一种电阻式柔性压力传感器件及其制备方法、传感器阵列技术

本发明专利技术提供了一种电阻式超薄柔性压力传感器件，包括叠层放置的第一柔性薄膜基底和第二柔性薄膜基底，所述第一柔性薄膜基底、第二柔性薄膜基底之间包含至少一层印制图案化的电极对和至少一层具有自组装微纳表面结构的压敏材料层，其中所述第一柔性薄膜基底、第二柔性薄膜基底用于传递力载荷，同时密封保护所述电极对和所述压敏材料层。本发明专利技术还提供了一种传感器阵列。本发明专利技术还提供了一种电阻式柔性压力传感器件的制备方法。本发明专利技术的有益效果是：提供了一种电阻式柔性压力传感器件，具有高灵敏度、大量程、线性度高、制备工艺简单、成本低、可大面积大批量生产的优点。

A Resistive Flexible Pressure Sensor and Its Preparation Method and Sensor Array

【技术实现步骤摘要】
一种电阻式柔性压力传感器件及其制备方法、传感器阵列
本专利技术涉及薄膜传感器，尤其涉及一种电阻式柔性压力传感器件及其制备方法、传感器阵列。
技术介绍
压力传感器是能感受到压力信号，并将压力信号按照一定规律转化为电信号的器件或装置，其被广泛应用于各种工业自控环境、航空航天、铁路交通等行业。传统的压力传感器研究主要集中于无机半导体材料如硅、锗等具有压阻效应的材料中。当力作用于此种半导体材料时，其自身电阻率发生变化，从而引起输出电阻将明显发生改变。但此类材料多具有脆性大，加工困难及成本较高等问题，并且此类材料难以满足目前市场上对于电子器件的柔性可弯曲、轻质量的需求。为解决这一问题，适用于柔性压力传感器的新型复合聚合物材料成为压力传感器的研究及开发热点。柔性压力传感器的压力敏感材料为聚合物导电复合材料，即由导电介质材料与聚合物基体混合处理后，形成具有导电能力的聚合物复合材料。与刚性材料相比，聚合物导电复合材料的电阻率具有明显的压力依赖性，可通过改变其掺杂导电介质含量，即可获得不同敏感度及不同量程的压力传感器。聚合物导电复合材料中的填料可以为金属、陶瓷、炭黑、石墨等。此类导电复合材料，通常需要较大的导电介质填充量才能达到渗流阈值，而高填充量下聚合物自身的机械性能已难以保证，而此种传感器的压阻敏感度普遍偏小，且重复性不高。现有市场中柔性传感器均可将一定范围内的压力信号转换为电信号输出，但都难以同时保证在较小(小于100N)及较大(大于1000N)压力下，皆可实现有线性电信号输出。为提升传感器灵敏度及量程，也可通过对压敏材料表面进行微纳处理，使压敏层表面带有一定微纳结构，从而提升传感器输出性能，但该工艺涉及设备昂贵，工艺复杂，不利于大面积制备，因而也限制了柔性传感器的大范围使用。因此，如何提供一种能够具有高灵敏度、大量程、线性度高、制备工艺简单、成本低、可大面积大批量生产的柔性压力传感器是目前本领域技术人员所亟待解决的技术问题。
技术实现思路
为了解决现有技术中的问题，本专利技术提供了一种电阻式柔性压力传感器件及其制备方法、传感器阵列。本专利技术提供了一种电阻式柔性压力传感器件，包括叠层放置的第一柔性薄膜基底和第二柔性薄膜基底，所述第一柔性薄膜基底、第二柔性薄膜基底之间包含至少一层印制图案化的电极对和至少一层具有自组装微纳表面结构的压敏材料层，其中所述第一柔性薄膜基底、第二柔性薄膜基底用于传递力载荷，同时密封保护所述电极对和所述压敏材料层，所述电极对印制在所述第二柔性薄膜基底的表面，所述压敏材料层设置在所述第一柔性薄膜基底的表面，所述电极对与所述压敏材料层相表观接触，用于在外部压力作用下形成对应变化的可测量电阻。作为本专利技术的进一步改进，所述第一柔性薄膜基底压敏材料层、电极对、第二柔性薄膜基底从上至下层叠设置，所述压敏材料层的材料包括高分子材料、固化剂、稀释剂、导电材料、填充颗粒。作为本专利技术的进一步改进，所述压敏材料层主要由以下原料按照重量百分比制备而成：高分子材料40～70wt％、导电材料0～10wt％、填充颗粒0～15wt％、稀释剂10～30wt％、固化剂5～15wt％，助剂0～5wt％。作为本专利技术的进一步改进，所述压敏材料层中导电材料浓度在厚度方向上呈梯度分布，靠近第一薄膜柔性基底一侧导电材料浓度较大，远离第一柔性薄膜基底一侧浓度较低。作为本专利技术的进一步改进，所述压敏材料层的表面为非均匀凹凸结构，在受压过程中，非均匀凹凸结构的压敏材料层逐步和图案化的电极对相接触，输出电阻逐渐下降，实现压力传感作用；所述电极对位于所述压敏材料层、第二柔性薄膜基底之间，所述电极对为与所述第二柔性薄膜基底和压敏材料层同步变形的导电结构。