CN117109782A - 压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及压力传感器技术领域，公开了一种压力传感器及其制备方法，包括基底层；导电层，其位于所述基底层一侧，所述导电层包括间隔布置的高电阻区和低电阻区，所述高电阻层通过激光加工形成；电极层，其位于所述导电层背向所述基底层的一侧；粘合层，其位于所述电极层和所述导电层之间以粘连所述导电层和所述电极层。基底层上设置有导电层，导电层通过粘合层连接电极层，导电层在正常加工过程中加入激光加工工序，在激光加工后形成间隔分布的高电阻区和低电阻区，低电阻区和高电阻区的存在，减小了串联体的电阻，提高传感器的线性量程，而且制备工艺简单，成本较低，有利于工业化生产的推广。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器技术领域，特别是涉及一种压力传感器及其制备方法。
背景技术
目前，柔性压力传感器具有轻薄柔、便携、集成度高和设计性强等特点，能够贴附在人体皮肤或复杂曲面上实现响应过程，在可穿戴设备、人机交互、工业检测等领域极具应用潜力。
压阻式的薄膜压力传感器由于其结构简单、性能稳定的特点是目前市面上最常见的类型，主要分为压阻橡胶型以及微结构型传感器。对于传统的基于压阻橡胶结构的柔性传感器，主要靠压阻油墨的本体压阻效应实现功能。压阻油墨制备工艺复杂，成本较高且灵敏度、量程均表现不佳。
基于微结构型的柔性压力传感器具有高灵敏度、高线性度等优点，该类传感器电阻一般由接触电阻和串联体电阻构成，传感器主要依靠受力时接触电阻的变化来反馈力的大小。当施加大压力时，接触电阻接近串联体电阻，从而使总电阻随压力变化受幅度减小，这对传感器线性量程范围的带来极大影响。为了提高传感器线性量程，需要尽可能减小串联体电阻。目前具有一种通过设置多层导电层以构建高低导电层来实现减小串联电阻的方法。但该策略制备工艺复杂，成本较高，不利于工业化推广。
发明内容
本发明的目的是：提高一种压力传感器及其制备方法，减小了串联体的电阻，提高传感器的线性量程，而且制备工艺简单，成本较低，有利于工业化生产的推广。
为了实现上述目的，本发明提供了一种压力传感器，包括
基底层；
导电层，其位于所述基底层一侧，所述导电层包括间隔布置的高电阻区和低电阻区，所述高电阻层通过激光加工形成；
电极层，其位于所述导电层背向所述基底层的一侧；
粘合层，其位于所述电极层和所述导电层之间以粘连所述导电层和所述电极层。
本发明实施例一种压力传感器与现有技术相比，其有益效果在于：基底层上设置有导电层，导电层通过粘合层连接电极层，导电层在正常加工过程中加入激光加工工序，在激光加工后形成间隔分布的高电阻区和低电阻区，低电阻区和高电阻区的存在，减小了串联体的电阻，提高传感器的线性量程，而且制备工艺简单，成本较低，有利于工业化生产的推广。
本发明实施例的压力传感器，所述导电层包括导电填料、反应剂、催化剂、分散剂、抗氧剂和溶剂。
本发明实施例的压力传感器，所述导电填料、所述反应剂、所述催化剂、所述分散剂、所述抗氧剂和所述溶剂的质量比例为5-20：5-10：0.2-0.5：5-20：0.5-1：100。
本发明实施例的压力传感器，所述导电填料包括石墨烯、碳纳米管或炭黑的至少其中之一。
本发明实施例的压力传感器，所述反应剂用于在激光条件下与所述导电填料反应形成所述高电阻区，所述反应剂包括氧化硅、氧化硼、氧化钛或氧化钨的至少其中之一。
本发明实施例的压力传感器，所述催化剂用于催化所述导电填料和所述反应剂在激光条件下进行反应，所述催化剂包括镧系氧化物、钪系氧化物或钇系氧化物的至少其中之一。
本发明实施例的压力传感器，所述分散剂用于分散导电填料、反应剂、催化剂和抗氧剂，所述分散剂包括聚氨酯、SEBS、PET或PS的至少其中之一。
本发明实施例的压力传感器，所述抗氧剂用于防止所诉分散剂在激光作用下被氧化，所述抗氧剂包括受阻酚类抗氧剂或亚磷酸类抗氧剂。
本发明实施例的压力传感器，所述溶剂包括DMF、DMAc、甲苯、THF、丙酮、水或乙醇的至少其中之一。
