兼具压力与非接触式间隙测量功能的一体型柔软传感元件的制作方法
【专利摘要】本发明涉及一种兼具压力与非接触式间隙测量功能的一体型柔软传感元件，属于传感器【技术领域】。该一体型传感元件包括绝缘封装薄膜、压敏薄膜和平面型电涡流线圈薄膜。绝缘封装薄膜由聚酰亚胺构成、压敏薄膜层由导电高分子复合材料构成、平面型电涡流线圈薄膜由聚酰亚胺薄膜和覆合其上的铜箔线圈构成。其中，导电高分子复合材料直接硫化在裸露的铜箔线圈上构成一体化结构，通过获取该一体化结构的阻抗来实现压力与非接触式间隙测量。本发明研制的一体型传感元件柔性好、厚度薄、工艺简单、成本低，仅用一套传感系统就可实现压力测量和非接触式间隙测量，适用于工业设备狭小曲面层间压力和间隙测量，其关键技术还可应用于多功能电子皮肤的研制。
【专利说明】 兼具压力与非接触式间隙测量功能的一体型柔软传感元件
【技术领域】
[0001]本发明属于传感器【技术领域】，特别涉及到柔软传感器制备与封装工艺。
【背景技术】
[0002]现代军事和工业领域中的很多重大设备都具有狭小曲面层间结构，间隙两侧的接触曲面能产生相对移动，为确保设备安全运行、及时获取系统状态信息，需要测量层间压力并进行非接触式的间隙测量。但间隙狭小且接触表面不规则，给传统刚性传感器的安装带来困难，故而迫切需要一种薄型柔性的传感器，可以柔顺地贴附在接触曲面上，完成监测层间压力与非接触式间隙测量的任务。
[0003]导电高分子复合材料是一种新型功能材料，不但具有柔韧性，而且其电阻随压力呈规律性变化。因此，这种复合材料可作为柔性压力传感器的敏感材料。因此,一些科研机构利用导电高分子复合材料的压阻效应来实现压力测量，但是这种方法无法完成非接触式间隙测量。目前，一些科研机构利用平面线圈的电涡流效应来实现非接触式间隙测量，但是，这种方法无法完成压力测量。因此，如果要实现狭小曲面层间的压力与非接触式间隙测量，必须同时采用两套传感系统，故而很难将其安装在空间非常狭小的层间结构中。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种兼具压力与非接触式间隙测量功能的一体型柔软传感元件及其研制方法。本发明所述的一体型传感元件包括绝缘封装薄膜、压敏薄膜和平面型电涡流线圈薄膜三部分。绝缘封装薄膜由聚酰亚胺构成、压敏薄膜层由导电高分子复合材料构成、平面型电涡流线圈薄膜由聚酰亚胺薄膜和覆合其上的铜箔线圈构成。压敏薄膜的厚度、线圈间距和圈数可根据实际应用灵活调整，特别适用于工业设备狭小曲面层间压力测量和非接触式间隙测量和多功能电子皮肤研制等领域。
[0005]本发明提出的兼具压力与非接触式间隙测量功能的一体型柔软传感元件的研制方法的技术方案如下:
[0006]在聚酰亚胺薄膜上覆合铜箔线圈，形成平面型电涡流线圈薄膜；将纳米导电粉末和室温硫化硅橡胶按一定比例混合，再将其加入到有机溶剂中；对纳米导电粉末/室温硫化硅橡胶/有机溶剂混合溶液进行大功率机械搅拌，同时辅以超声振荡，使纳米导电粉末在混合溶液中分散，温度为40-50°C，在催化剂和交联剂的作用下，形成纳米导电粉末/室温硫化硅橡胶混合物；将混合物均匀地涂覆在平面型电涡流线圈薄膜上的铜箔线圈上，用刚性光滑平板将其挤压为薄膜，待纳米导电粉末/室温硫化硅橡胶混合物硫化后，将其裁剪为所需尺寸形成压敏薄膜；然后在压敏薄膜和平面型电涡流线圈薄膜之上涂覆热固胶，再将由聚酰亚胺构成的绝缘封装薄膜覆盖其上，形成三明治结构，最后用柔性材料封装机对所述三明治结构进行热压封装，得到兼具压力与非接触式间隙测量功能的一体型传感元件。
[0007]采用本发明所提出的方法研制的兼具压力与非接触式间隙测量功能的一体型柔软传感元件的工作方式及原理说明如下:
[0008]由于构成压敏薄膜的导电高分子复合材料直接硫化在裸露的铜箔线圈之上构成一体化结构，因此，导电粉末在复合材料中形成的导电网络与裸露的铜箔线圈形成了一体化导电单元。当对铜箔线圈通以交流激励时，交变电流在导电高分子复合材料中的导电网络与铜箔线圈所形成的一体化导电单元中流动，从而在其周围产生交变的磁场，进而使位于该磁场中的目标物产生感应电流，该感应电流又产生新的交变磁场，其作用是反抗原磁场，这将使导电高分子复合材料与铜箔线圈所构成的一体化结构的等效阻抗发生变化。导电高分子复合材料中的导电网络与铜箔线圈所构成的一体化结构的等效阻抗与目标物材质、导电高分子复合材料的尺寸与特性、铜箔线圈和目标物的尺寸、激励信号频率和提离(目标物与一体型柔软传感元件的间隙)等因素有关。如果只改变提离，保持其他参数不变，则导电高分子复合材料与铜箔线圈所构成的一体化结构的等效阻抗就只与提离有关，故而，通过检测导电高分子复合材料与铜箔线圈所构成的一体化结构的等效阻抗，就可得到提离信息，进而完成非接触式间隙测量。当目标物与导电高分子复合材料发生挤压时，导电高分子复合材料发生形变，导致其内部导电网络发生变化，进而使导电高分子复合材料与铜箔线圈所形成的一体化结构的阻抗也发生变化，因而通过检测该一体化结构的阻抗，可获知压力信息。
[0009]本发明的特点及效果:
[0010]1、本发明研制的一体型传感元件中，构成压敏薄膜的导电高分子复合材料直接硫化在裸露的铜箔线圈之上构成一体化结构，通过获取该一体化结构的阻抗来实现压力测量与非接触式间隙测量。
[0011]2、本发明研制的一体型传感元件的绝缘封装薄膜、压敏薄膜和平面型电涡流线圈薄膜都具有良好的柔软性。因此，该一体型传感元件可以柔顺地贴敷在具有复杂形状的曲面上完成测量任务；
[0012]3、本发明方法制备的一体型元件厚度薄，且仅用一套传感器系统就可完成测量，因此，适合于安装在空间狭小的层间结构中完成测量任务。
【专利附图】
【附图说明】
[0013]图1为兼具压力与非接触式间隙测量功能的一体型柔软传感元件的结构示意图。
[0014]I为底层聚酰亚胺薄膜，2为覆合在底层聚酰亚胺薄膜上的铜箔线圈，3为压敏薄膜，4为热固胶，5为由聚酰亚胺构成的绝缘封装薄膜。
【具体实施方式】
[0015]以下结合实施例说明本发明提出的兼具压力与非接触式间隙测量功能的一体型柔软传感元件的研制方法:
[0016]在底层聚酰亚胺薄膜I上覆合铜箔线圈2，形成平面型电涡流线圈薄膜；将纳米导电粉末和室温硫化硅橡胶按一定比例混合，再将其加入到正己烷中；对纳米导电粉末/室温硫化硅橡胶/有机溶剂混合溶液进行大功率机械搅拌，同时辅以超声振荡,使纳米导电粉末在混合溶液中分散，温度为40-50°C，在正硅酸乙酯和二月桂酸二丁基锡的作用下，形成纳米导电粉末/室温硫化硅橡胶混合物；将混合物均匀地涂覆在平面型电涡流线圈薄膜上的铜箔线圈上，用刚性光滑平板将其挤压为薄膜，待纳米导电粉末/室温硫化硅橡胶混合物硫化后，将其裁剪为所需尺寸形成压敏薄膜3 ;然后在压敏薄膜3和平面型电涡流线圈薄膜之上涂覆热固胶4，再将由聚酰亚胺构成的绝缘封装薄膜5覆盖其上，形成三明治结构，最后用柔性材料封装机对所述三明治结构进行热压封装，得到兼具压力与非接触式间隙测量功能的一体型柔软传感元件，如图1所示。
[0017]实施例1
[0018]在底层聚酰亚胺薄膜上覆合铜箔线圈，形成平面型电涡流线圈薄膜，聚酰亚胺薄膜的厚度为12.5微米，铜箔线圈的厚度为10微米，圈数为50，线宽为0.15毫米，线距为
0.15毫米；将平均粒径为50纳米的炭黑粉末和室温硫化硅橡胶按0.08: I的质量比混合，再将其加入到正己烷中；对炭黑/硅橡胶/正己烷混合溶液进行大功率机械搅拌，同时辅以超声振荡，使炭黑在混合溶液中分散，温度为40-50°C，在正硅酸乙酯和二月桂酸二丁基锡的作用下，形成炭黑/硅橡胶混合物；将炭黑/硅橡胶混合物均匀地涂覆在平面型电涡流线圈薄膜上的铜箔线圈上，用刚性光滑平板将其挤压为薄膜，待炭黑/硅橡胶混合物硫化后，将其裁剪为面积与裸露线圈的面积相同的压敏薄膜；然后在压敏薄膜和平面型电涡流线圈薄膜之上涂覆热固胶，再将由厚度为12.5微米的聚酰亚胺构成的绝缘封装薄膜覆盖其上，形成三明治结构，最后用柔性材料封装机对所述三明治结构进行热压封装，得到兼具压力与非接触式间隙测量功能的一体型柔软传感元件。
