專利名稱：陣列式超薄柔順力傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于力傳感器技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及到陣列式超薄柔順力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。
背景技術(shù)：
"柔順傳感器"概念的提出可以追溯到上世紀(jì)80年代末期，航空航天器中的許多特 殊結(jié)構(gòu)給傳統(tǒng)剛性傳感器的安裝帶來了很大困難。人們希望傳感器具有良好的柔順性能， 不受被測(cè)物體形狀限制，能夠貼附于各種規(guī)則或不規(guī)則曲面實(shí)現(xiàn)正常的傳感功能。進(jìn)入上 世紀(jì)90年代以后，美國(guó)、法國(guó)、日本、瑞士和葡萄牙等國(guó)家的科學(xué)家開始進(jìn)行柔順傳感 器的研究工作，許多新型的傳感器材料和結(jié)構(gòu)被應(yīng)用到這一研究領(lǐng)域之中。
柔順力傳感器是柔順傳感器的一種，主要應(yīng)用于擠壓力和觸覺力的測(cè)量。在柔順傳感 器的研究中，柔順力傳感器一直占有重要的地位，根據(jù)敏感元件的不同，柔順力傳感器可
分為三類壓電薄膜柔順力傳感器、半導(dǎo)體材料柔順力傳感器和導(dǎo)電高分子復(fù)合材料柔順
力傳感器。
(1) 壓電薄膜柔順力傳感器
以瑞士的Kistler公司產(chǎn)品為主導(dǎo)，被應(yīng)用于運(yùn)動(dòng)醫(yī)學(xué)、口腔醫(yī)學(xué)和汽車工程等領(lǐng)域中。 這種傳感器利用具有正壓電效應(yīng)的聚偏氟乙烯薄膜(PVDF)作為敏感材料，測(cè)量在動(dòng)態(tài) 力作用下敏感材料上下表面產(chǎn)生的電荷積累，從而反映力的大小。目前，對(duì)于PVDF壓電 薄膜的研究已經(jīng)較為成熟，但壓電薄膜柔順力敏傳感器僅能應(yīng)用于動(dòng)態(tài)力的測(cè)量。
由于敏感元件產(chǎn)生的電荷較弱，這種傳感器對(duì)引出線的橫截面積和長(zhǎng)度都有較高的要 求，無法應(yīng)用超薄柔順的密排電纜。
(2) 半導(dǎo)體材料柔順力傳感器
隨著MEMS加工技術(shù)的成熟，出現(xiàn)了半導(dǎo)體材料柔性力敏傳感器。這一類型傳感器的 研究工作主要集中在半導(dǎo)體敏感單元的設(shè)計(jì)、加工以及柔性封裝結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)上。2000年， 德國(guó)杜伊斯堡大學(xué)在傳統(tǒng)的圓形硅杯式壓力傳感器的基礎(chǔ)上，利用橡膠制做了橫隔膜上的 凸臺(tái)，研第lj了一禾中擠壓力傳感器。(Michael Leineweber， Georg Pelz, Michael Schmidt, et al. New tactile sensor chip with silicone rubber cover.用硅橡膠封裝的新型觸覺傳感器芯片。Sensors And Actuators A，傳感器與執(zhí)行器A， 2000, 84(3): 236~245)同年，中國(guó)科技大學(xué)研制出了一種硅 壓阻式觸覺傳感器，該傳感器用彈性硅橡膠進(jìn)行封裝，并利用硬質(zhì)凸臺(tái)柱將觸覺力傳遞至 敏感單兀。(Tao Mei， Wen J. Li， Yu Ge, et al. An integrated MEMS three-dimensional tactile sensor with large force range.—種大量程的集成式MEMS三維觸覺傳感器。Sensors And Actuators A， 傳感器與執(zhí)行器A， 2000， 80(2): 155~162)
這兩種傳感器都是以傳統(tǒng)壓力傳感器的硅杯結(jié)構(gòu)為基礎(chǔ)，再附加力敏凸臺(tái)和簡(jiǎn)單的柔 性封裝結(jié)構(gòu)而成，它們可以實(shí)現(xiàn)接觸擠壓力的測(cè)量，但并不具有良好的柔順性。
采用了MEMS工藝的半導(dǎo)體材料柔性力敏傳感器具有精度高、分辨率高、線性度好、 穩(wěn)定性好、響應(yīng)速度快等優(yōu)點(diǎn)。隨著體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和加工技術(shù)的進(jìn)步，它也能夠?qū)崿F(xiàn)較好的 柔韌性。但是半導(dǎo)體材料柔性力敏傳感器仍然屬于微型傳感器的范疇，通常在較小的面積 內(nèi)分布幾十 數(shù)百個(gè)敏感單元。這雖然提高了空間分辨率，卻無法充分發(fā)揮柔性傳感器的 優(yōu)勢(shì)，不能有效地測(cè)量大面積分布的力。另外，測(cè)力量程較小、加工工藝比較復(fù)雜、加工 費(fèi)用昂貴、成品率較低、器件容易受到損壞等不足都限制了它的應(yīng)用。目前，半導(dǎo)體材料 柔性力敏傳感器僅適用于微型系統(tǒng)中力的測(cè)量，例如小衛(wèi)星、小飛機(jī)、微型制動(dòng)開關(guān)、微 型機(jī)器人等。
