二方面，本发明提供一种根据第一方面所述的压力传感器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：将3-5mm厚的硅橡胶材质的壳体，传感器芯片和线路板组件组装，得到所述压力传感器。
优选地，所述制备方法还包括在组装后对壳体内部设置封装胶和固化两步操作。
优选地，所述设置封装胶的方式包括灌胶。
本发明采用灌胶的方式设置封装胶，在密封壳体的同时将线路板组件覆盖完全，提升压力传感器的绝缘性。
优选地，所述硅橡胶的制备方法包括如下步骤：
(1)将端羟基二甲基硅油、第一催化剂和助剂混合，得到A组分；
(2)将交联剂、增粘剂和第二催化剂混合，得到B组分；
(3)将A组分和B组分混合，得到所述硅橡胶。
优选地，步骤(1)中所述混合包括搅拌。
优选地，所述搅拌的转速为1500-2000转/分钟，例如1600转/分钟、1700转/分钟、1800转/分钟、1900转/分钟等。
优选地，所述搅拌的时间为3-5分钟，例如3.5分钟、4分钟、4.5分钟等。
优选地，步骤(3)中所述混合包括搅拌。
优选地，所述搅拌的时间为3-7分钟，例如4分钟、5分钟、6分钟等。
作为优选的技术方案，所述制备方法包括如下步骤：
(1')将端羟基二甲基硅油、第一催化剂、增塑剂和固化剂以1500-2000转/分钟的转速搅拌混合3-5分钟，得到A组分；
将交联剂、增粘剂和第二催化剂混合，得到B组分；
将A组分和B组分按照质量比为(8-12):1搅拌混合3-7分钟，得到所述硅橡胶；
(2')制备3-5mm的硅橡胶壳体，再将所述壳体与传感器芯片、信号检测单元、无线通讯单元、印制式天线和纽扣电池进行组装；
(3')将步骤(2')得到的压力传感器进行灌胶，固化，得到所述压力传感器。
第三方面，本发明提供一种第一方面所述的压力传感器在电力设施监测中的应用。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
本发明所述压力传感器具有良好的绝缘性、耐热强度和抗氧化强度，能够在高压(击穿电压大于50kV)、高温以及各种风沙湿度的环境中拥有较长的使用寿命。
附图说明
图1是实施例1所述压力传感器的外部结构示意图；
图2是实施例1所述压力传感器封装前的内部结构示意图；
其中，1-壳体；2-传感器芯片；3-信号检测单元；4-无线通讯单元；5-印制式天线；6-纽扣电池。
具体实施方式
为便于理解本发明，本发明列举实施例如下。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
本实施例提供一种压力传感器，其外部与封装前内部结构示意图分别如图1和图2所示，所述压力传感器包括4mm的硅橡胶壳体1、嵌在壳体上表面传感器芯片2、壳体内部的线路板组件和封装胶；
所述线路板组件由信号检测单元3、无线通讯单元4、印制式天线5和纽扣电池6组成。
上述压力传感器的制备方法包括如下步骤：
(1)将100重量份端羟基二甲基硅油(购于深圳市吉鹏硅氟材料有限公司，牌号为107硅橡胶)、0.1重量份第一催化剂(二月桂酸二丁基锡，购于济南源茂化工有限公司，牌号为T12)、20重量份增塑剂(邻苯二甲酸二辛酯，购于无锡市亚泰联合化工有限公司，牌号为DOP)和1重量份固化剂(低分子聚酰胺树脂，购于郑州鹏辉化工产品有限公司，牌号650)以1800转/分钟的转速搅拌混合4分钟，得到A组分；
将100重量份交联剂(甲氧基封端硅油，购于上海荟研新材料有限公司，牌号为TMC)、10重量份增粘剂(3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷，购于佛山市德中化工科技有限公司，牌号N-900增稠剂)和0.05重量份第二催化剂(二乙酸二丁基锡，购于广州市江顺化工科技有限公司，牌号1067-33-0)混合，得到B组分；
将A组分和B组分按照质量比为10:1搅拌混合5分钟，得到所述硅橡胶；
(2)制备4mm的硅橡胶壳体，再将所述壳体与传感器芯片、信号检测单元、无线通讯单元、印制式天线和纽扣电池进行组装；
(3)将步骤(1)得到的压力传感器进行灌胶，固化，得到所述压力传感器。
实施例2
本实施例提供一种压力传感器，所述压力传感器包括3mm的硅橡胶壳体、嵌在壳体上表面传感器芯片、壳体内部的线路板组件和封装胶；
