CN118067159A - 一种曲面分片式的柔性传感器以及敏感层的制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种曲面分片式的柔性传感器以及敏感层的制作方法，所述包括柔性传感器包括利用支撑隔离层进行区域分片式划分形成的多个感应单元；每个感应单元均包括柔性电极层和敏感层，每个感应单元的柔性电极层通过一层或者多层金属镀膜连接；柔性电极层为两层结构或者三层结构；其中，两层结构包括柔性薄膜和设置在柔性薄膜上表面的金属镀膜；三层结构包括柔性薄膜和设置在所述柔性薄膜上表面和下表面的金属镀膜；支撑隔离层包括支撑隔离体，以及设置在其上下面的粘性材料；其中，支撑隔离体下表面的粘性材料与柔性电极层上表面的金属镀膜连接，支撑隔离体上表面的粘性材料与敏感层连接。本发明的柔性传感器具有更高的灵敏度以及可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种柔性传感器以及柔性传感器的敏感层的制作方法。
背景技术
目前传统的传感器为刚性，变形能力差，无法有效地对曲面进行测量，只能通过多个传感器阵列布局才能实现对曲面的测量，然后这种方式传感器数量大、线路多、成本高、不易携带，而且测试过程复杂。
目前市场上也有一些柔性传感器，虽然其平面测量效果较好，但是曲面测量常常由于曲率的影响，使得柔性传感器在贴合曲面时，易导致多层结构的间隙急剧缩小，从而极大的降低传感器测量的灵敏度和可靠性，不能满足穿戴设备、机器人等应用上的曲面测量或弯曲测量的需求，而且存在价格高、精度低、稳定性差的问题。
发明内容
本发明提供一种柔性传感器以及柔性传感器的敏感层的制作方法，用以解决现有技术中的传感器为刚性，变形能力差，曲面测量数量大、精度低的缺陷，解决当前柔性传感器在贴合曲面时，导致多层结构的间隙急剧缩小，而存在的低灵敏度和可靠性的缺点。
第一方面，本发明提供一种曲面分片式的柔性传感器，所述柔性传感器包括利用支撑隔离层进行区域分片式划分形成的多个感应单元；每个感应单元均包括柔性电极层和敏感层，柔性电极层和敏感层之间有支撑隔离层维持的间隙，并且每个感应单元的柔性电极层通过一层或者多层金属镀膜连接；所述柔性电极层为两层结构或者三层结构；其中，两层结构包括柔性薄膜和设置在所述柔性薄膜上表面的金属镀膜；三层结构包括柔性薄膜和设置在所述柔性薄膜上表面和下表面的金属镀膜；所述支撑隔离层的硬度和刚度都大于柔性电极层与敏感层，包括支撑隔离体以及设置在所述支撑隔离体上表面和下表面的粘性材料；其中，所述支撑隔离体为中空结构；其中，支撑隔离体下表面的粘性材料与柔性电极层上表面的金属镀膜连接，支撑隔离体上表面的粘性材料与敏感层连接。
根据本发明提供的柔性传感器，所述柔性电极层的上表面布置有至少一条正极电路和至少一条负极电路；
每条正极电路和每条负极电路均是基于阵列排布的金属镀膜图案形成的；其中，阵列排布的金属镀膜图案是对金属镀膜进行半导体工艺处理后形成的；
在敏感层未受到外界压力的情况下，每条正极电路与每条负极电路之间未形成通路；在敏感层受到外界压力接触到柔性电极层的情况下，存在正极电路与负极电路之间通过敏感层形成通路。
根据本发明提供的柔性传感器，在所述柔性电极层为三层结构的情况下，所述正极电路是由沿第一方向分布的连续的金属镀膜图案形成的；所述负极电路是由沿第二方向分布的多个间断的金属镀膜图案形成的；所述负极电路中的多个间断的金属镀膜图案由过孔的方式，在所述柔性电极层的下表面通过连续的金属镀膜图案实现串联连接。
根据本发明提供的柔性传感器，所述金属镀膜为铜模或金膜，所述金属镀膜的厚度为1μm至100μm。
根据本发明提供的柔性传感器，柔性薄膜材料为PET、PI、PDMS、PU、TPU、PC、PMMA及硅橡胶中的一种材料或多种材料混合而成；所述支撑隔离体的材料采用高分子材料，为PET、PI、PDMS、PU、TPU、PC、PMMA及硅橡胶中的一种材料或多种材料混合而成；所述粘性材料采用3M胶或水性胶一种或多种材料混合而成。
