一种片状柔性压阻传感器的自封装方法技术

本发明专利技术公开了一种片状柔性压阻传感器的自封装方法，该方法是将片状柔性压阻传感器先采用两块封装材料薄膜一上一下夹置形成三明治结构，再将该三明治结构装入模具内，灌入封装材料液体，固化后去除模具获得；所述的封装材料的杨氏模量与柔性压阻传感器一致，本发明专利技术方法在模具的辅助作用下，实现了柔性压阻传感器的自封装封闭结构。该结构隔绝了传感器的敏感材料与外界环境，如空气水分等的接触，不但使压阻传感器的应用场景大大地拓宽至水甚至组织液等苛刻的环境，而且有利于维持性能的稳定性，同时能够有效地延长其使用寿命。本发明专利技术制备方法新颖简单、成本低廉且效果显著，性能优异且成本低廉，具有用于临床医疗领域的巨大潜力和优势。

【技术实现步骤摘要】
一种片状柔性压阻传感器的自封装方法
本专利技术属于传感器领域，尤其涉及一种片状柔性压阻传感器的自封装方法。
技术介绍
近年来，市场对人工智能相关的可穿戴设备需求日益强烈，越来越多的设备实现传感器的集成化和智能化以检测特殊信号，带动核心组件之一的柔性压力传感器在不同领域的研发及应用也迅速崛起。柔性压阻传感器作为常用的一种压力传感器，是电子皮肤的重要组件，它在受到外力时能够将机械形变转换为相应的电信号，具有高灵敏度、高稳定性、宽灵敏压力区间等众多优点。电子皮肤在机器人领域有着巨大的应用潜力，机器人如何去更有效的替代人的功能，更好地感知外部世界的信号并高效准确地做出相应的反应和动作，比如能精确分辨一个很轻或易碎的物体与一个重物的分别从而能轻轻地拿起一个乒乓球或鸡蛋却不会捏碎，一直是人们面临的问题和不懈努力的工作方向。实现一个功能强大的机器人，需要很多方面的高效运作及配合，包括传感、控制和机械三个部分。其中传感部分在实现功能优良的机器人中起着决定性的角色，正如人类身体的皮肤，机器人用电子皮肤来感知外界的刺激，控制跟机械部分才能准确地反馈并做出相应的动作。2016年Lee,KY等人制作出了使用半球阵列的完全封装的自供电式摩擦电压传感器；2017年，YiinKuenFuh等人使用3D打印技术制作出完全封装的自供电压力传感器。与其类似的柔性压阻传感器，在受到外力时能够将机械形变转换为相应的电信号，具有高灵敏度、高稳定性、宽灵敏压力区间等众多优点，因其在电子皮肤领域的应用，亦正成为国际研究焦点。早在2010年，Mannseld，SCB等人就制作出了带有微结构橡胶介质层的高度灵敏柔性压力传感器；2014年BCK等人制作出具有微结构弹性几何形状的可调柔性压阻传感器；这些传感器在人体运动检测、健康监测、可穿戴设备方面应用广泛。在医疗诊断领域，对人体生理信息的检测是疾病诊断和健康状况评估的有效途径，但传统的红外光电设备和刚性压力传感器的移动性和穿戴性较差，而电子皮肤有可能打开个体化医疗监测的新大门，例如实时测量病人脉搏、在手术过程中测量颅内压力、测量输尿管蠕动频率等。然而，目前为止，尚未出现具备全封装结构的柔性压阻传感器。未封装的压阻传感器缺点明显：暴露于空气的电极与压阻敏感层易腐蚀损坏，影响元件寿命；稳定性差，传感功能易受影响；限制了传感器的应用，如在人体健康领域，只可应用于人体外表面，不能应用于体内监测。随着自封装微电子传感器兴起的国际趋势，柔性压阻传感器实现自封装已成为需要迫切解决的问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于针对现有技术的不足，提供一种片状柔性压阻传感器的自封装方法，该方法制得的柔性压阻传感器灵敏度高、感应范围广、生产成本低。本专利技术的一种片状柔性压阻传感器的自封装方法，是将片状柔性压阻传感器先采用两块封装材料薄膜一上一下夹置形成三明治结构，再将该三明治结构装入模具内，灌入封装材料液体，固化后去除模具获得；所述的封装材料与片状柔性压阻传感器的压敏层材料的杨氏模量一致，所述的两块薄膜的面积均大于片状压阻传感器，且顶层薄膜面积小于底层薄膜面积，所述的模具包括容池和卡框，容池为一无盖池体，卡框为一框体，当三明治结构放入容池后，将卡框压设于顶层薄膜上，并通过卡扣结构与容池卡紧，且使得片状压阻传感器位于卡框框体内，所述的封装材料液体灌入于容池内框体外围。该模具可以通过3D打印实现，其材料采用与封装材料不会发生固结的材料，如PLA、ABS等。上述技术方案中，所述的薄膜可以采用旋转匀胶法制得，其厚度为0.1mm-1.5mm，可以有效传递形变，使压阻传感器正常工作。所述的封装材料的杨氏模量为130kPa-2.5MPa。所述的封装材料可以采用PDMS或者Ecoflex或者二者的混合硅胶，其所述的固化采用60℃加热固化。所述的卡扣结构包括设于容池边缘的凹槽和设于卡框边缘的卡条，卡条可嵌入凹槽卡紧，且卡紧后卡条下方具有可供封装材料液体流过的空间，灌胶封边时可以将器件边缘完全封闭，卡框框体可避免封装材料进入传感器，本专利技术方法可使传感器内部与外界完全隔绝，且不会破坏压阻传感器器件的功能性。