专利名称：一种测量曲面间隙和力的集成化柔顺式传感器的制备方法
技术领域：
本发明涉及一种测量曲面间隙和力的集成化柔顺式传感器的制备方法，属于传感器 技术领域。
背景技术：
"柔顺传感器"概念的提出可以追溯到上世纪80年代末期，航空航天器中的许多特 殊结构给传统刚性传感器的安装带来了很大困难。人们希望传感器具有良好的柔顺性 能，不受被测物体形状限制，能够贴附于各种规则或不规则曲面实现正常的传感功能。 进入上世纪90年代以后，美国、法国、日本、瑞士和葡萄牙等国家的科学家开始进行 柔顺传感器的研究工作，许多新型的传感器材料和结构被应用到这一研究领域之中。
2001年，美国传感器领域的知名学者Lumeisky教授对柔顺传感器的发展方向提出 了大胆的设想。Lumdsky教授认为，敏感表皮将是一种大面积的柔顺传感器阵列，就像 人体的皮肤一样，能够覆盖整个测量机构的表面。它具有感知外界环境的能力，能够较 为准确地测量挤压力、剪切力、接近距离、光强、温度、湿度和某些气体浓度的变化， 从而帮助一些自主控制机构(例如机器人)在复杂的环境中准确地执行任务。可以预 见，柔顺传感器技术将给传感器领域带来一场新的革命，并将带动工业自动化、医疗卫 生、航空航天、环境监测、机器人等领域中相关技术的发展。
(1) 柔顺式电涡流传感器在2004年的第16届世界无损检测会议上，法国人C. Gilles-Pascaud展示了一种最新研究的应用于航空领域中表面阻断裂纹检测的传感器阵 列探头。该仪器包括一组含有32个敏感单元的电涡流线圈阵列和一个高分辨率的摄像 头，能够实现对表面潜在裂纹实时、完整和可靠的检测，并可很好的应用于各种合金材 料，裂纹深度的检测精度约为0.2mm。该系统最大的特点就是实现了两种不同检测技术 的实时融合，从而提高了对小的表面阻断裂纹的检测能力。由此可见，加工在柔性基底 材料上的柔顺式电涡流传感器可以很好地应用于曲面间隙测量和曲面体裂纹检测。
(2) 导电高分子材料柔顺式力传感器导电高分子复合材料指近年来常见的导电 橡胶、导电塑料、导电涂料、导电胶粘剂和导电薄膜等。导电高分子复合材料分为填充 型和化合型两种，前者是将导电颗粒混合入聚合物基体中形成导电通道，是两种以上材 料的混合体；而后者只是单一材料，自身具有导电性。功能材料领域的研究发现，填充 型导电高分子复合材料具有压阻效应，因此一些研究机构利用其作为敏感元件材料，研 制了柔顺力传感器。
美国Tekscan公司从上世纪90年代开始，就一直进行柔顺传感器的研究工作。2003年，该公司推出了一种导电高分子复合材料柔顺力传感器，该传感器面积由十几平方厘 米到一平方米不等，厚度为0.15mm。传感器敏感单元由上下两层电极和一层导电高分 子复合材料构成，引线长度可达到700mm。采用聚酰亚胺膜将上下两层电极和一层导 电高分子复合材料封装成一个传感器整体，保证了柔韧性和可靠性，最小允许弯曲半径 达到100mm。
总而言之，导电高分子复合材料柔顺力传感器具有柔顺性能好、测力量程和有效面 积大，加工工艺比较简单、加工费用较低等优点。
综上所述，柔顺式电涡流传感器和柔顺式力传感器可以分别很好地测量曲面间隙和 曲面间挤压力。但是，随着科技及生产的发展，某些重大设备关键零部件的形状越来越 复杂，其加工和装配定位精度要求越来越高，对测量提出的要求也就越高。薄壁回转曲 面一类形面的零件被广泛应用于国防及各种日常生活产品中，而这些零件的加工、测量、 监控往往因受到空间结构尺寸及被测材料介质等一些特殊条件的限制^增大了难度。当 在同一曲面间测量间隙和挤压力时，需要安装两种传感器，安装位置和引线方式经常会 受到空间结构的制约而无法实现。
