CN113340481B - 一种压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压力传感器及其制备方法，该压力传感器包括第一层导电柔性衬底电极和第二层导电柔性衬底电极、弹性介质阵列、粘合层和导电引线；第一层导电柔性衬底电极和第二层导电柔性衬底电极由绝缘弹性介质阵列间隔开；导电引线从第一层导电柔性衬底电极和第二层导电柔性衬底电极引出；第一层导电柔性衬底电极和第二层导电柔性衬底电极的侧面通过粘合层粘合。该压力传感器可广泛应用在智能假肢、高端机器人、虚拟现实和可穿戴传感器等领域。

Description

一种压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及压力传感器制备领域，更具体地，涉及一种压力传感器及其制备方法。

背景技术

皮肤作为人体表面积最大以及最重要的组织，可以协助人体感知各种外部刺激，包括力学刺激、光热刺激、电学刺激、生理刺激等。力学刺激作为最普遍的刺激方式，帮助人体对外界环境改变做出及时的反应。面向皮肤受损以及感知外力刺激存在障碍的群体，柔性压力传感器在健康、医疗、运动等发面有着越来越重要的应用。

根据信号转换原理，人们已研发出具有不同工作机制的压力传感器，包括电容式，压电式，摩擦式和压阻式，其中，电容式及压阻式传感器由于其制造过程的简单性，高灵敏度和操作稳定性而更加有前途，两种方式的传感器都是通过外部电路捕捉响应的电学参数的变化而推算出外应力大小，如压阻式传感器是通过捕捉外应力引起接触电阻的变化而探测力学信号。松下电器产业株式会社利用非结晶氯化聚乙烯和结晶氯化聚乙烯和压电陶瓷粉组成的压电复合材料，制备出一款高性能压电传感器(专利号：CN1250158A)。中国科学院合肥物质科学研究院汪玉冰等人研发出一款利用聚二甲基硅氧烷(PDMS)或硫化硅橡胶(RTV)制备的柔性绝缘介质层，和采用硅脂导电胶制备的上下导电电容极板层，制备出一款柔性电容式触摸传感器(专利号：CN103424214A)。香港纺织及成衣研发中心有限公司使用力敏电阻材料，研发出一款可用于足底压力探测压阻式传感器(专利号：CN102770742A)。

传统的硅基压力传感器由于传感器整体不可弯曲变形的特点，导致压力传感器在生物医学等众多领域的使用少之又少。同时，制备方法的复杂性、制备成本昂贵以及所用材料的高响应特性等因素，严重限制了柔性眼里传感器在可附着设备、生物机器人、生物医学诊疗等领域的应用。国内外许多学者就以上问题做出了大量的研究，如香港理工大学陶肖明等人就织物应变传感器加工方面提出新方法(专利号：CN101598529A)；清华大学曾飞等人就提高所用材料的响应特性提出了诸多方法(专利号：CN102163687A，CN101118948A)

虽然目前国内外以就所选材料的各方面性能提出了诸多新制备及掺杂方法，但难以兼顾探测的极小极限和极大范围、难以同时保证透气性、延展性、制备的低成本、响应速度快以及体积小巧等方面，因此严重显示了压力传感器的实际工作环境。随着人口老龄化的不断深入，适应于更广泛的工作环境、具备更高探测和舒适性能的压力传感器的需求越来越大。

发明内容

本发明提供一种压力传感器，该传感器同时保证透气性、延展性、制备的低成本、响应速度快以及体积小巧。

本发明的又一目的在于提供上述压力传感器的制备方法

为了达到上述技术效果，本发明的技术方案如下：

一种压力传感器，包括第一层导电柔性衬底电极和第二层导电柔性衬底电极、弹性介质阵列、粘合层和导电引线；第一层导电柔性衬底电极和第二层导电柔性衬底电极由弹性介质阵列间隔开；导电引线从第一层导电柔性衬底电极和第二层导电柔性衬底电极引出；第一层导电柔性衬底电极和第二层导电柔性衬底电极的边缘通过粘合层封装。