本发明实施例的压力传感器，所述基底层的材料包括PET、PC、PP、PMMA、PI、PU或硅胶的至少其中之一。
本发明实施例的压力传感器，所述电极层包括柔性FPC或者丝网印刷的导电线路，所述导电线路为插指型、嵌套型或发散电路型。
本发明还提供了一种压力传感器的制备方法，用于制备权利要求1-12任一项所述的压力传感器，包括以下步骤：
对所述基底层进行清理和初步处理；
将所述导电填料、所述反应剂、所述激光催化剂混合以形成所述导电层的墨水；
将所述墨水覆盖于所述基底层以形成导电层；
通过激光对所述导电层进行加工通过激光引发特定区域内的所述导电填料与所述反应剂反应，形成高电阻区，而未经过激光加工的区域形成低电阻区；
将所述导电层与所述电极层通过粘合层粘连。
本发明实施例一种压力传感器的制备方法与现有技术相比，其有益效果在于：制备压力传感器时，先加工基底层，然后加工导电层，通过激光对导电层进行间隔加工，使导电层中的导电填料和反应剂在催化剂的作用下生成低导电率的材料，形成高电阻区，高电阻区与未受到激光加工的低电阻区间隔设置，可达到减小串联体电阻并提高传感器的线性量程的效果。本申请的制备方法，工艺简单，成本较低，有利于工业化生产的推广。
本发明实施例的压力传感器的制备方法，在将所述导电填料、所述反应剂、所述激光催化剂混合以形成所述导电层的墨水后，将分散剂、抗氧剂溶解于溶剂中，然后将填料和溶剂混合加入，并进行剪切分散。
本发明实施例的压力传感器的制备方法，通过激光对电极层进行加工时，通过激光引发特定区域内涂层中的高导电碳材料与反应剂反应，生成碳化硼、碳化钛、碳化钨、碳化硅等低导电率的材料，激光光源选择光纤，波长为1064nm，激光输出功率5-10W，速度200-500mm/s，频率300kHz，脉冲宽度1us。
本发明实施例的压力传感器的制备方法，将所述墨水覆盖于所述基底层以形成导电层时，利用喷涂、旋涂或丝网印刷的方法将墨水均匀涂敷于基材表面，加热温度为60℃-100℃，加热时间为12h-24h。
本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。
附图说明
图1是本发明实施例的压力传感器的结构示意图；
图2是本发明一种实施例的压力传感器的电极层的结构示意图；
图3是本发明另一种实施例的压力传感器的电极层的结构示意图；
图4是本发明又一种实施例的压力传感器的电极层的结构示意图；
图5是本发明实施例的压力传感器的制备方法的流程示意图；
图6是本发明的实施例1的压力传感器在50MPa的工作曲线示意图；
图7是本发明的实施例1的压力传感器在10万次疲劳(半量程)后的工作曲线示意图；
图8是本发明的对比例3的压力传感器在50MPa的工作曲线示意图；
图9是本发明的对比例4的压力传感器在50MPa的工作曲线示意图；
图中，1、基底层；2、导电层；21、高电阻区；22、低电阻区；3、粘合层；4、电极层。
具体实施方式
下面详细描述本发明的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，仅用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，需要理解的是，涉及到方位描述，例如上、下、前、后、左、右等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
在本发明的描述中，若干的含义是一个或者多个，多个的含义是两个以上，大于、小于、超过等理解为不包括本数，以上、以下、以内等理解为包括本数。如果有描述到第一、第二只是用于区分技术特征为目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量或者隐含指明所指示的技术特征的先后关系。
本发明的描述中，除非另有明确的限定，设置、安装、连接等词语应做广义理解，所属技术领域技术人员可以结合技术方案的具体内容合理确定上述词语在本发明中的具体含义。
如图1所示，本发明优选实施例的一种压力传感器，压力传感器包括沿第二方向依次分布的基底层1、导电层2、粘合层3和电极层4；基底层1位于压力传感器的底部，其具有微结构，微结构可为球状、圆柱状、圆锥状、无规则状等形状。