发明内容
本发明的目的是提出一种测量曲面间隙和力的集成化柔顺式传感器，克服已有技术 的不足，使传感器具有结构纤薄、柔顺性好、量程大、精度高、分辨率高、能够同时测 量间隙和挤压力的特点，以适合用于工业生产和人体医疗康复过程中曲面间隙和挤压力 的在线检测。
本发明提出的测量曲面间隙和力的集成化柔顺式传感器的制备方法，包括以下步
骤
(1) 制备平面电涡流敏感元件
(l一l)在聚酰亚胺薄膜基底上按行和列开孔，聚酰亚胺薄膜的厚度为100pm — 20(^m，开孔的孔径为250 —350pm;
(l一2)在聚酰亚胺薄膜基底的正反两个表面以及上述开孔的表面上分别镀复铜 箔，铜箔的厚度为15^un—20网；
(l一3)对上述反面铜箔进行光刻，以上述开孔为中心形成电涡流线圈，在每个电 涡流线圈的一侧形成内引线，对上述正面铜箔进行光刻，在上述开孔之间形成外引线；
(2) 制备超薄柔顺导电高分子敏感元件
(2 — 1)将粒径小于1微米的导电炭黑粉末、粒径为10—50纳米的二氧化硅分散 剂粉末和液态单组份硅橡胶在浓度为95%以上的丙酮有机溶剂中混合，混合时各成分的 体积百分比浓度为单组份硅橡胶:导电炭黑粉末:二氧化硅分散剂粉末丙酮有机溶剂 =100:10—15:1—3:300 — 500;
(2—2)在超声振荡下进行机械搅拌，搅拌环境温度为40-60'C，搅拌时间为2-4小时，得到凝胶状态混合体；
(2 — 3)将占上述混合体总体积量的3—5%的顺丁橡胶颗粒加入到该混合体中，继 续机械搅拌20 -30分钟，使丙酮挥发；
(2—4)将上述丙酮挥发后的混合体滴入旋转平台，旋涂成型，得到厚度为70—100 微米的导电高分子膜；
(2 — 5)将占上述导电高分子膜总体积1%的正硅酸乙脂交联剂和占上述导电高分 子膜总体积2%的二月桂酸二丁基锡催化剂混合成溶液，将该混合溶液涂在上述导电高 分子膜的表面，使导电高分子膜硫化，硫化时间为24小时以上，得到超薄柔顺导电高 分子敏感元件；
(3)集成化柔顺式传感器的封装
(3 — 1)在上述平面电涡流敏感元件的每相邻两列电涡流线圈之间涂覆一层定位
胶；
(3—2)将上述制备的超薄柔顺导电高分子敏感元件剪成条状，将剪成条状的超薄 柔顺导电高分子敏感元件粘贴在上述定位胶上；
(3 — 3)在上述已经粘贴超薄柔顺导电高分子敏感元件的平面电涡流敏感元件的基 底周边涂覆具有热固性的封装胶，利用封装胶将另一层平面电涡流敏感元件粘附在表 面，得到集成化柔顺式传感器，粘附时，使上、下两层平面电涡流线圈、内引线和开孔 分别相对。
本发明提出的测量曲面间隙和力的集成化柔顺式传感器的制备方法，其优点是
1、 本发明制备的集成化柔顺式传感器的集成化敏感元件，将超薄平面电涡流线圈和 导电高分子力敏感元件集成在同一柔性基底材料上，能够同时测量曲面间隙和挤压力。
2、 本发明制备的集成化柔顺式传感器中的导电高分子力敏感元件，采用了新型的材 料设计和加工工艺，具有大的量程，以及高的力敏精度和分辨率。
3、 本发明制备的集成化柔顺式传感器中的超薄平面电涡流线圈及其引出电缆具有良
