專利名稱：一種陣列式柔性力敏傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明屬于微機電系統(tǒng)(MEMS)和傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種陣列式柔性力敏傳感器。
背景技術(shù)：
柔性傳感器因為具有良好的柔性，不受被測物體形狀的限制，能夠貼附于各種規(guī)則或不規(guī)則曲面實現(xiàn)傳感功能。柔性力敏傳感器主要應(yīng)用于擠壓力和剪切力的測量，可作為一種觸覺傳感器。常見的柔性力敏傳感器有壓阻式、電容式和光學(xué)式等。因為具有柔韌性好，測力量程和測量有效面積大，工藝相對簡單等優(yōu)點，利用壓敏導(dǎo)電橡膠制作壓阻式柔性力敏傳感器逐漸成為主流設(shè)計思路。按工作原理主要分為材料敏感式和接觸敏感式。材料敏感式是指通過檢測敏感材料本身的體電阻變化來敏感外力，接觸敏感式所檢測的是敏感材料表面與電極間的接觸電阻的變化。前者雖然性能穩(wěn)定，但壓阻系數(shù)受敏感材料本身特性的限制往往較小(如2008100185M.9)；后者雖然敏感系數(shù)較大，但由于敏感材料接觸表面的粗糙程度難于控制，傳感器的初始電阻差異較大，而且表面微觀形態(tài)易受壓力破壞而導(dǎo)致傳感器壽命較低(如TeksCan，2001，專利號US 6，272，936， Bi)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明是為了避免壓阻式柔性力敏傳感器所存在的不足，而提出一種陣列式柔性力敏傳感器，該陣列式柔性力敏傳感器具有靈敏度高，性能穩(wěn)定，壽命長等優(yōu)點。本發(fā)明的技術(shù)方案如下本發(fā)明提供的陣列式柔性力敏傳感器，其包括—上絕緣保護層1及圖形化于所述上絕緣保護層1下表面上的平行金屬行電極 2 ；一下絕緣保護層5及圖形化于所述下絕緣保護層5上表面上的平行金屬列電極 2 ；和一位于所述平行金屬行電極和所述平行金屬列電極之間的第一敏感膜層3 ；所述第一敏感膜層3由一填充式敏感材料層31和附著在該填充式敏感材料層31上表面上的填充式敏感材料凸形條32或填充式敏感材料凸形塊33組成；所述填充式敏感材料凸形條32 的縱截面和所述填充式敏感材料凸形塊33的縱截面均為楔形、錐形或鋸齒形； 所述填充式敏感材料凸形條32或填充式敏感材料凸形塊33與所述平行金屬列電極4上下對齊； 所述平行金屬行電極2與平行金屬列電極4呈空間垂直相交狀分布，其空間垂直相交的空間相交部分與該空間相交部分內(nèi)包含的第一敏感膜層構(gòu)成陣列式柔性力敏傳感器的力敏單元；
所述填充式敏感材料為絕緣柔性基體材料c中均勻分散有導(dǎo)電粒子b的填充式導(dǎo)電復(fù)合材料；所述導(dǎo)電粒子填料b與所述絕緣柔性基體材料c的質(zhì)量比為0.1 25 100。本發(fā)明提供的陣列式柔性力敏傳感器，還可包括一與所述第一敏感膜層3形狀、 尺寸相同的第二敏感膜層7 ；所述第一敏感膜層3上的凸形條32與所述第二敏感膜層7上的凸形條32呈垂直相交狀接觸；所述第一敏感膜層3上的凸形塊33與所述第二敏感膜層 7上的凸形塊33上下對齊并相接觸。