所述线路板组件由信号检测单元、无线通讯单元、印制式天线和纽扣电池组成。
上述压力传感器的制备方法包括如下步骤：
(1)将100重量份端羟基二甲基硅油(购于深圳市吉鹏硅氟材料有限公司，牌号为107硅橡胶)、0.05重量份第一催化剂(二月桂酸二丁基锡，购于济南源茂化工有限公司，牌号为T12)、18重量份增塑剂(邻苯二甲酸二辛酯，购于无锡市亚泰联合化工有限公司,牌号为DOP)和0.5重量份固化剂(低分子聚酰胺树脂，购于郑州鹏辉化工产品有限公司，牌号650)以1800转/分钟的转速搅拌混合4分钟，得到A组分；
将100重量份交联剂(甲氧基封端硅油，购于上海荟研新材料有限公司，牌号为TMC)、8重量份增粘剂(3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷，购于佛山市德中化工科技有限公司，牌号N-900增稠剂)和0.03重量份第二催化剂(二乙酸二丁基锡，购于广州市江顺化工科技有限公司，牌号1067-33-0)混合，得到B组分；
将A组分和B组分按照质量比为8:1搅拌混合7分钟，得到所述硅橡胶；
(2)制备3mm的硅橡胶壳体，再将所述壳体与传感器芯片、信号检测单元、无线通讯单元、印制式天线和纽扣电池进行组装；
(3)将步骤(1)得到的压力传感器进行灌胶，固化，得到所述压力传感器。
实施例3
本实施例提供一种压力传感器，所述压力传感器包括5mm的硅橡胶壳体、嵌在壳体上表面传感器芯片、壳体内部的线路板组件和封装胶；
所述线路板组件由信号检测单元、无线通讯单元、印制式天线和纽扣电池组成。
上述压力传感器的制备方法包括如下步骤：
(1)将100重量份端羟基二甲基硅油(购于深圳市吉鹏硅氟材料有限公司，牌号为107硅橡胶)、0.2重量份第一催化剂(二月桂酸二丁基锡，购于济南源茂化工有限公司，牌号为T12)、22重量份增塑剂(邻苯二甲酸二辛酯，购于无锡市亚泰联合化工有限公司，牌号为DOP)和1.5重量份固化剂(低分子聚酰胺树脂，购于郑州鹏辉化工产品有限公司，牌号650)以1800转/分钟的转速搅拌混合4分钟，得到A组分；
将100重量份交联剂(甲氧基封端硅油，购于上海荟研新材料有限公司，牌号为TMC)、12重量份增粘剂(3-氨丙基甲基二乙氧基硅烷，购于佛山市德中化工科技有限公司，牌号N-900增稠剂)和0.07重量份第二催化剂(二乙酸二丁基锡，购于广州市江顺化工科技有限公司，牌号1067-33-0)混合，得到B组分；
将A组分和B组分按照质量比为12:1搅拌混合3分钟，得到所述硅橡胶；
(2)制备5mm的硅橡胶壳体，再将所述壳体与传感器芯片、信号检测单元、无线通讯单元、印制式天线和纽扣电池进行组装；
(3)将步骤(1)得到的压力传感器进行灌胶，固化，得到所述压力传感器。
对比例1
本对比例与实施例1的区别在于硅橡胶壳体的厚度为2mm，其余均与实施例1相同。
对比例2
本对比例与实施例1的区别在于所述壳体的材质为PVC10度软胶料(购于东莞市缘意塑胶原料有限公司牌号为HB-PVC-10A(透明)，其余均与实施例1相同。
性能测试
将实施例1-3和对比例1-2所述压力传感器进行如下测试：
(1)耐热性：将所述压力传感器置于75℃的空间中，使用3天。
把设备放在在75℃左右的空间中，外壳和灌胶以及灌胶内部的器件无任何损坏，以及不影响使用，并且长时间使用正常，说明耐热强度合格。
(2)抗氧化性：模拟真实环境温度湿度，风沙，观察外壳抗氧化性。
(3)使用寿命：同时在高压、高温以及各种风沙湿度的环境中测试所述压力传感器，观察其使用状况。
(4)绝缘性：测试电损耗、耐电压、耐电弧、耐电晕、体积电阻等。
测试结果汇总于表1中。
表1
分析表1数据可知，，在硅橡胶壳体3-5mm内，灌胶后，本发明所述压力传感器兼具优异的耐热强度、抗氧化强度和绝缘性，在高压(击穿电压大于50kV)、高温以及各种风沙湿度的环境中拥有较长的使用寿命。
分析对比例1与实施例1可知，对比例1性能不如实施例1，证明壳体厚度在3-5mm范围内所得压力传感器性能更佳。
