CN103759867B - 凸起式柔软压敏元件及其研制方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种凸起式柔软压敏元件及其研制方法,属于传感器技术领域。该压敏元件包括底层封装薄膜、凸起型压敏薄膜和凸起型顶层封装薄膜。其中,底层封装薄膜为边缘位置上覆合有一对薄型电极的绝缘薄膜,凸起型压敏薄膜是利用溶液混合法制备成的表面具有阵列式凸起块的导电高分子复合材料薄膜,凸起型顶层封装薄膜为表面具有阵列式凸起块的高分子材料薄膜。本发明研制的压敏元件输出电阻的时间依赖性小,可削弱其对压力测量的不利影响,可用于智能制造全流程中整机及成套装备的狭小曲面层间压力测量,其关键技术还可应用于机器人指端触觉***和人工电子皮肤研制等领域。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域,特别涉及到柔软传感器制备与封装工艺。
背景技术
随着装备制造业的发展,智能制造全流程中整机及成套装备的很多关键核心部件和关键基础零部件的形状越来越复杂,其装配和定位精度的要求也越来越高。为了提高重大设备的装配速度、获得最佳装配状态以及保证产品储备安全性,需要测量回转曲面之间的压力,但是受到现场空间结构尺寸和被测环境、介质等特殊条件的限制,很难安装传统的刚性传感器。因此,迫切需要一种纤薄柔软的传感器,可以柔顺地贴附在零部件的曲面上完成层间压力测量任务。
导电高分子复合材料作为一种新型的功能材料,具有压阻效应、柔韧性、易加工性和减震性,故可作为薄软压力传感器的敏感材料。将其置于国防/工业设备的狭小曲面层间,不但能起到减震缓冲作用,还能测量层间压力。因此,很多科研机构都致力于利用导电高分子复合材料的压阻效应来实现压力测量。但目前采用这种材料制作的压敏元件,其压敏薄膜与施力表面全接触,在外加压力的作用下,这种压敏元件输出电阻的时间依赖性大,严重降低了传感器性能。
发明内容
本发明的目的是为克服已有技术的不足之处,提出一种凸起式柔软压敏元件的研制方法。利用本发明提出的方法所研制的凸起式柔软压敏元件,不但厚度薄、结构简约,而且降低了压敏元件输出电阻的时间依赖性对压力测量精度的不利影响,特别适用于狭小曲面层间压力测量与人工电子皮肤研制。
本发明提出的凸起式柔软压敏元件研制方法的技术方案如下:
在绝缘薄膜两端的边缘位置上覆合一对薄型电极,作为底层封装薄膜,薄型电极的形状和尺寸可根据实际应用灵活调整;将底层封装薄膜置于程控升降装置的固定平台上备用;在长方体形刚性材料上刻阵列式凹槽,作为凸起型压敏薄膜成型模具,凹槽的形状、尺寸、间距和数量可根据实际应用灵活调整;将导电粉末、液态高分子材料和有机溶剂按一定比例混合,利用机械搅拌和超声振荡使纳米导电粉末在混合溶液中分散,并在交联剂和催化剂的作用下,形成复合材料胶状物;将复合材料胶状物均匀地涂覆在底层封装薄膜上,通过微机控制固定于程控升降装置可动平台上的凸起型压敏薄膜成型模具向下移动,将复合材料胶状物挤压为表面带有阵列式凸起块的导电高分子复合材料薄膜;复合材料胶状物硫化成型后,撤去凸起型顶层封装薄膜成型模具,形成凸起型压敏薄膜,并确保薄型电极被凸起型压敏薄膜完全覆盖,且使两个薄型电极位于凸起型压敏薄膜的端侧;在长方体形刚性材料上刻阵列式凹槽,作为凸起型顶层封装薄膜成型模具,凹槽的形状、尺寸、间距和数量可根据实际应用灵活调整;在液态高分子材料中加入交联剂,搅拌后形成高分子胶状物,并将其涂覆在凸起型压敏薄膜上,通过微机控制固定于程控升降装置可动平台上的凸起型顶层封装薄膜成型模具向下移动,将高分子胶状物挤压为表面具有阵列式凸起块的高分子材料薄膜,并确保其完全覆盖凸起型压敏薄膜,硫化成型后,撤去凸起型顶层封装薄膜成型模具后,形成凸起式柔软压敏元件。
