CN110057478B - 一种电阻式高灵敏柔性压力传感器件 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电阻式高灵敏柔性压力传感器件，包括叠层设置的第一柔性薄膜基底、压敏层、环形电极层和第二柔性薄膜基底，其中，所述压敏层位于所述第一柔性薄膜基底、环形电极层之间，所述环形电极层位于所述压敏层、第二柔性薄膜基底之间，所述环形电极层包括环形电极和电极引出端，所述环形电极与所述电极引出端连接，所述第一柔性薄膜基底与所述第二柔性薄膜基底通过粘性材料封装，所述压敏层包括位于同一平面的外圈压敏层和内圈压敏层，所述外圈压敏层的直径大于所述内圈压敏层，所述内圈压敏层的表面电阻大于所述外圈压敏层的表面电阻。本发明的有益效果是：兼具较高灵敏度与量程输出曲线无突变。
Description
技术领域
本发明涉及传感器件，尤其涉及一种电阻式高灵敏柔性压力传感器件。
背景技术
柔性电子器件是将有机和或无机材料电子器件制作在柔性或可延展基板上的新型电子技术，相比传统电子，柔性电子本身可发生一定程度上的形变，以满足特殊工作环境的要求，具备一定的灵活性。传感器作为一种能够将被测信号按照一定规律转换为电信号并输出的装置，被广泛应用于航天、船舶、医疗、军事等领域，而柔性传感器能够既保留传感器的基本性能，同时器件能够在一定范围内保持柔性。随着新技术革命的到来，世界开始进入信息时代，高灵敏柔性压力传感器能够作为一种消费电子，可将压力信号实时采集、记录，实现人机交互。
目前现有的柔性薄膜压力传感器中，大部分基于外力作用下，叉指电极与压敏层接触程度，输出相应的可测量电阻，实现传感功能。这类传感器两个问题：
一、灵敏度与量程调控难以兼容：通过降低压敏层表面电阻提升传感器敏感度，会导致极限输出电阻降低，有效量程过小；反之提升压敏层表面电阻，能够提升传感器的量程，但会大幅牺牲测量灵敏度。
二、诸多应用场景中，传感器受力载荷是由中心开始向四周扩散，而传统的叉指图案电极，在中心部位电极间距小（或电极密度大），即在轻度按压下，中心区电极与压敏材料发生接触，输出电阻就会出现急剧降低，从而导致输出存在突变问题。
因此，如何获得一个兼具较高灵敏度与量程输出曲线无突变的柔性压力传感器是目前亟待解决的技术难点。
发明内容
为了解决现有技术中的问题，本发明提供了一种电阻式高灵敏柔性压力传感器件。
本发明提供了一种电阻式高灵敏柔性压力传感器件，包括叠层设置的第一柔性薄膜基底、压敏层、环形电极层和第二柔性薄膜基底，其中，所述压敏层位于所述第一柔性薄膜基底、环形电极层之间，所述环形电极层位于所述压敏层、第二柔性薄膜基底之间，所述环形电极层包括环形电极和电极引出端，所述环形电极与所述电极引出端连接，所述第一柔性薄膜基底与所述第二柔性薄膜基底通过粘性材料封装，所述压敏层包括位于同一平面的外圈压敏层和内圈压敏层，所述外圈压敏层的直径大于所述内圈压敏层，所述内圈压敏层的表面电阻大于所述外圈压敏层的表面电阻。
作为本发明的进一步改进，所述压敏层印制在所述第一柔性薄膜基底的表面，所述环形电极层印制在所述第二柔性薄膜基底的表面。
作为本发明的进一步改进，所述外圈压敏层和内圈压敏层组合形成一个完整圆形，所述压敏层、环形电极之间设有空隙。
作为本发明的进一步改进，所述压敏层为与所述第一柔性薄膜基底同步变形的具有压敏效应的材料制成，所述压敏层主要由高分子材料与导电材料混合而成。
作为本发明的进一步改进，所述压敏层中内圈压敏层的导电材料掺杂浓度范围为2-4wt%，所述压敏层中外圈压敏层的导电材料掺杂浓度范围为4-7.5wt%。
作为本发明的进一步改进，所述压敏层的高分子材料为氯化丙烯类树脂、聚氨酯类树脂、环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂中的任意一种，所述压敏层的导电材料为碳纳米管、碳纤维、导电碳粉、石墨烯中的任意一种。
作为本发明的进一步改进，所述环形电极包括至少一对外环电极电路和至少一对中心电极电路，所述一对外环电极电路包括第一外环电极电路和第二外环电极电路，所述一对中心电极电路包括第一中心电极电路和第二中心电极电路，所述电极引出端包括第一电极引出端和第二电极引出端，所述第一外环电极电路、第一中心电极电路汇合后与所述第一电极引出端连接，所述第二外环电极电路、第二中心电极电路汇合后与所述第二电极引出端连接，所述第一外环电极电路、第一中心电极电路共地，所述第二外环电极电路、第二中心电极电路共地。
