CN114136512A - 透明压力传感器及其制作方法、开关 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种透明压力传感器及其制作方法、开关。其中透明压力传感器，包括：电极层，所述电极层包含排布均匀的多个检测点，每个检测点具有相对设置且彼此间隔的正电极和负电极；透明压感膜，其设置在电极层上方，当受到外界朝向所述电极层的压力时，导通所述电极层的至少一个检测点，并在各检测点产生对应的电参数的检测值的变化。本发明的透明压力传感器的结构简单，易于加工，便于量产。
Description
技术领域
本发明涉及透明压力传感器的技术领域，尤其涉及结构简单、加工方便且高透明度的压力传感器及其制作方法。
背景技术
压力传感器是电子产品中常用的传感器，其中由于透明压力传感器的应用范围非常广，因而是压力传感器的重点发展方向。但是现有的透明压力传感器存在加工难度大、透明度不佳等问题。
以公开号为CN106648226A公开的透明压力传感器为例，其公开的透明压力传感器的结构为相对设置的两个压阻材料层、位于压阻材料层外侧的导电电极、以及位于导电电极外侧的衬底材料。该压力传感器采用的是上下双电极的方式，上下两个电极在受到外界压力的情况下导通，从而可以检测到对应的压力，因而压力传感器的每个检测点的上下两个电极都涉及到在加工过程中的对位问题，很容易产生对位偏差，而且压阻材料层和导电电极的相互对位，会导致很多现有的工艺不可采用，例如不可简单地利用辊涂的方式制作，即便是采用高精度的印刷方式来尽可能精确对位相对设置的压阻材料层和导电电极，其精度也仅能达到0.1mm，精确加工的难度较大。另外两层电极加两层压阻材料层，会大大降低压力传感器的透明度，同时还会导致雾度增大等问题。
因此，如何提供一种结构简单、透明度更高的透明压力传感器及其制作方法是业界亟待解决的技术问题。
发明内容
为了解决现有技术中透明压力传感器透明度不高且结构复杂的技术问题，本发明提出一种透明压力传感器及其制作方法、开关。
本发明提出的透明压力传感器，包括：
电极层，所述电极层包含排布均匀的多个检测点，每个检测点的正电极和负电极设有互不接触的拼接部，所述正电极和负电极的拼接部的形状结构相同且互补插接；
透明压感膜，其设置在电极层上方，当所述透明压感膜受到外界朝向所述电极层的压力时，导通所述电极层的至少一个检测点，并在各检测点产生对应的电参数的检测值的变化。
进一步，所述拼接部呈梳齿形或螺旋形。
进一步，当所述拼接部呈梳齿形时，所述拼接部的梳齿为直线或曲线。
进一步，所述检测点阵列排布。
进一步，所述电参数包括检测点的正电极与负电极之间的阻值、电压、电流当中的一种或其组合。
进一步，所述电极层采用ITO膜或ITO玻璃刻蚀而成。
本发明提出的透明压力传感器的制作方法，包括步骤：
将纳米银粉加入至高分子材料溶液中形成混合浆料并搅拌均匀；
将所述混合浆料制作成透明压感膜；
对ITO膜或ITO玻璃进行刻蚀形成电极层；
将透明压感膜和电极层进行粘合；
将粘合好的透明压感膜的电极层进行冲切，得到透明压力传感器。
进一步，将所述混合浆料制作成透明压感膜包括：在基带上将混合浆料制作成膜，并进行多段烘干，且每一段的烘干温度比前一段的烘干温度高，形成透明压感膜。
进一步，所述混合浆料由以下步骤制成：
将纳米银粉加入到聚乙烯缩丁醛(PVB)树脂醇溶液中；
加入分散剂、消泡剂、流平剂、润湿剂、粒径满足预设范围的纳米空心二氧化钛；
使用超声波进行搅拌，得到均匀的混合浆料，制备所述混合浆料的原料重量百分比用量为：聚乙烯缩丁醛(PVB)树脂醇溶液84-91％，纳米银粉0.5-5％，纳米空心二氧化钛1-2％，消泡剂5％，流平剂2-3％，润湿剂0.5-1％。
