同面小电极型柔软压敏探头及其研制方法
【专利摘要】本发明涉及一种同面小电极型柔软压敏探头，属于测量【技术领域】。该压敏探头包括顶层聚酰亚胺薄膜、由纳米导电高分子复合材料构成的压敏薄膜、和覆合有一对电极的底层聚酰亚胺薄膜。底层聚酰亚胺薄膜上的两个电极位于压敏薄膜的同一表面的同一端侧，且电极面积远小于压敏薄膜的面积。利用本发明提出的方法研制的压敏探头，具有柔软性高、厚度薄、结构简约、成本低等优点，特别适用于大型工业设备狭小曲面层间压力测量与电子皮肤研制等领域。
【专利说明】同面小电极型柔软压敏探头及其研制方法
【技术领域】
[0001]本发明属于测量【技术领域】，特别涉及到柔软传感器制备工艺。
【背景技术】
[0002]纳米导电高分子复合材料具有压阻特性、易加工性和柔韧性。因此，这种材料可以作为薄型柔软压力传感器的敏感材料，可广泛应用于国防、工业与民用领域。如:大型设备狭小曲面层间压力监测、人工电子皮肤研制等。但目前采用这种敏感材料制作的压力敏感单元，大多采用三明治结构，即:将敏感材料置于两层金属电极之间，再利用绝缘薄膜对其进行封装，因而增加了传感器敏感单元的复杂程度，并使其厚度增大。近年来，有一些研究机构尝试将电极设计在敏感材料的同一表面，这种方法减小了敏感单元的厚度，但其电极面积占据敏感材料面积的比例较大，对压力敏感单元的柔软性产生不利影响，而且，其输出电阻时间依赖性大，严重降低了静态压力的监测精度。
【发明内容】
[0003]本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种同面小电极型柔软压敏探头的研制方法。利用本发明提出的方法所研制的同面小电极型柔软压敏探头，不但厚度薄、结构简约、成本低，而且降低了敏感材料电阻时间依赖性对压力测量精度的不利影响，特别适用于狭小曲面层间压力监测与人工电子皮肤研制。
[0004]本发明提出的同面小电极型柔软压敏探头的研制方法的技术方案如下:
[0005]在聚酰亚胺薄膜上覆合一对电极及其引线，作为底层聚酰亚胺薄膜，并将其置于程控升降台的固定平台上；将纳米导电粉末、高分子材料和有机溶剂按一定比例混合，纳米导电粉末与高分子材料的体积比介于1: 12-1: 20之间，利用机械搅拌和超声振荡使纳米导电粉末在混合溶液中分散，并在交联剂和催化剂的作用下，形成纳米导电高分子复合材料胶状粘稠物；将纳米导电高分子复合材料胶状粘稠物均匀地涂覆在置于程控升降台的固定平台上的底层聚酰亚胺薄膜上，通过微机控制固定于程控升降台的可动平台上的光滑刚性平板向下移动，将纳米导电高分子复合材料胶状粘稠物挤压为所需厚度；纳米导电高分子复合材料胶状粘稠物硫化成型后，形成由纳米导电高分子复合材料构成的压敏薄膜，与底层聚酰亚胺薄膜良好地粘接在一起，将压敏薄膜修剪为所需尺寸，使电极被压敏薄膜完全覆盖，并位于压敏薄膜的端侧，形成由压敏薄膜与底层聚酰亚胺薄膜构成的双层结构；在由压敏薄膜与底层聚酰亚胺薄膜构成的双层结构的面表涂覆热固胶，其中，底层聚酰亚胺薄膜上的引线端侧区域不涂胶，用于与后续电路连接，其尺寸与后续接口装置相匹配；将另一层未覆合电极与引线的聚酰亚胺薄膜作为顶层聚酰亚胺薄膜覆盖在表面涂有热固胶的由压敏薄膜与底层聚酰亚胺薄膜构成的双层结构之上，并确保底层聚酰亚胺薄膜上用于与后续电路连接的引线部分不被覆盖，用柔性材料封装机进行热压封装，完成压敏探头的制备。
[0006]本发明的特点及效果:[0007](I)、本发明提出的同面小电极型柔软压敏探头的研制方法，两个电极位于压敏薄膜的同一表面，故仅需两层，简化了压敏探头结构，减小了压敏探头的厚度；电极位于压敏薄膜的同一端侧，且电极面积小于压敏薄膜面积的百分之一，故而增大了压敏探头的柔韧性，降低了输出信号的时间依赖性，进而减小了传统三明治结构敏感单元的电阻时间依赖性对压力测量精度的不利影响。
[0008](2)、本发明提出的同面小电极型柔软压敏探头的研制方法，纳米导电粉末与硅橡胶的体积比介于1: 12-1: 20之间，该浓度范围不但可以保证同面小电极型柔软压敏探头的柔软性，还可以确保其输出电阻范围便于后续电路系统的设计。