进一步地，所述弹性介质阵列由弹性间隔物组成，所述弹性间隔物材料包括：聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙醇酯、聚酰亚胺、铂催化硅橡胶、聚萘二甲酸乙二醇酯、环氧树脂、聚氧化乙烯、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。

进一步地，所述弹性间隔物可掺杂导电材料，包括但不限于：零维纳米材料(纳米金球、纳米银球、纳米铜球、纳米金立方体、纳米银立方体、纳米铜立方体等)；一维纳米线(纳米银线、纳米铜线、纳米金线、碳纳米管等)；二维纳米材料(石墨烯及其衍生物、黑磷、六方氮化硼、二硫化钼、过渡金属硫化物、石墨氮化硼、过渡金属氧化物、金属卤氧化物；)；导电薄膜(金薄膜、铝薄膜、银薄膜、铜薄膜、铂薄膜、ITO薄膜等)；导电高分子(PEDOT:PSS、PPY、水凝胶、有机离子凝胶)。

进一步地，所述弹性间隔物的形状包括：金字塔形、半球形、尖锥形、圆柱形、立方体形。

进一步地，所述第一层导电柔性衬底电极和第二层导电柔性衬底电极的衬底材料可以为但不限于：织物衬底(纱布、丝绸、绷带、棉布、麻布等)、塑料衬底(PET、PEN、PMMA、PC、PU、PI等)、弹性衬底(PDMS、Ecoflex、橡胶、弹性聚氨酯等)。

进一步地，所述第一层导电柔性衬底电极和第二层导电柔性衬底电极，其电极可以为但不限于：零维纳米材料(纳米金球、纳米银球、纳米铜球、纳米金立方体、纳米银立方体、纳米铜立方体等)一维纳米线(纳米银线、纳米铜线、纳米金线、碳纳米管等)、二维纳米材料(石墨烯及其衍生物、黑磷、六方氮化硼、二硫化钼、过渡金属硫化物、石墨氮化硼、过渡金属氧化物、金属卤氧化物；)、导电薄膜(金薄膜、铝薄膜、银薄膜、铜薄膜、铂薄膜、ITO薄膜等)、导电高分子(PEDOT：PSS、PPY、水凝胶、有机离子凝胶)、液体金属等。

进一步地，所述导电引线是任何可以导电且具有一定柔性、但电阻不超过传感器电阻百分之十的导电引线。

进一步地，通过在导电引线的末端滴涂0.5～2ml的导电银浆，将导电引线与第一层导电柔性衬底电极和第二层导电柔性衬底电极的衬底粘合；所述导电引线与第一层导电柔性衬底电极和第二层导电柔性衬底电极的衬底通过金属缝纫、夹持方式或导电胶带紧密接触。

一种压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1：配置Ecoflex混合溶液I和II，以及纳米银线混合溶液；

S2：将Ecoflex混合溶液II均匀涂覆在上、下两层纱布中相对的两边上，涂覆宽度为0.5～1.5mm，然后烘干；

S3：将纳米银线混合溶液均匀地涂覆在两层纱布上，然后烘干；

S4：将导电引线穿过纱布上未涂有Ecoflex混合溶液II的一侧，并在银线与纱布接触处滴涂少量导电银浆，然后烘干；

S5：使用点胶针，将Ecoflex混合溶液I滴在某一层纱布中网格的交点上，并缓慢拉伸形成弹性支柱阵列。然后烘干，直至弹性支柱在受到外力发生明显形变后，仍能在撤走外力时迅速恢复至原来的形状；

S6：用Ecoflex混合溶液I将未连接到银线的纱布两侧的两层纱布密封，然后在夹持设备压力下烘干。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