(3)導(dǎo)電高分子復(fù)合材料柔順力傳感器
導(dǎo)電高分子復(fù)合材料指近年來常見的導(dǎo)電橡膠、導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電膠粘劑和 導(dǎo)電薄膜等。導(dǎo)電高分子復(fù)合材料分為填充型和化合型兩種，前者是將導(dǎo)電顆?；旌先刖?合物基體中形成導(dǎo)電通道，是兩種以上材料的混合體；而后者只是單一材料，自身具有導(dǎo) 電性。功能材料領(lǐng)域的研究發(fā)現(xiàn)，填充型導(dǎo)電高分子復(fù)合材料具有壓阻效應(yīng)，因此一些研 究機(jī)構(gòu)利用其作為敏感元件材料，研制了柔順力傳感器。
，
1993年，日本工業(yè)產(chǎn)品研究所利用銀粉填充丁晴橡膠復(fù)合材料的壓阻效應(yīng)，研制出一 禾中角蟲覺傳感器(Makoto Shimojo, Masatoshi Ishikawa， Kikuo Kankaya. A flexible high resolution tactile imager with video signal output. —種帶視頻輸出的柔順的高分辨率觸覺成像器。 Proceedings of The 1993 IEEE International Conference On Robotics And Automation Sacramento，1993年IEEE國(guó)際機(jī)器人與自動(dòng)控制會(huì)議論文集Califorria, 1993: 384~391)，該傳 感器具有較好的柔順性能。但是，由于銀粉的導(dǎo)電規(guī)律不穩(wěn)定等問題，傳感器僅能測(cè)量 0MPa、 5MPa、 20MPa三級(jí)閾值量，與大多數(shù)應(yīng)用要求相比還有不小的差距。
2001年，日本大阪大學(xué)的研究人員研制了一種具有壓阻效應(yīng)的填充型高分子復(fù)合材料 (Manwar Hussain, Yong-Ho Choa, Koichi Mihara. Fabrication process and electrical behavior of novel pressure-sensitive composites.新型壓敏復(fù)合材料的制備過程與電學(xué)行為。Composites A, 復(fù)合材料A， 2001,32(4): 1689~1696)。該材料的制備方法為將10 100 U m直徑的導(dǎo)電炭 黑填充入雙組份室溫硫化硅橡膠中，采用正己烷作為有機(jī)溶劑，導(dǎo)電炭黑與雙組份硫化硅 橡膠的填充比例為l: (20% 50%)，并采用了總量的0.6% 1.0%的Al203顆粒作為了分 散劑成份，再進(jìn)行硫化成型，時(shí)間為5'C下7天或1(TC下3天，成型后的敏感材料厚度為 0.5mm。在文獻(xiàn)中，僅給出了一系列實(shí)驗(yàn)曲線，而沒有給出定量的精度、分辨率等指標(biāo)， 并且沒有進(jìn)行敏感元件的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和封裝，無法實(shí)際應(yīng)用。
2002年，日本東京大學(xué)利用具有壓阻效應(yīng)的力敏橡膠作為敏感元件，研制了一種擠壓 力傳感器(Makoto Shinmojo, Ryota Makino, Akio Namiki， et al. A sheet type tactile sensor using pressure conductive rubber with electrical-wires stitches method. —禾中用導(dǎo)電橡膠縫制導(dǎo)線法的片 狀觸覺傳感器。Proceedings of IEEE Sensors 2002,2002年IEEE傳感器國(guó)際會(huì)議論文集，Orlando, USA, 2002: 1637~1642)，厚度為0.5mm，面積為5cmX10cm。該傳感器可以貼附于一個(gè)機(jī) 器人手指上，顯示了較好的柔順性。然而，傳感器的厚度過大，影響了擠壓力的傳遞，而 且該敏感材料的壓阻性能不高，導(dǎo)致傳感器測(cè)力量程較小(僅為0 0.5MPa)和誤差較大(達(dá)到20。/。FS)，因此僅能用于分布力的定性測(cè)量。另外，縫合用的銅箔引線強(qiáng)度不高， 較容易折斷。未經(jīng)封裝的導(dǎo)電橡膠也比較容易老化，從而喪失力敏性能。
美國(guó)Tekscan公司從上世紀(jì)90年代開始，就一直進(jìn)行柔順傳感器的研究工作。2003 年，該公司推出了一種導(dǎo)電高分子復(fù)合材料柔順力傳感器(Thomas V. Papakostas, Julian Lima, Mark Lowe. A large area force sensor for smart skin applications.——禾中為智肖巨皮膚應(yīng)用的大面積力 傳感器。Proceedings of IEEE Sensors 2002 Orlando, 2002年IEEE國(guó)際傳感器會(huì)議，USA, 2002: 1620~1624)，該傳感器面積由十幾平方厘米到一平方米不等，厚度為0.15mm。傳感器敏 感單元由上下兩層電極和一層導(dǎo)電高分子復(fù)合材料構(gòu)成，引線長(zhǎng)度可達(dá)到700mrn。采用 聚酰亞胺膜將上下兩層電極和一層導(dǎo)電高分子復(fù)合材料封裝成一個(gè)傳感器整體，保證了柔 韌性和可靠性，最小允許彎曲半徑達(dá)到lOOmrn。但是，該傳感器也并沒有利用導(dǎo)電高分 子復(fù)合材料的壓阻效應(yīng)，而是利用該導(dǎo)電高分子復(fù)合材料與電極之間的接觸電阻變化來測(cè) 量擠壓力。因此，該傳感器在制備過程更關(guān)注材料的導(dǎo)電性，直接加入了盡可能多的導(dǎo)電 顆粒。而且，該傳感器材料中的導(dǎo)電顆粒以銀粉為主。目前，Tekscan公司的傳感器誤差 較大，為10% 15%，并且響應(yīng)較慢、遲滯現(xiàn)象明顯。
