CN114486009A - 一种压阻式柔性传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压阻式柔性传感器及其制作方法，涉及柔性传感技术领域。该压阻式柔性传感器，包括：第一织布层、第一胶膜层、印刷电极层、压阻薄片、第二胶膜层和第二织布层；所述第一胶膜层复合在所述第一织布层的表面，所述第二胶膜层复合在所述第二织布层的表面；所述印刷电极层和所述压阻薄片封装于所述第一胶膜层和所述第二胶膜层之间；其中，所述印刷电极层包括非接触的第一液态金属电极和第二液态金属电极，所述第一液态金属电极和所述第二液态金属电极通过覆盖在其上的所述压阻薄片连接。本发明实施例中的压阻式柔性传感器利用织布和胶膜复合，并封装液态金属，利用液态金属和织布的柔性特性，形成超柔性的柔性传感器，并且其织布表面提升了用户的穿戴舒适感，提升了用户体验。

Description

一种压阻式柔性传感器及其制作方法

技术领域

本发明属于柔性传感技术领域，尤其涉及一种压阻式柔性传感器及其制作方法。

背景技术

压力传感器(Pressure Transducer)是一种能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

压阻式压力传感器是压力传感器中的一种，因其具有体积小，结构简单，可微性化，成本低等特点，在实际生产中被广泛运用。当前，压阻式压力传感器主要是利用覆铜与PI(聚酰亚胺)膜进行制作，但由这种材料制作的压阻式压力传感器的柔韧性较差，无法满足现阶段对于柔性极高的要求，并且PI膜的材质也不适于直接贴附在人体表面，皮肤接触体验不佳。

发明内容

有鉴于此，本发明的一个目的是提出一种压阻式柔性传感器,以解决现有技术中柔性较差、皮肤接触体验不佳的问题。

在一些说明性实施例中，所述压阻式柔性传感器，包括：第一织布层、第一胶膜层、印刷电极层、压阻薄片、第二胶膜层和第二织布层；所述第一胶膜层复合在所述第一织布层的表面，所述第二胶膜层复合在所述第二织布层的表面；所述印刷电极层和所述压阻薄片封装于所述第一胶膜层和所述第二胶膜层之间；其中，所述印刷电极层包括非接触的第一液态金属电极和第二液态金属电极，所述第一液态金属电极和所述第二液态金属电极通过覆盖在其上的所述压阻薄片连接。

在一些可选地实施例中，所述第一液态金属电极和所述第二液态金属电极包括接触端、外接端、以及连接所述接触端和外接端的连接部；所述压阻薄片覆盖所述第一液态金属电极和所述第二液态金属电极的接触端。

在一些可选地实施例中，所述第一液态金属电极和所述第二液态金属电极的接触端为叉指状。

在一些可选地实施例中，所述压阻式柔性传感器，还包括：介于所述第一胶膜层和所述第二胶膜层之间的FPC连接件；其中，所述FPC连接件的一端与所述第一液态金属电极和所述第二液态金属电极搭接，其另一端自所述第一织布层或第二织布层引出。

在一些可选地实施例中，所述第一织布层和/或所述第二织布层相对于所述FPC连接件与所述第一液态金属电极和第二液态金属电极搭接的区域为不可拉伸的硬化区域。

在一些可选地实施例中，所述印刷电极层还包括：印刷在第一胶膜层上的不浸润液态金属的掩模；所述第一液态金属电极和所述第二液态金属形成在所述掩模中预留的图案化的凹槽内。

在一些可选地实施例中，所述不浸润液态金属的掩模为由激光打印机打印形成的图案化的碳粉层。

在一些可选地实施例中，所述第一织布层和/或所述第二织布层为可拉伸程度在5％-15％的涤氨混纺布。

在一些可选地实施例中，所述液态金属中至少混合有导电金属颗粒。

本发明的另一个目的在于提供一种压阻式柔性传感器的制作方法，可用以制作上述压阻式柔性传感器。

在一些说明性实施例中，所述压阻式柔性传感器的制作方法，包括：步骤1、获取由第一织布层和第一胶膜层构成的第一复合基材；步骤2、在所述第一复合基材的第一胶膜层的表面上形成不浸润液态金属的掩模；该掩模内形成有与待印制的第一液态金属电极和第二液态金属电极形状一致的凹槽；步骤3、将液态金属浆料印刷至所述掩模表面，使液态金属浆料填充于所述掩模的凹槽内，形成第一液态金属电极和第二液态金属电极；步骤4、将压阻薄片覆盖所述第一液态金属电极和第二液态金属电极；步骤5、获取由第二织布层和第二胶膜层构成的第二复合基材；步骤6、将所述第二复合基材的第二胶膜层一侧与所述第一复合基材的第一胶膜层一侧相对并复合。

