CN113447168B - 一种可拉伸压力传感器阵列 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种可拉伸压力传感器阵列，包括压力敏感层，所述压力敏感层包括多个压力敏感单元，所述压力敏感单元由导电组合物制得，所述导电组合物包括弹性体材料、碳基粉体和导电油墨，所述压力敏感单元包括第一表面和与所述第一表面相对设置的第二表面，所述第一表面为平面或者包括多个凸起结构。本发明一实施方式的压力传感器阵列，在较大的外力范围内，均可检测电阻变化。

Description

一种可拉伸压力传感器阵列
技术领域
本发明涉及压力传感器，具体为一种可拉伸的压力传感器阵列。
背景技术
随着柔性电子学的发展，柔性传感技术已逐渐发展成为一项令人瞩目的高新智能交互技术，对实现柔性接触界面、曲面和不规则形状接触界面之间的接触交互作用力的感测，以及动态分布信息的感测具有至关重要的作用。
柔性电阻式压力传感器因其结构简单、灵敏度高等优点而被大量研究。现有的电阻式压力传感器阵列虽可实现分布压力测试，但其力学检测量程较小，数据处理过程较复杂。
同时，传统的阵列式传感器件多采用无拉伸性的刚性基材或拉伸性能较小的无结构高分子材料为封装层，其形变量小、可拉伸性能较差，难以对形变量较大的柔性接触界面、曲面和不规则形状接触界面之间的接触交互作用力及其动态分布信息实现准确感测。
发明内容
本发明的一个主要目的在提供一种可拉伸压力传感器阵列，包括压力敏感层，所述压力敏感层包括多个压力敏感单元，所述压力敏感单元由导电组合物制得，所述导电组合物包括弹性体材料、碳基粉体和导电油墨，所述压力敏感单元包括第一表面和与所述第一表面相对设置的第二表面，所述第一表面为平面或者包括多个凸起结构。
本发明一实施方式的压力传感器阵列，在较大的外力范围内，均可检测电阻变化。
附图说明
图1为本发明一实施方式的可拉伸压力传感器阵列的结构示意图；
图2为本发明一实施方式的压力敏感单元的结构示意图；
图3为本发明一实施方式的第一电极层的结构示意图；
图4为本发明一实施方式的第二电极层的结构示意图；
图5为本发明一实施方式的压力敏感层设置于第一电极层和第二电极层之间的俯视图；
图6为本发明一实施方式的制备压力敏感单元的示意图；
图7为本发明一实施方式的制备可拉伸压力传感器阵列的示意图；
图8为将本发明实施例3制得的可拉伸压力传感器阵列置于球体表面的照片；
图9为本发明实施例1至4所制得的压力敏感单元的压敏响应特性图；
图10为本发明实施例的压力传感器阵列与现有报道的传感器压敏特性的对比图；
图11a至11c为用手按压本发明实施例2制备的可拉伸压力传感器阵列的照片及对外部载荷的大小、位置分布进行有效识别的测试结果图；
图12a至12c为用手按压本发明实施例2制备的可拉伸压力传感器阵列的一个压力敏感单元的照片及对外部载荷的大小、位置分布进行有效识别的测试结果图；
图13a至13c为将重物负载于本发明实施例2制备的可拉伸压力传感器阵列的照片及对外部载荷的大小、位置分布进行有效识别的测试结果图。
具体实施方式
体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
如图1所示，本发明一实施方式提供了一种可拉伸压力传感器阵列，包括压力敏感层10，压力敏感层10包括多个压力敏感单元，压力敏感层10由多个相同的压力敏感单元通过阵列式排布形成，压力敏感单元由导电组合物制得，该导电组合物包括弹性体材料、碳基粉体和导电油墨。
于一实施方式中，由导电组合物制得的压力敏感层10在外力作用下可发生形变，从而导致电阻变化，将力学载荷转变为电信号。
于一实施方式中，弹性体材料可以是橡胶。
于一实施方式中，弹性体材料可以是聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
于一实施方式中，碳基粉体可以是碳纤维粉、生物质炭、导电炭黑、石墨粉中的一种或多种。
于一实施方式中，碳纤维粉的纤维直径可以为6～10μm，例如7μm、8μm；长度可以为20～100μm，例如30μm、50μm、60μm、80μm、90μm等。
于一实施方式中，导电油墨可以是导电碳油墨。