總而言之，導(dǎo)電高分子^合材料柔順力傳感器具有柔順性能好、測(cè)力量程和有效面積 大，加工工藝比較簡(jiǎn)單、加i費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)?？捎糜诠I(yè)生產(chǎn)和人體醫(yī)療康復(fù)過程中曲 面間接觸力和擠壓力的在線監(jiān)測(cè)，但是，為滿足實(shí)際應(yīng)用，這種傳感器的厚度、精度、分 辨率、線性度、穩(wěn)定性和響應(yīng)速度等性能指標(biāo)都需要進(jìn)一步提高。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為克服已有技術(shù)的不足之處，提出一種陣列式超薄柔順力傳感器。具 有結(jié)構(gòu)纖薄、柔順性好、量程大、精度高、分辨率高的特點(diǎn)，特別適合用于工業(yè)生產(chǎn)和人 體醫(yī)療康復(fù)過程中曲面間接觸力的在線檢測(cè)。
本發(fā)明提出的基于超薄柔順敏感元件的擠壓力傳感器，包括封裝成一體的上下層電極 及壓于其間的導(dǎo)電高分子敏感膜，還包括通過信號(hào)線與該上下層電極相連的前置電路，其 特征在于所述的導(dǎo)電高分子敏感膜采用主要以作為導(dǎo)電相的導(dǎo)電炭黑、以作為絕緣相的 單組份硅橡膠和納米Si02分散劑構(gòu)成的具有壓阻效應(yīng)的導(dǎo)電高分子敏感膜，所述上下層電 極均為利用柔性印刷電路板工藝在薄膜基底上制作的多條電極及與每個(gè)電極條相連的一 條信號(hào)線，所述上、下層電極條相互交叉與所述導(dǎo)電高分子敏感膜構(gòu)成MXN敏感單元陣 列，M、 N分別為上、下層或下、上層電極的條數(shù)，M、 N均為正整數(shù)且M》N;所述各信號(hào) 線匯集一起，形成引出密排電纜。
本發(fā)明提出的制備上述傳感器的方法，其特征在于，該方法包括超薄柔順導(dǎo)電高分子 敏感膜的制備和采用該敏感膜的陣列式柔順力傳感器的制備兩部分，所述超薄柔順導(dǎo)電高 分子敏感膜的制備，包括以下步驟
11)將平均直徑小于lnm的導(dǎo)電炭黑粉末、10-50nm的Si02分散劑粉末和液態(tài)單組 份硅橡膠在濃度為95%以上丙酮有機(jī)溶劑中混合；其中，各成分的體積濃度百分比為
單組份硅橡膠導(dǎo)電炭黑粉末納米Si02分散劑粉末丙酮有機(jī)溶劑=100: 10 15: 1 3:300 500;
12) 在超聲振蕩下進(jìn)行機(jī)械攪拌，攪拌環(huán)境溫度為40-6(TC，攪拌時(shí)間為2-4小時(shí)， 達(dá)到凝膠狀態(tài)混合體；
13) 再繼續(xù)機(jī)械攪拌20 -30分鐘，使丙酮揮發(fā)；
14) 將揮發(fā)后的混合體滴入旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，旋涂成型，厚度為70-100um的導(dǎo)電高分子膜；
15) 用該導(dǎo)電高分子膜總體積1%的正硅酸乙脂交聯(lián)劑和2%的二月桂酸二丁基錫催 化劑對(duì)該導(dǎo)電高分子膜上進(jìn)行硫化，時(shí)間為24小時(shí)以上，以形成良好的彈性膜；
上述步驟13)中還可將混合體總體積量的3-5%的粒徑為20 30u m的順丁橡膠顆粒 加入到該混合體中后，再繼續(xù)機(jī)械攪拌20 -30分鐘，使丙酮揮發(fā)；
采用所述敏感膜制備陣列式超薄柔順力傳感器的方法，包括以下步驟
21) 聚酰亞胺薄膜覆銅在聚酰亞胺薄膜上覆合一層銅箔；
22) 光刻電極和引線對(duì)銅箔進(jìn)行光刻形成上層行電極條、下層列電極條、密排引線 和外接插頭；行、列電極條互相垂直形成陣列，行、列引線和插頭互相錯(cuò)開；
23) 涂覆定位膠在電極之間涂覆一層定位膠，以固定高分子敏感膜在電極上的位置；
24) 貼附導(dǎo)電高分子敏感膜將制備好的超薄導(dǎo)電高分子敏感膜剪裁成與電極層相應(yīng) 的尺寸，貼附在下層列電極上；
25) 涂覆封裝膠在下層電極的聚酰亞胺薄膜邊緣涂覆具有熱固性的封裝膠；
26) 熱壓封裝將上層行電極貼附超薄導(dǎo)電高分子敏感膜，利用柔性材料封裝機(jī)進(jìn)行 熱壓封裝成一個(gè)陣列式柔順傳感器探頭；
27) 將封裝好的柔順傳感器探頭的引出密排電纜的插頭與前置電路相連，形成陣列式 超薄柔順力傳感器。
本發(fā)明的特點(diǎn)
1、 本發(fā)明中的敏感元件，具有大的量程，以及高的力敏精度和分辨率。 .