与现有技术相比，本发明具有如下优势：

本发明实施例中的压阻式柔性传感器利用织布和胶膜复合，并封装液态金属，利用液态金属和织布的柔性特性，形成超柔性的柔性传感器，并且其织布表面提升了用户的穿戴舒适感，提升了用户体验。

附图说明

图1是本发明实施例中的压阻式柔性传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例中的压阻式柔性传感器的层结构示意图；

图3是本发明实施例中的压阻式柔性传感器的结构示意图；

图4是本发明实施例中的液态金属电极的结构示意图；

图5是本发明实施例中压阻式柔性传感器的制作方法的流程图。

具体实施方式

以下描述和附图充分地示出本发明的具体实施方案，以使本领域的技术人员能够实践它们。其他实施方案可以包括结构的、逻辑的、电气的、过程的以及其他的改变。实施例仅代表可能的变化。除非明确要求，否则单独的部件和功能是可选的，并且操作的顺序可以变化。一些实施方案的部分和特征可以被包括在或替换其他实施方案的部分和特征。本发明的实施方案的范围包括权利要求书的整个范围，以及权利要求书的所有可获得的等同物。在本文中，本发明的这些实施方案可以被单独地或总地用术语“发明”来表示，这仅仅是为了方便，并且如果事实上公开了超过一个的发明，不是要自动地限制该应用的范围为任何单个发明或发明构思。

需要说明的是，在不冲突的情况下本发明实施例中的各技术特征均可以相互结合。

本发明公开了一种压阻式柔性传感器，具体地，如图1-2，图1为本发明实施例中压阻式柔性传感器的结构示意图；图2为本发明实施例中压阻式柔性传感器的层结构示意图。该压阻式柔性传感器，包括：第一织布层1、第一胶膜层2、印刷电极层3、压阻薄片4、第二胶膜层5和第二织布层6；第一胶膜层2复合在第一织布层1的表面，构成第一柔性复合基材；第二胶膜层5复合在第二织布层6的表面，构成第二柔性复合基材；印刷电极层3和压阻薄片4封装于第一胶膜层2和第二胶膜层5之间；其中，印刷电极层3包括非接触的第一液态金属电极31和第二液态金属电极32，第一液态金属电极31和第二液态金属电极32通过覆盖在其上的所述压阻薄片4连接。

本发明实施例中的压阻式柔性传感器利用织布和胶膜复合，并封装液态金属，利用液态金属和织布的柔性特性，形成超柔性的柔性传感器，并且其织布表面提升了用户的穿戴舒适感，提升了用户体验。

本发明实施例中的液态金属为室温液态的低熔点金属，具体地，液态金属可选用熔点在30℃以下的低熔点金属的单质或合金，不限于镓单质、镓铟共晶合金、镓锡共晶合金、镓铟锡共晶合金、镓铟锡锌共晶合金等。

本发明实施例中的液态金属的成型方式不限于打印、熔覆、喷涂、印刷、浸渍等。

在一些实施例中，本发明实施例中的液态金属为混合有导电金属颗粒的液态金属浆料，该导电金属颗粒不限于金、银、铜、铝、银包铜等。本发明实施例中通过在液态金属中混入导电金属颗粒，一方面可以极大的降低液态金属的表面张力，提升其粘附性，满足上辊印刷、穿透丝网等需求，避免缩线缩球问题等，另一方面，可改善液态金属的导电性能，降低其阻抗。

优选地，本发明实施例中的液态金属浆料中导电金属颗粒的占液态金属浆料的总体质量比在4％-10％，该配比下的液态金属浆料呈粘稠状，调节了其中液态金属的表面张力，使其可以良好的满足印刷的指标要求，可附着在辊体上并进行涂布印刷、亦可满足丝网印刷的过网要求。

本发明实施例中的第一织布层和/或第二织布层可选用无纺布、尼龙、水洗棉、涤纶、氨纶及多种材料混纺的织布等。优选地，第一织布层和第二织布层选用涤氨混纺布；其中，织布层的纱支粗细在30-100D(单位：丹尼)之间。