本发明的特点及效果:
利用本发明提出的研制方法所制备的凸起式柔软压敏元件,仅有压敏薄膜的凸起部分与施力表面相接触,且两个电极设置在压敏薄膜的同一侧,降低了压敏元件的电阻时间依赖性,削弱了其对压力测量的不利影响。
附图说明
图1为凸起式柔软压敏元件结构示意图。
1为绝缘薄膜,2为覆合在绝缘薄膜上的薄型电极,3为表面具有阵列式凸起块的导电高分子复合材料薄膜,4为表面具有阵列式凸起块的高分子材料薄膜。
具体实施方式
以下结合实施例说明本发明提出的凸起式柔软压敏元件研制方法:
在绝缘薄膜1两端的边缘位置上覆合一对薄型电极2,作为底层封装薄膜,薄型电极的形状和尺寸可根据实际应用灵活调整;将底层封装薄膜置于程控升降装置的固定平台上备用;在长方体形有机玻璃上刻阵列式凹槽,作为凸起型压敏薄膜成型模具,凹槽的形状、尺寸、间距和数量可根据实际应用灵活调整;将导电粉末、液态高分子材料和有机溶剂按一定比例混合,利用机械搅拌和超声振荡使纳米导电粉末在混合溶液中分散,并在交联剂和催化剂的作用下,形成复合材料胶状物;将复合材料胶状物均匀地涂覆在底层封装薄膜上,通过微机控制固定于程控升降装置可动平台上的凸起型压敏薄膜成型模具向下移动,将复合材料胶状物挤压为表面带有阵列式凸起块的导电高分子复合材料薄膜;复合材料胶状物硫化成型后,撤去凸起型顶层封装薄膜成型模具,形成凸起型压敏薄膜3,并确保薄型电极2被凸起型压敏薄膜3完全覆盖,且使两个薄型电极位于凸起型压敏薄膜3的端侧;在长方体形有机玻璃上刻阵列式凹槽,作为凸起型顶层封装薄膜成型模具,凹槽的形状、尺寸、间距和数量可根据实际应用灵活调整;在室温硫化硅橡胶材料中加入正硅酸乙酯,搅拌后形成硅橡胶胶状物,并将其涂覆在凸起型压敏薄膜上,通过微机控制固定于程控升降装置可动平台上的凸起型顶层封装薄膜成型模具向下移动,将硅橡胶胶状物挤压为表面具有阵列式凸起块的硅橡胶薄膜,并确保其完全覆盖凸起型压敏薄膜,硫化成型后形成凸起型顶层封装薄膜4,撤去凸起型顶层封装薄膜成型模具后,形成凸起式柔软压敏元件,如图1所示。
实施例1
在聚酰亚胺薄膜两端的边缘位置上覆合一对薄型铜箔电极,作为底层封装薄膜,聚酰亚胺厚度为12.5微米,薄型铜箔电极的厚度为10微米,形状为正方形,边长为5毫米;将底层封装薄膜置于程控升降装置的固定平台上备用;在长方体形有机玻璃上刻阵列式凹槽,作为凸起型压敏薄膜成型模具,凹槽的横截面为正方形,边长为5毫米,厚度为1毫米,凹槽数量为4行4列共16个,每个凹槽的边线距离为50毫米;将平均粒径为40-60纳米的炭黑、室温硫化硅橡胶和正己烷按0.08∶1∶100的质量比混合,利用机械搅拌和超声振荡使炭黑在混合溶液中分散,并在正硅酸乙酯和二月桂酸二丁基锡的作用下,形成炭黑填充硅橡胶复合材料胶状物;将炭黑填充硅橡胶复合材料胶状物均匀地涂覆在底层封装薄膜上,通过微机控制固定于程控升降装置可动平台上的凸起型压敏薄膜成型模具向下移动,将炭黑填充硅橡胶复合材料胶状物挤压为表面带有阵列式凸起块的炭黑填充硅橡胶复合材料薄膜;炭黑填充硅橡胶复合材料胶状物硫化成型后,撤去凸起型顶层封装薄膜成型模具,形成凸起型压敏薄膜,其表面凸起的数量、尺寸和间距与凸起型压敏薄膜成型模具的凹槽相同,并确保薄型铜箔