好的柔顺性。因此，传感器可以贴附在任意形状的表面间进行测量。而传统的电涡流传 感器无法安装在曲面上进行测量。
4、 本发明制备的的集成化柔性传感器可进行大面积范围内的快速测量。由于采用了 印刷电路板工艺，集成化传感器阵列可以分布在很大的面积范围内(400mmX700mm甚至 更大)，从而实现^:面积范围的测量。而其它工艺，如MEMS等微细加工工艺，就无法制 作大面积范围的柔性传感器阵列，因此也难以实现大面积范围内的测量。如果利用单个 传感器进行大面积范围的测量，则需要利用机械装置控制传感器或被测目标按规律动 作，这必然影响测量的速度和精度。而在本发明中，利用多路选通开关，对传感器阵列 实现快速循环扫描。扫描一个通道仅需20毫秒。
5、 本发明制备的集成化柔顺式传感器具有超薄的特性。集成化传感器阵列及其引出 电缆的厚度最小可做到0. 3mm，适合安装在狭小的空间中进行测量。6、 本发明制备的集成化柔顺式传感器可以形成密排电缆。传感器阵列的引线汇集到
一起，形成密排长电缆，使结构更加紧凑。由于采用循环扫描的测量方法，任意时刻， 电缆中只有一组线中有信号传输，因此，电缆所传输信号互不干扰。
7、 本发明制备的集成化柔顺式传感器相对传统的间隙测量和力测量传感器，能适用 于很多测量场合，如曲面测量、大面积范围内快速测量、狭小空间中的测量等。基底材 料如采用聚合材料聚酰亚胺，则该传感器阵列还能应用在高温(300—40(TC)、辐射等 测量场合。
8、 本发明制备的的集成化柔性传感器，厚度仅为0.3mm;柔顺性能好，最小弯曲 半径可达到200mm;传感器阵列面积可订做，范围为400 700mm2;测力的量程0
2MPa;测力的精度1%FS;测力的分辨率0.2%FS;测量间隙的分辨率1 y m;测
量间隙的灵敏度100Hz/um;测量间隙的精度±1%FS;测量间隙的量程0~5mm。
图1是本发明制备集成化柔顺式传感器过程中传感器封装前的正向平面图。
图2是图1所示的封装前传感器的反向平面图。 图3是封装后图1所示的传感器的A-A剖视图。 图4是封装后图1所示的传感器的B-B剖视图。
图1一图3中，l是基底，2是外引线，3是内引线，4是开孔，5是超薄导电高分 子材料敏感元件，6是定位胶，7是电涡流线圈，8是密封胶。
具体实施例方式
本发明提出的测量曲面间隙和力的集成化柔顺式传感器的制备方法，制备过程中传
感器封装前的正向平面图如图1所示，包括以下步骤
(1) 制备平面电涡流敏感元件
(l一l)在聚酰亚胺薄膜基底1上按行和列开孔4，聚酰亚胺薄膜的厚度为100pm —200|im，开孔的孔径为250—350^;
(l一2)在聚酰亚胺薄膜基底的正反两个表面以及上述开孔的表面上分别镀复铜 箔，铜箔的厚度为15pm—20pm;
(1 — 3)对上述反面铜箔进行光刻，以上述开孔4为中心形成电涡流线圈7，在每 个电涡流线圈7的一侧形成内引线3，对上述正面铜箔进行光刻，在上述开孔4之间形 成外引线2，如图2所示；
(2) 制备超薄柔顺导电高分子敏感元件
(2 — 1)将粒径小于1微米的导电炭黑粉末、粒径为10—50纳米的二氧化硅分散 剂粉末和液态单组份硅橡胶在浓度为95%以上的丙酮有机溶剂中混合，混合时各成分的 体积百分比浓度为单组份硅橡胶导电炭黑粉末:二氧化硅分散剂粉末:丙酮有机溶剂
6=100:10—15:1—3:300—500;