于一实施方式中，导电组合物包括9～19wt％碳基粉体(例如10％、13％、16％等)、45～60wt％弹性体材料(例如48％、52％、56％、58％等)和30～40wt％导电油墨(例如32％、34％、35％、37％等)，上述质量含量以导电组合物的总重量为基准。
于一实施方式中，导电组合物包括10wt％的碳基粉体和34wt％的导电油墨。
于一实施方式中，导电组合物包括13wt％的碳基粉体和35wt％的导电油墨。
于一实施方式中，压力敏感单元具有模塑性，可制备阵列式压力敏感层10。
于一实施方式中，多个压力敏感单元可呈矩形排布，例如压力敏感层10可由16个压力敏感单元按照4×4的分布方式等间隔的排布形成。
于一实施方式中，压力敏感层10的厚度可以为0.1～1mm，亦即，压力敏感单元的厚度可以为0.1～1mm。
于一实施方式中，压力敏感单元呈片层结构，例如可以为矩形片，特别是方形片。
如图2所示，于一实施方式中，压力敏感单元包括第一表面11和与第一表面11相对设置的第二表面12。
于一实施方式中，压力敏感单元的第一表面11和第二表面12均为平面。
于一实施方式中，压力敏感单元的第一表面11包括多个凸起结构11a，第二表面12为平面。
于一实施方式中，多个凸起结构11a等间隔的排布于第一表面11上。
于一实施方式中，多个凸起结构11a以阵列排布于第一表面11上，该阵列可以是矩形阵列，例如4×4的方形阵列。
于一实施方式中，凸起结构11a呈棱锥形或圆柱形。
于一实施方式中，凸起结构11a可呈三棱锥形或四棱锥形。
于一实施方式中，凸起结构11a的高度可以为1～100um，例如5um、10um、20um、25um、50um、60um、80um、90um等。
于一实施方式中，如图1所示，可拉伸压力传感器阵列包括第一柔性电路板100和第二柔性电路板200，两柔性电路板均由电极层和封装层组成，第一柔性电路板100包括第一电极层20和第一封装层40，第二柔性电路板200包括第二电极层30和第二封装层50，第一电极层20、第二电极层30分别设置于多个压力敏感单元的第一表面11和第二表面12。
于一实施方式中，第一电极层20和第二电极层30的结构可以相同。
于一实施方式中，第一电极层20和/或第二电极层30的厚度可以为10～50um，例如15um、20um、25um、30um、35um、40um、45um等。
于一实施方式中，第一电极层20和第二电极层30均可包括多个导电单元，导电单元包括导线和与导线相连的导电结点部(或可称为导电部)，导线包括曲线结构，以便于压力传感器阵列的拉伸。
于一实施方式中，多个导电单元可一体成型。
于一实施方式中，电极层中导线和导电结点部的设置，使得形成“桥”型屈曲式导线和“岛”型导电结点的结构，从而使得电极层呈镂空式，在外力作用下更易于发生形变。
于一实施方式中，导线包括波浪形结构。
于一实施方式中，导线包括正弦曲线结构或类似于正弦曲线的结构。
于一实施方式中，导线的宽度可以为0.01～1mm，例如0.05mm、0.1mm、0.2mm、0.5mm、0.8mm等。
于一实施方式中，导电结点部的尺寸可以为5～15mm，例如6mm、8mm、10mm、12mm等。
于一实施方式中，导电结点部可以为方形片或圆形片。
于一实施方式中，导电结点部的边长(方形片)或直径(圆形片)可以为5～15mm。
于一实施方式中，多个导电结点部整体呈矩形阵列排布，第一电极层20和/或第二电极层30的任意相邻的两个导电结点部的间隔距离为5～15mm，例如6mm、8mm、10mm、12mm等。
于一实施方式中，第一电极层20和/或第二电极层30的材质可以为柔性导电薄膜，例如铜箔。
于一实施方式中，如图3所示，第一电极层20的导电单元包括第一导线21和第一导电结点部22，多个第一导电结点部22整体呈矩形阵列排布，例如可以是16个第一导电结点部22根据4×4的分布方式等间隔的排布形成的方形阵列。其中，第一电极层20可包括多列导电单元，每列导电单元由多个第一导电结点部22通过多个第一导线21串联形成，即，多个第一导电结点部22依次相连。每列导电单元通过与边部第一导电结点部22相连的第一导线21与外界相连，多列导电单元的与外界相连的第一导线21可汇集在一起形成连接导线部21a，连接导线部21a中的多个第一导线21平行设置，它们具有相同的延伸方向，包括波浪状或类似于正弦曲线的起伏结构。