导电层2位于所述基底层1上并连接基底层1，其具体为基底层1的表面涂层，导电层2包括沿第二方向间隔布置的高电阻区和低电阻区，高电阻层通过激光加工形成，激光加工后使导电层2在第二方向上形成间隔分布的高电阻区21和低电阻区22，低电阻区22和高电阻区21的存在，减小了串联体的电阻，提高传感器的线性量程，而且制备工艺简单，成本较低，有利于工业化生产的推广；电极层4位于导电层2的背向基底层1的一侧，粘合层3则位于电极层4和导电层2之间以粘连导电层2和电极层4，电极层4上具有导电线路以导通电流。
在本发明的一些实施例中，导电层2包括导电填料、反应剂、催化剂、分散剂、抗氧剂和溶剂，导电填料为导电层2的主题，反应剂用于在激光条件下和导电填料反应形成低导电率材料，催化剂用于催化导电填料和反应剂在激光条件下进行反应，分散剂用于分散导电填料、反应剂、催化剂和抗氧剂，抗氧剂用于防止所诉分散剂在激光作用下被氧化，溶剂用于溶解上述材料，多个组分共同作用，保证了激光照射时导电层2内反应剂和导电填料可稳定进行反应生成低导电率材料，形成高电阻区21。
在本发明的一些实施例中，导电填料、反应剂、催化剂、分散剂、抗氧剂和溶剂的质量比例为5-20：5-10：0.2-0.5：5-20：0.5-1：100，可保证导电填料与反应剂稳定在激光条件下进行反应；具体地，上述比例优选为10：8：0.2：10：0.5：100。
在本发明的一些实施例中，导电填料包括石墨烯、碳纳米管或炭黑等高导电率材料的至少其中之一。
在本发明的一些实施例中，反应剂用于在激光条件下与导电填料反应形成高电阻区21，反应剂包括氧化硅、氧化硼、氧化钛或氧化钨的至少其中之一，上述材料可在激光条件下与碳基高导的导电填料反应生成碳化硼、碳化钛、碳化钨、碳化硅等低导电率的材料，在导电层2形成高电阻区21。
在本发明的一些实施例中，催化剂用于催化导电填料和反应剂在激光条件下进行反应，催化剂包括镧系氧化物、钪系氧化物或钇系氧化物的至少其中之一。
在本发明的一些实施例中，分散剂用于分散导电填料、反应剂、催化剂和抗氧剂，分散剂包括聚氨酯、SEBS、PET或PS等高分子材料的至少其中之一。
在本发明的一些实施例中，抗氧剂用于防止所诉分散剂在激光作用下被氧化，抗氧剂包括受阻酚类抗氧剂或亚磷酸类抗氧剂。
在本发明的一些实施例中，溶剂包括DMF、DMAc、甲苯、THF、丙酮、水或乙醇等一种或多种。
在本发明的一些实施例中，基底层1的材料包括PET、PC、PP、PMMA、PI、PU或硅胶等高分子薄膜的至少其中之一。基底层1的厚度为0.05-0.3mm，优选为0.1mm。
在本发明的一些实施例中，粘合层3包括双面胶、液态胶水或热熔胶。双面胶主要以压敏胶为主，需要保证对织布有良好的粘合力。液态胶水为以硅胶为主要成分的慢干胶，固化后为弹性体。热熔胶为EVA、TPU、PO等热熔胶膜。粘合层3厚度为0.03-0.1mm，优选为0.05mm。
在本发明的一些实施例中，电极层4包括柔性FPC或者丝网印刷的导电线路，导电线路为插指型(如图2所示)、嵌套型(如图3所示)或发散电路型(如图4所示)。
如图3所示，本发明优选实施例的一种压力传感器的制备方法，用于制备权利要求1-12任一项的压力传感器，包括以下步骤：
S1：对基底层1进行清理和初步处理；
S2：将导电填料、反应剂、激光催化剂混合以形成导电层2的墨水；
S3：将墨水覆盖于基底层1以形成导电层2；
S4：通过激光对导电层2进行加工通过激光引发特定区域内的导电填料与反应剂反应，形成高电阻区21，而未经过激光加工的区域形成低电阻区22；
S5：将导电层2与电极层通过粘合层3粘连。
制备压力传感器时，先加工基底层1，然后加工导电层2，通过激光对导电层2进行间隔加工，使导电层2中的导电填料和反应剂在催化剂的作用下生成低导电率的材料，形成高电阻区21，高电阻区21与未受到激光加工的低电阻区22间隔设置，可达到减小串联体电阻并提高传感器的线性量程的效果。本申请的制备方法，工艺简单，成本较低，有利于工业化生产的推广。
