CN111103075A - 量程与灵敏度可调的柔性压阻式压力传感器 - Google Patents

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赵雨航
朱晓波
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Abstract

本发明公开了一种量程与灵敏度可调的柔性压阻式压力传感器，包括第一封装层、柔性基底、压阻传感材料、电极层、垫片和第二封装层，所述压阻传感材料设置在柔性基底和电极层之间，垫片设置在电极层上，通过改变垫片的个数改变量程和灵敏度，所述压阻传感材料为纳米颗粒或纳米线。本发明通过在压阻传感材料与封装层之间引入垫片，显著提高了器件的应变灵敏度，且可通过控制垫片数量人为调控应变灵敏度，大大扩展了应用范围。

Description

量程与灵敏度可调的柔性压阻式压力传感器
技术领域
本发明属于压力传感器技术领域，具体为一种量程与灵敏度可调的柔性压阻式压力传感器。
背景技术
相较于传统压力传感器中的金属应变片，柔性压力传感器的传感单元材料和结构多种多样，比如基于有机物场效应晶体管设计的传感器具有较好的工作性能以及低成本；基于碳纳米管或石墨烯设计的传感器成本低，工艺简单，稳定性高，并能够承受相对较大范围的压力。基于纳米线阵列设计的传感器性能好，稳定性高。而近年来，基于金属纳米颗粒的柔性压力传感器由于纳米颗粒材料、结构以及尺寸的多样性，可灵活设计传感单元的量程和灵敏系数，受到广大研究者的重视。此类柔性压力传感单元可通过逐层制备、悬浮覆盖、压印、喷印、自组装对流等多种方法制备，制备工艺相较于其他柔性传感单元更为简单，因此也逐渐展现出其在商业化应用中的巨大潜力和优势。
现有基于金属纳米颗粒的柔性压力传感单元，以单一的金属纳米颗粒作为敏感材料，或者将金属纳米颗粒与其他结构材料混合。采用柔性基底上制作压敏电阻传感材料后直接上下包裹封装材料的三明治结构。单一的金属纳米颗粒作为敏感材料的传感单元应变灵敏度通常较低，比如以单一银纳米颗粒作为传感单元材料，应变灵敏度仅为2.05，这使得传感器在小压力范围无法精确感测。金属纳米颗粒与其他结构材料混合的传感单元，虽然应变灵敏度可显著提升。但是这样的传感单元附着力通常较金属颗粒与金属导线直接接触要差，且接触电阻更高，使得器件在操作过程中通常需要施加较高的电压，不利于器件性能的稳定，且在商业化应用中产生较大的隐患。
发明内容
本发明的目的在于提出了一种量程与灵敏度可调的柔性压阻式压力传感器。
实现本发明目的的技术解决方案为：一种量程与灵敏度可调的柔性压阻式压力传感器，包括第一封装层、柔性基底、压阻传感材料、电极层、垫片和第二封装层，所述压阻传感材料设置在柔性基底和电极层之间，垫片设置在电极层上，通过改变垫片的个数改变量程和灵敏度，所述压阻传感材料为纳米颗粒或纳米线。
优选地，所述垫片材料为聚二甲基硅氧烷、高分子有机硅化物、热塑性弹性体、硅橡胶中的一种。
优选地，所述垫片的尺寸小于所述压阻传感材料的尺寸。
优选地，所述压阻传感材料为线宽为5-50微米的线型图案，由单一金属纳米颗粒沉积于柔性基底上构成。
优选地，线型图案为折线型、网状、指叉状中的一种。
优选地，单一金属纳米颗粒材料为银、金、铜、铬中的一种。
优选地，所述第一封装层和第二封装层为柔性封装材料，为聚二甲基硅氧烷、高分子有机硅化物、热塑性弹性体、硅橡胶中的一种。
优选地，所述柔性基底材料为特斯林、聚乙烯、聚氯乙烯中的一种。
优选地，所述压阻传感材料面积为2cm×2cm，厚度为5μm。
优选地，所述电极层电极宽度为1mm；所述垫片总面积为1cm×1cm，厚度为500μm。
本发明与现有技术相比，其显著优点为：
1)本发明采用单一金属纳米颗粒作为压阻传感材料，可获得较好的附着力和与电极之间的接触电阻，提高器件的机械性能，且在操作过程仅需较小电压驱动(5V以下)；
2)本发明通过在压阻传感材料与封装层之间引入垫片，显著提高了器件的应变灵敏度，且可通过控制垫片数量人为调控应变灵敏度，大大扩展应用范围。