电极被凸起型压敏薄膜完全覆盖,且使两个薄型铜箔电极位于凸起型压敏薄膜的端侧;在长方体形有机玻璃上刻阵列式凹槽,作为凸起型顶层封装薄膜成型模具,凹槽的横截面为正方形,边长为8毫米,厚度为2毫米,凹槽数量为4行4列共16个,每个凹槽的中心位置与凸起型压敏薄膜成型模具上的凹槽的中心位置相同;在室温硫化硅橡胶材料中加入正硅酸乙酯,搅拌后形成硅橡胶胶状物,并将其涂覆在凸起型压敏薄膜上,通过微机控制固定于程控升降装置可动平台上的凸起型顶层封装薄膜成型模具向下移动,将硅橡胶胶状物挤压为表面具有阵列式凸起块的硅橡胶薄膜,并确保其完全覆盖凸起型压敏薄膜,硫化成型后形成凸起型顶层封装薄膜,其表面凸起的数量、尺寸和间距与凸起型顶层封装薄膜成型模具的凹槽相同,撤去凸起型顶层封装薄膜成型模具后,形成凸起式柔软压敏元件。
实施例2
在聚酰亚胺薄膜两端的边缘位置上覆合一对薄型铜箔电极,作为底层封装薄膜,聚酰亚胺厚度为12.5微米,薄型铜箔电极的厚度为10微米,形状为圆形,直径为3毫米;将底层封装薄膜置于程控升降装置的固定平台上备用;在长方体形有机玻璃上刻阵列式凹槽,作为凸起型压敏薄膜成型模具,凹槽的横截面为圆形,直径为3毫米,厚度为1毫米,凹槽数量为3行3列共9个,每个凹槽圆心的距离为60毫米;将平均长径比为100的碳纳米管、室温硫化硅橡胶和正己烷按0.03∶1∶200的质量比混合,利用机械搅拌和超声振荡使碳纳米管在混合溶液中分散,并在正硅酸乙酯和二月桂酸二丁基锡的作用下,形成碳纳米管填充硅橡胶复合材料胶状物;将碳纳米管填充硅橡胶复合材料胶状物均匀地涂覆在底层封装薄膜上,通过微机控制固定于程控升降装置可动平台上的凸起型压敏薄膜成型模具向下移动,将碳纳米管填充硅橡胶复合材料胶状物挤压为表面带有阵列式凸起块的碳纳米管填充硅橡胶复合材料薄膜;碳纳米管填充硅橡胶复合材料胶状物硫化成型后,撤去凸起型顶层封装薄膜成型模具,形成凸起型压敏薄膜,其表面凸起的数量、尺寸和间距与凸起型压敏薄膜成型模具的凹槽相同,并确保薄型铜箔电极被凸起型压敏薄膜完全覆盖,且使两个薄型铜箔电极位于凸起型压敏薄膜的端侧;在长方体形有机玻璃上刻阵列式凹槽,作为凸起型顶层封装薄膜成型模具,凹槽的横截面为圆形,直径为5毫米,厚度为2毫米,凹槽数量为3行3列共9个,每个凹槽的圆心与凸起型压敏薄膜成型模具上的凹槽的圆心相同;在室温硫化硅橡胶材料中加入正硅酸乙酯,搅拌后形成硅橡胶胶状物,并将其涂覆在凸起型压敏薄膜上,通过微机控制固定于程控升降装置可动平台上的凸起型顶层封装薄膜成型模具向下移动,将硅橡胶胶状物挤压为表面具有阵列式凸起块的硅橡胶薄膜,并确保其完全覆盖凸起型压敏薄膜,硫化成型后形成凸起型顶层封装薄膜,其表面凸起的数量、尺寸和间距与凸起型顶层封装薄膜成型模具的凹槽相同,撤去凸起型顶层封装薄膜成型模具后,形成凸起式柔软压敏元件。
实施例3
在聚酰亚胺薄膜两端的边缘位置上覆合一对薄型铜箔电极,作为底层封装薄膜,聚酰亚胺厚度为12.5微米,薄型铜箔电极的厚度为10微米,形状为正方形,边长为1毫米;将底层封装薄膜置于程控升降装置的固定平台上备用;在长方体形有机玻璃上刻阵列式凹槽,作为凸起型压敏薄膜成型模具,凹槽的横截面为正方形,边长为4毫米,厚度为0.5毫米,凹槽数量为6行6列共36个,每个凹槽的边线距离为30毫米;将平均粒径为80-100纳米的炭黑、室温硫化硅橡胶和正己烷按0.10∶1∶100的质量比混合,利用机械搅拌和超声振荡使炭黑在混合溶液中分散,并在正硅酸乙酯和二月桂酸二丁基锡的