在本发明的一些实施例中，对基底层1进行清理时，利用水或乙醇对微结构基底进行清理。清理完成后再利用等离子体技术对基底层1微结构进行处理，气体种类为空气、氧气、氮气、二氧化碳中的一种，气压为50-150Pa、功率为100-200W、时间为40s-200s。
在本发明的一些实施例中，在将导电填料、反应剂、激光催化剂混合以形成导电层2的墨水后，并用破壁机搅拌5min；再将分散剂、抗氧剂溶解于溶剂中，然后将填料和溶剂混合加入，并进行剪切分散，剪切分散的转速为10000rpm/min的转速，分散时间为1-2h。导电填料、反应剂、催化剂、分散剂、抗氧剂和溶剂的质量比例为5-20：5-10：0.2-0.5：5-20：0.5-1：100。
在本发明的一些实施例中，将墨水覆盖于基底层1以形成导电层2时，利用喷涂、旋涂或丝网印刷的方法将墨水均匀涂敷于基材表面，加热温度为60℃-100℃，加热时间为12h-24h，此时得到的导电区的电阻为0.5-1kΩ。
在本发明的一些实施例中，通过激光对电极层4进行加工时，通过激光引发特定区域内涂层中的高导电碳材料与反应剂反应，生成碳化硼、碳化钛、碳化钨、碳化硅等低导电率的材料，实现低电阻区22向高电阻区21的转变，即高导电区向低导电区的转变。激光光源选择光纤，波长为1064nm，激光输出功率5-10W，速度200-500mm/s，频率300kHz，脉冲宽度1us，经过上述激光加工后高电阻区21的电阻为0.1-10MΩ。
在本发明的一些实施例中，将导电层2与电极层通过粘合层3粘连时，利用点胶机在电极层4上对预设路线进行整版点胶，之后贴合上敏感层，室温压合，压力20-100kPa，压合0.5-1h，之后卸压放置24h至胶水完全固化。
本发明的一种优选实施例1中，基底层1为PC，厚度为0.1mm，其具有无规状微结构。导电层2中，导电填料为碳纳米管，反应剂为氧化硼，催化剂为镧系氧化物，分散剂为聚氨酯，抗氧剂为受阻酚类抗氧剂，溶剂为DMF。导电填料、反应剂、催化剂、分散剂、抗氧剂、溶剂质量比例为10：8：0.2：10：0.5：100。电极层4为插指型的柔性FPC。
基底层1用乙醇清理，之后用Plasma处理。导电层2的墨水用分散机在10000rpm/min的转速分散1-2h，之后利用超声喷涂制备面电阻为1-2kΩ的导电层2。之后依据插指结构，通过激光选择处理插指电极对应的导电层2区，激光光源选择光纤，波长为1064nm，激光输出功率5W，速度200mm/s，频率300kHz，脉冲宽度1us。最终得到的高电阻区21方阻为1MΩ。最后对传感器进行封装，选用硅胶液态胶，压力20kPa，压合1h，之后卸压放置24h至胶水完全固化。得到具有高量程的柔性压力传感器，在0-50MPa的压力范围内依旧保持较高的线性度(如图6所示)，半量程工作10万次后传感器的信号变化量小于10％(如图5所示)。
对比例1：不添加反应剂，其他流程与实施例1相同。最终激光处理之后涂层表面电阻增加到5kΩ，无法增大到1MΩ。相应的传感器线性区量程很小。
对比例2：不添加催化剂，其他流程与实施例1相同。最终激光处理之后涂层表面电阻增加到10kΩ，无法增大到1MΩ。相应的传感器线性区量程很小。
对比例3：整面进行激光处理(不选择加工)，其他流程与实施例1相同。最终导电涂层整面所有区域的面电阻均为1MΩ，制备的传感器在0-50MPa内线性度不佳，如图8所示。
对比例4：不进行激光处理，其他流程与实施例1相同。制备的传感器很快达到饱和，如图9所示。
综上，本发明实施例提供一种压力传感器及其制备方法，其低电阻区22和高电阻区21的存在，减小了串联体的电阻，提高传感器的线性量程，而且制备工艺简单，成本较低，有利于工业化生产的推广。
以上仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和替换，这些改进和替换也应视为本发明的保护范围。
Claims (15)
1.一种压力传感器，其特征在于，包括
基底层；
导电层，其位于所述基底层一侧，所述导电层包括间隔布置的高电阻区和低电阻区，所述高电阻区通过激光加工形成；