优选的，制备所述混合浆料的原料重量百分比用量为：聚乙烯缩丁醛(PVB)树脂醇溶液90％，纳米银粉1.5％，纳米空心二氧化钛1％，消泡剂5％，流平剂2％，润湿剂0.5％。
本发明提出的开关，包括上述技术方案所述的透明压力传感器。
本发明的透明压力传感器的结构，由一层透明压感膜和一层导电的电极层组成，取消了压感层的衬底材料，可以降低传感器的整体厚度，同时，提升压感层的透光率，降低偏折系数。而且由于本发明的技术方案中，电流从电极层流向透明压感膜，再从透明压感膜返回电极层，因此不需要对透明压感膜进行图案化处理，降低了透明压感膜的加工难度。透明压感膜非图案化，因此透明压感膜和电极层不需要对位，降低了传感器的整体制作难度，利于实现大规模生产。
附图说明
下面结合实施例和附图对本发明进行详细说明，其中：
图1是本发明的一实施例的结构示意图。
图2是本发明的一实施例电极层的局部排布结构图。
图3是本发明的另实施例电极层的局部排布结构图。
图4是本发明的不同配方的压力电阻测试曲线。
具体实施方式
为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
由此，本说明书中所指出的一个特征将用于说明本发明的一个实施方式的其中一个特征，而不是暗示本发明的每个实施方式必须具有所说明的特征。此外，应当注意的是本说明书描述了许多特征。尽管某些特征可以组合在一起以示出可能的系统设计，但是这些特征也可用于其他的未明确说明的组合。由此，除非另有说明，所说明的组合并非旨在限制。
下面结合附图以及实施例对本发明的原理进行详细说明。
如图1所示，本发明的透明压力传感器的结构非常简单，主要的结构有两层，一层为透明压感膜1，另一层为透明压感膜下方的电极层2。电极层2的主要部分就是多个排布均匀的检测点，每一个检测点都可以通过按压透明压感膜导通检测点的正电极21和负电极22，从而在导通的检测点上可以检测到相应的阻值变化，从其他角度来说明的话，在导通的检测点上可以检测到电压或电流变化，即检测点的电参数的变化，电参数包括检测点的阻值、电压、电流当中的任意一项或其组合。通过分析每一个检测点的电参数的变化，从而可以得到当前检测点所受到的压力大小，从而可以检测到透明压力传感器的压力分布情况。
每个检测点的正电极和负电极设有互不接触的拼接部，正电极和负电极的拼接部的形状结构相同且互补插接，每一个检测点的正电极和负电极都是相对设置的，且彼此之间具有一定间隔，在透明压感膜没有受到外界压力时，检测点的正电极和负电极之间是没有导通的，也可以说它们之间的阻值也非常大。当透明压感膜受到外界朝向电极层的压力时，则受到压力的检测点将通过透明压感膜导通，在各个检测点产生对应的电参数的检测值的变化。检测点的电流走向几乎是水平方向的电流走向。
如图2、图3所示，本发明的一个具体实施例中，各检测点的正电极和负电极具有彼此相互交错的电极引脚，电极引脚可以相互平行，也可以形状相互互补，彼此不交错即可，每个检测点的正电极和负电极相对的一侧的拼接部呈梳齿形，且正电极和负电极的梳齿形的拼接部彼此相互插接并保持一定的间隙。其中图2展示了4个检测点，图3展示了12个检测点，最终12个检测点的正电极和负电极的引出线相互平行的走线，最终在底部汇合成一排。
在其他实施例中，正电极、负电极还可以呈螺旋形，譬如类似于蚊香类的结构，正电极和负电极也可以相互互补插接。
在一个具体实施例中，本发明的检测点阵列排布。当透明压力传感器本身为一个圆形时，检测点可以围绕透明压力传感器的圆心均匀排布，具体的排布方式可以根据需要来设计。