根据本发明提供的柔性传感器，还包括：封装层；所述封装层，用于封装所述柔性电极层、支撑隔离层和敏感层。
第二方面，本发明还提供一种柔性传感器的敏感层的制作方法，包括：利用溶剂将纳米导电颗粒与聚合物材料按照预设比例进行匀质混合，得到目标液状混合物；对目标液状混合物进行反复加热搅拌分散，以得到预设粘度的粘稠状混合物；将预设粘度的粘稠状混合物涂覆在聚合物薄膜上，通过加热烘干的方式形成敏感层。
本发明还提供一种柔性传感器的敏感层的制作方法，利用溶剂将纳米导电颗粒与聚合物材料按照预设比例进行匀质混合，得到目标液状混合物，包括：将聚合物材料和溶剂按照一定比例混合后搅拌，得到第一种液状混合物；以及，将纳米导电颗粒和溶剂按照一定比例混合并分散，得到第二种液状混合物；将两种液状混合物混合得到所述目标液状混合物。
本发明还提供一种柔性传感器的敏感层的制作方法，所述聚合物材料和溶剂的质量比例在1:1至1:15的范围内；所述纳米导电颗粒和溶剂的质量比例在1:1至1:10的范围内。
本发明还提供一种柔性传感器的敏感层的制作方法，所述预设粘度在2000至10000CP的范围内。
本发明提供的曲面分片式柔性传感器通过对柔性传感器进行区域分片式划分，实现柔性传感单元化感应，提升柔性传感器曲面感应灵敏性和解决曲面误触问题，可以采用贴片的方式实现曲面测量，具有曲面测量高灵敏度和可靠性的优点，解决了现有传统传感器刚性，变形能力差，曲面测量数量大、线路多、成本高、不易携带的缺点，解决现有柔性传感器在贴合曲面时，低灵敏度和可靠性的缺点，具有更高的灵敏度以及可靠性。
本发明提供的柔性传感器的敏感层的制作方法，同时具有工艺简单，成本低，适合大规模产业化生产的特点，具有很好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明提供的柔性传感器区域分片式感应单元划分示意图；
图2是本发明提供的柔性传感器的感应单元的结构示意图；
图3是本发明提供的支撑隔离层的结构示意图；
图4是本发明提供的柔性传感器的柔性电极层的结构示意图；
图5是本发明提供的正极电路和负极电路的分布示意图之一；
图6是本发明提供的正极电路和负极电路的分布示意图之二；
图7是本发明提供的柔性传感器的敏感层的制作方法的流程示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明中的附图，对本发明中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
需要说明的是，在本发明实施例的描述中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。术语“上”、“下”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。除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
本申请中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便本申请的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施，且“第一”、“第二”等所区分的对象通常为一类，并不限定对象的个数，例如第一对象可以是一个，也可以是多个。
下面结合图1-图7描述本发明实施例所提供的曲面分片式的柔性传感器以及柔性传感器的敏感层的制作方法。
图1是本发明提供的柔性传感器区域分片式感应单元划分示意图，如图1所示，所述柔性传感器包括利用支撑隔离层进行区域分片式划分形成的多个感应单元。
图2是本发明提供的柔性传感器的感应单元的结构示意图，如图2所示，每个感应单元均包括柔性电极层10和敏感层30，柔性电极层和敏感层之间有支撑隔离层维持的间隙，并且每个感应单元的柔性电极层通过一层或者多层金属镀膜连接；即图1和图2中所示的线路连接。
所述柔性电极层为两层结构或者三层结构；其中，两层结构包括柔性薄膜和设置在所述柔性薄膜上表面的金属镀膜；三层结构包括柔性薄膜和设置在所述柔性薄膜上表面和下表面的金属镀膜。
