CN111289158A - 一种柔性压力传感器与柔性压力传感阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种柔性压力传感器与柔性压力传感阵列。其中，柔性压力传感器包括依次层叠设置的：衬底层，由柔性高分子聚合物制成；电极层，设于所述衬底层的表面，其基质采用所述柔性高分子聚合物，且所述柔性高分子聚合物中填有微米级银片或其它微纳米导电材料；传感层，电性连接所述电极层，其基质采用所述柔性高分子聚合物，且所述柔性高分子聚合物中填有纳米炭黑颗粒或其它微纳米导电材料。本发明通过对电极层的几何形状和传感层的微观结构进行可拉伸设计，有效提升了压力传感器的柔性及延展性，以及与非结构表面的集成性能，结构简单、便于加工、引线容易、成本低廉。

Description

一种柔性压力传感器与柔性压力传感阵列
技术领域
本发明涉及压力传感器技术领域，特别是涉及柔性压力传感器与柔性压力传感阵列，及其在柔性可穿戴设备及机器人触觉设备中的应用。
背景技术
无论是在工业制造和服务行业广泛应用的机器人，还是日益流行的可穿戴电子设备，或是临床医学，柔性传感器都是不可缺少的元件。近年来，随着世界范围内对柔性传感器研究的深入和扩展，大量的柔性传感器结构设计被提出。但很多器件由于其结构缺乏优良的弯曲性和可拉伸性，难以满足上述应用的需求。所以，在保证传感器性能的前提下，如何改善其柔性和弹性，成为了业界亟待解决的关键技术问题。
发明内容
本发明的目的在于提供一种可用于可穿戴设备或机器人触觉设备的柔性压力传感器和柔性压力传感阵列。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种柔性压力传感器，包括依次层叠设置的：衬底层，由柔性高分子聚合物制成；电极层，设于所述衬底层的表面，其基质采用所述柔性高分子聚合物，且所述柔性高分子聚合物中填入了微米级银片或其它微纳米导电材料；传感层，电性连接所述电极层，其基质采用所述柔性高分子聚合物，且所述柔性高分子聚合物中填入了纳米炭黑颗粒或其它微纳米导电材料。
于本发明一实施例中，所述柔性高分子聚合物包括：热塑性聚氨酯类弹性体、聚二甲基硅氧烷类弹性体、及聚烯烃类弹性体中的一种或多种。
于本发明一实施例中，所述衬底层、所述电极层、及所述传感层之间的弹性模量为预设值，其中所述电极层的弹性模量预设值为三层中最大，其它两层与所述电极层的弹性模量的比值可调。
于本发明一实施例中，所述电极层的制备方式包括：在所述柔性高分子聚合物中填入质量比超过一定百分数的微米级银片或其它微纳导电材料，并在混合均匀后印刷或打印于所述衬底层的表面。
于本发明一实施例中，所述电极层采用双螺旋结构或其它结构的插指电极设计。
于本发明一实施例中，所述传感层的制备方式包括：利用纳米炭黑颗粒或其它微纳米导电材料和牺牲性模板法制得多孔导电浆料，并将其印刷或打印于所述电极层的表面。
于本发明一实施例中，所述多孔导电浆料包含：一定质量分数的纳米炭黑颗粒或其它微纳米导电材料、一定百分数的牺牲性盐模板、及一定百分数的所述柔性高分子聚合物。
于本发明一实施例中，所述传感层采用一层或多层筛网结构，如：六层。
为实现上述目的及其他相关目的，本发明提供一种柔性压力传感阵列，包括：衬底层，由柔性高分子聚合物制成；电极阵列层，设于所述衬底层的表面，其基质采用所述柔性高分子聚合物，且所述柔性高分子聚合物中填入了微米级银片或其它微纳米导电材料，位于同行或同列的电极阵列的一侧电性连接；传感阵列层，对应地设于所述电极阵列层的表面，并与各所述电极阵列层电性连接，所述传感阵列层的基质采用所述柔性高分子聚合物，且所述柔性高分子聚合物中填入了纳米炭黑颗粒或其它微纳米导电材料。
于本发明一实施例中，所述柔性高分子聚合物包括：热塑性聚氨酯类弹性体、聚二甲基硅氧烷类弹性体、及聚烯烃类弹性体中的一种或多种。
