一种薄膜柔性力敏传感器的制作方法

本发明涉及一种薄膜柔性力敏传感器。

背景技术：

薄膜开关是集按键功能、指示元件、仪器面板为一体的一个操作系统。由面板、上电路、隔离层、下电路四部分组成。为轻触接通式常开开关，正常情况下薄膜开关的上、下触点呈断开状态。按下薄膜开关，上电路的触点向下变形，与下电路的极板接触导通，手指松开后，上电路触点反弹回来，电路断开，回路触发一个信号。薄膜开关结构严谨，外形美观，密封性好。具有防潮湿，使用寿命长等特点。广泛应用于电子通讯、电子测量的仪器，工业控制，医疗设备，汽车工业，智能玩具，家用电器等领域。

在工程实践中，有案例将薄膜开关改进为力敏传感器。如图9所示，传感器由上电路、隔离层、下电路三部分组成。其上电路由导电银浆印刷而成，下电路由普通碳浆印刷而成。正常情况下传感器的上、下触点呈断开状态。传感器受到压力，上电路的触点向下变形，与下电路的极板接触导通。压力越大上电路丝栅与下电路极板接触面积越大，导通电阻越小；反之，压力越小上电路丝栅与下电路极板接触面积越小，导通电阻越大。手指松开后，上电路触点反弹回来，电路断开。压力与电阻的近似线性关系，使传感器实现对压力的电测。此类传感器又被称为片式碳力敏电阻器和碳压力传感器。柔性薄膜开关可以改进为薄膜柔性力敏传感器。

普通薄膜柔性力敏传感器上下电路采用性能良好的聚酯薄膜作为电路图形的载体并在其上用特殊的工艺丝印上导电银浆和导电碳浆，使其具有导电性能。

这种普通薄膜柔性力敏传感器有明显的缺点：

1、可靠性、稳定性和耐久性差：普通薄膜柔性力敏传感器下电路极板碳膜是用普通导电碳浆丝印制成的。碳质填料是导电碳浆的导电材料，主要有石墨和炭黑两种，而碳浆的综合性能也与碳质填料密切相关。通常使用的石墨都具有层状结构，因此，其耐压力的程度受到了一定的限制。由于这一原因，石墨一般不单独作为填料使用，多与炭黑搭配。层状结构的石墨与球形结构的炭黑混合使用时，石墨的片可在炭黑的球之间搭桥，从而有利于提高固化膜的导电性能。由于石墨和炭黑批量制备工艺的局限，无论是层状结构的石墨还是球形结构的炭黑，其颗粒大小不一，均匀度较差，影响了碳质填料在导电碳浆中的分散性。因此普通导电碳浆丝印制成的极板碳膜，普遍存在分层、掉粉、与基体附着力差和膜层疏松等缺陷，使碳膜的导电性不稳定，导致传感器电测数据的漂移。在传感器工作时上下电路多次触碰后，碳膜会出现不同程度的破坏，影响传感器的信号输出。

2、抗动态弯折能力差：普通薄膜柔性力敏传感器上电路，是由导电银浆丝印，低温固化制成。在导电银浆中，导电银的微粒分散在粘合剂中。在印制图形前，依靠被溶剂溶解了的粘合剂使银浆构成有一定粘度的印料，完成以丝网印刷方式的图形转移；印刷后，经过固化过程，使导电银浆的微粒与微粒之间、微粒与基材之间形成稳定的结合。粘合剂又称结合剂，是导电银浆中的成膜物质。与金属相比，粘合剂成膜的强度和韧性要差很多，实践中导电银浆丝印传感器及其引出线在动态弯折工作状态下较多出现银浆电路断裂和脱落等现象。

3、线性差。

综上，由于普通薄膜柔性力敏传感器下电路材质的固有缺陷，使传感器在上下电路导通后，测量电阻值极不稳定，数据跳动幅度超过20％，极大的影响了传感器的线性，限制了此类传感器在工程实践中的广泛应用。由于普通薄膜柔性力敏传感器明显的缺点，使其在工业传感器领域应用较少，较多应用的是开关领域。

技术实现要素：

本发明克服了上述缺陷，提供了一种在线性、可靠性、稳定性、耐久性和抗动态弯折能力等方面获得提升的薄膜柔性力敏传感器；

本发明的另一目的是提供上述薄膜柔性力敏传感器的应用。

本发明的目的通过以下技术方案来具体实现：

本发明提供了一种薄膜柔性力敏传感器，包括：

上电路膜片，由第一基体膜及第一基体膜表面的金属箔栅构成；

下电路膜片，由第二基体膜及第二基体膜表面的导电膜构成；

绝缘支撑架，位于上电路膜片和下电路膜片之间，将上、下电路膜片撑开，使上、下电路膜片具有一定的间隔。

根据本发明的一个方面，所述金属箔栅的图案包括圆形的指纹电路和两条对称的引出线，其中，所述指纹电路由第一螺旋状箔栅和第二螺旋状箔栅相互嵌套而成。

根据本发明的另一个方面所述第一螺旋箔栅栅条宽度和第二螺旋箔栅的栅条宽度相同，且相邻两栅条之间的间隔是栅条宽度的0.5-3倍。优选地，相邻两栅条之间的间隔与栅条宽度相当。进一步优选的，所述相邻两栅条之间的间隔与栅条宽度均为0.09mm。