电极层，其位于所述导电层背向所述基底层的一侧；
粘合层，其位于所述电极层和所述导电层之间以粘连所述导电层和所述电极层。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述导电层包括导电填料、反应剂、催化剂、分散剂、抗氧剂和溶剂。
3.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于：所述导电填料、所述反应剂、所述催化剂、所述分散剂、所述抗氧剂和所述溶剂的质量比例为5-20：5-10：0.2-0.5：5-20：0.5-1：100。
4.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于：所述导电填料包括石墨烯、碳纳米管或炭黑的至少其中之一。
5.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于：所述反应剂用于在激光条件下与所述导电填料反应形成所述高电阻区，所述反应剂包括氧化硅、氧化硼、氧化钛或氧化钨的至少其中之一。
6.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于：所述催化剂用于催化所述导电填料和所述反应剂在激光条件下进行反应，所述催化剂包括镧系氧化物、钪系氧化物或钇系氧化物的至少其中之一。
7.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于：所述分散剂用于分散导电填料、反应剂、催化剂和抗氧剂，所述分散剂包括聚氨酯、SEBS、PET或PS的至少其中之一。
8.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于：所述抗氧剂用于防止所诉分散剂在激光作用下被氧化，所述抗氧剂包括受阻酚类抗氧剂或亚磷酸类抗氧剂。
9.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于：所述溶剂包括DMF、DMAc、甲苯、THF、丙酮、水或乙醇的至少其中之一。
10.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述基底层的材料包括PET、PC、PP、PMMA、PI、PU或硅胶的至少其中之一。
11.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述电极层包括柔性FPC或者丝网印刷的导电线路，所述导电线路为插指型、嵌套型或发散电路型。
12.一种压力传感器的制备方法，用于制备权利要求1-11任一项所述的压力传感器，其特征在于，包括以下步骤：
对所述基底层进行清理和初步处理；
将所述导电填料、所述反应剂、所述激光催化剂混合以形成所述导电层的墨水；
将所述墨水覆盖于所述基底层以形成所述导电层；
通过激光对所述导电层进行加工通过激光引发所述导电层内的所述导电填料与所述反应剂反应，形成高电阻区，而未经过激光加工的区域形成低电阻区；
将所述导电层与所述电极层通过粘合层粘连。
13.根据权利要求12所述的压力传感器的制备方法，其特征在于：在将所述导电填料、所述反应剂、所述激光催化剂混合以形成所述导电层的墨水后，将分散剂、抗氧剂溶解于溶剂中，然后将填料和溶剂混合加入，并进行剪切分散。
14.根据权利要求12所述的压力传感器的制备方法，其特征在于：通过激光对电极层进行加工时，通过激光引发导电层中的高导电碳材料与反应剂反应，生成低导电率的材料，激光光源选择光纤，波长为1064nm，激光输出功率5-10W，速度200-500mm/s，频率300kHz，脉冲宽度1us。
15.根据权利要求12所述的压力传感器的制备方法，其特征在于：将所述墨水覆盖于所述基底层以形成导电层时，利用喷涂、旋涂或丝网印刷的方法将墨水均匀涂敷于基材表面，加热温度为60℃-100℃，加热时间为12h-24h。
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