2、 本發(fā)明中，敏感元件陣列及其引出電纜的基底材料具有良好的柔順性。因此，傳 感器可以貼附在任意形狀的表面間進(jìn)行測(cè)量。而傳統(tǒng)的力傳感器無法安裝在曲面上進(jìn)行測(cè)
3、 可進(jìn)行大面積范圍內(nèi)的快速測(cè)量。由于采用了FPCB工藝，傳感器陣列可以分布在 很大的面積范圍內(nèi)(400mmX700mm甚至更大)，從而實(shí)現(xiàn)大面積范圍的測(cè)量。而其它工藝， 如MEMS等微細(xì)加工工藝，就無法制作大面積范圍的柔性傳感器陣列，因此也難以實(shí)現(xiàn)大 面積范圍內(nèi)的測(cè)量。如果利用單個(gè)傳感器進(jìn)行大面積范圍的測(cè)量，則需要利用機(jī)械裝置控 制傳感器或被測(cè)目標(biāo)按規(guī)律動(dòng)作，這必然影響測(cè)量的速度和精度。而在本發(fā)明中，利用多 路選通開關(guān)，對(duì)傳感器陣列實(shí)現(xiàn)快速循環(huán)掃描。掃描一個(gè)通道僅需20毫秒。
4、 超薄。傳感器陣列及其引出電纜的厚度最小可做到0.13mm，適合安裝在狹小的空 間中進(jìn)行測(cè)量。
5、 密排電纜。傳感器陣列的引線匯集到一起，形成密排長(zhǎng)電纜，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。 由于采用循環(huán)掃描的測(cè)量方法，任意時(shí)刻，電纜中只有一對(duì)線中有信號(hào)傳輸，因此，電纜
所傳輸信號(hào)互不干擾。
6、 本發(fā)明采用的前置電路帶有負(fù)反饋調(diào)節(jié)電阻的，以及采用數(shù)模轉(zhuǎn)換方式，以及采 用行列交叉選通方式，能夠減少選通開關(guān)數(shù)量，并實(shí)現(xiàn)線性輸出。
7、 本發(fā)明相對(duì)傳統(tǒng)力傳感器，能適用于更多測(cè)量場(chǎng)合，如曲面測(cè)量、大面積范圍內(nèi) 快速測(cè)量、狹小空間中的測(cè)量等。基底材料如采用聚合材料聚酰亞胺，則該傳感器陣列還 能應(yīng)用在高溫(300 — 40(TC)、輻射等測(cè)量場(chǎng)合。
本發(fā)明可達(dá)到優(yōu)異的性能指標(biāo)。
1、 傳感器厚度小，僅為0.13mm;
2、 柔順性能好，最小彎曲半徑可達(dá)到200mm;
3、 傳感器陣列面積可訂做，范圍為400 700mm、
4、 測(cè)力量程為0 2MPa;
5、 測(cè)力精度達(dá)到1%FS;
6、 測(cè)力分辨率達(dá)到0.2XFS。


圖1為本發(fā)明的傳感器的光刻后行電極的截面示意圖。 圖2為本發(fā)明的傳感器的光刻后列電極的截面示意圖。 圖3為本發(fā)明的傳感器陣列的行、列電極及引線的平面結(jié)構(gòu)示意圖。 圖4為本發(fā)明的傳感器涂覆定位膠工藝后的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖5為本發(fā)明的傳感器貼附導(dǎo)電高分子敏感膜工藝后的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖6為本發(fā)明的傳感器涂覆封裝膠工藝后的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖7為本發(fā)明的傳感器熱壓封裝工藝后的結(jié)構(gòu)示意圖。 圖8為本發(fā)明的傳感器的前置電路實(shí)施例組成示意圖。 圖9為采用本發(fā)明的傳感器的一種實(shí)際工作的示意圖。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的陣列式超薄柔順力傳感器及其制備方法，結(jié)合附圖及實(shí)施例詳細(xì)說明如
下
本發(fā)明提出的基于超薄柔順敏感元件的擠壓力傳感器，包括封裝成一體的上下層電極 及壓于其間的導(dǎo)電高分子敏感膜，還包括通過信號(hào)線與該上下層電極相連的前置電路，其
特征在于所述的導(dǎo)電高分子敏感膜采用主要以作為導(dǎo)電相的導(dǎo)電炭黑、以作為絕緣相的 單組份硅橡膠和納米Si02分散劑構(gòu)成的具有壓阻效應(yīng)的導(dǎo)電高分子敏感膜，所述上下層電 極均為利用柔性印刷電路板工藝在薄膜基底上制作的多條電極及與每個(gè)電極條相連的一
條信號(hào)線，所述上、下層電極條相互交叉與所述導(dǎo)電高分子敏感膜構(gòu)成MXN敏感單元陣 列，M、 N分別為上、下層或下、上層電極的條數(shù)，M、 N均為正整數(shù)且M》N;所述各信號(hào) 線匯集一起，形成引出密排電纜。
所說的敏感膜可以制作成單層或雙層甚至多層，電極形狀可以是圓形、方形或其它形狀。
所述的前置電路包括一個(gè)M路行選電子模擬開關(guān)和一個(gè)N路列選電子模擬開關(guān)，由M XN個(gè)前置電阻、MXN個(gè)敏感單元和M個(gè)運(yùn)算放大器組成的電阻反饋電路；該電路的各元
