CN109959475B - 导电薄膜及薄膜电阻应变式压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种导电薄膜，包括基材，其包括相对设置的第一表面及第二表面；硬涂层，分别附着于所述第一表面及第二表面；及金属层，分别附着于所述硬涂层远离所述基材的表面；所述硬涂层的水汽含量小于等于0.25％。此导电薄膜具有良好的抗刮伤性能的同时还具有较好的阻抗一致性。此外，本发明还提供一种薄膜电阻应变式压力传感器。

Description

导电薄膜及薄膜电阻应变式压力传感器

技术领域

本发明涉及压感技术领域，特别涉及一种导电薄膜及薄膜电阻应变式压力传感器。

背景技术

压力传感器是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。随着现代科技的飞速发展，对于压力传感器的性能指标、极端工作环境不断提出新的需求，这就导致薄膜电阻应变式压力传感器应运而生。

薄膜电阻应变式压力传感器一般包括衬底及附着于衬底表面，并由导电金属薄膜蚀刻而成的应变电阻。目前，形成上述应变电阻的导电金属薄膜一般包括基材，以及形成于基材两侧的金属层。

用作高品质压力感应的导电金属薄膜对其阻抗均一性有极高的要求，现有的导电金属薄膜一直无法达到要求。

发明内容

基于此，有必要提供一种阻抗均一性较好的导电薄膜及薄膜电阻应变式压力传感器。

一种导电薄膜包括基材，其包括相对设置的第一表面及第二表面；硬涂层，分别附着于所述第一表面及第二表面；及金属层，分别附着于所述硬涂层远离所述基材的表面；其中，所述硬涂层的水汽含量小于等于0.25％。

导电薄膜包括硬涂层使得导电薄膜具有较好的抗刮伤性，在具备硬涂层的情况下进一步控制硬涂层的水汽含量在0.25％以下，导电薄膜在长度方向上的阻抗均一性较好。

其中一个实施例中，所述水汽含量范围为0.05％-0.2％。导电薄膜在一定长度范围内例如一千米内的阻抗均一性更好。

其中一个实施例中，所述硬涂层为亚克力树脂材料，且包含纳米颗粒的金属氧化物。亚克力树脂具有较好的粘接性、柔性，并且具有良好的光学性能。亚克力树脂中进一步包含纳米颗粒的金属氧化物可以进一步增强附着力，此外还具有抗粘连性，使得导电薄膜在卷取中避免因为粘连而受损，保证了产品的良率。

其中一个实施例中，所述基材为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。采用PET作为基材的材料，能在有效地节约成本的同时，提升产品品质。

其中一个实施例中，所述导电薄膜沿长度方向的阻抗均一性小于3％。阻抗均一性小则产品稳定性高。

其中一个实施例中，所述导电薄膜的老化温度为100-200摄氏度。此温度下老化的导电薄膜的吸水速度能够满足后续工艺的要求，使得水汽含量保持在0.3％以下，保证了阻抗均一性。

其中一个实施例中，所述导电薄膜的老化温度为200摄氏度。此温度下导电薄膜的吸水速度低，使得制成的导电薄膜水汽含量较低，因而阻抗均一性好。

其中一个实施例中，所述导电薄膜的老化速度为1-50m/min。这种老化速度需要温度范围合适并且有较高的生产效率。

其中一个实施例中，所述金属层为合金金属层。合金材质的金属层电学性质稳定，电阻率不会随环境的变化而大幅变化。因此，采用上述导电薄膜形成的应变电阻适应性强。

一种薄膜电阻应变式压力传感器，包括衬底；及附着于所述衬底表面的应变电阻，所述应变电阻由上述优选实施例中任一项所述的导电薄膜蚀刻形成。所述薄膜电阻应变式压力传感器因为使用阻抗均一性良好的导电薄膜而具有较高的灵敏度。

附图说明

图1为本发明实施例中导电薄膜的结构示意图；

图2为不同温度老化后吸水速度及含水量关系的示意图；

图3为本发明薄膜电阻应变式压力传感器的结构示意图。

具体实施方式

为了便于理解本发明，下面将参照相关附图对本发明进行更全面的描述。附图中给出了本发明的较佳的实施例。但是，本发明可以以许多不同的形式来实现，并不限于本文所描述的实施例。相反地，提供这些实施例的目的是使对本发明的公开内容的理解更加透彻全面。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者也可以存在居中的元件。当一个元件被认为是“连接”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。本文所使用的术语“垂直的”、“水平的”、“左”、“右”以及类似的表述只是为了说明的目的。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