本发明实施例中的织布在复合基材上的作用之一在于提供一定的结构强度，控制柔性基材的整体可拉伸程度，避免柔性可拉伸复合基材由于拉伸程度过大，导致成型后的柔性可拉伸电路的结构稳定性下降的问题，使柔性可拉伸复合基材的最大拉伸程度不足以影响后续液态金属电极的结构稳定性。

一般的织布的可拉伸程度不超过100％，远低于胶膜的可拉伸程度，通过将两者复合一体，可将柔性复合基材的可拉伸程度保持与织布的可拉伸程度基本一致，进而达到避免拉伸过度，保护液态金属电极稳定可靠的目的。

本发明实施例中的第一胶膜层和/或第二胶膜层可选用热塑性胶膜或压敏性胶膜，例如聚氨酯PU、热塑性聚氨酯TPU、热塑性硫化橡胶TPV、硅胶等。本发明实施例中的胶膜层，自身具有柔性可拉伸的性能，其与织布形成复合基材上的作用不限于降低/消除织布的孔隙、提高液态金属在胶膜上的附着力、使织布表面毛糙平整化、提升一定的拉伸恢复力中的一种或多种。

优选地，本发明实施例中的织布选用可拉伸程度不低于1％、且不高于30％的织布。通过选用该织布制作的柔性可拉伸复合基材具有稳定性高的效果，由其所制作的柔性可拉伸电路的可以满足中低拉伸需求，并且使用寿命长，不易损坏。优选地，本发明实施例中的织布选用可拉伸程度不低于5％，且不高于15％的涤纶布，该布经过复合后结构稳定性强，并且其表面适于贴附皮肤，可提升用户的穿戴体验。

本发明实施例中的可拉伸程度是指在基材相较于正常舒张状态的可拉伸范围。

本发明实施例中的压阻薄片可以选用市面上现有的压阻薄膜，例如由PI和石墨烯组成的压阻薄片，除此之外，也可以利用石墨烯溶液通过沉积等方式直接在液态金属表面形成压阻薄片；其过程中可利用掩模或激光蚀刻的方式实现压阻薄片的图案化。

在一些实施例中，第一液态金属电极和第二液态金属电极可通过在第一织布层(及第一胶膜层)或第二织布层(及第二胶膜层)上进行开窗后引出；在一些可选地实施例中，可在第一织布层(及第一胶膜层)或第二织布层(及第二胶膜层)的开窗处设置导电接驳片，通过导电接驳片连接液态金属与外部线路；其中，该导电接驳片可位于第一织布层与第一胶膜层之间，亦可第一胶膜层与第二胶膜层之间，亦可第二胶膜层与第二织布层之间；导电接驳片的尺寸大于开窗尺寸，以此利用基材对导电接驳片形成卡持固定。导电接驳片可采用铜、铝等金属片，可满足外部线路通过焊接等方式进行稳定连接。

在一些可选地实施例中，压阻式柔性传感器还包括：介于所述第一胶膜层2和所述第二胶膜层5之间的FPC连接件7；其中，所述FPC连接件7的一端与所述第一液态金属电极31和所述第二液态金属电极32搭接，其另一端自所述第一织布层1或第二织布层6引出。该引出的方式不限于开窗或未覆盖全部FPC连接件7实现。

优选地，FPC连接件可采用三层结构，即包括PI膜、导电线路、PI膜的结构，导电线路的两端分别暴露在PI膜外，作为FPC连接件的第一端电极和第二端电极，用以连接液态金属电极及外部线路。导电线路的材质不限于铜、铝等导电金属。本发明实施例中通过利用FPC连接件作为连接液态金属电极与外部线路的中间件，避免了液态金属电极与外部线路的直接连接，降低了液态金属电极的可焊接需求，同时利用传统的FPC连接件与外部线路连接，提升了柔性传感器的结构稳定性和可靠性。

优选地，在一些可选地实施例中，所述第一织布层和/或所述第二织布层相对于所述FPC连接件与液态金属电极搭接的区域为不可拉伸的硬化区域。本发明通过将FPC连接件与液态金属电极搭接的区域设置成不可拉伸结构，避免液态金属电极与FPC连接件的端部的摩擦、位移，加强了连接处的稳定性，避免断路，以及减缓液态金属由于摩擦导致的氧化问题。具体地，将FPC连接件与液态金属电极搭接的区域设置成不可拉伸的硬化区域的方式不限于在局部架设不可拉伸的加强片(例如PI膜、PET膜等)，亦或者直接在该区域内涂覆硬化胶，待硬化胶固化后形成该不可拉伸的硬化区域。优选地，本发明实施例中的硬化区域通过硬化胶实现，该硬化胶可直接渗入织物层内，从而不会增加柔性传感器的整体厚度，并且由于其直接渗入织物层内，可与织物层形成稳定结合，不易起皮和剥落。