[0019]实施例2
[0020]在底层聚酰亚胺薄膜上覆合铜箔线圈，形成平面型电涡流线圈薄膜，聚酰亚胺薄膜的厚度为12.5微米，铜箔线圈的厚度为10微米，圈数为30，线宽为0.3毫米，线距为0.15毫米；将长径比为330的碳纳米管粉末和室温硫化硅橡胶按0.03:1的质量比混合，再将其加入到正己烷中；对碳纳米管/硅橡胶/正己烷混合溶液进行大功率机械搅拌，同时辅以超声振荡，使碳纳米管在混合溶液中分散，温度为40-50°C，在正硅酸乙酯和二月桂酸二丁基锡的作用下，形成碳纳米管/硅橡胶混合物；将碳纳米管/硅橡胶混合物均匀地涂覆在平面型电涡流线圈薄膜上的铜箔线圈上，用刚性光滑平板将其挤压为薄膜，待炭黑/硅橡胶混合物硫化后，将其裁剪为面积与裸露线圈的面积相同的压敏薄膜；然后在压敏薄膜和平面型电涡流线圈薄膜之上涂覆热固胶，再将由厚度为12.5微米的聚酰亚胺构成的绝缘封装薄膜覆盖其上，形成三明治结构，最后用柔性材料封装机对所述三明治结构进行热压封装，得到兼具压力与非接触式间隙测量功能的一体型柔软传感元件。
[0021]实施例3
[0022]在底层聚酰亚胺薄膜上覆合铜箔线圈，形成平面型电涡流线圈薄膜，聚酰亚胺薄膜的厚度为12.5微米，铜箔线圈的厚度为10微米，圈数为60，线宽为0.3毫米，线距为0.3毫米；将平均粒径为20纳米的炭黑粉末和室温硫化硅橡胶按0.04: I的质量比混合，再将其加入到正己烷中；对炭黑/硅橡胶/正己烷混合溶液进行大功率机械搅拌，同时辅以超声振荡，使炭黑在混合溶液中分散，温度为40-50°C，在正硅酸乙酯和二月桂酸二丁基锡的作用下，形成炭黑/硅橡胶混合物；将炭黑/硅橡胶混合物均匀地涂覆在平面型电涡流线圈薄膜上的铜箔线圈上，用刚性光滑平板将其挤压为薄膜，待炭黑/硅橡胶混合物硫化后，将其裁剪为面积与裸露线圈的面积相同的压敏薄膜；然后在压敏薄膜和平面型电涡流线圈薄膜之上涂覆热固胶，再将由厚度为12.5微米的聚酰亚胺构成的绝缘封装薄膜覆盖其上，形成 三明治结构，最后用柔性材料封装机对所述三明治结构进行热压封装，得到兼具压力与非
接触式间隙测量功能的一体型柔软传感元件。
【权利要求】
1.一种兼具压力与非接触式间隙测量功能的一体型柔软传感元件，其特征在于，所述的一体型传感元件包括绝缘封装薄膜、压敏薄膜和平面型电涡流线圈薄膜三部分；绝缘封装薄膜由聚酰亚胺构成、压敏薄膜层由导电高分子复合材料构成、平面型电涡流线圈薄膜由聚酰亚胺薄膜和覆合其上的铜箔线圈构成；压敏薄膜的厚度、线圈间距和圈数可根据实际应用灵活调整。
2.如权利要求1所述的兼具压力与非接触式间隙测量功能的一体型柔软传感元件的研制方法，其特征在于，该方法包括如下步骤:在聚酰亚胺薄膜上覆合铜箔线圈，形成平面型电涡流线圈薄膜；将纳米导电粉末和室温硫化硅橡胶按一定比例混合，再将其加入到有机溶剂中；对纳米导电粉末/室温硫化硅橡胶/有机溶剂混合溶液进行大功率机械搅拌，同时辅以超声振荡，使纳米导电粉末在混合溶液中分散，温度为40-50°C，在催化剂和交联剂的作用下，形成纳米导电粉末/室温硫化硅橡胶混合物；将混合物均匀地涂覆在平面型电涡流线圈薄膜上的铜箔线圈上，用刚性光滑平板将其挤压为薄膜，待纳米导电粉末/室温硫化硅橡胶混合物硫化后，将其裁剪为所需尺寸形成压敏薄膜；然后在压敏薄膜和平面型电涡流线圈薄膜之上涂覆热固胶，再将由聚酰亚胺构成的绝缘封装薄膜覆盖其上，形成三明治结构，最后用柔性材料封装机对所述三明治结构进行热压封装，得到兼具压力与非接触式间隙测量功能的一体型柔软传感元件。
3.如权利要求1所述的兼具压力与非接触式间隙测量功能的一体型柔软传感元件，其特征在于，构成压敏薄膜的导电高分子复合材料直接硫化在裸露的铜箔线圈之上构成一体化结构，通过获取该一体化结构的阻抗变化来实现压力测量与非接触式间隙测量。
【文档编号】G01L1/20GK103743504SQ201310756694
【公开日】2014年4月23日 申请日期:2013年12月31日 优先权日:2013年12月31日
【发明者】王璐珩 申请人:东北大学