(2—2)在超声振荡下进行机械搅拌，搅拌环境温度为40-60°C，搅拌时间为2-4 小时，得到凝胶状态混合体；
(2 — 3)将占上述混合体总体积量的3 — 5%的顺丁橡胶颗粒加入到该混合体中，继 续机械搅拌20 -30分钟，使丙酮挥发；
(2—4)将上述丙酮挥发后的混合体滴入旋转平台，旋涂成型，得到厚度为70—100 微米的导电高分子膜；
(2 — 5)将占上述导电高分子膜总体积1%的正硅酸乙脂交联剂和占上述导电高分 子膜总体积2%的二月桂酸二丁基锡催化剂混合成溶液，将该混合溶液涂在上述导电高 分子膜的表面，使导电高分子膜硫化，硫化时间为24小时以上，得到超薄柔顺导电高 分子敏感元件；
(3)集成化柔顺式传感器的封装
(3 — 1)在上述平面电涡流敏感元件的每相邻两列电涡流线圈之间涂覆一层定位胶
6;
(3 — 2)将上述制备的超薄柔顺导电高分子敏感元件剪成条状，将剪成条状的超薄 柔顺导电高分子敏感元件粘贴在上述定位胶上；
(3 — 3 )在上述己经粘贴超薄柔顺导电高分子敏感元件的平面电涡流敏感元件的基 底周边涂覆具有热固性的封装胶，利用封装胶将另一层平面电涡流敏感元件粘附在表 面，得到集成化柔顺式传感器，粘附时，使上、下两层平面电涡流线圈、内引线和开孔 分别相对。
上述方法中，制备超薄柔顺导电高分子敏感元件的两个实施例配方为
混合时各成分的体积百分比浓度为单组份硅橡胶导电炭黑粉末二氧化硅分散剂 粉末丙酮有机溶剂=100:12:2:350;
或者混合时各成分的体积百分比浓度为单组份硅橡胶:导电炭黑粉末:二氧化硅分 散剂粉末丙酮有机溶剂=100:14:2. 5:400。
本发明制备的集成化柔顺式传感器，由封装成一体的上下电极层及压于其间的导电 高分子力敏感元件阵列构成，如图3和图4所示。
本发明制备的集成化柔顺式传感器采用具有压阻效应的导电高分子材料作为测量应 力的敏感元件，该材料以导电炭黑粉末作为导电相、以硅橡胶作为绝缘相，按优化比例 混合，采用了超声振荡、有机溶剂溶解、加热搅拌、纳米分散和弹性体共混等混合技术。
本发明制备的集成化柔顺式传感器中使用的导电高分子力敏感元件电极层是利用柔 性印刷电路板工艺在薄膜基底上制作而成，其中上、下电极采用了超薄平面电涡流线圈 替代传统的平板电极。上、下电极可以分别单独采用超薄平面电涡流线圈，也可以同时 采用超薄平面电涡流线圈。由此，上、下电极形成单层或双层电涡流检测结构。超薄平 面电涡流线圈与导电高分子力敏感元件集成在一起，共同形成了一个能够同时测量间隙
7和挤压力的集成化敏感元件。
本发明制备的集成化柔顺式传感器中的传感器阵列的每个平面电涡流线圈各有两条 信号线，上、下电极的引线自然形成导电高分子力敏感元件的信号线，阵列中各个集成 化敏感元件的信号线汇集一起，形成引出密排电缆，该电缆的另一端设有与多路选通开 关相连的插头。
本发明制备的集成化柔顺式传感器中的导电高分子力敏感元件可以制作成单层或双 层甚至多层，平面电涡流线圈形状可以是圆形、方形或其它形状。
本发明制备的集成化柔顺式传感器的制备过程采用了光刻引线、涂覆定位胶、贴附 力敏感元件、涂覆封装胶和热压封装的工艺流程。根据测量条件及要求进行选材与设计， 所说的薄膜基底可采用适合印刷电路板工艺的柔性材料，如聚酰亚胺薄膜，聚酯薄膜等。
以下介绍本发明制备的集成化柔性传感器敏感元件的工作原理