在一些可选地实施例中，所述第一液态金属电极31和所述第二液态金属电极32包括接触端301、外接端302、以及连接所述接触端301和外接端302的连接部303；所述压阻薄片4覆盖所述第一液态金属电极31和所述第二液态金属电极32的接触端301；液态金属电极的外接端302则用于与FPC连接件或导电接驳片连接。

在一些可选地实施例中，所述第一液态金属电极和所述第二液态金属电极的接触端为叉指状。本发明实施例中，将第一液态金属电极和所述第二液态金属电极的接触端为叉指状，可以有效的提升液态金属电极与压阻薄片的接触面积，从而更为稳定可靠的获取压阻薄片在外力作用下的电学信号变化。

在一些可选地实施例中，所述印刷电极层还包括：印刷在第一胶膜层2上的不浸润液态金属的掩模33；所述第一液态金属电极31和所述第二液态金属32形成在所述掩模33中预留的图案化的凹槽内。本发明通过形成掩模在基材上形成浸润和不浸润的差异，从而实现通过印刷的方式利用上述差异进行液态金属电极图案的印制。

其中，不浸润液态金属的掩模33为由激光打印机打印形成的图案化的碳粉层。本发明实施例中的不浸润液态金属的掩模可为图案化的碳粉层，该图案化的碳粉层内包含图案化的用以填充液态金属的凹槽，该碳粉层可通过传统的激光打印机实现图案化印制，无需其它中间掩模，工艺简单成熟，成本低，精度高。并且该碳粉层可根据用户需求选用不同颜色，以此提升用户的视觉感官体验。本发明的另一些实施例中，不浸润液态金属的掩模31亦可以采用其它不浸润液态金属的材质，不限于聚四氟乙烯、蜡等。

优选地，本发明实施例中的第一织布层的厚度范围：0.05-0.15mm；第二织布层的厚度范围：0.05-0.15mm；第一胶膜层的厚度范围：0.05-0.15mm；第二胶膜层的厚度范围：0.05-0.15mm；液态金属电极的厚度范围：0.01-0.05mm；碳粉层的厚度范围：0-0.005mm。压阻薄片的厚度范围0.05-0.2mm：

本发明实施例中的柔性传感器采用上述厚度的各层进行复合后，柔性传感器的整体厚度可在0.45-0.65mm，厚度极薄的同时，保证了结构稳定性，提升了用户穿戴体验和质量的可靠性。

本发明的另一个目的在于提供一种压阻式柔性传感器的制作方法，可用以制作上述压阻式柔性传感器。

在一些说明性实施例中，所述压阻式柔性传感器的制作方法，包括：

步骤S1、获取由第一织布层和第一胶膜层构成的第一复合基材；

步骤S2、在所述第一复合基材的第一胶膜层的表面上形成不浸润液态金属的掩模；该掩模内形成有与待印制的第一液态金属电极和第二液态金属电极形状一致的凹槽；

步骤S3、将液态金属浆料印刷至所述掩模表面，使液态金属浆料填充于所述掩模的凹槽内，形成第一液态金属电极和第二液态金属电极；

优选地，将液态金属浆料印刷至所述掩模表面，可通过整版涂布的方式，利用掩模和胶膜层对液态金属浆料的选择性，实现液态金属电极的成型。

步骤S4、将压阻薄片覆盖所述第一液态金属电极和第二液态金属电极；

步骤S5、获取由第二织布层和第二胶膜层构成的第二复合基材；

步骤S6、将所述第二复合基材的第二胶膜层一侧与所述第一复合基材的第一胶膜层一侧相对并复合。

本发明实施例中的复合方式不限于压制、热压等。

在一些可选地实施例中，在步骤S3和步骤S5之间，还包括：在所述液态金属电极上搭接FPC连接件，使液态金属电极与所述FPC连接件的第一端搭接。

在一些可选地实施例中，还包括：在所述复合基材相对于所述FPC连接件的第二端的位置进行开窗处理，形成暴露所述FPC连接件的第二端的开窗结构。

在一些实施例中，在步骤S6之后，还包括：

在第一织布层和/或第二织布层相对于液态金属电极与所述FPC连接件的搭接处涂覆硬化胶，待硬化胶固化后，在该位置处形成硬化区域。

本发明实施例中的柔性传感器的制作方法，具有工艺简单，效率高，精度高等优势，并且利用传统且成熟的激光打印机形成作为掩模的碳粉层，可以满足用户的个性化的柔性传感器制作，提升工艺的普适性。