作为本专利技术的进一步改进，所述压敏材料层的材料主要包括高分子材料、固化剂、稀释剂，以及添加在所述高分子材料、固化剂、稀释剂中的助剂和/或导电材料和/或填充颗粒。作为本专利技术的进一步改进，所述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；所述填充颗粒成分为Al2O3、SiO2、Al2[SiO4]O、3Al2O3·2SiO2、Al2O3·2SiO2·2H2O、Mg3[Si4O10](OH)2、蓝晶石粉、云母粉、宝珠砂等材料中的至少一种，所述高分子材料为氯化丙烯类树脂、聚氨酯类树脂、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。作为本专利技术的进一步改进，所述第一柔性薄膜基底、第二柔性薄膜基底之间由粘性的密封粘结材料贴合封装，所述电极对、压敏材料层均位于所述密封粘结材料之内，所述电极对、压敏材料层的形状大小相同，所述电极对、压敏材料层的边缘相对齐；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、聚氯乙烯薄膜中的任意一种，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、聚氯乙烯薄膜中的任意一种。本专利技术还提供了一种传感器阵列，包括如上述中任一项所述的电阻式柔性压力传感器件，阵列连接方式为将电极对中任一电极相串和/或并联。本专利技术还提供了一种电阻式柔性压力传感器件的制备方法，包括以下步骤：步骤1)配置压敏材料混合溶液：将高分子材料与稀释剂混合，在高速搅拌条件下加入导电材料和/或填充颗粒和/或助剂并混合均匀，使用前加入固化剂；步骤2)制备压敏材料层：将步骤1)中制备的压敏材料混合溶液印刷和/或打印和/或喷涂和/或旋涂于第一柔性薄膜基底的表面，通过外场辅助，使导电材料在高分子材料中发生定向移动，在厚度方向上形成浓度梯度，通过表面张力作用使填充颗粒在表面形成可设计的微纳凹凸结构，最后调整温度、湿度条件使压敏材料层固化干燥；步骤3)印制电极对：在第二柔性薄膜基底的表面印刷和/或沉积和/或打印和/或喷涂电极图形；步骤4)封装电阻式柔性压力传感器件：将压敏材料层、电极对面对面贴合，将第一柔性薄膜基底、第二柔性薄膜基底通过粘性的密封粘结材料进行面对面贴合封装，通过密封粘结材料密封压敏材料层和电极对。本专利技术的有益效果是：通过上述方案，提供了一种电阻式柔性压力传感器件，具有高灵敏度、大量程、线性度高、制备工艺简单、成本低、可大面积大批量生产的优点。附图说明图1是本专利技术一种电阻式柔性压力传感器件的层状示意图。图2是本专利技术一种电阻式柔性压力传感器件的压力-电压特性曲线图。图3是本专利技术一种电阻式柔性压力传感器件的响应和恢复曲线图。图4是本专利技术一种传感器阵列的示意图。图5是本专利技术一种传感器阵列的电极连接示意图。图6是本专利技术一种传感器阵列的压感曲线图。具体实施方式下面结合附图说明及具体实施方式对本专利技术作进一步说明。如图1至图4所示，一种电阻式柔性压力传感器件，包括叠层放置的第一柔性薄膜基底1和第二柔性薄膜基底2，所述第一柔性薄膜基底1、第二柔性薄膜基底2之间包含至少一层印制图案化的电极对4和至少一层压敏材料层3，其中所述第一柔性薄膜基底1、第二柔性薄膜基底2用于传递力载荷，同时密封保护所述电极对4和所述压敏材料层3，所述电极对4印制在所述第二柔性薄膜基底2的表面，所述压敏材料层3设置在所述第一柔性薄膜基底1的表面，所述电极对4与所述压敏材料层3相接触，用于在外部压力作用下形成对应变化的可测量电阻，电极对4不可脱离第二柔性薄膜基底2而单独存在，压敏材料层3不可脱离第一柔性薄膜基底1而单独存在。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电阻式柔性压力传感器件，其特征在于：包括叠层放置的第一柔性薄膜基底和第二柔性薄膜基底，所述第一柔性薄膜基底、第二柔性薄膜基底之间包含至少一层印制图案化的电极对和至少一层具有自组装微纳表面结构的压敏材料层，其中所述第一柔性薄膜基底、第二柔性薄膜基底用于传递力载荷，同时密封保护所述电极对和所述压敏材料层，所述电极对印制在所述第二柔性薄膜基底的表面，所述压敏材料层设置在所述第一柔性薄膜基底的表面，所述电极对与所述压敏材料层相表观接触，用于在外部压力作用下形成对应变化的可测量电阻。