作用下,形成炭黑填充硅橡胶复合材料胶状物;将炭黑填充硅橡胶复合材料胶状物均匀地涂覆在底层封装薄膜上,通过微机控制固定于程控升降装置可动平台上的凸起型压敏薄膜成型模具向下移动,将炭黑填充硅橡胶复合材料胶状物挤压为表面带有阵列式凸起块的炭黑填充硅橡胶复合材料薄膜;炭黑填充硅橡胶复合材料胶状物硫化成型后,撤去凸起型顶层封装薄膜成型模具,形成凸起型压敏薄膜,其表面凸起的数量、尺寸和间距与凸起型压敏薄膜成型模具的凹槽相同,并确保薄型铜箔电极被凸起型压敏薄膜完全覆盖,且使两个薄型铜箔电极位于凸起型压敏薄膜的端侧;在长方体形有机玻璃上刻阵列式凹槽,作为凸起型顶层封装薄膜成型模具,凹槽的横截面为正方形,边长为6毫米,厚度为1毫米,凹槽数量为6行6列共36个,每个凹槽的中心位置与凸起型压敏薄膜成型模具上的凹槽的中心位置相同;在室温硫化硅橡胶材料中加入正硅酸乙酯,搅拌后形成硅橡胶胶状物,并将其涂覆在凸起型压敏薄膜上,通过微机控制固定于程控升降装置可动平台上的凸起型顶层封装薄膜成型模具向下移动,将硅橡胶胶状物挤压为表面具有阵列式凸起块的硅橡胶薄膜,并确保其完全覆盖凸起型压敏薄膜,硫化成型后形成凸起型顶层封装薄膜,其表面凸起的数量、尺寸和间距与凸起型顶层封装薄膜成型模具的凹槽相同,撤去凸起型顶层封装薄膜成型模具后,形成凸起式柔软压敏元件。
实施例4
在聚酰亚胺薄膜两端的边缘位置上覆合一对薄型铜箔电极,作为底层封装薄膜,聚酰亚胺厚度为12.5微米,薄型铜箔电极的厚度为10微米,形状为正方形,边长为1毫米;将底层封装薄膜置于程控升降装置的固定平台上备用;在长方体形有机玻璃上刻阵列式凹槽,作为凸起型压敏薄膜成型模具,凹槽的横截面为正方形,边长为3毫米,厚度为0.5毫米,凹槽数量为3行3列共9个,每个凹槽的边线距离为50毫米;将平均粒径为30-50纳米的炭黑、室温硫化硅橡胶和正己烷按0.05∶1∶100的质量比混合,利用机械搅拌和超声振荡使炭黑在混合溶液中分散,并在正硅酸乙酯和二月桂酸二丁基锡的作用下,形成炭黑填充硅橡胶复合材料胶状物;将炭黑填充硅橡胶复合材料胶状物均匀地涂覆在底层封装薄膜上,通过微机控制固定于程控升降装置可动平台上的凸起型压敏薄膜成型模具向下移动,将炭黑填充硅橡胶复合材料胶状物挤压为表面带有阵列式凸起块的炭黑填充硅橡胶复合材料薄膜;炭黑填充硅橡胶复合材料胶状物硫化成型后,撤去凸起型顶层封装薄膜成型模具,形成凸起型压敏薄膜,其表面凸起的数量、尺寸和间距与凸起型压敏薄膜成型模具的凹槽相同,并确保薄型铜箔电极被凸起型压敏薄膜完全覆盖,且使两个薄型铜箔电极位于凸起型压敏薄膜的端侧;在长方体形有机玻璃上刻阵列式凹槽,作为凸起型顶层封装薄膜成型模具,凹槽的横截面为正方形,边长为5毫米,厚度为1毫米,凹槽数量为3行3列共9个,每个凹槽的中心位置与凸起型压敏薄膜成型模具上的凹槽的中心位置相同;在室温硫化硅橡胶材料中加入正硅酸乙酯,搅拌后形成硅橡胶胶状物,并将其涂覆在凸起型压敏薄膜上,通过微机控制固定于程控升降装置可动平台上的凸起型顶层封装薄膜成型模具向下移动,将硅橡胶胶状物挤压为表面具有阵列式凸起块的硅橡胶薄膜,并确保其完全覆盖凸起型压敏薄膜,硫化成型后形成凸起型顶层封装薄膜,其表面凸起的数量、尺寸和间距与凸起型顶层封装薄膜成型模具的凹槽相同,撤去凸起型顶层封装薄膜成型模具后,形成凸起式柔软压敏元件。
实施例5