本发明的集成化敏感元件由平面电涡流敏感元件和导电高分子力敏感元件组成，平 面电涡流敏感元件的信号引线同时作为导电高分子力敏感元件的信号引线使用。
a、 电涡流敏感元件测量间隙的工作原理
通用的电涡流检测的工作原理是检测激励线圈磁场和被测导体感应涡流磁场之间 的交互作用。当敏感线圈通入交流电流时，线圈周围就会产生交变磁场，如果此时将金 属导体靶材移入此交变磁场中，靶材表面就会感应出电涡流，而此电涡流又会产生一个
磁场，该磁场的方向与原线圈磁场的方向正好相反，从而减弱了原磁场，引起磁场变化。 磁场的变化情况是通过敏感线圈的阻抗变化来反映的，线圈的等效阻抗Z—般可表示为 如下的函数
Z = F(cr,/^,/,x,/")
其中，cr， //分别是被测金属导体的电导率和磁导率，/是激励信号的频率，；c是 线圈与金属导体之间的距离，r是线圈的尺寸因子，与线圈的结构、形状以及尺寸相关。 可见，线圈阻抗的变化完整而且唯一地反映了被测金属导体的电涡流效应。实际检测时， 对不需要的影响因素加以控制，就可以实现对上式中某个相关量的检测。作为接近式传 感器，线圈到金属靶材之间的距离与线圈的阻抗直接相关，而检测金属表面或近表面的 缺陷时，缺陷的存在将引起被测导体电导率和磁导率的变化，进而使线圈的阻抗参数发 生改变。通过电涡流传感器可以得到测点位置的球面间隙测量数据。
b、 导电高分子敏感元件测量挤压力的工作原理
从微观导电机制的角度分析可知，炭黑填充硅橡胶复合材料产生压阻效应的原因可 归结为炭黑颗粒在硅橡l^基体中分布的变化，更准确的说，是导电炭黑颗粒间距的变化。 外界压力可以压縮复合材料的体积，由于导电炭黑颗粒的可压縮性远小于硅橡胶基体， 因此导电颗粒的间距减小，提高了接触传导和隧道效应发生的几率。随着压力增大，导 电炭黑颗粒的间距逐渐减小，由于接触传导和隧道效应机制的作用，在材料的内部形成 了导电通道。而接触传导和隧道效应机制的产生，又受到导电颗粒的粒径和形状的影响，因此材料的压阻效应表现出与形貌参数的密切关系。材料的形貌参数值越大，接触传导 和隧道效应产生的几率就越高，材料的压阻效应也就越明显。
从导电渗流现象的角度分析，材料的电阻率在导电渗流区内随导电填料体积浓度的 变化十分明显。这是因为，当外界压力减小了聚合物基体的体积时，导电颗粒的体积浓 度相应增加，引起材料电阻率的明显变化。材料变形引起了导电渗流变化，随着材料变 形，炭黑体积浓度，材料的电阻率随之减小。当炭黑体积浓度越接近渗流阈值，材料的 压阻效应就越明显。在有效介质普适方程中，炭黑的体积浓度、渗流阈值和材料的形貌 参数一起表征了导电渗流现象，也说明炭黑填充硅橡胶复合材料的压阻效应是其导电渗 流现象的一个具体表现。另外，材料的变形不但引起电阻率的变化，还改变了其电阻几 何系数(即沿电流方向上材料的长度与横截面积的比值)。综上所述，炭黑填充硅橡胶 复合材料的受力变形是其产生压阻效应的直接原因。
在宏观表象上，由于压力的作用，构成敏感元件的导电高分子材料产生了电阻变化， 这种变化在一定范围内与压力呈现线性比例关系。
以下介绍本发明制备的阵列式集成化柔顺传感器的工作方式
实际工作时，将传感器贴附在曲面间。通过振荡电路测量传感器每个电涡流线圈的 阻抗变化，通过电阻取样电路测量传感器每对电极间的电阻变化，根据标定曲线，得到 对应的间隙值和挤压力值。通过信号取样和阵列扫描电路以及多路选通开关，对敏感元 件进行快速循环扫描，可以测出每个敏感元件的测量值。由于这些敏感元件的分布方式 是已知的，因此，对测量结果进行数据处理，就可以得到曲面间隙和挤压力的分布。
