CN109470282A - 一种悬臂梁式纸基传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种悬臂梁式纸基传感器，其特征在于，包括感应部、信号转换部和信号输出部，感应部包括纸基和碳膜，纸基包括一体成型的载体和悬臂梁，碳膜设置在悬臂梁表面与载体连接的一端，信号转换部设置在载体上，信号转换部包括电路导线和电子元器件，电路导线与电子元器件组成连接碳膜的信号转换电路，信号输出部包括输出导线，信号转换电路通过输出导线与外部测量仪器连接，通过悬臂梁式的设计放大纸基的变形，提高纸基传感器的灵敏度，且不会对载体造成影响，使得信号转换电路能够设置在载体上，提高纸基传感器的集成度。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种悬臂梁式纸基传感器及其制备方法。
背景技术
传感器作为一种精密的装置或器件，能将各种不易捕捉或度量的非电量信号转变为易于检测和显示的电量信号，它是现代工业生产、医疗卫生、航空航天、可穿戴式等应用领域中必不可少的一部分。其中，力学量传感器是将检测到的力或位移信号转变为相应的电信号，主要用于压力、拉力、张力、力矩等各种直接力的测量或者位移、加速度、角度、角速度、液位等物理量的转换，也是目前使用范围最广、需求量最大的传感器之一。目前常用的力传感器主要以半导体硅、金属、陶瓷、聚合物等材料作为传感器的敏感材料或基体。随着可穿戴医疗、柔性电子学等技术发展以及电子器件绿色、环保等要求的不断提高，对于高灵敏度、可测量大变形、低成本，并且绿色环保的传感器的研究已成为传感器发展的趋势之一。
纸作为中国古代的四大发明之一，长期以来一直用于书写、记录、印刷、绘画或包装等多种用途。纸由悬浮在水中的纸浆，在造纸机成形网上沉积出错综复杂的纤维层、再经压榨、干燥等工序制成，具有价廉易得、重量轻、可通过剪裁、折叠、冲压、激光切割等简单工艺进行形状加工、可通过书写、打印、印刷、喷涂、微纳加工等方法进行表面的图案化和处理、并且具有绿色环保、容易回收和处理等优点，因此利用纸制备传感器，可从一定程度上降低传感器的制备成本、提高传感器的环保等级，同时利用纸表面的天然结构或通过折叠制备的大尺寸结构还能大幅度提高传感器的灵敏度以及实现大变形测量。
近年来，随着柔性电子技术的发展以及电子器件的绿色、环保等要求，纸基传感器因表面微纳结构、易折叠以及低成本等特点而逐渐成为新的发展趋势，但对于纸基力学量传感器的研究仍较少，并且目前报道的纸基力学量传感器主要以纸作为载体，在纸基表面上涂敷一层碳膜，并利用纸基表面微纳结构的变形，实现碳膜压阻效应。但这种变形往往很小，造成传感器的灵敏度不高。同时，传统纸基传感器制备工艺复杂，并要实现信号的转变，需要外接信号转换电路板，其集成度很低。
因此，本发明提出一种制备工艺简单、成本低且灵敏度和集成度高的悬臂梁式纸基传感器。该纸基传感器不仅采用纸作为载体，利用悬臂梁末端部位碳膜应力集中，易产生大变形，从而提高其灵敏度。同时在其表面上涂敷了信号转换电路，直接实现信号转换，并降低了外接电路板的成本。
发明内容
本发明要解决的技术问题是提供一种高灵敏度且高集成度的纸基传感器，通过悬臂梁式的设计放大纸基的变形，提高纸基传感器的灵敏度，且不会对载体造成影响，使得信号转换电路能够设置在载体上，提高纸基传感器的集成度。
为了解决上述技术问题，本发明提供了一种悬臂梁式纸基传感器，其特征在于，包括感应部、信号转换部和信号输出部，所述感应部包括纸基和碳膜，所述纸基包括一体成型的载体和悬臂梁，所述碳膜设置在所述悬臂梁与所述载体的连接处，所述信号转换部设置在所述载体上，所述信号转换部包括电路导线和电子元器件，所述电路导线与电子元器件组成连接所述碳膜的信号转换电路，所述信号输出部包括输出导线，所述信号转换电路通过所述输出导线与外部测量仪器连接。
进一步的，所述碳膜为U型结构。
可选择的，所述碳膜的材料为石墨、石墨烯或碳纳米管。
可选择的，所述纸基通过裁切、冲压或者激光切割工艺形成。
可选择的，所述电路导线的材料可选择为导电胶带、金属薄膜、导电银浆或导电碳浆。
可选择的，所述电路导线通过粘贴、溅射、掩膜或打印工艺制备。