进一步地，所述三层结构柔性电极层的上表面金属膜布置有至少一条正极电路和至少一条负极电路，每个正极电路沿第一方向分布，每个负极电路沿第二方向分布，以通过检测电阻的变化，定位正极电路与负极电路的位置，实现按压点的定位识别。
在一种优选的情况下，正极电路横向分布，负极电路纵向分布，两者相互垂直。
可以理解的是，在柔性电极层为两层结构时，每个感应单元的柔性电极层通过一层金属镀膜连接；在柔性电极层为三层结构时，每个柔性电极层的上下两层的金属镀膜分别进行连接。
图3是本发明提供的支撑隔离层的结构示意图，如图3所示，所述支撑隔离层20的硬度和刚度都大于柔性电极层与敏感层，包括支撑隔离体21，以及设置在所述支撑隔离体上表面和下表面的粘性材料22，其中，支撑隔离体下表面的粘性材料22与柔性电极层上表面的金属镀膜连接，支撑隔离体上表面的粘性材料22与敏感层30连接。其中，支撑隔离体21可以为网格、格栅或圆环等中空结构。例如，支撑隔离体21可以为上下两面贯通的长方体。
本发明中采用丝网印刷工艺将粘性材料与支撑隔离体进行复合形成支撑隔离层，所述支撑隔离层的硬度和刚度都大于柔性电极层与敏感层，对柔性传感器起到整体支撑作用，使得传感器在弯曲测量过程中，柔性电极层与敏感层的间隙保持稳定不变，这种情况下，即便敏感层由于弯曲应力导致电阻下降，但并没有与电极层接触，从而不会发生柔性压阻传感器的误判，只有在外力作用下，如手指接触时，敏感层才会与电极层接触，此时，柔性压阻传感器的接触判断才会更加准确，提升曲面测量柔性传感器的可靠性。
可选地，金属镀膜可以为铜模或金膜，图4是本发明提供的柔性传感器的柔性电极层的结构示意图，如图4所示，三层结构包含柔性薄膜11、上表面超薄铜模或金膜13和下表面超薄铜模或金膜12。
如图4所示，柔性电极层10的上表面超薄铜模或金膜13和下表面超薄铜模或金膜12经过曝光、显影、刻蚀可形成多个阵列排布的形状，形状包含但不限于矩形、菱形、圆形以及三角形等多边形形状。
图5是本发明提供的正极电路和负极电路的分布示意图之一，如图5所示，本发明提供的曲面分片式的柔性传感器，所述柔性电极层的上表面布置有至少一条正极电路和至少一条负极电路；每条正极电路和每条负极电路均是基于阵列排布的金属镀膜图案形成的；其中，阵列排布的金属镀膜图案是对金属镀膜进行半导体工艺处理后形成的；在敏感层未受到外界压力的情况下，每条正极电路与每条负极电路之间未形成通路；在敏感层受到外界压力接触到柔性电极层的情况下，存在正极电路与负极电路之间通过敏感层形成通路。
本发明可以通过测量正极电路和负极电路之间的电阻变化，以实现传感器的感知，并且可以基于不同位置的正极电路和负极电路实现按压点的位置判定。
基于上述实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明提供的曲面分片式的柔性传感器，在所述柔性电极层为三层结构的情况下，所述正极电路是由沿第一方向分布的连续的金属镀膜图案形成的；所述负极电路是由沿第二方向分布的多个间断的金属镀膜图案形成的；所述负极电路中的多个间断的金属镀膜图案由过孔的方式，在所述柔性电极层的下表面通过连续的金属镀膜图案实现串联连接。
图6是本发明提供的正极电路和负极电路的分布示意图之二，如图6所示，正极电路的第一方向分布可以为横向分布；负极电路的第二方向分布可以为纵向分布，并且背面走线。
本发明中的三层结构柔性电极层上表面金属膜的正极电路横向分布，负极电路纵向分布，目的是可以通过检测电阻的变化，迅速定位到哪一条正极横向分布与哪一条负极纵向分布之间的电阻发生变坏，而实现按压点的位置判定。
可选地，柔性薄膜厚度为0.1mm至2mm，所述金属镀膜的厚度为1μm至100μm，柔性薄膜11的材料为PET、PI、PDMS、PU、TPU、PC、PMMA及硅橡胶中的一种材料或多种材料混合而成。
可选地，本发明中的支撑隔离体采用以下工艺进行制作：激光切割工艺、刀具切割工艺以及模具切割工艺。