下面结合附图对本发明做进一步详细的描述。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为本发明应变灵敏度随局部微区形变接触点个数的增加而增大的特性曲线图。
图3为本发明应变灵敏度与局部微区形变接触点个数之比与随局部微区形变接触点个数关系图。
具体实施方式
一种量程与灵敏度可调的柔性压阻式压力传感器，包括第一封装层1、柔性基底2、压阻传感材料3、电极层4、垫片5和第二封装层6，所述压阻传感材料3设置在柔性基底2和电极层4之间，垫片5设置在电极层4上，通过改变垫片5的个数改变量程和灵敏度，所述压阻传感材料3为纳米颗粒或纳米线。
第一封装层1和第二封装层6主要起保护和接受应力的作用。柔性基底承载压阻传感材料，构成最基本的压阻传感部分。在传感单元与第二封装层之间使用形状尺寸经过专门设计的柔性或刚性垫片导入传感材料的局部微区形变，可显著增加传感单元的应变灵敏系数，从而增加其量程和灵敏度。
进一步的实施例中，所述垫片5的尺寸小于所述压阻传感材料3的尺寸。无需改变垫片总接触面积根据实际需要也可以改变，仅通过改变垫片与传感材料接触点的数量，即可近似线性地调节灵敏系数，进而调节量程和灵敏度。
进一步的实施例中，垫片为柔性或刚性材料，封装于第二封装层与压阻传感材料之间，直接与压阻传感材料接触。垫片材料为聚二甲基硅氧烷PDMS、高分子有机硅化物，热塑性弹性体TPE，硅橡胶中的一种。
进一步的实施例中，压阻传感材料由单一金属纳米颗粒构成，沉积于柔性基底上，具体为线宽5-50微米的线型图案，图案为折线型、网状、指叉状中的一种。金属材料为银、金、铜、铬中的一种。
进一步的实施例中，第一封装层和第二封装层为柔性封装材料，为聚二甲基硅氧烷PDMS、高分子有机硅化物，热塑性弹性体TPE，硅橡胶中的一种。
具体的，柔性基底材料为特斯林，聚乙烯PE，聚氯乙烯PVC中的一种。
优选地，所述压阻传感材料3面积为2cm×2cm，厚度为5μm。
优选地，所述电极层4电极宽度为1mm；所述垫片5总面积为1cm×1cm，厚度为500μm。
本发明传感材料由单一金属纳米颗粒构成，并可通过静电喷射、丝网印刷、压印等工艺实现传感单元制备，具有应变灵敏度高、工艺低成本、产量高等优点，适合商业化应用。***印刷最小线宽约为5μm。
本发明在封装过程中通过增加垫片以引入垫片。其工作原理为：当纵向压力施加在传感器上时，通过柔性封装层和基底的受力形变转化为平面内的横向应变，在其他传统传感器结构中，此横向应变均匀分布于压阻传感材料中导致其均匀拉伸。而在本发明中，由于垫片的引入，使得纵向压力引起的横向应变集中分布于压阻传感材料与垫片边缘接触的局部区域，使这些局部区域中的拉伸程度远大于其他传统传感器结构中电阻传感材料的拉伸程度，垫片从而使得本发明的应变灵敏度显著增加。同时通过改变局部微区形变的接触点个数即改变垫片的数量，可以对传感器应变灵敏系数进而器件灵敏度进行近似线性的调节。
本发明利用单一金属纳米颗粒作为传感材料，与电极金属材料具有较好的接触特性和附着力，可显著改善传感器中传感单元与金属电极间的接触问题。
实施例1
如图1所示，一种量程与灵敏度可调的柔性压阻式压力传感器，包括第一封装层1、柔性基底2、压阻传感材料3、电极层4、垫片5和第二封装层6，所述压阻传感材料3设置在柔性基底2和电极层4之间，垫片5设置在电极层4上，通过改变垫片5的个数改变量程和灵敏度，所述压阻传感材料3为纳米颗粒或纳米线。
在此实施例中，所述柔性基底2面积为3cm×3cm，厚度为300μm；所述压阻传感材料3面积为2cm×2cm，厚度为5μm；所述电极层4电极宽度为1mm；所述垫片5总面积为1cm×1cm，厚度为500μm。
如图2所示，当保持所述垫片5总面积不变，而改变其数量时，器件的应变系数随着所述垫片5数量的增加而增大，当所述垫片5数量为1、2、3、4的时候，相对应的应变系数分别为69.8、142、225、268.6。从而实现人为调控传感器的灵敏度。
如图3所示，在较少数量范围内小于4个，将本发明在不同压强下的电阻变化率除以所述垫片5数量，并对压强作图，可以看到每片所述垫片5提供的电阻变化率近似相等，进而可以推论在一定范围内，本发明的灵敏度随着所述垫片5数量的变化而线性变化，此特性对于精确设计传感器的灵敏度以及测量范围具有较高的应用价值。