器件的連接關(guān)系為各敏感單元通過信號(hào)線跨接在運(yùn)算放大器的輸出端和負(fù)向輸入端形成
反饋電阻；各前置電阻一端接運(yùn)算放大器的負(fù)向輸入端，另一端通過列選開關(guān)接參考電壓 Vref;運(yùn)算放大器的輸出端通過行選開關(guān)輸出與擠壓力成正比的輸出信號(hào)Vout，正向輸 入端接地。
本發(fā)明提出的陣列式超薄柔順力傳感器的制備方法包括超薄柔順導(dǎo)電高分子敏感膜 的制備和采用該敏感膜的陣列式柔順力傳感器的制備兩部分，所述超薄柔順導(dǎo)電高分子敏
感膜的制備，包括以下步驟
11) 將平均直徑小于lym的導(dǎo)電炭黑粉末、10-50nm的Si02分散劑粉末和液態(tài)單組 份硅橡膠在濃度為95%以上丙酮有機(jī)溶劑中混合；其中，各成分的體積濃度百分比為
單組份硅橡膠導(dǎo)電炭黑粉末納米Si02分散劑粉末丙酮有機(jī)溶劑=100: 10 15: 1 3:
300 500;
12) 在超聲振蕩下進(jìn)行機(jī)械攪拌，攪拌環(huán)境溫度為40-6(TC，攪拌時(shí)間為2-4小時(shí)， 達(dá)到凝膠狀態(tài)混合體；
13) 再將混合體總體積量的3-5%的順丁橡膠顆粒(20 30 y m)加入到該混合體中(加 順丁橡膠顆?？稍黾訌椥?，也可不加順丁橡膠顆粒)，繼續(xù)機(jī)械攪拌20 -30分鐘，使丙酮 揮發(fā)；
14) 將揮發(fā)后的混合體滴入旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，旋涂成型，厚度為70-100" ra的導(dǎo)電高分子膜；
15) 用該導(dǎo)電高分子膜總體積1%的正硅酸乙脂交聯(lián)劑和2%的二月桂酸二丁基錫催 化劑對(duì)該導(dǎo)電高分子膜上進(jìn)行硫化，時(shí)間為24小時(shí)以上，以形成良好的彈性膜；
采用所述敏感膜制備陣列式超薄柔順力傳感器的方法，如圖1 圖7所示包括以下步
驟
21) 聚酰亞胺薄膜覆銅在聚酰亞胺薄膜ll上覆合一層銅箔；
22) 光刻電極和引線對(duì)銅箔進(jìn)行光刻形成上層行電極條12、下層列電極條13、密
排引線14和外接插頭15;行、列電極條互相垂直形成陣列，行、列引線和插頭互相錯(cuò)開。 圖1和圖2所示為行、列電極的剖面圖，圖3所示為行、列電極和引線的平面結(jié)構(gòu)23) 涂覆定位膠在電極之間涂覆一層定位膠16，目的是為了固定高分子敏感膜在電
極上的位置，如圖4所示；
24) 貼附導(dǎo)電高分子敏感膜將制備好的超薄導(dǎo)電高分子敏感膜17剪裁成與電極層
相應(yīng)的尺寸，貼附在下層列電極上，如圖5所示；
25) 涂覆封裝膠在下層電極的聚酰亞胺薄膜邊緣涂覆具有熱固性的封裝膠18 (利用
熱壓作用粘附上下電極的兩層聚酰亞胺，可以達(dá)到良好的密封和防水效果)，如圖6所示;
26) 熱壓封裝將上層行電極貼附超薄導(dǎo)電高分子敏感膜17，利用柔性材料封裝機(jī)進(jìn)
行熱壓封裝成一個(gè)陣列式柔順傳感器探頭，如圖7所示；
27)將封裝好的柔順傳感器探頭的引出密排電纜的插頭與前置電路的多路選通開關(guān)相 連，形成陣列式超薄柔順力傳感器。
本發(fā)明提供超薄柔順導(dǎo)電高分子敏感膜的制備方法的三種實(shí)施例-實(shí)施例1
11) 將平均直徑小于lym的導(dǎo)電炭黑粉末、10nm的Si02分散劑粉末和液態(tài)單組份硅 橡膠在濃度為95%以上丙酮有機(jī)溶劑中混合；其中，各成分的體積濃度百分比為單組
份硅橡膠導(dǎo)電炭黑粉末納米Si02分散劑粉末丙酮有機(jī)溶劑=100: 10: 1: 300;
12) 在超聲振蕩下進(jìn)行機(jī)械攪拌，攪拌環(huán)境溫度為4(TC，攪拌時(shí)間為2小時(shí)，達(dá)到凝 膠狀態(tài)混合體；；
13) 再將混合體總體積量的3^的順丁橡膠顆粒(10um)加入到該混合體中，繼續(xù)機(jī)械 攪拌20分鐘，使丙酮揮發(fā)；
14) 將揮發(fā)后的混合體滴入旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，旋涂成型，厚度為70um的導(dǎo)電高分子膜；
15) 用該導(dǎo)電高分子膜總體積1%的正硅酸乙脂交聯(lián)劑和2%的二月桂酸二丁基錫催 化劑對(duì)該導(dǎo)電高分子膜上進(jìn)行硫化，時(shí)間為24小時(shí)以上，以形成良好的彈性膜。
實(shí)施例2 '
11) 將平均直徑小于lPm的導(dǎo)電炭黑粉末、50nm的Si02分散劑粉末和液態(tài)單組份硅 橡膠在濃度為95%以上丙酮有機(jī)溶劑中混合；其中，各成分的體積濃度百分比為單組
份硅橡膠導(dǎo)電炭黑粉末納米Si02分散劑粉末丙酮有機(jī)溶劑=100: 15:3: 500;
12) 在超聲振蕩下進(jìn)行機(jī)械攪拌，攪拌環(huán)境溫度為60'C，攪拌時(shí)間為4小時(shí)，達(dá)到凝 膠狀態(tài)混合體；
13) 再將混合體總體積量的5X的順丁橡膠顆粒(30um)加入到該混合體中，繼續(xù)機(jī)械 攪拌30分鐘，使丙酮揮發(fā)；