于本发明一实施例中，所述衬底层、所述电极阵列层、及所述传感阵列层之间的弹性模量为预设值，其中所述电极阵列层的弹性模量的预设值为三层中最大。
于本发明一实施例中，所述电极阵列层所包含的各电极层的制备方式包括：在所述柔性高分子聚合物中填入质量比超过一定百分数的微米级银片或其它微纳米导电材料，并在混合均匀后印刷或打印于所述衬底层的表面。
于本发明一实施例中，所述电极阵列层所包含的各电极层采用双螺旋结构或其它结构的插指电极设计。
于本发明一实施例中，所述传感阵列层所包含的各传感层的制备方式包括：利用纳米炭黑颗粒或其它微纳米导电材料和牺牲性模板法制得多孔导电浆料，并将其对应地印刷或打印于所述电极阵列层的表面。
于本发明一实施例中，所述多孔导电浆料包含：一定质量分数的纳米炭黑颗粒或其它微纳米导电材料、一定百分数的牺牲性盐模板、及一定百分数的所述柔性高分子聚合物。
于本发明一实施例中，所述传感层采用一层或多层筛网结构，如：六层。
本发明提供的柔性压力传感器与柔性压力传感阵列，可用于监测人体体征的柔性可穿戴设备，或者用于机器人触觉感知设备。
如上所述，本发明的柔性压力传感器和柔性压力传感阵列，具有以下有益效果：
1、通过对传感器各层的模量失配设计，和对传感层的多层筛网结构设计，在保证传感器性能的基础上，有效提升了传感器的柔性和弹性，实现了传感器在50％拉伸状态下，电极层及传感层阻变在5％以内；
2、传感层多级孔设计有效提高了压阻式压力传感器的灵敏度、测量范围，并降低了电阻漂移量；
3、制备工艺简单、引线容易、成本低廉；
4、能够代替压电或压阻薄膜传感器，可广泛应用于各类压力检测、人体体征监测、机器人触觉等。
附图说明
图1显示为本发明一实施例中的柔性压力传感器的俯视图。
图2显示为图1柔性压力传感器沿A-A线的剖视图。
图3显示为图1中的电极层的俯视图。
图4显示为图1中的传感层沿A-A线的剖视图。
图5显示为本发明一实施例中的柔性压力传感阵列的结构示意图。
元件标号说明
1 衬底层
2 电极层
21 接线部
3 传感层
具体实施方式
以下通过特定的具体实例说明本发明的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容了解本发明的其他优点与功效。本发明还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本发明的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。
需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本发明的基本构想，遂图式中仅显示与本发明中有关的组件而非按照实际实施时的组件数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各组件的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其组件布局型态也可能更为复杂。
鉴于现有柔性传感器结构复杂、工艺难度大，而且可弯曲性、可拉伸性等相对不足的情况，本实施例提出新型的柔性压力传感器结构设计和制备工艺。如图1和图2所示，本实施例的柔性压力传感器为多层结构，由下而上依次为：衬底层1、电极层2、传感层3，其中，衬底层1、电极层2的基质、传感层3的基质均采用同样的柔性高分子聚合物制成，例如：热塑性聚氨酯弹性体、聚二甲基硅氧烷类弹性体、聚烯烃类弹性体等，从而达到结构简单、便于加工、界面稳定、柔性及弹性更佳等技术效果。
进一步地，本实施例的多层柔性压力传感器，利用弹性模量的失配，如：三层材料(衬底层、电极层、传感层)的弹性模量比值大约为3：9：1，可有效提升传感器抗面内拉伸的能力，使得器件在有面内应力的状态下仍能保证面外压力测试的有效性和准确性，从而提高柔性压力传感器的信噪比和精度，解决现有技术中由于面内和面外阻变机理相同而导致拉伸过程中面内应变影响面外压力测量的问题。