作为本发明的进一步改进，所述第一外环电极电路、第二外环电极电路分别在外围沿周向布置，呈环状，所述第一中心电极电路、第二中心电极电路分别在中心沿径向对称布置，所述第一外环电极电路、第二外环电极电路之间的间距小于所述第一中心电极电路、第二中心电极电路的间距。
作为本发明的进一步改进，按压所述电阻式高灵敏柔性压力传感器件时，所述外圈压敏层与所述第一外环电极电路、第二外环电极电路接触，所述内圈压敏层与所述第一中心电极电路、第二中心电极电路接触。
作为本发明的进一步改进，所述第一柔性薄膜基底、第二柔性薄膜基底均用于传递力载荷，所述第一柔性薄膜基底的材料为聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚丙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜等材料中的至少一种，所述第二柔性薄膜基底的材料为聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚丙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜等材料中的至少一种。
本发明的有益效果是：通过上述方案，环形电极层配合具有不同表面电阻的压敏层，形成了外圈高敏感、内部低敏感的柔性压力传感器，配合带有一定厚度的粘性材料，传感器受压后，可输出具有无突变、极限电阻低的传感曲线，兼具较高灵敏度与量程输出曲线无突变。
附图说明
图1是本发明一种电阻式高灵敏柔性压力传感器件的层状示意图。
图2是本发明一种电阻式高灵敏柔性压力传感器件的环形电极层的示意图。
图3是本发明一种电阻式高灵敏柔性压力传感器件的压敏层、环形电极层的位置对照图。
图4是本发明一种电阻式高灵敏柔性压力传感器件的压敏层、环形电极层的尺寸图。
图5是本发明一种电阻式高灵敏柔性压力传感器件的传感曲线图。
具体实施方式
下面结合附图说明及具体实施方式对本发明作进一步说明。
如图1至图5所示，一种电阻式高灵敏柔性压力传感器件（简称传感器），包括叠层设置的第一柔性薄膜基底1、压敏层20、环形电极层30和第二柔性薄膜基底7，其中，所述压敏层20位于所述第一柔性薄膜基底1、环形电极层30之间，所述环形电极层30位于所述压敏层20、第二柔性薄膜基底7之间，所述环形电极层30包括环形电极5和电极引出端6，所述环形电极5与所述电极引出端6连接，所述第一柔性薄膜基底1与所述第二柔性薄膜基底7通过粘性材料3封装，所述压敏层20包括位于同一平面的外圈压敏层2和内圈压敏层4，所述外圈压敏层2的直径大于所述内圈压敏层4，所述内圈压敏层4的表面电阻大于所述外圈压敏层2的表面电阻。
如图1至图5所示，所述外圈压敏层2为低阻区，表面电阻范围为10-50kΩ/sq，所述内圈压敏层4为高阻区，表面电阻范围为50-200kΩ/sq。
如图1至图5所示，所述压敏层20印制在所述第一柔性薄膜基底1的表面，所述环形电极层30印制在所述第二柔性薄膜基底7的表面。
如图1至图5所示，所述外圈压敏层2和内圈压敏层4组合形成一个完整圆形，没有按压所述电阻式高灵敏柔性压力传感器件时，所述压敏层20、环形电极5之间设有空隙。
如图1至图5所示，粘性材料3用于封装第一柔性薄膜基底1、第二柔性薄膜基底7，使所述外圈压敏层2、内圈压敏层4与所述环形电极5保持面对面接触，同时确保相隔一定距离。
如图1至图5所示，所述压敏层20为与所述第一柔性薄膜基底1同步变形的具有压敏效应的材料制成，所述压敏层20主要由高分子材料与导电材料混合而成。
如图1至图5所示，所述压敏层20中内圈压敏层4的导电材料掺杂浓度范围为2-4wt%，所述压敏层20中外圈压敏层2的导电材料掺杂浓度范围为4-7.5wt%。
如图1至图5所示，所述压敏层20的高分子材料为氯化丙烯类树脂、聚氨酯类树脂、环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂等材料中的至少一种，所述压敏层20的导电材料为碳纳米管、碳纤维、导电碳粉、石墨烯等材料中的至少一种。