14) 將揮發(fā)后的混合體滴入旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，旋涂成型，厚度為100um的導(dǎo)電高分子膜；
15) 用該導(dǎo)電高分子膜總體積1%的正硅酸乙脂交聯(lián)劑和2%的二月桂酸二丁基錫催 化劑對(duì)該導(dǎo)電高分子膜上進(jìn)行硫化，時(shí)間為24小時(shí)以上，以形成良好的彈性膜。
實(shí)施例3
11) 將平均直徑小于lum的導(dǎo)電炭黑粉末、30nm的Si02分散劑粉末和液態(tài)單組份硅 橡膠在濃度為95%以上丙酮有機(jī)溶劑中混合；其中，各成分的體積濃度百分比為單組
份硅橡膠導(dǎo)電炭黑粉末納米Si02分散劑粉末丙酮有機(jī)溶劑=100: 12: 2: 400;
12) 、在超聲振蕩下進(jìn)行機(jī)械攪拌，攪拌環(huán)境溫度為50。C，攪拌時(shí)間為3小時(shí)，達(dá)到 凝膠狀態(tài)混合體；
13) 再繼續(xù)機(jī)械攪拌25分鐘，使丙酮揮發(fā)；
14) 將揮發(fā)后的混合體滴入旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，旋涂成型，厚度為85um的導(dǎo)電高分子膜；
15) 用該導(dǎo)電高分子膜總體積1%的正硅酸乙脂交聯(lián)劑和2%的二月桂酸二丁基錫催 化劑對(duì)該導(dǎo)電高分子膜上進(jìn)行硫化，時(shí)間為24小時(shí)以上，以形成良好的彈性膜。
本發(fā)明的采用該敏感膜的陣列式柔順力傳感器的制備實(shí)施例說明如下
21)聚酰亞胺薄膜覆銅采用常規(guī)FPCB工藝在聚酰亞胺薄膜(本實(shí)施例采用日本宇
部公司生產(chǎn)的Upilex-R型，厚度為12.5um)上覆合一層銅箔(本實(shí)施例采用標(biāo)準(zhǔn)電路 板用覆銅箔，厚度為10ym);
22) 光刻電極和引線采用常規(guī)FPCB工藝對(duì)銅箔進(jìn)行光刻分別在聚酰亞胺薄膜上形 成3行電極條、3列電極條、與各電極條相連的密排引線及其外接插頭；上、下電極層疊 合時(shí)，行、列電極互相垂直，形成3X3的陣列，行、列引線和插頭互相錯(cuò)開。本實(shí)施例 僅示出了一種樣品模型的結(jié)構(gòu)行、列電極寬度均為3mm，電極間距為8mm，引線寬度為 0. 5mm。，根據(jù)需要可以在更大的面積上制備更多的電極和引線構(gòu)成更大的陣列；
23) 涂覆定位膠采用常規(guī)FPCB工藝在電極之間涂覆一層薄定位膠(德國(guó)Dusseldorf 公司的PXT4粘膠)，厚度略大于10um，目的是為了固定高分子敏感膜在電極上的位置；
24) 貼附導(dǎo)電高分子敏感膜將超薄導(dǎo)電高分子敏感膜剪裁成與電極層相應(yīng)的尺寸， 貼附在下層列電極上；
25) 涂覆封裝膠采用常規(guī)FPCB工藝在下層電極的聚酰亞胺薄膜邊緣涂覆具有熱固 性的封裝膠(采用與上述定位膠相同的產(chǎn)品)，利用熱壓作用粘附上下電極的兩層聚酰亞 胺薄膜，可以達(dá)到良好的密封和防水效果。
26) 熱壓封裝采用常規(guī)FPCB工藝將上層行電極貼附在導(dǎo)電高分子敏感膜'上，利用 柔性材料封裝機(jī)進(jìn)行熱壓封裝成一個(gè)3X3陣列柔順傳感器探頭，本實(shí)施例的柔順傳感器 探頭，厚度為130ym,引線部分長(zhǎng)度為110mm，在35ramX40隱的面積上分布3X3個(gè)敏感 單元(采用本發(fā)明相同工藝制備的實(shí)用于層間擠壓力測(cè)量的陣列式超薄柔順力傳感器面積 可達(dá)400X700mm2，以組成數(shù)目更大的敏感單元陣列)。
27) 將封裝好的柔順傳感器探頭的引出密排電纜的插頭與前置電路(多路選通開關(guān)) 相連，形成陣列式超薄柔順力傳感器。
本發(fā)明的前置電路實(shí)施例如圖8所示，前置電路主要包括行選、列選多路電子模擬開 關(guān)Kr和Kc，由前置電阻Rdll Rd33、敏感單元Rfll Rf33和運(yùn)算放大器A1 A3組成的 電阻反饋電路；各部件的連接關(guān)系為(以第一個(gè)敏感單元為例)敏感單元Rfll跨接在運(yùn) 算放大器Al的輸出端和負(fù)向輸入端形成反饋電阻；前置電阻Rdll —端接運(yùn)算放大器Al 的負(fù)向輸入端，另一端通過列選開關(guān)Kcl接參考電壓Vref;運(yùn)算放大器Al的輸出端通過 行選開關(guān)Krl輸出與擠壓力成正比的輸出信號(hào)Vout，正向輸入端接地。其它敏感單元的 連接與此相同。
本前置電路的工作原理為Rfll Rf33為傳感器探頭中的單個(gè)敏感單元，兩端電極分 別接在運(yùn)放的負(fù)反饋端和輸出端形成反饋電阻?？刂齐娐吠ㄟ^列地址信號(hào)輪選各列將參考 電壓Vref分別接入各列，同時(shí)通過行地址輪選各行使多路模擬開關(guān)分別選通各行，這樣 保證了分時(shí)采樣各敏感單元的輸出信號(hào)，并且各單元之間不互相串?dāng)_。