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权利要求
1、一种测量曲面间隙和力的集成化柔顺式传感器的制备方法，其特征在于该方法包括以下步骤(1)制备平面电涡流敏感元件(1—1)在聚酰亚胺薄膜基底上按行和列开孔，聚酰亚胺薄膜的厚度为100μm—200μm，开孔的孔径为250—350μm；(1—2)在聚酰亚胺薄膜基底的正反两个表面以及上述开孔的表面上分别镀复铜箔，铜箔的厚度为15μm—20μm；(1—3)对上述反面铜箔进行光刻，以上述开孔为中心形成电涡流线圈，在每个电涡流线圈的一侧形成内引线，对上述正面铜箔进行光刻，在上述开孔之间形成外引线；(2)制备超薄柔顺导电高分子敏感元件(2—1)将粒径小于1微米的导电炭黑粉末、粒径为10—50纳米的二氧化硅分散剂粉末和液态单组份硅橡胶在浓度为95％以上的丙酮有机溶剂中混合，混合时各成分的体积百分比浓度为单组份硅橡胶:导电炭黑粉末:二氧化硅分散剂粉末:丙酮有机溶剂＝100:10—15:1—3:300—500；(2—2)在超声振荡下进行机械搅拌，搅拌环境温度为40-60℃，搅拌时间为2-4小时，得到凝胶状态混合体；(2—3)将占上述混合体总体积量的3—5％的顺丁橡胶颗粒加入到该混合体中，继续机械搅拌20-30分钟，使丙酮挥发；(2—4)将上述丙酮挥发后的混合体滴入旋转平台，旋涂成型，得到厚度为70—100微米的导电高分子膜；(2—5)将占上述导电高分子膜总体积1％的正硅酸乙脂交联剂和占上述导电高分子膜总体积2％的二月桂酸二丁基锡催化剂混合成溶液，将该混合溶液涂在上述导电高分子膜的表面，使导电高分子膜硫化，硫化时间为24小时以上，得到超薄柔顺导电高分子敏感元件；(3)集成化柔顺式传感器的封装(3—1)在上述平面电涡流敏感元件的每相邻两列电涡流线圈之间涂覆一层定位胶；(3—2)将上述制备的超薄柔顺导电高分子敏感元件剪成条状，将剪成条状的超薄柔顺导电高分子敏感元件粘贴在上述定位胶上；(3—3)在上述已经粘贴超薄柔顺导电高分子敏感元件的平面电涡流敏感元件的基底周边涂覆具有热固性的封装胶，利用封装胶将另一层平面电涡流敏感元件粘附在表面，得到集成化柔顺式传感器，粘附时，使上、下两层平面电涡流线圈、内引线和开孔分别相对。
全文摘要
本发明涉及一种测量曲面间隙和力的集成化柔顺式传感器的制备方法，属于传感器技术领域。分别制备平面电涡流敏感元件和超薄柔顺导电高分子敏感元件利用定位胶和封装胶，将已经粘贴超薄柔顺导电高分子敏感元件的平面电涡流敏感元件的基底周边涂覆具有热固性的封装胶，利用封装胶将另一层平面电涡流敏感元件粘附在表面，得到集成化柔顺式传感器，粘附时，使上、下两层平面电涡流线圈、内引线和开孔分别相对。本方法制备的传感器，能够同时测量曲面间隙和挤压力；可以贴附在任意形状的表面间进行测量，适合安装在狭小的空间进行测量；能应用在高温、辐射等测量场合；而且测量量程宽，测量精度高。
文档编号G01B7/14GK101464126SQ20091007612
公开日2009年6月24日 申请日期2009年1月9日 优先权日2009年1月9日
发明者丁天怀, 鹏 王, 颖 胡 申请人:清华大学