【专利附图】
【附图说明】 [0009]图1为同面小电极型柔软压敏探头的底层聚酰亚胺薄膜俯视图。
[0010]图2为同面小电极型柔软压敏探头的剖面图。
[0011]图1和图2中，I代表聚酰亚胺薄膜，2代表覆合在聚酰亚胺薄膜上的一对铜箔电极及其引线，3代表由纳米导电高分子复合材料构成的压敏薄膜，4代表热固胶，5代表顶层聚酰亚胺薄膜。
【具体实施方式】
[0012]以下结合实施例说明本发明提出的同面小电极型柔软压敏探头研制方法:
[0013](I)、将铜箔电极及其引线2覆合在聚酰亚胺薄膜I之上，作为底层聚酰亚胺薄膜，并将其置于程控升降台的固定平台上，如图1所示；
[0014](2)、将纳米导电粉末、室温硫化硅橡胶和有机溶剂按一定比例混合，纳米导电粉末与室温硫化硅橡胶的体积比介于1: 12-1: 20之间，利用机械搅拌和超声振荡使纳米导电粉末在混合溶液中分散，并在交联剂和催化剂的作用下，形成纳米导电粉末/硅橡胶复合材料胶状粘稠物；
[0015](3)、将纳米导电粉末/硅橡胶复合材料胶状粘稠物均匀地涂覆在步骤(1)中制备的底层聚酰亚胺薄膜上，通过微机控制固定于程控升降台可动平台上的光滑刚性平板向下移动，将纳米导电粉末/硅橡胶复合材料胶状粘稠物挤压为所需厚度；
[0016](4)、纳米导电粉末/硅橡胶复合材料胶状粘稠物硫化成型后，形成由纳米导电粉末/硅橡胶复合材料构成的压敏薄膜3，与底层聚酰亚胺薄膜良好地粘接在一起，将硫化成型后的压敏薄膜修剪为所需尺寸，使电极面积小于压敏薄膜的百分之一，并使电极被压敏薄膜完全覆盖，并位于压敏薄膜3的端侧，形成由压敏薄膜与底层聚酰亚胺薄膜构成的双层结构；
[0017](5)、在步骤(4)制备的由压敏薄膜与底层聚酰亚胺薄膜构成的双层结构上涂覆热固胶4，其中，底层聚酰亚胺薄膜上的引线端侧区域不涂胶，用于与后续电路连接，其尺寸与后续接口装置相匹配；
[0018](6)、将另一层未覆合电极/引线的聚酰亚胺薄膜作为顶层聚酰亚胺薄膜5覆盖在步骤(5)中制备的表面涂有热固胶的由压敏薄膜与底层聚酰亚胺薄膜构成的双层结构之上，并保持底层聚酰亚胺薄膜上用于与后续电路连接的引线部分不被覆盖，其剖面图如图2所示，用柔性材料封装机进行热压封装，完成压敏探头的制备。[0019]实施例1
[0020](I)、将直径为6毫米的圆形铜箔电极和长度为8厘米的引线覆合在聚酰亚胺薄膜之上，作为底层聚酰亚胺薄膜，并将其置于程控升降台的固定平台上；
[0021](2)、将粒径为20纳米的炭黑、室温硫化硅橡胶和有机溶剂按1: 16: 960的体积比混合，利用机械搅拌和超声振荡使纳米炭黑粉末在混合溶液中分散，并在正硅酸乙酯和二月桂酸二丁基锡的作用下，形成纳米炭黑/硅橡胶复合材料胶状粘稠物；
[0022](3)、将纳米炭黑/硅橡胶复合材料胶状粘稠物均匀地涂覆在步骤(1)中制备的底层聚酰亚胺薄膜上，通过微机控制固定于程控升降台可动平台上的光滑刚性平板向下移动，将纳米炭黑/硅橡胶复合材料胶状粘稠物挤压为厚度为45微米的薄膜；
[0023](4)、纳米炭黑/硅橡胶复合材料复合材料胶状粘稠物硫化成型后,形成由纳米炭黑/硅橡胶复合材料构成的压敏薄膜，与底层聚酰亚胺薄膜良好地粘接在一起，将硫化成型后的压敏薄膜修剪为面积为6000平方毫米的压敏薄膜，并使电极被压敏薄膜完全覆盖，并位于压敏薄膜的端侧，形成由压敏薄膜与底层聚酰亚胺薄膜构成的双层结构；
[0024](5)、在步骤(4)制备的由压敏薄膜与底层聚酰亚胺薄膜构成的双层结构上涂覆热固胶，其中，底层聚酰亚胺薄膜上的引线端侧区域不涂胶，用于与后续电路连接，其尺寸与后续接口装置相匹配；
[0025](6)、将另一层未覆合电极/引线的聚酰亚胺薄膜作为顶层聚酰亚胺薄膜覆盖在步骤(5)中制备的表面涂有热固胶的由压敏薄膜与底层聚酰亚胺薄膜构成的双层结构之上，并保持底层聚酰亚胺薄膜上用于与后续电路连接的引线部分不被覆盖，用柔性材料封装机进行热压封装，完成压敏探头的制备。
[0026]实施例2
