一种正电阻效应的拉敏型传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种正电阻效应的拉敏型传感器，包括拉敏材料及制作在其表面的金属电极；所述拉敏材料是在橡胶材料中填充导电填料制成的电阻率介于1.0×10-3Ω.cm和1.0×101Ω.cm之间的导电橡胶材料。所述正电阻效应的拉敏型传感器在拉伸力作用下电阻值不断增加，表现为正电阻效应，且在低于100%拉伸形变范围内拉敏传感器可以产生1000倍以上的电阻变化。将拉伸前后传感器电阻的变化转换为一种高低电平的电流、电压或电容信号，可以用来检测外界作用力的信息。且本发明专利技术的传感器材料柔性好，力学量变化幅度大，结构简单，因此在电子技术、仪器仪表、健康医疗、人工智能等领域具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种拉敏电阻传感器，特别涉及一种正电阻效应的拉敏传感器。
技术介绍
1885年，英国物理学家开尔文发现金属在承受压力(拉力或扭力)后产生机械形变的同时，由于受材料尺寸(长度、截面积)和材料电阻率改变的影响，电阻值也发生了特征性变异，即应变电阻效应。人们便从电阻值的变化获得材料受力的特征和量值，分别开发出压力敏感型和拉力敏感型的电阻应变传感器。目前广泛应用的拉力敏感型电阻应变式传感器，简称拉敏电阻传感器，主要有金属应变电阻式、半导体应变电阻式、合金应变电阻式等。但是由于传感材料本身弹性模量的限制，这些应变型电阻传感元件存在以下缺点：一是缺乏柔性和弹性、不能弯曲，因而在需要弯曲、拉伸等复杂形变的领域的应用受到限制；二是力学量变化幅度较小，因而不能用于形变量较大的领域；三是结构复杂，制造成本高。在生物力学检测、康复医疗、智能机器人、可穿戴设备等领域的复杂结构力学测量过程中，要求传感器不但要具备良好的应力-电阻特性，而且要求有优秀的柔韧力学性能。因此，在这些领域中金属式或半导体式电阻应变传感器的应用就受到了自身弹性模量的限制。因此，需要寻找新的柔韧性优良的力学敏感材料制造柔性的应变型传感器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种正电阻效应的拉敏型传感器，增强柔性和弹性，增大力学量的变化幅度，降低成本。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种正电阻效应的拉敏电阻传感器，包括拉敏材料及其两端的金属电极；所述拉敏材料是在橡胶材料中填充导电填料制成的体积电阻率介于1.0×10-3Ω.cm和1.0×101Ω.cm之间的导电橡胶。所述金属电极选自金属膜、金属箔、金属片中的一种，通过导电胶粘合、高温热压、丝网印刷、真空镀膜或机械压接的方式制作在拉敏材料两端。所述正电阻效应的拉敏传感器在拉伸力作用下电阻值不断增加，呈现出正电阻效应，在不超过100％拉伸形变范围内拉敏传感器产生1000倍以上的电阻变化。将传感器拉伸前后电阻的巨大变化转换为一种高低电平的电流、电压或者电容信号，能够起到开关型传感器的作用。所述的拉敏传感器柔性好，力学量变化幅度大，结构简单，制造成本低。导电粒子在橡胶基体中通过微观的相互接触形成导电通路，因而当材料受到外界的压力或拉力作用时，材料内部相邻导电粒子的间距发生变化，导致依靠导电粒子的接触而形成的导电通路发生变化，引起宏观上材料的电阻发生变化，因此可以作为一种力学传感材料。橡胶基体自身优异的柔性和弹性赋予所述拉敏传感器优良的柔性和弹性，以及较大的力学量变化幅度，能够克服金属式或半导体式电阻应变传感器在柔韧性和弹性方面的不足。为实现上述技术方案，所述拉敏材料各组分的质量配比为：橡胶基体100份，结构控制剂0.1-10份，硫化剂0.1-8份，补强填料5-40份，导电填料150-500份。其中，质量份是工业上出于计算方便使用的一个直观的质量配比方法，数字直接表示所需要配比物质的质量比。进一步地，所述橡胶基体为高温硫化型硅橡胶，选二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶和氟硅橡胶中的一种。进一步地，所述结构控制剂，选自羟基硅油、二苯基硅二醇。进一步地，所述补强填料选自气相二氧化硅，BET法所测比表面积100-400m2/g。气相二氧化硅俗称气相白炭黑，其作用除了补强之外，还具有改善正电阻效应的开关型拉敏电阻传感器的电阻蠕变与松弛的作用。进一步地，所述导电填料的电阻率低于1.0×10-4Ω.cm，选自金属颗粒、异金属包覆金属颗粒和金属包覆非金属颗粒；进一步地，所述金属颗粒的粒径大小介于0.1-30μm，选自镍粉、铜粉、铝粉、银粉中一种或多种；进一步地，所述异金属包覆金属颗粒的粒径大小介于0.1-50μm，选自镀银铜粉、镀银镍粉、镀银铝粉中的一种或多种；进一步地，所述金属包覆非金属颗粒粒径大小介于1-100μm，选自镀银玻璃微珠粉、镀镍石墨粉。进一步地，所述硫化剂选自有机过氧化物，包括过氧化苯甲酰BPO、过氧化二异丙苯DCP、过氧化二叔丁基DTBP、二(叔丁基过氧化异丙基)DIPB、2,4-二氯过氧化苯甲酰DCBP、2,5-二甲基-2,5-双(叔丁基过氧基)己烷DBPMH。