一种负电阻效应的拉敏传感器及其制造方法
【技术领域】
[0001] 本发明涉及拉力敏感型传感器领域，特别涉及一种负电阻效应的拉敏传感器及其 制造方法。
【背景技术】
[0002] 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）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。目前广泛应用的电阻应变型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。而金属式或半导体式电阻应变传感器在这些领域中的应用 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 的拉力应变型传感器。
【发明内容】
[0003] 本发明的目的在于提供一种负电阻效应的拉敏型传感器，增强传感器的柔性和弹 性，增大力学量的变化幅度，提高生产效率、降低制造成本。
[0004] 为了实现上述目的，本发明的技术方案是：一种负电阻效应的拉敏传感器，包括拉 敏材料以及制作在所述拉敏材料表面的金属电极。所述拉敏材料是在橡胶材料中填充导电 炭黑并经高能电子束或γ射线福照交联而制成的导电橡胶，所述金属电极选自金属箱、金 属片和金属膜中的一种，通过导电胶粘合、导电银浆丝网印刷、真空镀膜或机械压接的方式 制作。所述拉敏传感器在拉伸力作用下电阻不断下降，呈现出负电阻效应，当形变量为30% 时可产生5-200倍的电阻变化，将变化的电阻信号转换成电流、电压或电容信号，可以在生 物力学、康复医疗、智能穿戴以及人工智能等领域进行力的测量。
[0005] 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。
[0006] 为实现上述技术方案，所述拉敏材料包含橡胶基体、防老剂、导电炭黑，按照质量 份，各组分比例为：橡胶基体100份，防老剂0. 1~2份，导电炭黑30~120份。
[0007] 进一步地，所述橡胶材料为天然橡胶、丁腈橡胶、三元乙丙橡胶、丁苯橡胶、氯丁橡 胶、聚异戊二烯橡胶、顺丁橡胶中的至少一种。
[0008] 进一步地，所述防护体系，包括胺类防老剂和酚类防老剂。
[0009] 进一步地，所述导电填料为炭黑，平均粒径为20-120nm，吸油值为 40cm3/100g-200cm 3/100g〇
[0010] 进一步地，所述导电橡胶材料是采用高能电子束或γ射线辐照的方法进行交联， 与采用硫磺或有机过氧化物作为交联剂的化学交联法相比，采用辐照技术对橡胶进行交 联，具有以下优点：无需硫化剂、促进剂等有机化合物，减少环境污染；交联密度由辐照吸 收剂量控制，易于调节和控制交联程度，因而导电橡胶电阻分布窄；辐照硫化的橡胶热稳定 性和抗老化性好。
[0011] 进一步地，所述高能电子束或γ射线的福照剂量5到30Mrad。拉德（rad)，是每 单位物质质量所接受的福射能量的计量单位，M rad是106rad。
[0012] 进一步地，所述导电橡胶材料的电阻率介于1.0 X IO2 Ω . cm和1.0 X IO6 Ω . cm之 间。
[0013] 进一步地，所述金属电极选自金属箱、金属片、金属膜或异形金属件中的一种，通 过导电胶粘合、高温热压、导电银浆丝网印刷、真空镀膜或者机械压接的方式制作在拉敏材 料两端。所述导电银浆为紫外光固化型。所述真空镀膜的方法包括蒸发镀膜、磁控溅射镀 膜、离子镀膜。
[0014] 进一步地，所述负电阻效应的拉敏传感器，包括拉敏材料以及制作在所述拉敏材 料表面的金属电极，所述拉敏材料是在橡胶中填充导电炭黑并经电子束或γ射线辐照交 联而制成的导电橡胶。
[0015] 更进一步地，拉敏传感器的电阻值介于20k Ω和50000k Ω之间。
[0016] 所述拉敏传感器在拉伸力作用下电阻值下降，呈现出负电阻效应，当拉伸30%时 可产生5-200倍的电阻变化。拉敏电阻传感器在拉伸形变前后电阻值的变化倍率，可以表 征传感器的灵敏度。
[0017] 所述拉敏传感器在受到拉力作用之后，拉敏材料长度增加，截面积变小，以及材料 内部导电粒子间隙的变化导致材料微观导电网络变化，从而引起材料电阻率的变化。材料 电阻率、电极间材料的长度等因素的综合变化也同时导致了拉敏材料两端电极之间的电容 值发生变化。
[0018] 进一步地，本发明的拉敏型传感器电极两端的电容值随着拉伸形变增加而增加， 30%拉伸形变范围内拉敏传感器的电容值变化倍率为5到200倍。
[0019] 在本发明还提供了一种负电阻效应的拉敏传感器的制造方法，包括以下步骤：
[0020] A.将所述的橡胶基体、所述防老剂、所述炭黑例依次加入到双辊开炼机或者密炼 机中进行混炼，混炼时间5~30分钟，得到混炼胶。
[0021] B.将混炼胶料通过橡胶成型设备，制备出片状、圆柱状或其他形状的拉敏橡胶半 成品。
[0022] C.将橡胶半成品用高能电子束或或γ射线辐照的方法进行交联。
[0023] D.将已经交联的橡胶制成一定形状的拉敏橡胶，在橡胶表面制作出金属电极，得 到负电阻效应的拉敏传感器。
[0024] 较佳地，在步骤B中，橡胶成型设备包括螺杆挤出机、压延机和平板硫化机。
[0025] 较佳地，在步骤D中，所述金属电极是通过导电胶粘接、银浆丝网印刷、真空镀膜 或机械压接的方式制作在拉敏材料的两端。
[0026] 有益效果：本发明提供的负电阻效应的拉敏传感器电阻值介于20k Ω和50000k Ω 之间。在拉伸力作用下拉敏传感器的电阻随着拉伸形变增加不断下降，呈现负电阻效应，同 时随着拉伸形变增加传感器两端金属电极之间的电容值增加，当形变量为30%时传感器的 电阻值和电容值产生5-200倍的变化，且经过1000次拉伸后仍能保持良好的稳定性能。橡 胶自身优异的柔韧性赋予所述传感器优良的柔性和弹性，以及较大的力学量变化幅度，克 服了金属式和半导体式应变传感器在弹性和柔性方面的不足。将拉伸过程中传感器电阻的 变化转换成电压、电流或电容信号，能够在生物力学、康复医疗、智能穿戴以及人工智能等 领域进行力的测量，具有广泛的应用前景。而且，本发明拉敏传感器中导电橡胶采用电子束 或γ射线辐照进行交联，相对于采用硫磺或有机过氧化物作交联剂的化学交联法，具有生 产效率高、环境污染小、交联密度容易控制以及导电橡胶电阻分布窄的优点。
【附图说明】
[0027] 图1-图11是拉敏传感器的电阻值、电容值随拉伸形变增加的变化曲线图。
【具体实施方式】
[0028] 为了能够更清楚地理解本发明的技术内容，特举以下实施例对本发明的负电阻效 应的拉敏传感器作详细说明：
[0029] 实施例1
[0030] 本实施例的负电阻效应的拉敏传感器采用导电天然橡胶作为拉敏材料，其制作方 法如下：
[0031] 导电橡胶的成份配比及制作方法如下：
[0032] 按照以下顺序将天然橡胶NR (牌号