以下将分别对本实施例的衬底层1、电极层2、传感层3做详细介绍。
衬底层1采用通用的涂布、印刷或打印等工艺实现，其材料可包括：热塑性聚氨酯类弹性体、聚二甲基硅氧烷类弹性体、及聚烯烃类弹性体中的一种或任意多种的混合物，并用适当的有机溶剂(如：二甲基甲酰胺、甲苯和乙酸乙酯等)调节粘度，其中，高分子聚合物与有机溶剂的质量比可以为1：2～1：3，如1：2～1：2.2、1：2.2～1：2.4、1：2.4～1：2.5、1：2.5～1：2.7或1：2.7～1：3等。
参阅图3，于本实施例中，电极层2采用双螺旋插指电极结构，具体来说，该双螺旋插指电极结构由呈螺旋线圈状的大小与间距皆不限的独立正电极和独立负电极呈中心对称相间铺设，且独立正电极和独立负电极远离螺旋线圆心的尾端均设有接线部21。接线部21可供采样模拟电阻信号，该模拟电阻信号在转换为相应的数字信号后可进一步应用于电子控制。电极层2的制备方式例如：在与衬底层1相同的柔性高分子聚合物中填入质量比超过一定百分数(如80％)的微米级银片，并将二者混合均匀后印刷或打印于衬底层1的表面。
参阅图1、图2和图4，于本实施例中，传感层3采用两层筛网结构，具体来说，该筛网结构可通过两层“弓”字形传感材料组成，上层“弓”字形材料层与下层“弓”字形材料层交错设置。传感层3与电极层2电性连接，传感层3的筛网结构置于电极层2之上，其形状设计以及与电极的相对位置可调整。传感层3的制备方式例如：利用纳米炭黑颗粒和牺牲性模板法制得多孔导电浆料，并将其印刷或打印于电极层2的表面。
所述多孔导电浆料包含一定质量百分数的纳米炭黑颗粒、一定质量百分数的牺牲性NaCl(和/或蔗糖)模板、及一定质量百分数的与衬底层1、电极层2相同的柔性高分子聚合物。例如：以纳米炭黑颗粒、牺牲性模板和柔性高分子聚合物的总质量计，纳米炭黑颗粒的质量百分比为2％～5％，如2％～3％、3％～4％或4％～5％等，牺牲性模板的质量百分比为75％～85％，如75％～77％、77％～81％、81％～82％或82％～85％等，柔性高分子聚合物的质量百分比为10％～23％，如10％～14％、14％～15％、15％～20％、20％～22％或20％～23％等。优选的，多孔导电浆料包含3％左右的纳米炭黑颗粒、80％左右的牺牲性NaCl(和/或蔗糖)模板与17％左右的与衬底层1、电极层2一致的柔性高分子聚合物。
承接上述，纳米炭黑颗粒的粒径可以为20～100nm；牺牲性模版的粒径可以为50μm～500μm，如50μm～100μm、100μm～150μm、150μm～300μm、300μm～400μm或400μm～500μm等。另外，所述纳米炭黑颗粒还可以被替换为其他纳米导电材料，如：碳纳米管、石墨烯片等，或者，采用纳米炭黑颗粒、碳纳米管和石墨烯片中的一种或多种。
值得说明的是，本实施例的柔性压力传感器在受到面外压力时，传感层3中纳米炭黑颗粒相互碰触挤压、孔状结构开始关闭，形成更多的导电通道，使得该柔性压力传感器整体的电阻减小。
如图5所示，显示了前述多个柔性压力传感器共用同一衬底层的结构，即在一大面积衬底层上布设多组电极层与传感层的组合的结构。本实施例将多组电极层组成的结构称为电极阵列层，将多组传感层组成的结构称为传感阵列层。于图5所示的柔性压力传感阵列中，16组电极层与传感层的组合呈四行四列布设，每一纵列的电极层的左端电性连接。当然，在其他实施例中，电极层与传感层的组合数量、布设方式、电极层连接方式可按需设置，并不受本实施例的限制。
柔性压力传感阵列的制备方式，例如：利用涂布、印刷或打印工艺实现一块较大面积的热塑性聚氨酯弹性体橡胶或聚二甲基硅氧烷材料衬底，待其固化后在其上印刷或打印电极阵列层所包含的各电极层的引线，浆料为包含了80％以上的微米级银片的与衬底层相同的柔性高分子聚合物，再通过印刷或打印工艺，分别在各电极层上布置3％左右的炭黑颗粒、80％左右的牺牲性盐模板与17％左右的与衬底层、电极层一致的柔性高分子聚合物载体以作为各传感层。后端接入采集卡可进行各类压力测试。