可选地，支撑隔离层中支撑隔离体的材料采用高分子材料制作而成。具体地，本发明中的支撑隔离体可以采用PET、PI、PDMS、PU、TPU、PC、PMMA及硅橡胶中的一种材料或多种材料混合制作而成。
可选地，本发明中的粘性材料采用3M胶或水性胶一种或多种材料混合而成。
柔性传感器弯曲时，由于弯曲应力的影响，使得敏感层内部存在弯曲应力，从而导致敏感层电阻下降。在没有网状支撑层的情况下，则敏感层会与电极层直接连接，使得电极层感应到敏感层电阻的变化，易造成柔性压阻传感器的误判。
需要说明的是，本发明中的支撑隔离层的宽度、厚度、长度、网格形状以及大小都可以根据实际的需求进行适应性的调整。
本发明可以利用溶剂将纳米导电颗粒与聚合物材料按照一定比例进行匀质混合，加热蒸发后，通过丝网印刷的方式，将一定粘度的材料均匀涂覆在聚合物薄膜上，干燥成型为固体层，从而形成敏感层，所述敏感层包含干燥成型的固体层和聚合物薄膜。
可以理解的是，支撑隔离层20的粘性材料22与聚合物薄膜上涂覆的固体层连接，实现与敏感层的连接。
可选地，本发明中的纳米导电颗粒直径为1nm-1000nm，纳米导电颗粒材料采用超导炭黑、石墨烯、还原氧化石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管的一种或多种混合而成。
可选地，本发明中的聚合物材料采用TPU，PDMS，硅橡胶一种或多种混合而成。
可选地，本发明中的纳米导电颗粒与聚合物材料配比质量比例在1:1至1:100的范围内。
本发明提供的柔性传感器还包括封装层，所述封装层可以设置在敏感层的上方用于封装所述柔性电极层、支撑隔离层和敏感层。
本发明提供的柔性传感器可以采用贴片的方式实现曲面测量，具有曲面测量高灵敏度和可靠性的优点，解决了现有传统传感器刚性，变形能力差，曲面测量数量大、线路多、成本高、不易携带的缺点，解决现有柔性传感器在贴合曲面时，低灵敏度和可靠性的缺点。
基于上述实施例的内容，作为一种可选的实施例，本发明中的柔性电极层的电路是所述金属镀膜经过半导体工艺制作而成的。
图7是本发明提供的柔性传感器的敏感层的制作方法的流程示意图，如图7所示，所述步骤包括：
步骤701：利用溶剂将纳米导电颗粒与聚合物材料按照预设比例进行匀质混合，得到目标液状混合物。
其中，纳米导电颗粒直径为1nm至1000nm，纳米导电颗粒材料采用超导炭黑、石墨烯、还原氧化石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管的一种或多种混合而成。聚合物材料采用TPU，PDMS，硅橡胶一种或多种混合而成。
可选地，步骤701具体为：
将聚合物材料和溶剂按照一定比例混合后搅拌，得到第一种液状混合物；以及，将纳米导电颗粒和溶剂按照一定比例混合并分散，得到第二种液状混合物；
将两种液状混合物混合得到所述目标液状混合物。
其中，所述聚合物材料和溶剂的质量比例在1:1至1:15的范围内；搅拌时间可以为1至4小时，所述纳米导电颗粒和溶剂的质量比例在1:1至1:10的范围内，可以进行超声1至2小时。
步骤702：对目标液状混合物进行反复加热搅拌分散，以得到预设粘度的粘稠状混合物。
其中，本发明中的预设粘度可以在2000至10000CP的范围内。
步骤703：将预设粘度的粘稠状混合物涂覆在聚合物薄膜上，通过加热烘干的方式形成固体层，从而形成敏感层。所述敏感层包含固体层和聚合物薄膜。
可选地，本发明采用丝网印刷的方式将一定粘度的材料均匀涂覆在聚合物薄膜上。
可选地，本发明采用高温干燥箱加热温度80至150℃，加热时间可以为1至4小时。
本发明提供的柔性传感器的敏感层的制作方法，同时具有工艺简单，成本低，适合大规模产业化生产的特点，具有很好的应用前景。
以上所述者，仅为本公开的示例性实施例，不能以此限定本公开的范围。即但凡依本公开教导所作的等效变化与修饰，皆仍属本公开涵盖的范围内。本领域技术人员在考虑说明书及实践这里的公开后，将容易想到本公开的其实施方案。本申请旨在涵盖本公开的任何变型、用途或者适应性变化，这些变型、用途或者适应性变化遵循本公开的一般性原理并包括本公开未记载的本技术领域中的公知常识或惯用技术手段。说明书和实施例仅被视为示例性的，本公开的范围和精神由权利要求限定。