本领域技术人员还应当理解，结合本文的实施例描述的各种说明性的逻辑框、模块、电路和算法步骤均可以实现成电子硬件、计算机软件或其组合。为了清楚地说明硬件和软件之间的可交换性，上面对各种说明性的部件、框、模块、电路和步骤均围绕其功能进行了一般地描述。至于这种功能是实现成硬件还是实现成软件，取决于特定的应用和对整个系统所施加的设计约束条件。熟练的技术人员可以针对每个特定应用，以变通的方式实现所描述的功能，但是，这种实现决策不应解释为背离本公开的保护范围。

Claims (10)

1.一种压阻式柔性传感器，其特征在于，包括：第一织布层、第一胶膜层、印刷电极层、压阻薄片、第二胶膜层和第二织布层；所述第一胶膜层复合在所述第一织布层的表面，所述第二胶膜层复合在所述第二织布层的表面；所述印刷电极层和所述压阻薄片封装于所述第一胶膜层和所述第二胶膜层之间；其中，所述印刷电极层包括非接触的第一液态金属电极和第二液态金属电极，所述第一液态金属电极和所述第二液态金属电极通过覆盖在其上的所述压阻薄片连接。

2.根据权利要求1所述的压阻式柔性传感器，其特征在于，所述第一液态金属电极和所述第二液态金属电极包括接触端、外接端、以及连接所述接触端和外接端的连接部；所述压阻薄片覆盖所述第一液态金属电极和所述第二液态金属电极的接触端。

3.根据权利要求2所述的压阻式柔性传感器，其特征在于，所述第一液态金属电极和所述第二液态金属电极的接触端为叉指状。

4.根据权利要求1所述的压阻式柔性传感器，其特征在于，还包括：介于所述第一胶膜层和所述第二胶膜层之间的FPC连接件；其中，所述FPC连接件的一端与所述第一液态金属电极和所述第二液态金属电极搭接，其另一端自所述第一织布层或第二织布层引出。

5.根据权利要求4所述的压阻式柔性传感器，其特征在于，所述第一织布层和/或所述第二织布层相对于所述FPC连接件与所述第一液态金属电极和第二液态金属电极搭接的区域为不可拉伸的硬化区域。

6.根据权利要求1所述的压阻式柔性传感器，其特征在于，所述印刷电极层还包括：印刷在第一胶膜层上的不浸润液态金属的掩模；所述第一液态金属电极和所述第二液态金属形成在所述掩模中预留的图案化的凹槽内。

7.根据权利要求6所述的压阻式柔性传感器，其特征在于，所述不浸润液态金属的掩模为由激光打印机打印形成的图案化的碳粉层。

8.根据权利要求1所述的压阻式柔性传感器，其特征在于，所述第一织布层和/或所述第二织布层为可拉伸程度在5％-15％的涤氨混纺布。

9.根据权利要求1所述的压阻式柔性传感器，其特征在于，所述液态金属中至少混合有导电金属颗粒。

10.一种压阻式柔性传感器的制作方法，其特征在于，包括：

步骤1、获取由第一织布层和第一胶膜层构成的第一复合基材；

步骤2、在所述第一复合基材的第一胶膜层的表面上形成不浸润液态金属的掩模；该掩模内形成有与待印制的第一液态金属电极和第二液态金属电极形状一致的凹槽；

步骤3、将液态金属浆料印刷至所述掩模表面，使液态金属浆料填充于所述掩模的凹槽内，形成第一液态金属电极和第二液态金属电极；

步骤4、将压阻薄片覆盖所述第一液态金属电极和第二液态金属电极；

步骤5、获取由第二织布层和第二胶膜层构成的第二复合基材；

步骤6、将所述第二复合基材的第二胶膜层一侧与所述第一复合基材的第一胶膜层一侧相对并复合。

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