进一步的，所述信号输出部还包括导线固定块，利用所述导线固定块将所述输出导线固定到所述纸基上。
本发明的另一方面提出一种悬臂梁式纸基传感器的制备方法，包括：裁剪纸基形成载体和悬臂梁结构，在所述悬臂梁与载体的连接处形成碳膜，在所述载体上形成由电路导线和电子元器件组成的信号转换电路，所述信号转换电路通过输出导线连接外部测量仪器。
可选择的，所述纸基通过裁切、冲压或者激光切割工艺形成，所述碳膜和电路导线通过粘贴、溅射、掩膜或打印工艺设置在所述纸基上，所述电子元器件粘固在所述电路导线上。
进一步的，所述输出导线利用导线固定块固定在所述纸基上。
本发明与现有技术相比的有益效果是，通过悬臂梁式的设计放大纸基的变形，提高纸基传感器的灵敏度，且不会对载体造成影响，使得信号转换电路能够设置在载体上，提高纸基传感器的集成度。
附图说明
图1是本发明的实施例一整体结构示意图；
图2是本发明工作时侧视图；
图3是本发明的实施例三结构俯视图。
图中标号说明：10、感应部，11、纸基，111、载体，112、悬臂梁，12、碳膜，20、信号转换部，21、电路导线，22、电子元器件，30、信号输出部，31、输出导线，32、导线固定块。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，以使本领域的技术人员可以更好地理解本发明并能予以实施，但所举实施例不作为对本发明的限定。
参照图1所示，本发明的一种悬臂梁式纸基传感器的实施例一，包括感应部10、信号转换部20和信号输出部30，通过感应部10实现对外界力、加速度等物理量的实时感应，通过信号转换部20实现物理信号与电信号的实时转换，通过信号输出部30实现转换后信号的外界输出，提高了纸基11传感器的集成度，所述感应部10包括纸基11和碳膜12，所述纸基11包括一体成型的载体111和悬臂梁112，悬臂梁112凸出于载体111的一侧，悬臂梁112优选为细长条形，根据杠杆原理，由于悬臂梁112的一端与载体111固定，当悬臂梁112另一端部受到很小的力就能够产生大的形变，使悬臂梁112与载体111的连接处同样产生弯曲变形，所述碳膜12设置在所述悬臂梁112与所述载体111的连接处，由于纸基11的弯曲变形而引起碳膜12自身阻值变化，本实施例中，碳膜12为矩形结构，所述信号转换部20设置在所述载体111上，由于受力时纸基11的变形集中在悬臂梁112上，对载体111部分无影响，因此保证信号转换部20的正常工作，载体111的大小可根据信号转换部20需要占用的面积选择，所述信号转换部20包括电路导线21和电子元器件22，所述电路导线21与电子元器件22组成连接所述碳膜12的信号转换电路，提高纸基11传感器的集成度，所述信号输出部30包括输出导线31，所述信号转换电路通过所述输出导线31与外部测量仪器连接，同时，所述信号输出部30还包括导线固定块32，利用所述导线固定块32将所述输出导线31固定到所述纸基11上，保证输出导线31与信号转换电路连接的稳定，保证纸基11传感器测量结果能够稳定输出，利用悬臂梁112端部在受力时产生较大的弯曲变形并传递给碳膜12，引起碳膜12自身电阻值变化，实现较小的力也能够产生大的形变，提高纸基11传感器测量的灵敏度。所述纸基11通过裁切、冲压或者激光切割工艺形成，本实施例中，为适应大批量生产需要，纸基11采用低功率激光切割机切割形成，生产效率高，同时保证纸基11尺寸的一致性。
碳膜12为石墨、石墨烯或碳纳米管中的一种或多种，石墨、石墨烯和碳纳米管是良好的力敏感单元，保证纸基11传感器的灵敏度。所述电路导线21的材料可选择为导电胶带、金属薄膜、导电银浆或导电碳浆，导电性好，所述电路导线21通过粘贴、溅射、掩膜或打印工艺制备，方便与纸基11粘附。
可采用剪裁、切割等方法实现所需形状的低成本裁剪；可通过书写、印刷、打印、黏贴导电胶带等工艺实现低成本的纸基11表面导电部分的低成本、大批量制作；可采用裁剪、粘结等工艺实现结构的制作和组装。
参照图2所示，利用本实施例中的悬臂梁112式纸基11传感器进行力学信号的检测时，将纸基11传感器的悬臂梁112端部放置在与受力方向垂直的位置，当外界施加压力于悬臂梁112的端部，碳膜12表面受到集中应力而发生较大的弯曲变形，从而引起自身电阻值变化，电阻值变化会经过由电路导线21与电子元器件22构成的信号转换电路，转换为易测量的电压模拟信号。电压模拟信号通过由导线固定块32与导线构成的信号输出部30，输出到外界测量仪器中，进行实时测量显示。