于一实施方式中，连接导线部21a可位于第一导电结点部22阵列的任一侧(外侧)，例如，连接导线部21a可位于多列导电单元的上侧(按照图3所示方向)。
于一实施方式中，每一第一导电结点部22通过第一导线21与同一列中和其相邻的第一导电结点部22相连，由此，第一电极层20中位于两相邻第一导电结点部22之间的多个第一导线21具有相同的延伸方向。
于一实施方式中，如图4所示，第二电极层30的导电单元包括第二导线31和第二导电结点部32，第二导线31和第二导电结点部32的结构及排布可与第一导线21、第一导电结点部22相同。在第二电极层30中，连接导线部31a可位于多列导电单元的左侧(按照图4所示方向)。
如图5所示，第一电极层20和第二电极层30的结构相同，且第一电极层20对应于第二电极层30设置，第一导线21与第二导线31错开排布，压力敏感单元夹设于第一电极层20的第一导电结点部22和第二电极层30的第二导电结点部32之间。
于一实施方式的压力传感器阵列结构中，第一导线21垂直于第二导线31设置。
于一实施方式的压力传感器阵列结构中，第一电极层20的连接导线部21a的类正弦结构的延伸方向垂直于第二电极层30的连接导线部31a的类正弦结构的延伸方向，且连接导线部21a的末端部分可与连接导线部31a的末端部分汇集于同一方向，以便于与外界相连。
于一实施方式中，压力敏感单元的数量和第一电极层20及第二电极层20的导电结点部数量相同。
于一实施方式中，封装层为不导电的柔性薄膜，以隔绝电极层与外部的接触。
于一实施方式中，封装层为柔性聚合物薄膜，例如聚酰亚胺(PI)膜。
于一实施方式中，封装层设置于电极层，其部分(图案)结构可与电极层相同，以对应于电极层设置，将电极层覆盖。
于一实施方式中，封装层包括阵列部和分别位于阵列部四侧的曲线部，阵列部的结构可与电极层的导电结点部和导线组成的阵列相同，曲线部的结构可与电极层的连接导线部的结构相同，以使两个封装层既能够完全包覆两个电极层，又能够形成镂空式的可拉伸结构，易于发生形变。
于一实施方式中，封装层、电极层中的导线、连接导线部呈曲线设置(包括曲线结构)，使得压力传感器阵列在外力作用下更易于发生形变。
于一实施方式中，如图1所示，第一电极层20、压力敏感层10、第二电极层30依序设置于第一封装层40和第二封装层50之间。
本发明一实施方式提供了一种上述可拉伸压力传感器阵列的制备方法，包括：
制备压力敏感层的步骤；
制备导电层的步骤；
制备封装层的步骤；
将封装层设置于导电层的表面，形成柔性电路板；以及
将压力敏感层夹设于两个柔性电路板之间，制得可拉伸压力传感器阵列。
于一实施方式中，制备压力敏感层的工艺包括：
在PDMS中加入碳基粉体，行星搅拌分散均匀，后加入固化剂机械搅拌，制得均匀分散的碳基粉体-PDMS复合浆料；
向碳基粉体-PDMS复合浆料中加入导电油墨，机械搅拌均匀，制得导电弹性体浆料；
将所制得的导电弹性体浆料进行固化，得到柔性复合导电薄膜；以及
根据所需压力敏感单元的形状，将所制得的柔性复合导电薄膜进行切割，例如切割成多个正方体，得到多个独立的压力敏感单元。
于一实施方式中，参照图6，可通过激光切割机雕刻出多个图案化(例如凸起结构)阵列制得压力敏感层图案化模具，将所制得的导电弹性体浆料浇筑到模具中进行固化，得到图案化的柔性复合导电薄膜。
本发明一实施方式以碳基粉体作为第一导电填料、碳油墨作为第二导电填料添加到PDMS中，使碳油墨导电粒子可填充到碳基粉体材料的网络空隙内，形成导电通路，所制备的复合薄膜具有较高的电导率且可承受力量程范围较大，作为压力敏感层，在较大的外力范围内，均可检测电阻变化。
于一实施方式中，具有凸起结构的压力敏感层的灵敏度与所受外力为线性关系，可实现力学位点直接监测，检测效率更高。
于一实施方式中，制备电极层的工艺包括：以柔性聚合物薄膜为基材，利用光成像图形转移和蚀刻工艺制成具有多个导电单元的电极层。其中，多个导电单元的多个导线和多个导电结点部一体成型，共同构成图案结构。
于一实施方式中，封装层可采用与电极层相同的方法制得。
于一实施方式中，可通过胶粘接将一封装层和一电极层粘接在一起，并使封装层的结构与电极层的结构相重合，制得一FPC柔性电路板。