根据本发明的另一个方面，所述指纹电路的两条螺旋箔栅分别由外端引出对称的引出线。

根据本发明的另一个方面，所述下电路膜片的导电膜呈圆形，与圆形的指纹电路相对应。

根据本发明的另一个方面，所述导电膜为石墨烯和碳纳米管的复合膜，优选地，导电膜中所含石墨烯和碳纳米管的量为0.9-17wt％，石墨烯和碳纳米管的质量比为(2-5)：2；进一步优选地，导电膜中所含石墨烯和碳纳米管的量为1.7wt％，石墨烯和碳纳米管的质量比为3：2。石墨烯和碳纳米管的复合膜是含有石墨烯和碳纳米管的树脂膜材，具有导电性能的含碳树脂膜是本领域技术人员公知技术，属于现有技术，然而，良好性能的导电膜材一直让科学家们孜孜以求，对导电质不断的调整，以提高导电膜的性能，使其在应用中更为针对性。

根据本发明的另一个方面，所述绝缘支撑架为环状的pet双面胶，与指纹电路和导电膜的边缘连接，使指纹电路和导电膜之间构成密闭的空间；优选地，所述pet双面胶厚度为0.05-0.2mm，优选0.075mm。

根据本发明的另一个方面，所述第一基体膜和第二基体膜均采用pi膜，厚度为0.5-5mil，其中，第一基体膜的厚度优选1mil，第二基体膜的厚度优选3mil。

根据本发明的另一个方面，所述金属箔栅采用压延铜箔。

根据本发明的另一个方面，所述上电路膜片采用fpc技术设计制作而成。

根据本发明的另一个方面，所述薄膜柔性力敏传感器还设有背膜，用于与外部基体粘结。背胶优选防水胶，厚度优选为0.050mm。

本发明还提供了一种薄膜开关，包括上述薄膜柔性力敏传感器作为薄膜开关。

本发明的有益效果：

本发明薄膜柔性力敏传感器上电路膜片利用作为载体的基体膜和附着其上的铜箔直接刻蚀出指纹形状的上电路和引出线，即上电路和引用出一体成形，引出线与传感器是一体的，并按设计指定的位置和标准的线距向外延伸，柔软可任意弯曲的密封引出线与整机后置电路直接相连。柔性压力传感器上电路(指纹电路)及其引出线均使用铜箔蚀刻而成，铜焊盘具有良好的可焊性。因此传感器与整机后置电路相连时可采用焊接方式，而不必使用连接器，减少了中间环节。这样一方面电信号传导更加顺利，有利于传感器敏感度的提升；另一方面，可以有效减少制作工艺的流程，成品率更高。

本发明另一重要技术贡献是采用了石墨烯和碳纳米管复合膜作为导电膜，石墨烯和碳纳米管的组合，使印刷膜层获得了理想的导电性、致密性和强度。但是，石墨烯具有纳米颗粒共同的特性，容易聚集，这就对石墨烯的有效分散带来更高的要求。碳纳米管除了拥有良好的导电性以外，还拥有良好的柔韧性，可以拉伸。两者结合，实现了“1+1＞2”的效果，即有效发挥了石墨烯和碳纳米管的导电性能，又使石墨烯在膜介质(树脂)中的分散性得到了提升，进而可以使膜介质中容纳更多的石墨烯和碳纳米管(石墨烯和碳纳米管含量可达19wt％)，从而进一步提高导电膜的导电能力。