本专利技术方案中，薄膜长宽可随传感器大小变化，变化范围在20mm-50mm,形状可为长方形或正方形，较小的薄膜长宽尺寸应略大于传感器4-8mm，两层薄膜边长相差5-15mm。所述的容池与卡框的尺寸应随要封装的传感器与薄膜而定，容池的长宽应略大于底层薄膜的长宽2-3mm，卡框的长宽尺寸应略大于传感器件4-8mm，高2-4.5mm。采用本专利技术方法制得的具有自封装结构的柔性压阻传感器，其外部由柔性封装材料层包围，内部为片状柔性压阻传感器件。本专利技术所述的自封装结构可以在3D打印技术制造模具的辅助作用下，实现自封装封闭结构。该结构隔绝了传感器的敏感材料与外界环境，如空气水分等的接触，不但使压阻传感器的应用场景大大地拓宽至水甚至组织液等苛刻的环境，而且有利于维持性能的稳定性，同时能够有效地延长其使用寿命。本专利技术制备方法新颖简单、成本低廉且效果显著，性能优异且成本低廉，具有用于临床医疗领域的巨大潜力和优势。附图说明图1是封装流程图；图2是封装成品图；图3是实施例中基于不同薄膜厚度封装的传感器压强电流变化图；图4是不同温度水环境中器件的性能。具体实施方式下面将结合附图，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本专利技术的一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在没有做出任何创造性劳动前提下多获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。实施例1：基于薄膜厚度为0.10mm的传感器封装。具体制备按如下步骤进行：1.利用旋转匀胶法制备两层厚度为0.10mm的Ecoflex薄膜，转速为200转/分；其中较小者长宽分别为：30mm、20mm；较大者长宽分别为40mm、30mm；2.利用3D打印制备合适尺寸的模具，包括容池和卡框；3.将传感器置于两层薄膜之间，形成三明治结构，并放置于容池之中；4.卡紧卡框，利用胶头滴管或注射器将预先调制好的Ecoflex溶液注入卡框与容池间的缝隙；5.在60℃下保温一段时间，完成封装，最终封装厚度0.22mm.实施例2：基于薄膜厚度为0.50mm的传感器封装。具体制备按如下步骤进行：1.利用旋转匀胶法制备两层厚度为0.50mm的Ecoflex薄膜，转速为150转/分；其中较小者长宽分别为：30mm、20mm；较大者长宽分别为40mm、30mm；2.利用3D打印制备合适尺寸的模具，包括容池和卡框；3.将传感器置于两层薄膜之间，形成三明治结构，并放置于容池之中；4.卡紧卡框，利用胶头滴管或注射器将预先调制好的Ecoflex溶液注入卡框与容池间的缝隙；5.在60℃下保温一段时间，完成封装，最终封装厚度0.11mm。实施例3：基于薄膜厚度为1.0mm的传感器封装。具体制备按如下步骤进行：1.利用旋转匀胶法制备两层厚度为1.0mm的Ecoflex薄膜，转速为100转/分；其中较小者长宽分别为：30mm、20mm；较大者长宽分别为40mm、30mm；2.利用3D打印制备合适尺寸的模具，包括容池和卡框；3.将传感器置于两层薄膜之间，形成三明治结构，并放置于容池之中；4.卡紧卡框，利用胶头滴管或注射器将预本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种片状柔性压阻传感器的自封装方法，其特征在于，该方法是将片状柔性压阻传感器先采用两块封装材料薄膜一上一下夹置形成三明治结构，再将该三明治结构装入模具内，灌入封装材料液体，固化后去除模具获得；所述的封装材料与片状柔性压阻传感器的压敏层材料的杨氏模量一致，所述的两块薄膜的面积均大于片状压阻传感器，且顶层薄膜面积小于底层薄膜面积，所述的模具包括容池和卡框，容池为一无盖池体，卡框为一框体，当三明治结构放入容池后，将卡框压设于顶层薄膜上，并通过卡扣结构与容池卡紧，且使得片状压阻传感器位于卡框框体内，所述的封装材料液体灌入于容池内框体外围。

【技术特征摘要】
1.一种片状柔性压阻传感器的自封装方法，其特征在于，该方法是将片状柔性压阻传感器先采用两块封装材料薄膜一上一下夹置形成三明治结构，再将该三明治结构装入模具内，灌入封装材料液体，固化后去除模具获得；所述的封装材料与片状柔性压阻传感器的压敏层材料的杨氏模量一致，所述的两块薄膜的面积均大于片状压阻传感器，且顶层薄膜面积小于底层薄膜面积，所述的模具包括容池和卡框，容池为一无盖池体，卡框为一框体，当三明治结构放入容池后，将卡框压设于顶层薄膜上，并通过卡扣结构与容池卡紧，且使得片状压阻传感器位于卡框框体内，所述的封装材料液体灌入于容池内框体外围。2.根据权利要求1所述的片状柔性压阻传感器的自封装方法，其特征在于，所述的薄膜的厚度为0.1mm-1...

【专利技术属性】
技术研发人员：王宗荣，刘苏宇，李皓盛，王珊，牛韶玉，简阅，陈国瑞，周麟铭，王子琦，许露杭，苗雨欣，杜丕一，韩高荣，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：浙江,33