经实验测试，本发明的柔性可拉伸压力传感器与柔性可拉伸压力传感阵列的灵敏度在20kPa范围内可超过5kpa-1，测量范围可达800kPa以上，并能承受延展50％的循环拉伸(拉伸过程中下阻变小于5％)，完全能够适用人体关节处的可穿戴与机器人关节处的电子皮肤等应用。
综上所述，本发明的柔性压力传感器与柔性压力传感阵列，结构简单、制备容易、柔弹性佳、界面牢固、成本低廉、耐用性好，有效克服了现有技术中的种种缺点而具高度产业利用价值。
上述实施例仅例示性说明本发明的原理及其功效，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (10)

1.一种柔性压力传感器，其特征在于，包括依次层叠设置的：
衬底层，由柔性高分子聚合物制成；
电极层，设于所述衬底层的表面，其基质采用所述柔性高分子聚合物，且所述柔性高分子聚合物中填有微纳米导电材料；
传感层，电性连接所述电极层，其基质采用所述柔性高分子聚合物，且所述柔性高分子聚合物中填有微纳米导电材料。
2.一种柔性压力传感阵列，其特征在于，包括：
衬底层，由柔性高分子聚合物制成；
电极阵列层，设于所述衬底层的表面，其基质采用所述柔性高分子聚合物，且所述柔性高分子聚合物中填有微纳米导电材料，位于同行或同列的电极阵列的同侧端电性连接；
传感阵列层，对应地设于所述电极阵列层的表面，并与所述电极阵列层电性连接，所述传感阵列层的基质采用所述柔性高分子聚合物，且所述柔性高分子聚合物中填有微纳米导电材料。
3.根据权利要求1与2所述的柔性压力传感器与柔性压力传感阵列，其特征在于，所述柔性高分子聚合物包括：热塑性聚氨酯类弹性体、聚二甲基硅氧烷类弹性体、及聚烯烃类弹性体中的一种或多种。
4.根据权利要求1与2所述的柔性压力传感器与柔性压力传感阵列，其特征在于，所述衬底层、所述电极层、及所述传感层之间的弹性模量为预设值，其中所述电极层的弹性模量的预设值为三层中最大；所述衬底层、所述电极阵列层、及所述传感阵列层之间的弹性模量为预设值，其中所述电极阵列层的弹性模量的预设值为三层中最大。
5.根据权利要求1与2所述的柔性压力传感器与柔性压力传感阵列，其特征在于，所述电极层的制备方式包括：在所述柔性高分子聚合物中填入质量比超过一定百分数的微纳米导电材料，并在混合均匀后印刷或打印于所述衬底层的表面。
6.根据权利要求1与2所述的柔性压力传感器与柔性压力传感阵列，其特征在于，所述电极层采用双螺旋插指电极结构；所述电极阵列层所包含的各电极层分别采用双螺旋插指电极结构。
7.根据权利要求1与2所述的柔性压力传感器与柔性压力传感阵列，其特征在于，所述传感层的制备方式包括：利用微纳米导电材料和牺牲性模板法制得多孔导电浆料，并将其印刷或打印于所述电极层的表面；所述传感阵列层的制备方式包括：利用微纳米导电材料和牺牲性模板法制得多孔导电浆料，并将其对应地印刷或打印于所述电极阵列层的表面。
8.根据权利要求7所述的柔性压力传感器与柔性压力传感阵列，其特征在于，所述多孔导电浆料包含：一定质量百分数的纳米炭黑颗粒、一定质量百分数的牺牲性盐模板、及一定质量百分数的所述柔性高分子聚合物。
9.根据权利要求1与2所述的柔性压力传感器与柔性压力传感阵列，其特征在于，所述传感层采用一层或多层筛网结构；所述传感阵列层所包含的各传感层采用一层或多层筛网结构。
10.根据权利要求1与2所述的柔性压力传感器与柔性压力传感阵列，其特征在于，包括：
所述柔性压力传感器或柔性压力传感阵列用于监测人体体征的柔性可穿戴设备；
所述柔性压力传感器或柔性压力传感阵列用于机器人触觉感知设备。
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