本发明使用Ecoflex弹力柱阵列支撑上下两层导电层，不同的弹力柱形状和大小以及阵列的大小，可以满足不同的测量范围和灵敏度的需求。并且可以通过调试与标定找到满测量范围较宽的同时，灵敏度较高的Ecoflex弹力柱阵列大小。在本发明不受力时，由于Ecoflex弹力柱阵列的支撑作用，电阻接近无穷大，在受力时，电阻为有限值，保证了测量的极小极限；柔性衬底电极采用纱布或弹力布，使得本发明具有一定的延展性，在拉伸后也可正常使用。同时由于所用丝织物的网状结构，还具有极高的透气性，满足了一些生物和医学领域的需求，可长时间佩戴；本发明是通过在外应力下改变中部支撑弹性柱阵列的形状改变导电回路，在外力撤去时弹性柱阵列的形状恢复到原状态。由于所制备的Ecoflex混合溶液所形成的的弹性柱较小的弹性系数和杨氏模量，使得弹性柱可以快速恢复至初始状态。当外力过大时，弹性柱可以通过在横向和纵向上的改变，保证Ecoflex不会因为变形过大而发生断裂或破裂，从而保证了器件极高的使用寿命和过载能力；本发明所设计的可穿戴柔性压力传感器为一个测量单元，但可以通过重复上述操作方法得到传感器单元阵列。可以但不限于与点胶机或3D打印机结合制作出传感器单元阵列。本传感器可以佩戴在人体上，测量但不限于脉搏、手指弯曲程度等物理、生理学信号。

附图说明

图1为本发明的压力传感器的结构立体图；

图2为本发明的压力传感器的侧视图；

图3为本发明的压力传感器的制备方法流程图；

图4为本发明的压力传感器阵列灵敏度的响应图。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

如图1-2所示，一种压力传感器，包括第一层导电柔性衬底电极1和第二层导电柔性衬底电极2、弹性介质阵列3、粘合层4和导电引线5；第一层导电柔性衬底电极1和第二层导电柔性衬底电极2由绝缘弹性介质阵列3间隔开；导电引线5从第一层导电柔性衬底电极1和第二层导电柔性衬底电极2引出；第一层导电柔性衬底电极1和第二层导电柔性衬底电极2的边缘通过粘合层4封装。

弹性介质阵列3由弹性间隔物组成，所述弹性间隔物材料包括：聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙醇酯、聚酰亚胺、铂催化硅橡胶、聚萘二甲酸乙二醇酯、环氧树脂、聚氧化乙烯、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。

弹性间隔物可掺杂导电材料，包括但不限于：零维纳米材料(纳米金球、纳米银球、纳米铜球、纳米金立方体、纳米银立方体、纳米铜立方体等)；一维纳米线(纳米银线、纳米铜线、纳米金线、碳纳米管等)；二维纳米材料(石墨烯及其衍生物、黑磷、六方氮化硼、二硫化钼、过渡金属硫化物、石墨氮化硼、过渡金属氧化物、金属卤氧化物；)；导电薄膜(金薄膜、铝薄膜、银薄膜、铜薄膜、铂薄膜、ITO薄膜等)；导电高分子(PEDOT:PSS、PPY、水凝胶、有机离子凝胶)。

述弹性间隔物的形状包括：金字塔形、半球形、尖锥形、圆柱形、立方体形。

第一层导电柔性衬底电极1和第二层导电柔性衬底电极2的衬底材料可以为但不限于：织物衬底(纱布、丝绸、绷带、棉布、麻布等)、塑料衬底(PET、PEN、PMMA、PC、PU、PI等)、弹性衬底(PDMS、Ecoflex、橡胶、弹性聚氨酯等)。

第一层导电柔性衬底电极1和第二层导电柔性衬底电极2，其电极可以为但不限于：零维纳米材料(纳米金球、纳米银球、纳米铜球、纳米金立方体、纳米银立方体、纳米铜立方体等)一维纳米线(纳米银线、纳米铜线、纳米金线、碳纳米管等)、二维纳米材料(石墨烯及其衍生物、黑磷、六方氮化硼、二硫化钼、过渡金属硫化物、石墨氮化硼、过渡金属氧化物、金属卤氧化物；)、导电薄膜(金薄膜、铝薄膜、银薄膜、铜薄膜、铂薄膜、ITO薄膜等)、导电高分子(PEDOT:PSS、PPY、水凝胶、有机离子凝胶)、液体金属等。