如图1至图5所示，所述环形电极5包括至少一对外环电极电路和至少一对中心电极电路，所述一对外环电极电路包括第一外环电极电路10和第二外环电极电路11，所述一对中心电极电路包括第一中心电极电路12和第二中心电极电路13，所述电极引出端包括第一电极引出端8和第二电极引出端9，所述第一外环电极电路10、第一中心电极电路12汇合后与所述第一电极引出端8连接，所述第二外环电极电路11、第二中心电极电路13汇合后与所述第二电极引出端9连接，所述第一外环电极电路10、第一中心电极电路12共地，所述第二外环电极电路11、第二中心电极电路13共地。
如图1至图5所示，所述第一外环电极电路10、第二外环电极电路11分别在外围沿周向布置，呈环状，所述第一中心电极电路12、第二中心电极电路13分别在中心沿径向对称布置，所述第一外环电极电路10、第二外环电极电路11之间的间距小于所述第一中心电极电路12、第二中心电极电路13的间距。
如图1至图5所示，第一中心电极电路12、第二中心电极电路13为同心圆弧、平行线段等简单对称图案中的一种。
如图1至图5所示，按压所述电阻式高灵敏柔性压力传感器件时，所述外圈压敏层2与所述第一外环电极电路10、第二外环电极电路11完全接触，所述内圈压敏层4与所述第一中心电极电路12、第二中心电极电路13完全接触，传感器受压时，中心位置优先发生形变，外圈压敏层2与第一中心电极电路12、第二中心电极电路13接触，输出电阻较为缓慢降低，输出曲线无突变；传感器受压进一步增大，外圈压敏层2与第一外环电极电路10、第二外环电极电路11接触，输出电阻进一步降低，最终获得较低的极限输出电阻。
如图1至图5所示，第一电极引出端8和第二电极引出端9对应有第一测试端口14和第二测试端口15，第一测试端口14和第二测试端口15外露，用于连接和测试。
如图1至图5所示，第一测试端口14和第二测试端口9宽度较宽，可作为信号输出端口，用于信号处理模块和或测试设备。
如图1至图5所示，所述第一柔性薄膜基底1、第二柔性薄膜基底7均用于传递力载荷，受力情况下，所述环形电极5与压敏层20相接处，可输出对应变化的可测量电阻，所述第一柔性薄膜基底1的材料为聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚丙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜等材料中的至少一种，所述第二柔性薄膜基底7的材料为聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚丙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜等材料中的至少一种。
如图1至图5所示，所述粘性材料3带有粘性的PET材料，厚度优选为50-150μm，从而保证按压过程中粘性材料不发生变形，保持传感器有良好的回弹性及使用寿命。
如图1至图5所示，本发明同时提供了制备所述电阻式高灵敏柔性压力传感器件的优选实验方案之一，包括以下步骤：
步骤1）配置低阻区压敏材料混合溶液：将高分子材料主剂与稀释剂混合，在高速搅拌条件下加入导电材料至混合均匀，使用前加入固化剂；
步骤2）制备环形低阻区压敏材料层：将步骤1）中制备的混合溶液印刷和/或打印和/或喷涂和/或旋涂于柔性薄膜表面，印制图形为环形，并在一定温度下烘干；
步骤3）配置高阻区压敏材料混合溶液：将高分子材料主剂与稀释剂混合，在高速搅拌条件下加入导电材料至混合均匀，使用前加入固化剂；
步骤4）制备圆形高阻区压敏材料层：将步骤3）中制备的混合溶液印刷和/或打印和/或喷涂和/或旋涂于步骤2）中所述柔性薄膜表面，印制图形为圆形，印制位置为所述环形低阻区压敏材料层图形内部，最终形成完整圆形压敏材料图案，后在一定温度下烘干。
步骤5）印制电极层：在柔性薄膜表面印刷和/或沉积和/或打印和/或喷涂电极图形；
步骤6）封装柔性压力传感器：将印制压敏材料层及印制环形电极的柔性薄膜衬底进行面对面贴合封装。
如图1至图5所示，本发明提供的一种电阻式高灵敏柔性压力传感器件，环形电极层30配合具有不同表面电阻的压敏层20，形成了外圈高敏感、内部低敏感的柔性压力传感器，配合带有一定厚度的粘性材料3，传感器受压后，可输出具有无突变、极限电阻低的传感曲线。该传感器兼具较高灵敏度与量程输出曲线无突变。