Claims (10)

1.一种量程与灵敏度可调的柔性压阻式压力传感器，其特征在于，包括第一封装层(1)、柔性基底(2)、压阻传感材料(3)、电极层(4)、垫片(5)和第二封装层(6)，所述压阻传感材料(3)设置在柔性基底(2)和电极层(4)之间，垫片(5)设置在电极层(4)上，通过改变垫片(5)的个数改变量程和灵敏度，所述压阻传感材料(3)为纳米颗粒或纳米线。
2.根据权利要求1所述的量程与灵敏度可调的柔性压阻式压力传感器，其特征在于，所述垫片(5)材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、高分子有机硅化物、热塑性弹性体(TPE)、硅橡胶中的一种。
3.根据权利要求1所述的量程与灵敏度可调的柔性压阻式压力传感器，其特征在于，所述垫片(5)的尺寸小于所述压阻传感材料(3)的尺寸。
4.根据权利要求1所述的量程与灵敏度可调的柔性压阻式压力传感器，其特征在于，所述压阻传感材料(3)为线宽为5-50微米的线型图案，由单一金属纳米颗粒沉积于柔性基底(2)上构成。
5.根据权利要求1所述的量程与灵敏度可调的柔性压阻式压力传感器，其特征在于，线型图案为折线型、网状、指叉状中的一种。
6.根据权利要求1所述的量程与灵敏度可调的柔性压阻式压力传感器，其特征在于，单一金属纳米颗粒材料为银、金、铜、铬中的一种。
7.根据权利要求1所述的量程与灵敏度可调的柔性压阻式压力传感器，其特征在于，所述第一封装层(1)和第二封装层(6)为柔性封装材料，为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、高分子有机硅化物、热塑性弹性体(TPE)、硅橡胶中的一种。
8.根据权利要求1所述的量程与灵敏度可调的柔性压阻式压力传感器，其特征在于，所述柔性基底(2)材料为特斯林、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)中的一种。
9.根据权利要求1所述的量程与灵敏度可调的柔性压阻式压力传感器，其特征在于，所述压阻传感材料(3)面积为2cm×2cm，厚度为5μm。
10.根据权利要求1所述的量程与灵敏度可调的柔性压阻式压力传感器，其特征在于，所述电极层(4)电极宽度为1mm；所述垫片(5)总面积为1cm×1cm，厚度为500μm。
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