[0027](１)、将直径为5毫米的圆形铜箔电极和长度为9厘米的引线覆合在聚酰亚胺薄膜之上，作为底层聚酰亚胺薄膜，并将其置于程控升降台的固定平台上；
[0028](2)、将长径比为300的多壁碳纳米管、室温硫化硅橡胶和有机溶剂按I: 20: 800的体积比混合，利用机械搅拌和超声振荡使纳米导电粉末在混合溶液中分散，并在正硅酸乙酯和二月桂酸二丁基锡的作用下，形成多壁碳纳米管/硅橡胶复合材料胶状粘桐物；
[0029](2)、将长径比为300的多壁碳纳米管、室温硫化硅橡胶和正己烷有机溶剂按I: 20: 800的体积比混合，利用机械搅拌和超声振荡使多壁碳纳米管粉末在混合溶液中分散，并在正硅酸乙酯和二月桂酸二丁基锡的作用下，形成多壁碳纳米管/硅橡胶复合材料月父状粘桐物；
[0030](3)、将多壁碳纳米管/硅橡胶复合材料胶状粘稠物均匀地涂覆在步骤(1)中制备的底层聚酰亚胺薄膜上，通过微机控制固定于程控升降台可动平台上的光滑刚性平板向下移动，将多壁碳纳米管/硅橡胶复合材料胶状粘稠物挤压为厚度为40微米的薄膜；
[0031](4)、多壁碳纳米管/硅橡胶复合材料胶状粘稠物硫化成型后，形成由多壁碳纳米管/硅橡胶复合材料构成的压敏薄膜，与底层聚酰亚胺薄膜良好地粘接在一起，将硫化成型后的压敏薄膜修剪为面积为4000平方毫米的压敏薄膜，并使电极被压敏薄膜完全覆盖，并位于压敏薄膜的端侧，形成由压敏薄膜与底层聚酰亚胺薄膜构成的双层结构；
[0032](5)、在步骤(4)制备的由压敏薄膜与底层聚酰亚胺薄膜构成的双层结构上涂覆热固胶，其中，底层聚酰亚胺薄膜上的引线端侧区域不涂胶，用于与后续电路连接，其尺寸与后续接口装置相匹配；
[0033](6)、将另一层未覆合电极/引线的聚酰亚胺薄膜作为顶层聚酰亚胺薄膜覆盖在步骤(5)中制备的表面涂有热固胶的由压敏薄膜与底层聚酰亚胺薄膜构成的双层结构之上，并保持底层聚酰亚胺薄膜上用于与后续电路连接的引线部分不被覆盖，用柔性材料封装机进行热压封装，完成压敏`探头的制备。
【权利要求】
1.一种同面小电极型柔软压敏探头，其特征在于，该压敏探头包括顶层聚酰亚胺薄膜、由纳米导电高分子复合材料构成的压敏薄膜、和覆合有一对电极/引线的底层聚酰亚胺薄膜；底层聚酰亚胺薄膜上的两个电极位于压敏薄膜的同一表的同一端侧，且电极面积小于压敏薄膜面积的百分之一。
2.制备如权利要求1所述的同面小电极型柔软压敏探头的方法，其特征在于，该方法包括以下步骤: 在聚酰亚胺薄膜上覆合一对电极及其引线，作为底层聚酰亚胺薄膜，并将其置于程控升降台的固定平台上；将纳米导电粉末、高分子材料和有机溶剂按一定比例混合，纳米导电粉末与高分子材料的体积比介于1: 12-1: 20之间，利用机械搅拌和超声振荡使纳米导电粉末在混合溶液中分散，并在交联剂和催化剂的作用下，形成纳米导电高分子复合材料胶状粘稠物；将纳米导电高分子复合材料胶状粘稠物均匀地涂覆在置于程控升降台的固定平台上的底层聚酰亚胺薄膜上，通过微机控制固定于程控升降台的可动平台上的光滑刚性平板向下移动，将纳米导电高分子复合材料胶状粘稠物挤压为所需厚度；纳米导电高分子复合材料胶状粘稠物硫化成型后，形成由纳米导电高分子复合材料构成的压敏薄膜，与底层聚酰亚胺薄膜良好地粘接在一起，将压敏薄膜修剪为所需尺寸，使电极被压敏薄膜完全覆盖，并位于压敏薄膜的端侧，形成由压敏薄膜与底层聚酰亚胺薄膜构成的双层结构；在由压敏薄膜与底层聚酰亚胺薄膜构成的双层结构的面表涂覆热固胶，其中，底层聚酰亚胺薄膜上的引线端侧区域不涂胶，用于与后续电路连接，其尺寸与后续接口装置相匹配；将另一层未覆合电极与引线的聚酰亚胺薄膜作为顶层聚酰亚胺薄膜覆盖在表面涂有热固胶的由压敏薄膜与底层聚酰亚胺薄膜构成的双层结构之上，并确保底层聚酰亚胺薄膜上用于与后续电路连接的引线部分不被覆盖，用柔性材料封装机进行热压封装，完成压敏探头的制备。
【文档编号】G01L1/16GK103759866SQ201410036502
【公开日】2014年4月30日 申请日期:2014年1月23日 优先权日:2014年1月23日
【发明者】王璐珩 申请人:东北大学