于一实施方式中，如图7所示，通过胶粘剂在一柔性电路板(第一柔性电路板100)的每个导电结点部粘贴一个压力敏感单元，再通过胶粘剂将另一柔性电路板(第二柔性电路板200)粘贴于第一柔性电路板100上，制得可拉伸压力传感器阵列；其中，第二柔性电路板200的导电结点部覆盖于压力敏感单元上。
于一实施方式中，封装层与电极层具有相同图形结构，能够通过阵列部和两个曲线部贴合于两个电极层的导电接点部、导线和连接导线部；另外，第一封装层40通过闲置的另两个曲线部贴合于第二封装层50的另两个曲线部。
本发明一实施方式的可拉伸压力传感器阵列，具有较高的可拉伸性，可提高外力检测量程，并能够准确检测柔性接触界面、曲面和不规则形状接触界面间的交互作用力及动态力学分布。
以下结合附图及具体实施例对本发明一实施方式的可拉伸压力传感器阵列进行进一步说明。其中，所使用的原料均为市售获得。
实施例1
(1)所使用的导电组合物包括10wt％碳纤维粉、34wt％导电油墨与56wt％聚二甲基硅氧烷(PDMS)；
在PDMS中加入碳纤维粉，行星搅拌分散均匀，后加入固化剂机械搅拌，制得均匀分散的碳纤维-PDMS复合浆料；向碳纤维-PDMS复合浆料中加入导电油墨，机械搅拌均匀，制得导电弹性体浆料；将导电弹性体浆料铺至平滑玻璃板上进行固化，得到700um厚的柔性复合导电薄膜；将柔性复合导电薄膜切割成16个1×1mm的正方体压力敏感单元。
(2)以铜箔为基材，利用光成像图形转移和蚀刻工艺制成如图3所示的第一电极层20，第一电极层20包括呈阵列排布的16个第一导电结点部22，连接导线部21a呈波浪状(或类似正弦曲线)，位于阵列的一侧；
通过以聚酰亚胺为基材、采用与制备第一电极层20相同的工艺制备图7所示的包含四侧曲线部的第一封装层40，将第一电极层20和第一封装层40通过胶粘结在一起，且使两者的形状相重合，制得第一柔性电路板100。
按照上述相同的工艺制得如图7所示的第二柔性电路板200。
(3)将步骤(1)所制的16个压力敏感单元(压力敏感层10)排布在第一柔性电路板100的第一导电结点部22上，利用步骤(1)中所配置的导电组合物(固化前)做胶粘剂，涂覆在压力敏感单元的下表面，将第一电极层20的第一导电结点部22与压力敏感单元粘结牢固。
(4)用硅橡胶填充压力敏感单元的上表面边缘，将第二柔性电路板200通过16个压力敏感单元粘结于第一柔性电路板100，所得结构如图7所示；其中，第一电极层20的连接导线部21a的波浪结构的延伸方向垂直于第二电极层30的连接导线部31a的波浪结构的延伸方向。
实施例2
本实施例与实施例1采用相同的原料、步骤、工艺条件等，区别仅在于：实施例1的步骤(1)制得的是平面的压力敏感单元，本实施例制得的是具有四棱锥凸起结构的压力敏感单元。压力敏感单元的制备步骤为：
利用激光切割机雕刻出间隙距离为0.2mm的四棱锥阵列，制得压力敏感层图案化模具，其中四棱锥底面边长为0.2×0.2mm，高度为50um；
在PDMS中加入碳纤维粉，行星搅拌分散均匀，后加入固化剂机械搅拌，制得均匀分散的碳纤维-PDMS复合浆料；向碳纤维-PDMS复合浆料中加入导电油墨，机械搅拌均匀，制得导电弹性体浆料；将所制得的导电弹性体浆料浇筑到模具中进行固化，得到700um厚的具有凸起结构的柔性复合导电薄膜；将柔性复合导电薄膜切割成16个1×1mm的正方体压力敏感单元。
实施例3
本实施例与实施例2采用相同步骤、工艺条件等，区别仅在于：实施例2所使用的导电聚合物包括13wt％碳纤维粉、35wt％导电油墨与52wt％聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
实施例4
本实施例与实施例1采用相同的原料、步骤、工艺条件等，区别在于：实施例1的步骤(1)制得的是平面的压力敏感单元，本实施例制得的是具有圆柱形凸起结构的压力敏感单元。压力敏感单元的制备步骤为：
利用激光切割机雕刻出间隙距离为0.2mm的圆柱形阵列，制得压力敏感层图案化模具，其中圆柱形的圆形底面直径为0.2mm，高度为50um；
倒模制备正方体压力敏感单元的步骤与实施例2相同。