使用时，将传感器的电极输出接口与压力信号处理器相连，同时利用电源模块为信号处理器供电。当传感器无外力施加的情况下，压敏层20与环形电极层30保持一定距离，传感器输出电阻无限大；当传感器受到较小外力的情况下，传感器中心位置优先发生形变，使中心位置电极与内圈压敏层4接触，由于电极图形中心位置为中心电极对，且内圈压敏层4为高阻区，传感器输出电阻变化相对缓慢，输出无突变的电压变化曲线；当施加在传感器表面的压力进一步增大，其外圈边缘区逐渐发生形变，由于电极图形边缘位置为环形电极对，配合低阻的外圈压敏层2，传感器输出电阻进一步降低；当传感器所受压力达到最大时，传感器薄膜变形达到极限，环形电极层30与压敏层20完全接触，输出较低的极限电阻值。
现有的大部分柔性压力传感器，电极图形均采用叉指结构，敏感区位于传感器中心位置，当传感器收到外力按压时，其敏感区电极优先与压敏材料接触，传感器输出电阻急剧降低，传感曲线容易出现突变，而持续按压过程中，叉指电极中外圈电路逐渐与压敏材料接触，由于外圈电路属于低敏感区，较大压力下输出电阻变化较小，从而导致传感器存在按压突变、输出线性区狭窄、敏感性差等问题。采用本发明提供的环形电极结构，将电极敏感区调整至传感器外围，配合环形压敏材料层以及带有一定厚度的粘性材料，实现在按压过程中，低敏感区（传感器中心位置）先发生压阻效应，输出无突变电信号曲线，当压力增大后，高敏感区（传感器外圈位置）发生压阻效应，输出电阻持续降低，最终可获得量程较大，同时敏感度较高、极限输出电阻较小的压力传感器。
实例1
如图1至图5所示，环形电极5中电路宽度为0.5mm，第一中心电极电路12和第二中心电极电路13为同心圆弧，半径均为R1=2mm，第一中心电极电路12和第二中心电极电路13的间距D1=3mm，第一外环电极电路10圆弧半径R2=3.5mm，第二外环电极电路11圆弧半径R3=4.5mm，第一中心电极电路12和第一外环电极电路10的间距D2=1mm，第一外环电极电路10和第二外环电极电路11的间距D3=0.5mm。第一电极引出端8和第二电极引出端9的长度D4=3mm，第一测试端口14和第二测试端口15尺寸为D5=3.5mm、D6=1.5mm。
所述内圈压敏层4为半径为R5=3.3mm的圆形结构，所述外圈压敏层2为环形结构，R4=5.2mm，所述内圈压敏层4与外圈压敏层2无间隔。
贴装时，环形的压敏层20与环形电极5对应位置如图3所示。
本实施实例同时提供该柔性压力传感器的具体制作工艺，包括以下步骤：
步骤1）配置低阻区压敏材料混合溶液：将10g丙烯酸树脂主剂与3g稀释剂异佛尔酮混合，在高速搅拌条件下加入4g碳纳米管至混合均匀，使用前加入1g固化剂；
步骤2）制备环形低阻区压敏材料层：将步骤1）中制备的混合溶液印刷于PVC薄膜表面，印制图形为环形，并在70℃下烘干30min后备用；
步骤3）配置高阻区压敏材料混合溶液：将10g丙烯酸树脂主剂与3g稀释剂混合，在高速搅拌条件下加入2.5g碳纳米管至混合均匀，使用前加入1g固化剂；
步骤4）制备圆形高阻区压敏材料层：将步骤3）中制备的混合溶液印刷于步骤2）中所述PVC薄膜表面，印制图形为圆形，印制位置为所述环形低阻区图形内部，最终形成完整圆形压敏材料图案，后在70℃下烘干30min。
步骤5）印制电极层：利用银导电浆料在PET柔性薄膜表面印刷环形电极，后在130℃下烧结至导电；
步骤6）封装柔性压力传感器：将印制压敏材料层及印制环形电极的柔性薄膜衬底进行面对面贴合封装，采用粘性材料为双面PET胶，厚度为0.1mm。
实施实例1所述传感器性能测试：
将所制备的压力传感器电极中所述第一测试端口14和第二测试端口15与处理器模块及电源模块相连，采用日本图技高速记录仪（GL900APS）测试其在受到不同压力状态下的输出电压变化。
本实施实例中为传感器提供电压为2.7V，当无外力作用于传感器表面时，压力传感器输出电压为2.7V；当施加外力小于20N，压力传感器输出电压依旧为2.7V左右，无明显变化，这是由于封装时采用的粘结材料就有一定厚度，使初始状态下压敏层与电极相互间隔一定距离，因此在较小外力下，压敏层与电极未产生接触，输出电压不发生改变；当施加外力大于20N时，传感器输出电压发生显著降低，在20N~100N内，传感器输出电压与所施加压力呈现良好的负相关特性；当压力大于100N时，传感器输出电压达到极限，由于外环电极与低阻区压敏材料的存在，极限输出电压低达0.17V。