本發(fā)明提供的陣列式柔性力敏傳感器，還可進一步包括一位于所述平行金屬行電極2與第一敏感膜層3之間的帶通孔的隔離層6 ；所述第一敏感膜層3的凸形塊33位于所述隔離層6的通孔內(nèi)。所述上絕緣保護層1和下絕緣保護層5均為柔性聚合物材質(zhì)的絕緣保護層。所述導(dǎo)電粒子填料b為炭黑、碳納米纖維、碳納米管或金屬顆粒。所述絕緣柔性基體材料c為柔性聚合物材料。本發(fā)明的陣列式柔性力敏傳感器，以填充式導(dǎo)電復(fù)合材料作為敏感材料，敏感材料制成的第一敏感膜層3與平行的金屬行電極2之間采用楔形、錐形或鋸齒形的接觸，外界壓力通過改變敏感材料與電極的接觸面積使輸出電阻發(fā)生變化。本發(fā)明的工作原理為參考圖1所示，填充式敏感材料是將導(dǎo)電粒子b分散到絕緣柔性基體材料c中，導(dǎo)電粒子b之間通過直接接觸或隧道效應(yīng)互相連接成電阻網(wǎng)絡(luò)；位于填充式敏感材料表面的導(dǎo)電粒子b將材料內(nèi)部的電阻網(wǎng)絡(luò)和外電極連接起來形成導(dǎo)電回路 e。影響回路電阻的因素除了導(dǎo)電粒子b的濃度、形狀、導(dǎo)電粒子與電極間的接觸電阻外，還包括填充式敏感材料制作的敏感膜層與電極(包括平行的金屬行電極2和平行的金屬列電極4)的接觸面積。接觸面積越大，和金屬行電極2連通的導(dǎo)電粒子越多，參與導(dǎo)電的內(nèi)部電阻網(wǎng)絡(luò)越多，回路電阻也越小。本發(fā)明的平行的金屬行電極2和平行的金屬列電極4之間采用空間垂直狀，外電極a受壓力作用時，接觸面積有規(guī)律的變化導(dǎo)致回路電阻隨壓力有規(guī)律的變化。本發(fā)明的陣列式柔性力敏傳感器的有益效果在于能夠明顯提高導(dǎo)電復(fù)合材料力敏傳感器的敏感系數(shù)，而且性能穩(wěn)定、遲滯小、壽命長。由于本發(fā)明基于填充式導(dǎo)電復(fù)合材料回路電阻與接觸面積直接相關(guān)的現(xiàn)象，敏感材料表面與外電極之間采用以楔形、錐形或鋸齒形等非平行方式接觸，敏感單元受壓時，敏感材料與外電極的接觸面積隨之增加，使參與導(dǎo)電的電阻網(wǎng)絡(luò)增多，回路電阻降低。由于敏感系數(shù)正比于單位壓力作用下接觸面積的變化率，可以通過優(yōu)化接觸角度、初始接觸面積，優(yōu)選合適柔軟度的敏感材料等方式來提高敏感系數(shù)。由于傳感器的壓阻響應(yīng)來源于金屬電極與柔軟的敏感材料間規(guī)律的機械接觸， 常見的聚合物基體材料往往具有優(yōu)異的柔韌性，卸載后恢復(fù)迅速，因此通過合理配置結(jié)構(gòu)參數(shù)和優(yōu)選材料可以明顯提高傳感器的穩(wěn)定性，延長壽命，并且減少遲滯現(xiàn)象。


圖1為填充式敏感材料的示意圖；圖2為本發(fā)明的陣列式柔性力敏傳感器的結(jié)構(gòu)示意3為本發(fā)明的陣列式柔性力敏傳感器的結(jié)構(gòu)(分解)示意圖；圖4為圖2的剖面示意圖5為本發(fā)明的陣列式柔性力敏傳感器(雙層敏感材料層)結(jié)構(gòu)(分解)示意圖；圖6為帶隔離層6的陣列式柔性力敏傳感器的分解示意圖；圖7為圖5的剖面示意圖。