图8为将实施例3制得的可拉伸压力传感器阵列置于球体表面的照片，由于实施例3所制备的柔性电路板具有波浪结构或类正弦结构的导线，使得压力传感器阵列具有较大的柔性，可紧密贴合于曲面或不规则界面。
分别将实施例1至4制得的压力敏感层在0.1V电压下进行压敏性能的测试，结果如图9所示，可以看出，所制备的压力敏感层在0～800kPa范围内均具有良好的压敏响应特性；其中，实施例2-4的具有凸起结构的压力敏感层的灵敏度与所受外力为线性关系，可实现力学位点的直接监测，检测效率更高。
图10列出了本发明实施例1至4的压力传感器阵列以及现有报道的传感器压敏特性的数据，图10的结果充分表明，相较于现有的传感器，本发明实施例的压力传感器阵列在较宽的范围内具有较高的灵敏度。
图11a至13c为本发明实施例2制备的可拉伸压力传感器阵列对外部载荷的大小及位置分布进行有效识别的照片及测试结果图。测试结果表明，在按压或将重物负载于实施例2制备的可拉伸压力传感器阵列时，传感器阵列连接显示装置显示出不同颜色变化，即实现对外部载荷的大小及位置分布的识别。
除非特别限定，本发明所用术语均为本领域技术人员通常理解的含义。
本发明所描述的实施方式仅出于示例性目的，并非用以限制本发明的保护范围，本领域技术人员可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进，因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。

Claims (8)

1.一种可拉伸压力传感器阵列，包括压力敏感层，所述压力敏感层包括多个压力敏感单元，所述压力敏感单元由导电组合物制得，所述导电组合物包括弹性体材料、碳基粉体和导电油墨；所述压力敏感单元包括第一表面和与所述第一表面相对设置的第二表面，所述第一表面为平面或者包括多个凸起结构；
所述导电组合物包括9～19wt％的碳基粉体、45～60wt％的弹性体材料和30～40wt％的导电油墨；
所述弹性体材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)；
制备所述压力敏感层的工艺包括：
在聚二甲基硅氧烷 中加入碳基粉体，行星搅拌分散均匀，后加入固化剂机械搅拌，制得均匀分散的碳基粉体-PDMS复合浆料；
向所述碳基粉体-PDMS复合浆料中加入所述导电油墨，机械搅拌均匀，制得导电弹性体浆料；
将所制得的导电弹性体浆料进行固化，得到柔性复合导电薄膜；以及
根据所需压力敏感单元的形状，将所制得的所述柔性复合导电薄膜进行切割，得到多个独立的压力敏感单元；
包括电极层和封装层，所述电极层包括第一电极层和第二电极层，所述压力敏感层夹设于所述第一电极层和所述第二电极层之间，所述第一电极层和/或所述第二电极层包括多个导电单元，所述多个导电单元呈多列排布，每列导电单元由多个导电结点部通过多个导线串联形成，所述每列导电单元包含与外界相连的连接导线，多列所述导电单元的多个所述连接导线组成连接导线部，所述连接导线部包括波浪状的起伏结构；
封装层包括阵列部和分别位于阵列部四侧的曲线部，阵列部的结构可与电极层的导电结点部和导线组成的阵列相同，曲线部的结构与电极层的连接导线部的结构相同；
封装层、电极层中的导线、连接导线部呈曲线设置。
2.根据权利要求1所述的可拉伸压力传感器阵列，其中，所述碳基粉体包括碳纤维粉、生物质炭、导电炭黑、石墨粉中的一种或多种。
3.根据权利要求1所述的可拉伸压力传感器阵列，其中，所述凸起结构呈棱锥形或圆柱形。
4.根据权利要求3所述的可拉伸压力传感器阵列，其中，所述凸起结构呈四棱锥形。
5.根据权利要求1所述的可拉伸压力传感器阵列， 所述导电单元包括导线和与所述导线相连的导电结点部，所述导线包括曲线结构。
6.根据权利要求5所述的可拉伸压力传感器阵列，其中，所述导线包括波浪形结构，和/或，所述导电结点部包括方形结构或圆形结构。
7.根据权利要求5所述的可拉伸压力传感器阵列，其中，所述压力敏感单元夹设于所述第一电极层的导电结点部和所述第二电极层的导电结点部之间。
8.根据权利要求1所述的可拉伸压力传感器阵列，其中，所述压力敏感层由多个相同的压力敏感单元通过阵列式排布形成。
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