本发明提供了一种薄膜电阻应变式压力传感器及导电薄膜。

请参阅图1，本发明导电薄膜包括基材1、硬涂层2及金属层3。所述基材1包括相对设置的第一表面及第二表面；所述硬涂层2分别附着于所述第一表面及第二表面；所述金属层3分别附着于所述硬涂层2远离所述基材1的表面。其中，所述硬涂层2的水汽含量小于等于0.25％。所述水汽含量为硬涂层2中水汽的重量占硬涂层的重量百分比。与现有技术相比，本发明导电薄膜包括硬涂层2，使得导电薄膜具有较好的抗刮伤性，而在具备硬涂层2的情况下进一步控制硬涂层2的水汽含量在0.25％以下，可以获得在长度方向上阻抗均一性较好的导电薄膜。

所述水汽来源于所述硬涂层2的涂布工艺中残留的水分以及储存中尤其是取卷涂覆有硬涂层2的基材1使用时在后续工艺中与空气接触的时间段内从空气中吸收的水汽。所述水汽的测量方法为Karl Fischer法，该方法是材料表面的水汽与碘、二氧化硫的氧化还原反应，在吡啶和甲醇存在的情况下，生成氢碘酸吡啶和甲基硫酸吡啶，此反应一直持续，直到水分全部消耗为止，根据化学反应式，通过消耗的反应物或反应生成物可以计算水汽重量。具体的可以取单位面积的导电薄膜来测算水汽含量。

影响导电薄膜阻抗均一性的因素很多，其中有些要素并不容易发现，尤其是在实验室不容易发现，例如本发明涉及到阻抗均一性需要针对较长(数百米甚至千米以上)的卷材进行测试。现有技术中的认知主要在于研究金属层的材料例如采用何种合金及其成分配比来获得较好的阻抗均一性，或者是改进各材料层例如硬涂层的材料和厚度来研究与阻抗均一性的关系。现有资料中并无水汽含量对阻抗均一性影响的研究和启发。本申请人是经过大量的试产实验，发现了水汽含量对阻抗均一性的影响，并通过适当控制水汽含量在一定比例之下实现符合客户高品质要求的导电薄膜。

在其他实施例中，优选的，所述水汽含量范围为0.05％-0.2％。水汽含量在0.2％以内，导电薄膜在一定长度范围内例如一千米内的阻抗均一性更好，水汽含量大于0.2％，则随着导电薄膜生产长度的增加，有可能达到一定长度后阻抗均一性升高导致产品不合格。某些导电薄膜暴露于空气中的时间如果无法保证约束在100min(分钟)内，会导致水汽含量超过0.25％而使得阻抗均一性不能满足要求。而水汽含量低于0.05％则会导致硬涂层的附着力下降，而且因为生产中产品除处于严密的保护和储存条件外，存在一定的暴露于空气中的时间，例如在涂布和镀膜工艺中卷取上下料的时间，因此控制水汽含量低于0.05％的成本太高甚至于工艺上无法实现。

请参阅附图2，显示了硬涂层2暴露于空气中的吸水速度，也就是在一定的时间内测得的硬涂层2中的水汽含量。并且显示了不同老化温度(100℃、150℃、200℃)后暴露于空气中一定时间(以分钟计算)后硬涂层2中的水汽含量。其中绿线为老化温度为100℃时的吸水速度曲线，红线为老化温度为150℃时的吸水速度曲线，蓝线为老化温度为200℃时的吸水速度曲线。硬涂层2饱和的水汽含量为0.3％，此时导电薄膜的电阻均一性将不能满足高性能产品的要求。如果导电薄膜能够容忍的暴露时间过短，比如不足一个小时，则很大程度上该产品不能够满足现有的工艺需求，即工艺过程中出现水汽含量会超标从而导致阻抗均一性不能满足要求。对于老化温度100℃获得的导电薄膜，其经过大约64min(分钟)后水汽含量就会达到0.25％，因此这种导电薄膜对工艺的要求将会极高，甚至有可能不能够满足一些产线设计的要求而不能够使用，例如一般产线很难满足暴露时间小于64分钟的工艺设计。而采用200摄氏度进行老化得到的导电膜的吸水速度是最慢的，大约在512分钟后吸水率才达到0.25％，因此200摄氏度的老化温度获得的导电薄膜优于100摄氏度的老化温度获得的导电薄膜。本发明揭露导电薄膜的老化温度需要大于100摄氏度，且因为材料耐温性考虑，老化温度需要小于200摄氏度。

请参阅如下表1，是导电薄膜的硬涂层2中水汽含量分别为0.1％、0.2％及0.3％时的阻抗测试数据。数据表明当水汽含量为0.3％时，阻抗均一性大于3％，不能满足产品性能要求。而水汽含量为0.1％或0.2％时，阻抗均一性小于3％，能满足产品性能要求。其中阻抗均一性的定义为(Max-min)/(Max+min)。

表1

所述硬涂层2为亚克力树脂材料，且包含纳米颗粒的金属氧化物。亚克力树脂具有较好的粘接性、柔性，并且具有良好的光学性能。亚克力树脂中进一步包含纳米颗粒的金属氧化物可以进一步增强附着力，此外还具有抗粘连性，使得导电薄膜在卷取中避免因为粘连而受损，保证了产品的良率。