本發(fā)明的前置電路是在傳統(tǒng)的"電壓鏡法"的基礎(chǔ)上進(jìn)行了改進(jìn)，用于基于導(dǎo)電高分 子材料的超薄柔順傳感器。因?yàn)閷?dǎo)電高分子材料的表面電阻率為1.51X105Q*mm，兩個(gè)相 鄰敏感元件間的表面電阻達(dá)到1.2X106Q，所以相鄰敏感單元間基本不通過力敏橡膠表面 傳輸電流。地址信號(hào)輸入模擬開關(guān)Kc，被選列接入?yún)⒖茧妷篤ref，傳感器陣列的每一列 均接入通過運(yùn)算放大器形成負(fù)反饋。其中，運(yùn)算放大器正輸入端接入?yún)⒖茧妷旱?，被選列的負(fù)反饋輸出接入后續(xù)電路的A/D轉(zhuǎn)換器的電壓輸入端口。在A/D轉(zhuǎn)換器中，高參考電壓 值為+5V(—定范圍可調(diào))，低參考電壓值為OV。這樣，除了被選中的敏感單元，其余各行 列在陣列電阻網(wǎng)絡(luò)中形成等勢(shì)區(qū)，使與被選敏感單元并聯(lián)的電阻網(wǎng)絡(luò)無法形成干擾電流。
采用此電路，可以將原有的mXn個(gè)電子開關(guān)通道減少為m+n個(gè)電子開關(guān)通道(m為 行數(shù)、n為列數(shù)，m與n可為相同或不同的整數(shù))，并且實(shí)現(xiàn)了線性輸出。
本發(fā)明的陣列式超薄柔順力傳感器的敏感元件的工作原理，說明如下
從微觀導(dǎo)電機(jī)制的角度分析可知，炭黑填充硅橡膠復(fù)合材料產(chǎn)生壓阻效應(yīng)的原因可歸 結(jié)為炭黑顆粒在硅橡膠基體中分布的變化，更準(zhǔn)確的說，是導(dǎo)電炭黑顆粒間距的變化。外 界壓力可以壓縮復(fù)合材料的體積，由于導(dǎo)電炭黑顆粒的可壓縮性遠(yuǎn)小于硅橡膠基體，因此 導(dǎo)電顆粒的間距減小，提高了接觸傳導(dǎo)和隧道效應(yīng)發(fā)生的幾率。隨著壓力增大，導(dǎo)電炭黑 顆粒的間距逐漸減小，由于接觸傳導(dǎo)和隧道效應(yīng)機(jī)制的作用，在材料的內(nèi)部形成了導(dǎo)電通 道。而接觸傳導(dǎo)和隧道效應(yīng)機(jī)制的產(chǎn)生，又受到導(dǎo)電顆粒的粒徑和形狀的影響，因此材料 的壓阻效應(yīng)表現(xiàn)出與形貌參數(shù)的密切關(guān)系。材料的形貌參數(shù)值越大，接觸傳導(dǎo)和隧道效應(yīng) 產(chǎn)生的幾率就越高，材料的壓阻效應(yīng)也就越明顯。 .
從導(dǎo)電滲流現(xiàn)象的角度分析，材料的電阻率在導(dǎo)電滲流區(qū)內(nèi)隨導(dǎo)電填料體積濃度的變 化十分明顯。這是因?yàn)?，?dāng)外界壓力減小了聚合物基體的體積時(shí)，導(dǎo)電顆粒的體積濃度相 應(yīng)增加，引起材料電阻率的明顯變化。材料變形引起了導(dǎo)電滲流變化，材料的電阻率隨之 減小。炭黑體積濃度越接近滲流閾值，材料的壓阻效應(yīng)就越明顯。在有效介質(zhì)普適方程中， 炭黑的體積濃度、滲流閾值和材料的形貌參數(shù)一起表征了導(dǎo)電滲流現(xiàn)象，也說明炭黑填充 硅橡膠復(fù)合材料的壓阻效應(yīng)是其導(dǎo)電滲流現(xiàn)象的一個(gè)具體表現(xiàn)。另外，材料的變形不但引 起電阻率的變化，還改變了其電阻幾何系數(shù)(即沿電流方向上材料的長(zhǎng)度與橫截面積的比 值)。綜上所述，炭黑填充硅橡膠復(fù)合材料的受力變形是其產(chǎn)生壓阻效應(yīng)的直接原因。
在宏觀表象上，由于壓力的作用，構(gòu)成敏感元件的導(dǎo)電高分子材料產(chǎn)生了電阻變化， 這種變化在一定范圍內(nèi)與壓力呈現(xiàn)線性比例關(guān)系。
本發(fā)明的陣列式超薄柔順力傳感器的工作方式，結(jié)合圖9所示，說明如下
實(shí)際工作時(shí)，將傳感器92貼附在曲面間91和94，在一些裝配應(yīng)用中需要在曲面間附 加泡沫墊層93，如圖9所示，通過測(cè)量傳感器每對(duì)電極間的電阻變化，根據(jù)標(biāo)定曲線， 得到對(duì)應(yīng)的接觸壓力值。通過后續(xù)信號(hào)取樣和陣列掃描電路以及多路選通開關(guān)，對(duì)敏感元 件進(jìn)行快速循環(huán)掃描，可以測(cè)出每個(gè)敏感元件承受的擠壓力。由于這些敏感元件的分布方 式是已知的，因此，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，就可以得到曲面間接觸力的分布。
對(duì)本發(fā)明的j專感器陣列進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)試，其厚度為0.12mm，最小彎曲半徑可達(dá)到 200mm，測(cè)力量程為0 2MPa，測(cè)力精度達(dá)到1XFS，測(cè)力分辨率達(dá)到0.2%FS。
權(quán)利要求