导电引线5是任何可以导电且具有一定柔性、但电阻不超过传感器电阻百分之十的导电引线。

通过在导电引线5的末端滴涂0.5～2ml的导电银浆，将导电引线5与第一层导电柔性衬底电极1和第二层导电柔性衬底电极2的衬底粘合；所述导电引线5与第一层导电柔性衬底电极1和第二层导电柔性衬底电极2的衬底通过金属缝纫、夹持方式或导电胶带紧密接触。

如图3所示，一种压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1：配置Ecoflex混合溶液I和II，以及纳米银线混合溶液；

S2：将Ecoflex混合溶液II均匀涂覆在上、下两层纱布中相对的两边上，涂覆宽度为0.5～1.5mm，然后烘干；

S3：将纳米银线混合溶液均匀地涂覆在两层纱布上，然后烘干；

S4：将导电引线穿过纱布上未涂有Ecoflex混合溶液II的一侧，并在银线与纱布接触处滴涂少量导电银浆，然后烘干；

S5：使用点胶针，将Ecoflex混合溶液I滴在某一层纱布中网格的交点上，并缓慢拉伸形成弹性支柱阵列；然后烘干，直至弹性支柱在受到外力发生明显形变后，仍能在撤走外力时迅速恢复至原来的形状；

S6：用Ecoflex混合溶液I将未连接到银线的纱布两侧的两层纱布密封，然后在夹持设备压力下烘干。

本实施例中Ecoflex混合溶液I的制备方法：

1)、将Ecoflex A和Ecoflex B按照体积比1:1，在室温下、空气中混合；

2)、两种溶液各取4mL；

3)、将混合的溶液植入自转-公转仪中，先公转60秒，再自转30秒；

4)、将充分混合的溶液放入真空箱中，待完全抽真空后，静置10s。

本实施例中Ecoflex混合溶液II的制备方法：

1)、将Ecoflex A、EcoflexB、增稠剂和缓凝剂按照一定配比，在室温下、空气中混合；

2)、不采用或减少采用缓凝剂，将Ecoflex A、Ecoflex B和增稠剂按照4:4:0.1的体积比混合；

3)、将混合的溶液植入自转-公转仪中，先公转60秒，再自转30秒；

4)、将充分混合的溶液放入真空箱中，待完全抽真空后，静置10s。

本实施例中，纳米银线混合溶液的制备方法：

1)、配置纳米银线混合溶液，将0.5％的羟丙基甲基纤维素(HPMC)、光引发剂、纳米银线、无水乙醇以4:2:18:27的质量比在室温下、空气中混合，制备纳米银线混合溶液；

2)、将混合溶液放入自转-公转仪中，先公转60s，再自转30s；

3)、将充分混合后的溶液置于真空箱中，在完全抽真空后，静置60s。

测试效果：

如图4所示，利用传感器传感阵列测试部分传感单元的性能

1、在准稳态下，缓慢放置不同重量的标准砝码，记录传感器的压阻响应，并绘出灵敏度-压力响应曲线；

2、在施加应力为0.98kPa以及施压频率为1.8Hz下，即模拟人体接触压强，测试使用寿命的稳定程度；

3、在相同频率、不同的强度的压力作用下，记录柔性传感器的压阻相应，本发明在施压强度分别为15Pa,30Pa,125Pa,1.15kPa,2.3kPa，模拟不同强度冲击，测试传感器的对应力强度响应能力；

4、在不同频率，相同强度的压力作用下，记录柔性传感器的压阻相应，本发明在施压强频率分别为2.5Hz,9.8Hz,14.8Hz,24.6Hz,模拟不同频率冲击，测试传感器对频率的稳定响应能力；