具體實施例方式實施例1如圖2和圖3，本實施例1提供的陣列式柔性力敏傳感器，其包括本發(fā)明提供的陣列式柔性力敏傳感器，其包括一上絕緣保護層1及圖形化于所述上絕緣保護層1下表面上的平行金屬行電極 2 ；一下絕緣保護層5及圖形化于所述下絕緣保護層5上表面上的平行金屬列電極 2 ；和一位于所述平行金屬行電極和所述平行金屬列電極之間的第一敏感膜層3 ；所述第一敏感膜層3由一填充式敏感材料層31和附著在該填充式敏感材料層31上表面上的填充式敏感材料凸形條32或填充式敏感材料凸形塊33組成；填充式敏感材料凸形條32縱截面或填充式敏感材料凸形塊33縱截面均為楔形縱截面、錐形縱截面或鋸齒縱截面；所述填充式敏感材料凸形條32或填充式敏感材料凸形塊33與所述平行金屬列電極4上下對齊；所述平行金屬行電極2與平行金屬列電極4呈空間垂直相交狀分布，其空間垂直相交的相交部分與該相交部分內(nèi)包含的第一敏感膜層構(gòu)成陣列式柔性力敏傳感器的力敏單元；所述填充式敏感材料為絕緣柔性基體材料c中均勻分散有導(dǎo)電粒子b的填充式導(dǎo)電復(fù)合材料；所述導(dǎo)電粒子b選用多壁碳納米管，絕緣柔性基體材料c選用苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物，導(dǎo)電粒子b與絕緣柔性基體材料c的質(zhì)量比為1 100;本實施例中的上絕緣保護層1和下絕緣保護層5均選用聚酰亞胺材料；平行金屬行電極2與平行金屬列電極4均為圖形化的銅電極，與上絕緣保護層1 和下絕緣保護層5 —起采用標(biāo)準(zhǔn)的柔性電路板工藝制作；電極表面鍍金以改善與第一敏感膜層3的接觸特性，金屬電極厚度為40 μ m。第一敏感膜層3與平行金屬行電極2為楔形接觸；第一敏感膜層3采用鑄模成型， 模具由機械加工或MEMS工藝制造。采用溶液法制備填充式導(dǎo)電復(fù)合材料溶液的步驟如下在室溫和常壓下，將碳納米管加入至揮發(fā)性溶劑中進行超聲分散處理40分鐘，超聲分散處理的超聲功率為300W ；所述揮發(fā)性溶劑為體積比為1 1的甲苯和丙酮組成的混合溶劑或為乙酸乙酯溶劑；所述碳納米管與揮發(fā)性溶劑的比例為Img 60ml ；再加入絕緣柔性基體材料，繼續(xù)超聲處理4小時，得到含碳納米管和絕緣柔性基體材料的混合溶液；所述碳納米管和絕緣柔性基體材料的質(zhì)量比為5 100；將得到的含碳納米管和絕緣柔性基體材料的混合溶液進行5000轉(zhuǎn)/分的高速離心30分鐘；得到均勻分散的含碳納米管和絕緣柔性基體材料的混合溶液清液和對所得沉淀稱重，并計算出含碳納米管和絕緣柔性基體材料的混合溶液清液中的碳納米管的實際濃度；向上述含碳納米管和絕緣柔性基體材料的混合溶液清液中再加入絕緣柔性基體材料，使碳納米管與絕緣柔性基體材料的質(zhì)量比為1.5 100;然后再超聲分散2-4小時， 得到填充式導(dǎo)電復(fù)合材料溶液；將模具置于開口容器底部，使模具的楔形槽表面朝上，把溶液狀態(tài)的填充式導(dǎo)電復(fù)合材料注入該容器中，待溶劑完全揮發(fā)后填充式導(dǎo)電復(fù)合材料凝固，剝離得到第一敏感膜層3 ；力敏單元連接薄層厚度為30 μ m。