【技术特征摘要】
1.一种电阻式柔性压力传感器件，其特征在于：包括叠层放置的第一柔性薄膜基底和第二柔性薄膜基底，所述第一柔性薄膜基底、第二柔性薄膜基底之间包含至少一层印制图案化的电极对和至少一层具有自组装微纳表面结构的压敏材料层，其中所述第一柔性薄膜基底、第二柔性薄膜基底用于传递力载荷，同时密封保护所述电极对和所述压敏材料层，所述电极对印制在所述第二柔性薄膜基底的表面，所述压敏材料层设置在所述第一柔性薄膜基底的表面，所述电极对与所述压敏材料层相表观接触，用于在外部压力作用下形成对应变化的可测量电阻。2.根据权利要求1所述的电阻式柔性压力传感器件，其特征在于：所述第一柔性薄膜基底、压敏材料层、电极对、第二柔性薄膜基底从上至下层叠设置，所述压敏材料层的材料包括：高分子材料、固化剂、稀释剂、导电材料、填充颗粒。3.根据权利要求2所述的电阻式柔性压力传感器件，其特征在于：所述压敏材料层主要由以下原料按照重量百分比制备而成：高分子材料40～70wt％、导电材料0～10wt％、填充颗粒0～15wt％、稀释剂10～30wt％、固化剂5～15wt％，助剂0～5wt％。4.根据权利要求2所述的电阻式柔性压力传感器件，其特征在于：所述压敏材料层中导电材料浓度在厚度方向上呈梯度分布，靠近第一薄膜柔性基底一侧导电材料浓度较大，远离第一柔性薄膜基底一侧浓度较低。5.根据权利要求1所述的电阻式柔性压力传感器件，其特征在于：所述压敏材料层的表面为非均匀凹凸结构，在受压过程中，非均匀凹凸结构的压敏材料层逐步和图案化的电极对相接触，输出电阻逐渐下降，实现压力传感作用；所述电极对位于所述压敏材料层、第二柔性薄膜基底之间，所述电极对为与所述第二柔性薄膜基底和压敏材料层同步变形的导电结构，所述电极对不可脱离第二柔性薄膜基底而单独存在，所述压敏材料层不可脱离第一柔性薄膜基底而单独存在。6.根据权利要求2所述的电阻式柔性压力传感器件，其特征在于：所述导电材料为碳纳米管、碳...

【专利技术属性】
技术研发人员：丁小恒，曹海琳，孙思雨，李明愚，郭悦，
申请(专利权)人：深圳市航天新材科技有限公司，深圳烯创先进材料研究院有限公司，
类型：发明
国别省市：广东,44