本发明的透明压感膜采用水性树脂、纳米银粉、纳米级空心二氧化钛、稳定剂、分散剂、消泡剂和溶剂混合后制作成膜。电极层采用ITO膜或ITO玻璃刻蚀而成。
下面介绍透明压感膜的具体制作方法。
先制作纳米银粉，纳米银粉可以直接购买，也可以采用本发明的下列方法进行制作。
以实验室内制作纳米银粉的配比为例。在烧杯中加入500ml硝酸银醇水溶液，在搅拌器搅拌速度为100rpm的搅拌下，以0.2g/L·s的滴加速度下，加入50ml浓氨水制成银氨络合体系。
在三脚烧瓶中加入抗坏血酸水溶液，并加入聚乙烯吡咯烷酮和甲醇，配制成混合溶液。在搅拌器搅拌速度为500rpm的搅拌下，将银氨醇水溶液以0.5g/L·s的速度，加入到三脚烧瓶中。
将三脚烧瓶放置在5℃的冷冻水溶液中。
反应完后，对银氨络合体系进行离心，收集纳米银粉，并且干燥固化得纳米银粉。
将纳米银粉加入到聚乙烯缩丁醛(PVB)树脂醇溶液中，并加入分散剂、消泡剂、流平剂、润湿剂、粒径满足预设范围的空心二氧化钛(例如粒径为500纳米的空心二氧化钛)，使用超声波装置进行搅拌，制得均匀的混合浆料，制备混合浆料的原料重量百分比用量为：聚乙烯缩丁醛(PVB)树脂醇溶液84-91％，纳米银粉0.5-5％，纳米空心二氧化钛1-2％，消泡剂5％，流平剂2-3％，润湿剂0.5-1％。
上述空心二氧化钛的粒径的预设范围主要从两个方面考虑，一是需要空心二氧化钛粒子能够对光有满足要求的散射率，二是根据产品所要求的压敏特性的不同，该空心二氧化钛粒子需要满足对应的压敏特性。本领域内技术人员可以从这两个方面来考虑或检测空心二氧化钛的粒径是否满足预设范围。
将混合浆料从料槽流至基带之上，通过基带与刮刀的相对运动形成坯膜，坯膜的厚度由刮刀控制在0.6～1.0mm。
将坯膜连同基带一起送入烘干室分三段进行烘干，第一段温度为35℃，第二段温度为45℃，第三段温度设定为65℃。溶剂蒸发后，在基带上形成透明膜片，透明膜片和基带一起组成了透明压感膜。
采用ITO膜或ITO玻璃根据正、负电极的结构要求，用酸性溶液对ITO膜或ITO玻璃进行蚀刻，得到电极层。
最后将透明压感膜和蚀刻好的电极层，进行贴合。
采用预制刀模，对贴合好透明压感膜的电极进行冲切，即得透明压力传感器。
本发明并不限制透明压感膜的制作工艺，除了流延法，还有其他的成膜工艺均可以选择。本发明在制作均匀浆料时，由于加入了润湿剂，会使得纳米银粉和树脂等润湿效果更好，可以在成膜后，在光线进入透明压感膜时，光可以绕透明压感膜的组成微粒传播，从而提高透光率。
下面的表格给出了本发明的均匀浆料的三组配方。
表1三种配方实施例
采用上述三个配方配置的混合浆料制作而成的透明压力传感器，分别进行可见光透过率、1-30N压力电阻测试。
得到配方1-3的可见光透光率如下表2所示。
| 可见光透过率 | |
| 配方1 | 91.3％ |
| 配方2 | 86.1％ |
| 配方3 | 95.6％ |
表2不同配方的透光率
得到配方1-3的压力电阻测试情况如下表3所示。同时图4示出了配方1-3制成的透明压力传感器在1-30N下的电阻特性曲线。通过比较配方1-3可以看出，他们之间的显著差别为纳米银粉的重量比差异较大，可以看出按照配方1的重量比来配置纳米银粉以及其他组分，能在可见光透过率和中取得最佳平衡，在保证了透明压力传感器透明特性的同时，又较好地保留了压力传感器的压感特性。
| 压力，N | 配方1，电阻，kΩ | 配方2，电阻，kΩ | 配方3，电阻，kΩ |
| 1 | 848.775 | 83.333 | 1377.768 |
| 2 | 491.294 | 57.810 | 931.573 |