將制備的第一敏感膜層3下表面均勻涂布微量溶劑，使其表面處于粘稠狀，覆蓋在平行金屬列電極4之上，將平行金屬列電極4與第一敏感膜層3的圖形條32上下對齊并壓牢；在平行的金屬行電極2的下表面均勻涂布微量溶劑，平行金屬行電極2按垂直于平行金屬列電極4的方向?qū)R；施加0. IMpa的壓力并置入溫控爐中升溫至60°C并保持2小時， 取出即得到本發(fā)明的陣列式柔性力敏傳感器。實施例2本實施例與實施例1的區(qū)別在于第一敏感膜層3采用壓模成型制備。第一敏感膜層3為絕緣柔性基體材料c中均勻分散有導(dǎo)電粒子b的填充式導(dǎo)電復(fù)合材料制成的膜層。所述導(dǎo)電粒子b選用炭黑，絕緣柔性基體材料c選用聚硅橡膠，導(dǎo)電粒子b與絕緣柔性基體材料c的質(zhì)量比為15 100 ；所述填充式導(dǎo)電復(fù)合材料采用溶液法制備。壓膜成型所需的模具采用由機械加工或MEMS工藝制造。將所述填充式導(dǎo)電復(fù)合材料放入壓模機中，加熱至200°C，待材料填充式導(dǎo)電復(fù)合材料熔融，壓模機施加壓力，冷卻材料至室溫取出既得第一敏感膜層3。力敏單元連接薄層厚度為ΙΟΟμπι。實施例3本實施例與實施例1、2的區(qū)別在于第一敏感膜層3的凸形條32為錐形縱截面凸形條或鋸齒形縱截面凸形條。所述導(dǎo)電粒子b選用炭黑，絕緣柔性基體材料c選用聚硅橡膠，導(dǎo)電粒子b與絕緣柔性基體材料c的質(zhì)量比為0.1 100。實施例4參考圖4，本實施例與前述實施例的區(qū)別在于還包括第二敏感膜層7 ；該第二敏感膜層7與所述第一敏感膜層3的形狀、尺寸相同，但相對放置，即所述第一敏感膜層3的凸形條32與所述第二敏感膜層7的凸形條32相對放置并呈垂直相交狀接觸；上絕緣保護層1、下絕緣保護層5、平行的金屬行電極2、第二敏感膜層7采用實施例1相同的工藝加工；在第二敏感膜層7的凸形條表面勻涂布微量溶劑，使其表面處于粘稠狀態(tài)，覆蓋于所述第一敏感膜層3的凸形條上，所述第一敏感膜層3的凸形條32與所述第二敏感膜層7的凸形條32相對并呈垂直相交狀接觸并壓牢；平行金屬行電極2按垂直于平行金屬列電極4的方向?qū)R，施加0. 05Mpa的壓力并置入溫控爐中升溫至50°C并保持1小時，取出即得到本實施例的陣列式力敏傳感器。所述第一敏感膜層3和第二敏感膜層7均為絕緣柔性基體材料c中均勻分散有導(dǎo)電粒子b的填充式導(dǎo)電復(fù)合材料制成的膜層；所述導(dǎo)電粒子b選用銀顆粒，絕緣柔性基體材料c選用聚硅橡膠，導(dǎo)電粒子b與絕緣柔性基體材料c的質(zhì)量比為25 100。
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實施例5如圖5與圖6所示，本實施例與前述實施例的不同在于為了改善單個敏感單元的獨立性，在敏感單元之間添加隔離層6 ；隔離層6選擇柔性較好的硅橡膠，其厚度等于第一敏感膜層3突形塊的最大高度；隔離層6采用機械加工或MEMS工藝制造；在隔離層6的上下表面勻涂布微量溶劑，使上下表面處于粘稠狀態(tài)，覆蓋于已制備的第一敏感膜層3上， 對齊(將突形塊33對準(zhǔn)隔離層6的通孔)并壓牢；使突形塊33位于隔離層6的通孔中； 平行金屬行電極2按垂直于平行金屬行列極4的方向?qū)R，覆蓋于隔離層6上表面，并施加 0. OSMpa的壓力并置入溫控爐中升溫至70°C并保持3小時，取出即得到制備的柔性陣列式力敏傳感器。
權(quán)利要求