以上实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
本领域的技术人员容易理解，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 (10)
1.一种曲面分片式的柔性传感器，其特征在于，所述柔性传感器包括利用支撑隔离层进行区域分片式划分形成的多个感应单元；
每个感应单元均包括柔性电极层和敏感层，柔性电极层和敏感层之间有支撑隔离层维持的间隙，并且每个感应单元的柔性电极层通过一层或者多层金属镀膜连接；
所述柔性电极层为两层结构或者三层结构；其中，两层结构包括柔性薄膜和设置在所述柔性薄膜上表面的金属镀膜；三层结构包括柔性薄膜和设置在所述柔性薄膜上表面和下表面的金属镀膜；
所述支撑隔离层的硬度和刚度都大于柔性电极层与敏感层，包括支撑隔离体以及设置在所述支撑隔离体上表面和下表面的粘性材料；其中，所述支撑隔离体为中空结构；
其中，支撑隔离体下表面的粘性材料与柔性电极层上表面的金属镀膜连接，支撑隔离体上表面的粘性材料与敏感层连接。
2.根据权利要求1所述的柔性传感器，其特征在于，所述柔性电极层的上表面布置有至少一条正极电路和至少一条负极电路；
每条正极电路和每条负极电路均是基于阵列排布的金属镀膜图案形成的；其中，阵列排布的金属镀膜图案是对金属镀膜进行半导体工艺处理后形成的；
在敏感层未受到外界压力的情况下，每条正极电路与每条负极电路之间未形成通路；在敏感层受到外界压力接触到柔性电极层的情况下，存在正极电路与负极电路之间通过敏感层形成通路。
3.根据权利要求2所述的柔性传感器，其特征在于，在所述柔性电极层为三层结构的情况下，所述正极电路是由沿第一方向分布的连续的金属镀膜图案形成的；所述负极电路是由沿第二方向分布的多个间断的金属镀膜图案形成的；
所述负极电路中的多个间断的金属镀膜图案由过孔的方式，在所述柔性电极层的下表面通过连续的金属镀膜图案实现 串联连接。
4.根据权利要求1所述的柔性传感器，其特征在于，所述金属镀膜为铜模或金膜，所述金属镀膜的厚度为1μm至100μm。
5.根据权利要求1所述的柔性传感器，其特征在于，柔性薄膜材料为PET、PI、PDMS、PU、TPU、PC、PMMA及硅橡胶中的一种材料或多种材料混合而成；
所述支撑隔离体的材料采用高分子材料，为PET、PI、PDMS、PU、TPU、PC、PMMA及硅橡胶中的一种材料或多种材料混合而成；
所述粘性材料采用3M胶或水性胶一种或多种材料混合而成。
6.根据权利要求1所述的柔性传感器，其特征在于，还包括：封装层；
所述封装层，用于封装所述柔性电极层、支撑隔离层和敏感层。
7.一种柔性传感器的敏感层的制作方法，应用于如权利要求1至6中任一所述的柔性传感器，其特征在于，包括：
利用溶剂将纳米导电颗粒与聚合物材料按照预设比例进行匀质混合，得到目标液状混合物；
对目标液状混合物进行反复加热搅拌分散，以得到预设粘度的粘稠状混合物；
将预设粘度的粘稠状混合物涂覆在聚合物薄膜上，通过加热烘干的方式形成敏感层。
8.根据权利要求7所述的敏感层的制作方法，其特征在于，利用溶剂将纳米导电颗粒与聚合物材料按照预设比例进行匀质混合，得到目标液状混合物，包括：
将聚合物材料和溶剂按照一定比例混合后搅拌，得到第一种液状混合物；以及，将纳米导电颗粒和溶剂按照一定比例混合并分散，得到第二种液状混合物；
将两种液状混合物混合得到所述目标液状混合物。
9.根据权利要求8所述的敏感层的制作方法，其特征在于，所述聚合物材料和溶剂的质量比例在1:1至1:15的范围内；所述纳米导电颗粒和溶剂的质量比例在1:1至1:10的范围内。
10.根据权利要求7所述的敏感层的制作方法，其特征在于，所述预设粘度在2000至10000CP的范围内。
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