1、一種基于超薄柔順敏感元件的擠壓力傳感器，包括封裝成一體的上下層電極及壓于其間的導(dǎo)電高分子敏感膜，還包括通過信號(hào)線與該上下層電極相連的前置電路，其特征在于所述的導(dǎo)電高分子敏感膜采用主要以作為導(dǎo)電相的導(dǎo)電炭黑、以作為絕緣相的單組份硅橡膠和納米SiO2分散劑構(gòu)成的具有壓阻效應(yīng)的導(dǎo)電高分子敏感膜，所述上下層電極均為利用柔性印刷電路板工藝在薄膜基底上制作的多條電極及與每個(gè)電極條相連的一條信號(hào)線，所述上、下層電極條相互交叉與所述導(dǎo)電高分子敏感膜構(gòu)成M×N敏感單元陣列，M、N分別為上、下層或下、上層電極的條數(shù)，M、N均為正整數(shù)且M≥N；所述各信號(hào)線匯集一起，形成引出密排電纜。
2、 如權(quán)利要求1所述的傳感器，其特征在于，所述的前置電路包括一個(gè)M路行選電 子模擬開關(guān)和一個(gè)N路列選電子模擬開關(guān)，由MXN個(gè)前置電阻、MXN個(gè)敏感單元和M個(gè) 運(yùn)算放大器組成的電阻反饋電路；該電路的各元器件的連接關(guān)系為各敏感單元通過信號(hào) 線跨接在運(yùn)算放大器的輸出端和負(fù)向輸入端形成反饋電阻；各前置電阻一端接運(yùn)算放大器 的負(fù)向輸入端，另一端通過列選開關(guān)接參考電壓Vref;運(yùn)算放大器的輸出端通過行選開 關(guān)輸出與擠壓力成正比的輸出信號(hào)Vout，正向輸入端接地。
3、 制備如權(quán)利要求1所述傳感器的方法，其特征在于，該方法包括超薄柔順導(dǎo)電高 分子敏感膜的制備和采用該敏感膜的陣列式柔順力傳感器的制備兩部分，所述超薄柔順導(dǎo) 電高分子敏感膜的制備，包括以下步驟11) 將平均直徑小于lPm的導(dǎo)電炭黑粉末、10-50nm的Si02分散劑粉末和液態(tài)單組份硅橡膠在濃度為95%以上丙酮有機(jī)溶劑中混合；其中，各成分的體積濃度百分比為 單組份硅橡膠導(dǎo)電炭黑粉末納米Si02分散劑粉末丙酮有機(jī)溶劑=100: 10 15: 1 3:300 500;12) 在超聲振蕩下進(jìn)行機(jī)械攪拌，攪拌環(huán)境溫度為40-60'C，攪拌時(shí)間為2-4小時(shí)， 達(dá)到凝膠狀態(tài)混合體；13) 再繼續(xù)機(jī)械攪拌20 -30分鐘，使丙酮揮發(fā)；14) 將揮發(fā)后的混合體滴入旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，旋涂成型，厚度為70-100nm的導(dǎo)電高分子膜;15) 用該導(dǎo)電高分子膜總體積1%的正硅酸乙脂交聯(lián)劑和2%的二月桂酸二丁基錫催 化劑對(duì)該導(dǎo)電高分子膜上進(jìn)行硫化，時(shí)間為24小時(shí)以上，以形成良好的彈性膜；上述步驟13)中還可將混合體總體積量的3-5%的粒徑為20 30um的順丁橡膠顆粒 加入到該混合體中后，再繼續(xù)機(jī)械攪拌20 -30分鐘，使丙酮揮發(fā)；采用所述敏感膜制備陣列式超薄柔順力傳感器的方法，包括以下步驟21)聚酰亞胺薄膜覆銅在聚酰亞胺薄膜上覆合一層銅箔；22) 光刻電極和引線對(duì)銅箔進(jìn)行光刻形成上層行電極條、下層列電極條、密排引線 和外接插頭；行、列電極條互相垂直形成陣列，行、列引線和插頭互相錯(cuò)開；23) 涂覆定位膠在電極之間涂覆一層定位膠，以固定高分子敏感膜在電極上的位置;24) 貼附導(dǎo)電高分子敏感膜將制備好的超薄導(dǎo)電高分子敏感膜剪裁成與電極層相應(yīng) 的尺寸，貼附在下層列電極上；25) 涂覆封裝膠在下層電極的聚酰亞胺薄膜邊緣涂覆具有熱固性的封裝膠；26) 熱壓封裝將上層行電極貼附超薄導(dǎo)電高分子敏感膜，利用柔性材料封裝機(jī)進(jìn)行 熱壓封裝成一個(gè)陣列式柔順傳感器探頭；27) 將封裝好的柔順傳感器探頭的引出密排電纜的插頭與前置電路相連，形成陣列式 超薄柔順力傳感器。
全文摘要
本發(fā)明涉及陣列式超薄柔順力傳感器及其制備方法，屬于力傳感器技術(shù)領(lǐng)域，該傳感器包括封裝成一體的上下層電極及壓于其間的導(dǎo)電高分子敏感膜，還包括通過信號(hào)線與該上下層電極相連的前置電路，導(dǎo)電高分子敏感膜采用主要以作為導(dǎo)電相的導(dǎo)電炭黑、以作為絕緣相的單組份硅橡膠和納米SiO₂分散劑構(gòu)成的具有壓阻效應(yīng)的導(dǎo)電高分子敏感膜，所述上下層電極均為利用柔性印刷電路板工藝在薄膜基底上制作的多條電極及與每個(gè)電極條相連的一條信號(hào)線，所述上、下層電極條相互交叉與所述導(dǎo)電高分子敏感膜構(gòu)成M×N敏感單元陣列；所述各信號(hào)線匯集一起，形成引出密排電纜。本發(fā)明具有結(jié)構(gòu)纖薄、柔順性好、量程大、精度高、分辨率高的特點(diǎn)。
文檔編號(hào)G01L1/18GK101201277SQ20071017799
公開日2008年6月18日 申請(qǐng)日期2007年11月23日 優(yōu)先權(quán)日2007年11月23日
發(fā)明者丁天懷, 鵬 王, 王守利, 王璐珩 申請(qǐng)人:清華大學(xué)