本实施实例中制备的柔性压力传感器，在量程范围内，输出电压与所施加压力具有良好的相关特性，且具备较低的极限输出电压，该传感器具有对压力灵敏度高、输出曲线无突变等优势。
以上内容是结合具体的优选实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干简单推演或替换，都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种电阻式高灵敏柔性压力传感器件，其特征在于：包括叠层设置的第一柔性薄膜基底、压敏层、环形电极层和第二柔性薄膜基底，其中，所述压敏层位于所述第一柔性薄膜基底、环形电极层之间，所述环形电极层位于所述压敏层、第二柔性薄膜基底之间，所述环形电极层包括环形电极和电极引出端，所述环形电极与所述电极引出端连接，所述第一柔性薄膜基底与所述第二柔性薄膜基底通过粘性材料封装，所述压敏层包括位于同一平面的外圈压敏层和内圈压敏层，所述外圈压敏层的直径大于所述内圈压敏层，所述内圈压敏层的表面电阻大于所述外圈压敏层的表面电阻；
所述压敏层、环形电极之间设有空隙；
所述环形电极包括至少一对外环电极电路和至少一对中心电极电路，所述一对外环电极电路包括第一外环电极电路和第二外环电极电路，所述一对中心电极电路包括第一中心电极电路和第二中心电极电路；按压所述电阻式高灵敏柔性压力传感器件时，所述外圈压敏层与所述第一外环电极电路、第二外环电极电路接触，所述内圈压敏层与所述第一中心电极电路、第二中心电极电路接触。
2.根据权利要求1所述的电阻式高灵敏柔性压力传感器件，其特征在于：所述压敏层印制在所述第一柔性薄膜基底的表面，所述环形电极层印制在所述第二柔性薄膜基底的表面。
3.根据权利要求1所述的电阻式高灵敏柔性压力传感器件，其特征在于：所述外圈压敏层和内圈压敏层组合形成一个完整圆形。
4.根据权利要求1所述的电阻式高灵敏柔性压力传感器件，其特征在于：所述压敏层为与所述第一柔性薄膜基底同步变形的具有压敏效应的材料制成，所述压敏层主要由高分子材料与导电材料混合而成。
5.根据权利要求4所述的电阻式高灵敏柔性压力传感器件，其特征在于：所述压敏层中内圈压敏层的导电材料掺杂浓度范围为2-4wt%，所述压敏层中外圈压敏层的导电材料掺杂浓度范围为4-7.5wt%。
6.根据权利要求4所述的电阻式高灵敏柔性压力传感器件，其特征在于：所述压敏层的高分子材料为氯化丙烯类树脂、聚氨酯类树脂、环氧树脂、酚醛树脂、有机硅树脂中的至少一种，所述压敏层的导电材料为碳纳米管、碳纤维、导电碳粉、石墨烯中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的电阻式高灵敏柔性压力传感器件，其特征在于：所述电极引出端包括第一电极引出端和第二电极引出端，所述第一外环电极电路、第一中心电极电路汇合后与所述第一电极引出端连接，所述第二外环电极电路、第二中心电极电路汇合后与所述第二电极引出端连接，所述第一外环电极电路、第一中心电极电路共地，所述第二外环电极电路、第二中心电极电路共地。
8.根据权利要求7所述的电阻式高灵敏柔性压力传感器件，其特征在于：所述第一外环电极电路、第二外环电极电路分别在外围沿周向布置，呈环状，所述第一中心电极电路、第二中心电极电路分别在中心沿径向对称布置，所述第一外环电极电路、第二外环电极电路之间的间距小于所述第一中心电极电路、第二中心电极电路的间距。
9.根据权利要求1所述的电阻式高灵敏柔性压力传感器件，其特征在于：所述第一柔性薄膜基底、第二柔性薄膜基底均用于传递力载荷，所述第一柔性薄膜基底的材料为聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚丙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜中的至少一种，所述第二柔性薄膜基底的材料为聚酯薄膜、聚酰亚胺薄膜、聚丙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜中的至少一种。
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