分析对比例2与实施例1可知，对比例2性能不如实施例1，证明采用非硅橡胶类的外壳所得压力传感器性能更佳，PVC软胶容易老化。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的详细方法，但本发明并不局限于上述详细方法，即不意味着本发明必须依赖上述详细方法才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明产品各原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种压力传感器，其特征在于，所述压力传感器包括壳体，传感器芯片和线路板组件；
所述壳体的材质包括硅橡胶；
所述壳体的厚度为3-5mm。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，所述壳体内设置有封装胶；
优选地，所述封装胶的材质包括硅橡胶。
3.根据权利要求1或2所述的制备方法，其特征在于，所述硅橡胶的制备原料包括A组分和B组分；
所述A组分包括端羟基二甲基硅油、第一催化剂和助剂；
所述B组分包括交联剂、增粘剂和第二催化剂；
优选地，所述第一催化剂包括有机锡；
优选地，所述助剂包括增塑剂和固化剂的组合；
优选地，所述A组分按照重量份数包括100份端羟基二甲基硅油、0.05-0.2份第一催化剂、18-22份增塑剂和0.5-1.5份固化剂；
优选地，所述B组分按照重量份数包括100份交联剂、8-12份增粘剂和0.03-0.07份第二催化剂；
优选地，所述A组分和B组分的质量比为(8-12):1。
4.根据权利要求1-3任一项所述压力传感器，其特征在于，所述传感器芯片嵌在所述壳体上表面。
5.根据权利要求1-4任一项所述压力传感器，其特征在于，所述线路板组件在所述壳体内；
优选地，所述线路板组件包括信号检测单元、无线通讯单元、印制式天线和纽扣电池。
6.一种根据权利要求1-5任一项所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：将3-5mm厚的硅橡胶材质的壳体，传感器芯片和线路板组件组装，得到所述压力传感器。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在组装后对壳体内部设置封装胶和固化两步操作；
优选地，所述设置封装胶的方式包括灌胶。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于，所述硅橡胶的制备方法包括如下步骤：
(1)将端羟基二甲基硅油、第一催化剂和助剂混合，得到A组分；
(2)将交联剂、增粘剂和第二催化剂混合，得到B组分；
(3)将A组分和B组分混合，得到所述硅橡胶；
优选地，步骤(1)中所述混合包括搅拌；
优选地，所述搅拌的转速为1500-2000转/分钟；
优选地，所述搅拌的时间为3-5分钟；
优选地，步骤(3)中所述混合包括搅拌；
优选地，所述搅拌的时间为3-7分钟。
9.根据权利要求6-8任一项所述的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括如下步骤：
(1')将端羟基二甲基硅油、第一催化剂、增塑剂和固化剂以1500-2000转/分钟的转速搅拌混合3-5分钟，得到A组分；
将交联剂、增粘剂和第二催化剂混合，得到B组分；
将A组分和B组分按照质量比为(8-12):1搅拌混合3-7分钟，得到所述硅橡胶；
(2')制备3-5mm的硅橡胶壳体，再将所述壳体与传感器芯片、信号检测单元、无线通讯单元、印制式天线和纽扣电池进行组装；
(3')将步骤(2')得到的压力传感器进行灌胶，固化，得到所述压力传感器。
10.一种根据权利要求1-5任一项所述的压力传感器在电力设施监测中的应用。
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| CN202110435249.5A CN113091996A (zh) | 2021-04-22 | 2021-04-22 | 一种压力传感器及其制备方法和应用 |
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- 2021-04-22 CN CN202110435249.5A patent/CN113091996A/zh active Pending
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