进一步地，所述导电橡胶材料的电阻率介于1.0×10-3Ω.cm和1.0×101Ω.cm之间。进一步地，所述金属电极选自金属膜、金属箔、金属片中的一种，通过导电胶粘合或高温热压、银浆丝网印刷、真空镀膜或者机械压接的方式制作在拉敏材料的表面。所述导电银浆包括热固化型和紫外光固化型。所述真空镀膜的方法包括真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜、真空离子镀膜。进一步地，所述正电阻效应的拉敏传感器在拉伸力作用下电阻值不断增加，呈现出正拉力-电阻效应，在不超过100％拉伸形变范围内拉敏传感器产生1000倍以上的电阻突变。传感器电阻发生突变时对应的拉伸形变量的大小取决于拉敏材料电阻率的高低。正电阻效应的拉敏传感器在形变前后电阻值的变化倍率，可以用来表征传感器的灵敏度。在本专利技术还提供了一种正电阻效应的拉敏传感器的制造方法，包括以下步骤：步骤A：按照一定的配比将橡胶基体、结构控制剂、导电填料、补强填料、硫化剂，依照上述顺序依次加入到双辊开炼机或者密炼机进行混炼，设定温度低于为50℃，各组分混合均匀后，薄通出片，整个混炼过程的温度控制在80度以下。步骤B：将混炼好导电橡胶胶料放入一定的模腔尺寸的模具中，在一定的温度和压力下下硫化成型，得到导电硅橡胶板材。硫化分为一段硫化：150-200℃，压力10MPa-20MPa，5-10分钟；二段硫化：转移至烘箱中150-200℃，2-4小时。以及步骤C：将导电橡胶板材，裁切成一定长度和宽度的橡胶样条，使用导电银胶粘接热压、丝网印刷、真空镀膜或机械压接的方法在样条两端做出金属电极，也可以进一步在其上连接金属铜导线，从而制备出具有正电阻效应的拉敏传感器。有益效果：本专利技术提供的正电阻效应的拉敏传感器具有非常低的初始电阻值，传感器在拉伸力作用下随形变增加电阻上升，在不超过100％拉伸形变范围内产生1000倍以上的电阻突变，可以使电路从导通状态变成断开。在拉力作用下拉敏传感器电阻值的巨大变化可以转化为一种高低电平的电流、电压或者电容电信号，起到开关型传感器的作用，同时本专利技术的正电阻效应的拉敏传感器具有优良的电阻回复性能和拉敏效应的稳定性，1000次重复拉伸后传感器依然保持良好的柔韧性和稳定的电阻-拉伸形变的变化关系，因此在电子技术、仪器仪表、健康医疗、人工智能等领域具有广阔的应用前景，而且该传感器结构简单、制造成本低。附图说明图1-图5为正电阻效应的拉敏传感器的多次拉伸的电阻值随拉伸形变的关系曲线。具体实施方式为了能够更清楚地理解本专利技术的
技术实现思路
，特举以下实施例对本专利技术的正电阻效应的开关型拉敏电阻传感器作详细说明：实施例1本实施例的正电阻效应的拉敏传感器采用导电橡胶作为拉敏材料，制作方法如下：导电橡胶的成份配比及制作方法如下：按照以下顺序依次将100质量份的甲基乙烯基硅橡胶(牌号110-1，分子量45-70万，乙烯基含量0.13-0.22％，南京东爵有机硅公司)，2质量份的二苯甲基硅二醇，180质量份的镀银铝粉(粒径10-20μm)，15质量份气相白炭黑(AEROSIL150，赢创德固赛)，2质量份的双25硫化本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种正电阻效应的拉敏型传感器，其特征在于：包括拉敏电阻材料以及制作在所述拉敏电阻材料表面的金属电极；所述拉敏电阻材料是在橡胶材料中填充导电填料制成的电阻率介于1.0×10‑3Ω.cm和1.0×101Ω.cm之间的一种导电橡胶，各组分的质量份比例为：橡胶基体100份，结构控制剂0.1‑10份，硫化剂0.1‑8份，补强填料5‑40份，导电填料150‑500份。

【技术特征摘要】
2015.07.15 CN 20151041818481.一种正电阻效应的拉敏型传感器，其特征在于：包括拉敏电阻材料以及制作在所述拉敏电阻材料表面的金属电极；所述拉敏电阻材料是在橡胶材料中填充导电填料制成的电阻率介于1.0×10-3Ω.cm和1.0×101Ω.cm之间的一种导电橡胶，各组分的质量份比例为：橡胶基体100份，结构控制剂0.1-10份，硫化剂0.1-8份，补强填料5-40份，导电填料150-500份。2.根据权利要求1所述的正电阻效应的拉敏型传感器，其特征在于：所述橡胶基体为高温硫化型硅橡胶，选自二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶和氟硅橡胶中的至少一种。3.根据权利要求1所述的正电阻效应的拉敏型传感器，其特征在于：所述补强填料选自气相二氧化硅，BET法所测比表面积100-400m2/g。4.根据权利要求1所述的正电阻效应的拉敏型传感器，其特征在于：所述导电填料选自金属颗粒、异金属包覆金属颗粒和金属包覆...

【专利技术属性】
技术研发人员：李大军，李杨，徐行涛，
申请(专利权)人：深圳市慧瑞电子材料有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44