将本发明的柔性压力传感器穿戴在手腕上，测量极微弱的生理学信号，如脉搏，由于传感器各部分都是柔性的，能通过自身变形与人体表皮很好的贴合在一起，并由于其良好的透气性，使佩戴者有着极舒适的体验。将传输出的电阻变化电学信号传输至终端，并绘制出数据图；本发明所述的柔性压力传感器对载荷的敏感度高，适应于不同环境的压力测试。尤其是在生活中常用的压力条件下，灵敏度呈现近线性的响应，在医疗卫生领域有这广阔的前景。在强度相同、频率增加的载荷作用下，压阻响应强度没有呈现明显的变化，且响应频率与载荷作用频率之间没有明显异步和频率差异，说明传感器的稳定性较好，适合于长期测试压力，可用于运动、医学与健康监测等方面；所采用的Ecoflex弹性支柱阵列与柔性丝织物衬底电极，都具有一定的拉伸性能，可以为测量拉伸应力提供基础。

结合以上实例，本发明提出的柔性压力传感器探测装置和传感装置设计合理、性能优越、适用范围广，所述的传感器易于集成，可随时监测外部应力变化，并有效地判断出穿戴者是否存在生理、医学问题。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用于仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。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，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种压力传感器，其特征在于，包括第一层导电柔性衬底电极(1)和第二层导电柔性衬底电极(2)、弹性介质阵列(3)、粘合层(4)和导电引线(5)；第一层导电柔性衬底电极(1)和第二层导电柔性衬底电极(2)由弹性介质阵列(3)间隔开；导电引线(5)从第一层导电柔性衬底电极(1)和第二层导电柔性衬底电极(2)引出；第一层导电柔性衬底电极(1)和第二层导电柔性衬底电极(2)的边缘通过粘合层(4)封装；

所述弹性介质阵列(3)由弹性间隔物组成，所述弹性间隔物材料包括：聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、聚氨酯、聚对苯二甲酸乙醇酯、聚酰亚胺、铂催化硅橡胶、聚萘二甲酸乙二醇酯、环氧树脂、聚氧化乙烯、苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物；所述弹性间隔物的形状包括：金字塔形、半球形、尖锥形、圆柱形、立方体形；所述导电引线(5)是任何导电且具有柔性、但电阻不超过传感器电阻百分之十的导电引线；

在制作时，配置Ecoflex混合溶液I和II，以及纳米银线混合溶液；将Ecoflex 混合溶液II均匀涂覆在上、下两层纱布中相对的两边上，涂覆宽度为0.5~1.5mm，然后烘干；将纳米银线混合溶液均匀地涂覆在两层纱布上，然后烘干；将导电引线穿过纱布上未涂有Ecoflex混合溶液II的一侧，并在银线与纱布接触处滴涂少量导电银浆，然后烘干；使用点胶针，将Ecoflex 混合溶液I滴在某一层纱布中网格的交点上，并缓慢拉伸形成弹性支柱阵列；然后烘干，直至弹性支柱在受到外力发生明显形变后，仍能在撤走外力时迅速恢复至原来的形状；用Ecoflex混合溶液I将未连接到银线的纱布两侧的两层纱布密封，然后在夹持设备压力下烘干。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述弹性间隔物中掺杂导电材料，所述导电材料包括：零维纳米材料、一维纳米线、二维纳米材料、导电薄膜、导电高分子。

3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第一层导电柔性衬底电极(1)和第二层导电柔性衬底电极(2)的衬底材料包括：织物衬底、塑料衬底和弹性衬底。

4.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，所述第一层导电柔性衬底电极(1)和第二层导电柔性衬底电极(2)的电极材料包括：零维纳米材料、一维纳米线、二维纳米材料、导电薄膜、导电高分子、液体金属。

5.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，通过在导电引线（5）的末端滴涂0.5~2ml的导电银浆，将导电引线（5）与第一层导电柔性衬底电极(1)和第二层导电柔性衬底电极(2)的衬底粘合。

6.根据权利要求5所述的压力传感器，其特征在于，所述导电引线（5）与第一层导电柔性衬底电极(1)和第二层导电柔性衬底电极(2)的衬底通过金属缝纫、夹持方式或导电胶带紧密接触。

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