参照图3所示，为本发明的实施例二结构示意图，本实施例中，与实施例一不同之处在于所述碳膜12为U型结构，所述碳膜12的U型开口朝向所述信号转换电路，U型碳膜12与传统矩形碳膜12相比受力面积大，应力更加集中，因此灵敏度更高。
一种悬臂梁式纸基传感器的制备方法，所述方法步骤如下：
(1)将纸通过裁切、冲压或者激光切割工艺形成带有载体和悬臂梁结构的纸基，优选采用低功率激光切割机进行切割，工作效率高，纸基尺寸一致性好；
(2)将碳膜粘附于纸基悬臂梁与载体的连接处，将电路导线粘附于纸基的载体上，所述碳膜和电路导线通过粘贴、溅射、掩膜或打印工艺设置在所述纸基上，优选采用掩膜工艺，在纸基表面贴上碳膜的掩膜片，用毛刷蘸上碳墨，并均匀涂敷在碳膜的掩模片上。涂敷完后，放入烘箱加热一段时间，结束后取下纸基表面的碳膜掩模片，从而在纸基上制备出碳膜。同样，在纸基表面贴上信号转换电路的掩膜片，用毛刷蘸上导电银浆或导电碳浆，并均匀涂敷在信号转换电路的掩膜片上。涂敷完后，放入烘箱加热一段时间，结束后取下纸基表面上的信号转换电路的掩膜片，从而在纸基表面上制备出信号转换电路；
(3)将电子元器件粘附于步骤(2)得到的纸基上相应的固定部位，具体的所述电子元器件粘固在所述电路导线上，通过导线固定块将输出导线粘固于步骤(2)得到的纸基上相应的固定部位，优选的，电子元器件和导线固定块通过导电银浆固定在纸基上，用毛刷蘸上少量导电银浆，分别在电子元器件与导线固定块的固定部位涂敷上导电银浆，然后等到导电银浆未完全干燥时，分别夹取电子元器件与导线固定块放置于纸基相应的固定部位上，输出导线被压实在导线固定块与纸基之间。过一段时间后，导电银浆自然风干，同时电子元器件与输出导线即牢牢固定在纸基相应的部位。
以上所述实施例仅是为充分说明本发明而所举的较佳的实施例，本发明的保护范围不限于此。本技术领域的技术人员在本发明基础上所作的等同替代或变换，均在本发明的保护范围之内。本发明的保护范围以权利要求书为准。
Claims (10)
1.一种悬臂梁式纸基传感器，其特征在于，包括感应部、信号转换部和信号输出部，所述感应部包括纸基和碳膜，所述纸基包括一体成型的载体和悬臂梁，所述碳膜设置在所述悬臂梁与所述载体的连接处，所述信号转换部设置在所述载体上，所述信号转换部包括电路导线和电子元器件，所述电路导线与电子元器件组成连接所述碳膜的信号转换电路，所述信号输出部包括输出导线，所述信号转换电路通过所述输出导线与外部测量仪器连接。
2.如权利要求1所述的一种悬臂梁式纸基传感器，其特征在于，所述碳膜为U型结构。
3.如权利要求1所述的一种悬臂梁式纸基传感器，其特征在于，所述碳膜的材料为石墨、石墨烯或碳纳米管。
4.如权利要求1所述的一种悬臂梁式纸基传感器，其特征在于，所述纸基通过裁切、冲压或者激光切割工艺形成。
5.如权利要求1所述的一种悬臂梁式纸基传感器，其特征在于，所述电路导线的材料可选择为导电胶带、金属薄膜、导电银浆或导电碳浆。
6.如权利要求5所述的一种悬臂梁式纸基传感器，其特征在于，所述电路导线通过粘贴、溅射、掩膜或打印工艺制备。
7.如权利要求1所述的一种悬臂梁式纸基传感器，其特征在于，所述信号输出部还包括导线固定块，利用所述导线固定块将所述输出导线固定到所述纸基上。
8.一种悬臂梁式纸基传感器的制备方法，其特征在于，包括：裁剪纸基形成载体和悬臂梁结构，在所述悬臂梁与载体的连接处形成碳膜，在所述载体上形成由电路导线和电子元器件组成的信号转换电路，所述信号转换电路通过输出导线连接外部测量仪器。
9.如权利要求8所述的一种悬臂梁式纸基传感器的制备方法，其特征在于，所述纸基通过裁切、冲压或者激光切割工艺形成，所述碳膜和电路导线通过粘贴、溅射、掩膜或打印工艺设置在所述纸基上，所述电子元器件粘固在所述电路导线上。
10.如权利要求8所述的一种悬臂梁式纸基传感器的制备方法，其特征在于，所述输出导线利用导线固定块固定在所述纸基上。
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