在一些实施方式中，基材1为聚环烯烃(COP)或聚碳酸酯(PC)或聚酰亚胺(PI)或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜。在本实施例中，基材1优选为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜(PET)。PET是一种常见的结晶性有机材料，具有良好的耐热性、绝缘性、耐疲劳性及耐摩擦性，但透光性较差。但是，导电薄膜用于制备应变电阻压力感应传感器时，对透光性的要求较低，故对基材1的透光性要求也较低。因此，采用PET作为基材1的材料，能在有效地节约成本的同时，提升产品品质。

在本实施例中，所述导电薄膜的阻抗范围为0.1Ω/□-10Ω/□。阻抗低，因此导电薄膜具有较好的导电性能。

在本实施例中，所述导电薄膜为卷材，其沿长度方向(MD)的阻抗均一性小于3％，阻抗均一性较好，产品稳定性高，使得整卷材料都能够用于后续工艺而不至于浪费。此种导电薄膜能够满足客户的高品质要求，由此制作的压力感应传感器灵敏度较高。

在一些实施方式中，所述导电薄膜制造工艺中的老化温度为100-200摄氏度。老化温度过低则导电薄膜吸水速度过快，使得上料溅镀金属层时水汽含量超标，因此导致导电薄膜阻抗均一性不能满足要求。且温度低时老化时间过长，生产效率较低，温度过高则材料难以承受。鉴于工艺的可实施性，优选的老化温度为150-200摄氏度。本实施例中，老化温度为200摄氏度，制程中采用该温度进行老化，薄膜吸水速度低，溅镀金属层3后导电薄膜的水汽含量在相对较长时间内可以保持在0.25％以下，使得导电薄膜成品具有较好的阻抗均一性。如果控制薄膜暴露于空气中的时间更短，例如取卷时间更短，溅镀时的真空环境保持更好，可以使得水汽含量可以保持在0.2％以下，则导电薄膜成品的阻抗均一性更优。

在本实施例中，所述导电薄膜的老化速度为1-50m/min。这种老化速度需要温度范围合适并且有较高的生产效率。

在一些实施例中，所述金属层为合金金属层，例如铜镍合金、康铜、镍铬合金。合金材质的金属层电学性质稳定，电阻率不会随环境的变化而大幅变化。因此，采用上述导电薄膜形成的应变电阻适应性强。具体的本实施例中为铜镍合金。铜镍合金与以上实施例中老化温度和水汽含量的参数配合能够达到最好的阻抗均一性，即使得阻抗均一性在3％以内，满足客户高品质产品的需求。

本发明还提供一种薄膜电阻应变式压力传感器10，包括衬底12；及附着于所述衬底表面的应变电阻11，所述应变电阻11由上述优选实施例中任一项所述的导电薄膜蚀刻形成。具体的，所述衬底12为柔性衬底，可以为表面有绝缘层的金属或石英、云母等无机材料。压力作用于应变电阻时，应变电阻的电阻值变化，从而引起电信号的变化。对电信号进行分析，便可得到压力值。采用上述导电薄膜制造而成的薄膜电阻应变式压力传感器10具有较高的灵敏度。

以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。

以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种导电薄膜，其特征在于，包括：

基材，包括相对设置的第一表面及第二表面；

硬涂层，分别附着于所述第一表面及第二表面；及

金属层，分别附着于所述硬涂层远离所述基材的表面；

其中，所述硬涂层的水汽含量小于等于0.25％，所述水汽含量为所述硬涂层中水汽的重量占所述硬涂层的重量百分比。

2.根据权利要求1所述的导电薄膜，其特征在于，所述水汽含量范围为0.05％-0.2％。

3.根据权利要求1所述的导电薄膜，其特征在于，所述硬涂层为亚克力树脂材料，且包含纳米颗粒的金属氧化物。

4.根据权利要求1所述的导电薄膜，其特征在于，所述基材为聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜。

5.根据权利要求1所述的导电薄膜，其特征在于，所述导电薄膜沿长度方向的阻抗均一性小于3％。

6.根据权利要求5所述的导电薄膜，其特征在于，所述导电薄膜的老化温度为100-200摄氏度。

7.根据权利要求5所述的导电薄膜，其特征在于，所述导电薄膜的老化温度为200摄氏度。

8.根据权利要求7所述的导电薄膜，其特征在于，所述导电薄膜的老化速度为1-50m/min。

9.根据权利要求1所述的导电薄膜，其特征在于，所述金属层为铜镍合金金属层。

10.一种薄膜电阻应变式压力传感器，其特征在于，包括：

衬底；及

附着于所述衬底表面的应变电阻，所述应变电阻由上述权利要求1至9任一项所述的导电薄膜蚀刻形成。

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