1.一種陣列式柔性力敏傳感器，其包括一上絕緣保護層(1)及圖形化于所述上絕緣保護(1)下表面上的平行金屬行電極⑵；一下絕緣保護層( 及圖形化于所述下絕緣保護層( 上表面上的平行金屬列電極⑷；禾口一位于所述平行金屬行電極⑵和所述平行金屬列電極⑷之間的第一敏感膜層⑶； 所述第一敏感膜層(3)由一填充式敏感材料層(31)和附著在該填充式敏感材料層(31)上表面上的填充式敏感材料凸形條(3 或填充式敏感材料凸形塊(3 組成；所述填充式敏感材料凸形條(3 的縱截面和所述填充式敏感材料凸形塊(3 的縱截面均為楔形、錐形或鋸齒形；所述填充式敏感材料凸形條(3 或填充式敏感材料凸形塊(3 與所述平行金屬列電極⑷上下對齊；所述平行金屬行電極( 與平行金屬列電極(4)呈空間垂直相交狀分布，其空間垂直相交的空間相交部分與該空間相交部分內(nèi)包含的第一敏感膜層構(gòu)成陣列式柔性力敏傳感器的力敏單元；所述填充式敏感材料為絕緣柔性基體材料(c)中均勻分散有導(dǎo)電粒子(b)的填充式導(dǎo)電復(fù)合材料；所述導(dǎo)電粒子填料(b)與所述絕緣柔性基體材料(c)的質(zhì)量比為0. 1 25 100。
2.按權(quán)利要求1所述的陣列式柔性力敏傳感器，其特征在于，還包括一與所述第一敏感膜層C3)形狀、尺寸相同的第二敏感膜層(7)；所述第一敏感膜層C3)上的凸形條(32)與所述第二敏感膜層(7)上的凸形條(3 呈垂直相交狀接觸；所述第一敏感膜層( 上的凸形塊(3 與所述第二敏感膜層(7)上的凸形塊(3 上下對齊并相接觸。
3.按權(quán)利要求1所述的陣列式柔性力敏傳感器，其特征在于，還進一步包括一位于所述平行金屬行電極O)與第一敏感膜層(3)之間的帶通孔的隔離層6;所述第一敏感膜層 (3)的凸形塊(33)位于所述隔離層(6)的通孔內(nèi)。
4.按權(quán)利要求1所述的陣列式柔性力敏傳感器，其特征在于，所述上絕緣保護層(1)和下絕緣保護層( 均為柔性聚合物材質(zhì)的絕緣保護層。
5.按權(quán)利要求1所述的陣列式柔性力敏傳感器，其特征在于，所述導(dǎo)電粒子填料(b)為炭黑、碳納米纖維、碳納米管或銀顆粒。
6.按權(quán)利要求1所述的陣列式柔性力敏傳感器，其特征在于，所述絕緣柔性基體材料 (c)為柔性聚合物材料。
全文摘要
一種陣列式柔性力敏傳感器包括上絕緣保護層及圖形化于上絕緣保護層下表面的平行金屬行電極；下絕緣保護層及圖形化于下絕緣保護層上表面的平行金屬列電極；和位于行電極和列電極間的第一敏感膜層；第一敏感膜層由填充式敏感材料層和附著在該填充式敏感材料層上表面的填充式敏感材料凸形條或凸形塊組成；凸形條和凸形塊的縱截面均為楔形、錐形或鋸齒形；凸形條或凸形塊與列電極上下對齊；行電極與列電極呈空間垂直相交狀分布，其空間垂直相交的空間相交部分與該空間相交部分內(nèi)包含的第一敏感膜層構(gòu)成力敏單元；填充式敏感材料為絕緣柔性基體材料中均勻分散導(dǎo)電粒子的導(dǎo)電復(fù)合材料；具有靈敏度高，性能穩(wěn)定，壽命長等優(yōu)點。
文檔編號G01L1/18GK102374911SQ20101026089
公開日2012年3月14日 申請日期2010年8月23日 優(yōu)先權(quán)日2010年8月23日
發(fā)明者葉雄英, 王志峰 申請人:清華大學(xué)