在聚酰亚胺薄膜两端的边缘位置上覆合一对薄型铜箔电极,作为底层封装薄膜,聚酰亚胺厚度为12.5微米,薄型铜箔电极的厚度为10微米,形状为圆形,直径为2毫米;将底层封装薄膜置于程控升降装置的固定平台上备用;在长方体形有机玻璃上刻阵列式凹槽,作为凸起型压敏薄膜成型模具,凹槽的横截面为正方形,边长为4毫米,厚度为0.5毫米,凹槽数量为3行3列共9个,每个凹槽的边线距离为40毫米;将平均粒径为10-20纳米的炭黑、室温硫化硅橡胶和正己烷按0.04∶1∶100的质量比混合,利用机械搅拌和超声振荡使炭黑在混合溶液中分散,并在正硅酸乙酯和二月桂酸二丁基锡的作用下,形成炭黑填充硅橡胶复合材料胶状物;将炭黑填充硅橡胶复合材料胶状物均匀地涂覆在底层封装薄膜上,通过微机控制固定于程控升降装置可动平台上的凸起型压敏薄膜成型模具向下移动,将炭黑填充硅橡胶复合材料胶状物挤压为表面带有阵列式凸起块的炭黑填充硅橡胶复合材料薄膜;炭黑填充硅橡胶复合材料胶状物硫化成型后,撤去凸起型顶层封装薄膜成型模具,形成凸起型压敏薄膜,其表面凸起的数量、尺寸和间距与凸起型压敏薄膜成型模具的凹槽相同,并确保薄型铜箔电极被凸起型压敏薄膜完全覆盖,且使两个薄型铜箔电极位于凸起型压敏薄膜的端侧;在长方体形有机玻璃上刻阵列式凹槽,作为凸起型顶层封装薄膜成型模具,凹槽的横截面为正方形,边长为6毫米,厚度为1毫米,凹槽数量为3行3列共9个,每个凹槽的中心位置与凸起型压敏薄膜成型模具上的凹槽的中心位置相同;在室温硫化硅橡胶材料中加入正硅酸乙酯,搅拌后形成硅橡胶胶状物,并将其涂覆在凸起型压敏薄膜上,通过微机控制固定于程控升降装置可动平台上的凸起型顶层封装薄膜成型模具向下移动,将硅橡胶胶状物挤压为表面具有阵列式凸起块的硅橡胶薄膜,并确保其完全覆盖凸起型压敏薄膜,硫化成型后形成凸起型顶层封装薄膜,其表面凸起的数量、尺寸和间距与凸起型顶层封装薄膜成型模具的凹槽相同,撤去凸起型顶层封装薄膜成型模具后,形成凸起式柔软压敏元件。
Claims (1)
1.一种凸起式柔软压敏元件的研制方法,其特征在于,该方法包括如下步骤:在绝缘薄膜两端的边缘位置上覆合一对薄型电极,作为底层封装薄膜,薄型电极的形状和尺寸可根据实际应用灵活调整;将底层封装薄膜置于程控升降装置的固定平台上备用;在长方体形刚性材料上刻阵列式凹槽,作为凸起型压敏薄膜成型模具,凹槽的形状、尺寸、间距和数量可根据实际应用灵活调整;将导电粉末、液态高分子材料和有机溶剂按一定比例混合,利用机械搅拌和超声振荡使纳米导电粉末在混合溶液中分散,并在交联剂和催化剂的作用下,形成复合材料胶状物;将复合材料胶状物均匀地涂覆在底层封装薄膜上,通过微机控制固定于程控升降装置可动平台上的凸起型压敏薄膜成型模具向下移动,将复合材料胶状物挤压为表面带有阵列式凸起块的导电高分子复合材料薄膜;复合材料胶状物硫化成型后,撤去凸起型顶层封装薄膜成型模具,形成凸起型压敏薄膜,并确保薄型电极被凸起型压敏薄膜完全覆盖,且使两个薄型电极位于凸起型压敏薄膜的端侧;在长方体形刚性材料上刻阵列式凹槽,作为凸起型顶层封装薄膜成型模具,凹槽的形状、尺寸、间距和数量可根据实际应用灵活调整;在液态高分子材料中加入交联剂,搅拌后形成高分子胶状物,并将其涂覆在凸起型压敏薄膜上,通过微机控制固定于程控升降装置可动平台上的凸起型顶层封装薄膜成型模具向下移动,将高分子胶状物挤压为所需的表面具有阵列式凸起块的高分子材料薄膜,并确保其完全覆盖凸起型压敏薄膜,硫化成型后,撤去凸起型顶层封装薄膜成型模具,形成凸起式柔软压敏元件。
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