| 3 | 363.731 | 42.557 | 739.587 |
| 4 | 290.857 | 36.868 | 598.199 |
| 5 | 236.155 | 33.314 | 531.516 |
| 10 | 121.331 | 24.054 | 340.942 |
| 15 | 93.215 | 16.089 | 263.956 |
| 20 | 72.745 | 14.138 | 225.717 |
| 25 | 61.805 | 11.629 | 191.580 |
| 30 | 50.814 | 10.649 | 163.836 |
表3不同配方的压力电阻测试结果
通过本发明的上述方法制作得到透明压力传感器以后，由于透明压力传感器的结构简单，层数较少，因而厚度较薄，透明度更高，而且也没有正负电极等加工难题。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (11)
1.一种透明压力传感器，其特征在于，包括：
电极层，所述电极层包含排布均匀的多个检测点，每个检测点的正电极和负电极设有互不接触的拼接部，所述正电极和负电极的拼接部的形状结构相同且互补插接；
透明压感膜，其设置在电极层上方，当所述透明压感膜受到外界朝向所述电极层的压力时，导通所述电极层的至少一个检测点，并在各检测点产生对应的电参数的检测值的变化。
2.如权利要求1所述的透明压力传感器，其特征在于，所述拼接部呈梳齿形或螺旋形。
3.如权利要求2所述的透明压力传感器，其特征在于，当所述拼接部呈梳齿形时，所述拼接部的梳齿为直线或曲线。
4.如权利要求1至3任意一项所述的透明压力传感器，其特征在于，所述检测点呈阵列排布。
5.如权利要求1至3任意一项所述的透明压力传感器，其特征在于，所述电参数包括检测点的正电极与负电极之间的阻值、电压、电流当中的一种或其组合。
6.如权利要求1至3任意一项所述的透明压力传感器，其特征在于，所述电极层采用ITO膜或ITO玻璃刻蚀而成。
7.一种如权利要求1至6任意一项所述的透明压力传感器的制作方法，其特征在于，包括步骤：
将纳米银粉加入至高分子材料溶液中形成混合浆料并搅拌均匀；
将所述混合浆料制作成透明压感膜；
对ITO膜或ITO玻璃进行刻蚀形成电极层；
将透明压感膜和电极层进行粘合；
将粘合好的透明压感膜的电极层进行冲切，得到透明压力传感器。
8.如权利要求7所述的透明压力传感器的制作方法，其特征在于，将所述混合浆料制作成透明压感膜包括：在基带上将混合浆料制作成膜，并进行多段烘干，且每一段的烘干温度比前一段的烘干温度高，形成透明压感膜。
9.如权利要求7所述的透明压力传感器的制作方法，其特征在于，所述混合浆料由以下步骤制成：
将纳米银粉加入到聚乙烯缩丁醛（PVB）树脂醇溶液中；
加入分散剂、消泡剂、流平剂、润湿剂以及粒径满足预设范围的纳米空心二氧化钛；
使用超声波进行搅拌，得到均匀的混合浆料，制备所述混合浆料的原料重量百分比用量为：聚乙烯缩丁醛（PVB）树脂醇溶液84-91%，纳米银粉0.5-5%，纳米空心二氧化钛1-2%，消泡剂5%，流平剂2-3%，润湿剂0.5-1%。
10.如权利要求9所述的透明压力传感器的制作方法，其特征在于，制备所述混合浆料的原料重量百分比用量为：聚乙烯缩丁醛（PVB）树脂醇溶液90%，纳米银粉1.5%，纳米空心二氧化钛1%，消泡剂5%，流平剂2%，润湿剂0.5%。
11.一种开关，其特征在于，包括如权利要求1至6任意一项所述的透明压力传感器。
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