本发明具体效果如下：

1、高可靠性、稳定性和耐久性

本公开薄膜柔性力敏传感器的下电路采用石墨烯碳纳米管复合膜作为导电膜。普通薄膜柔性力敏传感器的下电路导电材料，主要有石墨和炭黑两种，层状结构的石墨与球形结构的炭黑混合使用时，石墨的片可在炭黑的球之间搭桥，从而有利于提高固化膜的导电性能。本公开薄膜柔性力敏传感器的下电路，采用添加了石墨烯碳纳米管的导电膜，以层状结构的石墨烯替代层状结构的普通石墨，以管状结构的碳纳米管替代球形结构的炭黑。混合使用时，石墨烯的片在碳纳米管之间搭桥以提高固化膜的导电性能。由于石墨烯粉体和碳纳米管均为纳米级颗粒，颗粒度远小于石墨和炭黑，在相同的体积下，导电颗粒大，颗粒间的接触几率偏低，并留有较大的空间，被非导体的粘合剂所占据，从而对导电颗粒形成阻隔，导电性能下降。反之，细小颗粒的接触几率提高，导电性能得到改善。而石墨烯粉体和碳纳米管比表面积和颗粒均匀度又远优于石墨和炭黑，它们与粘合剂的结合度和在粘合剂中的分散性均有相当的提升。因此，石墨烯碳纳米管的复合使膜层致密性和导电均匀性大幅提升，致密稳定的复合膜使分层和掉粉等缺陷大大减少，柔韧性提高，膜层与基体的结合力增强，可承受上下电路高频次大力度接触而不损坏，保障了传感器的可靠性、耐久性和一致性。参见图11、12所示，本发明采用的石墨烯碳纳米管复合膜sem图(放大2000倍)和普通碳膜sem图(放大2000倍)，可见本发明石墨烯碳纳米管复合膜sem图上具有很多褶皱，细密而均匀。普通碳膜sem图上则呈现颗粒拼凑状，散粒明显。证明石墨烯碳纳米管复合膜致密性和导电介分布均匀性优于普通碳膜。

参见附图9、10，本发明所采用的石墨烯碳纳米管复合膜的柔性力敏传感器与和采用现有一般的碳膜的力敏传感器罝出电膜值线性示意图的对比可知，本发明采用石墨烯碳纳米管膜的力敏传感器线性优于普通碳膜传感器，本发明传感器更加敏感精确，同样的压力，输出电阻值是普通碳膜的6-8倍。

2、高抗弯折性

本公开的薄膜柔性力敏传感器运用柔性线路板(flexibleprintedcircuit，fpc)技术设计制作上电路。为保障传感器在动态弯折状态下工作，对上电路进行了抗弯折设计优化。以聚酰亚胺(polyimide，pi)薄膜为基体，选用压延铜箔(ra)作为覆盖铜层蚀刻出的指纹电路及其引出线。普通薄膜柔性力敏传感器上电路，是由导电银浆丝印，低温固化制成。在导电银浆中，导电银的微粒分散在粘合剂中。粘合剂又称结合剂，是导电银浆中的成膜物质。与导电银浆印刷电路的粘合剂成膜相比，金属铜箔蚀刻出的电路及其引出线柔韧性大大提升，具备动态抗弯折性能。

3、更好的线性

综上，石墨烯碳纳米管复合膜综合性能的提升，带来了传感器电测阻值稳定性的提高，减小了传感器工作时测量阻值跳动的幅度。对柔性线路板(flexibleprintedcircuit，fpc)的优化设计使指纹图形电路的栅条更细，栅条间距更小，均可达0.09mm。指纹图形的设计及更细的栅条和更小的栅条间距使薄膜柔性力敏传感器比较现有普通导电银浆传感器，上下电路接触面积区分度就提高了3倍，导通电阻值变化的区分度就提高了3倍，传感器的测量分辨度也就提高了3倍，大大增加了传感器工作域节级，提高了传感器工作时电测阻值的连续性。上下电路性能改善叠加，显著提高了新型薄膜柔性力敏传感器的线性。

附图说明

附图用来提供对本发明的进一步理解，并且构成说明书的一部分，与本发明的实施例一起用于解释本发明，并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1是根据本发明的一个实施例的薄膜柔性力敏传感器的结构示意图；

图2是本发明的另一个实施例的薄膜柔性力敏传感器的结构示意图；

图3是本发明的上电路膜片的正面主视图；

图4是本发明的下电路膜片的正面主视图；

图5是本发明的下电路膜片的右视图；

图6是本发明的绝缘支撑架的正面主视图；

图7是本发明绝缘支撑架的侧视图；

图8是本发明的另一个实施例的薄膜开关示意图；

图9是本发明薄膜柔性力敏传感器不同压力作用下输出电值线性示意图；

图10是普通碳膜柔性力敏传感器不同压力作用下输出电值线性示意图；

图11是本发明传感器导电膜的sem图(放大2000倍)；

图12是普通碳膜sem图(放大2000倍)；

图中，1-上电路膜片，11-第一基体膜，12-指纹电路，13-引出线，(12+13)-金属箔栅，120-螺旋箔栅，2-下电路膜片，21-第二基体膜，22-导电膜(石墨烯碳纳米管复合膜)，3-绝缘支撑架(pet双面胶)，30-密闭空间，4-背胶。

具体实施方式

在下文中，仅简单地描述了某些示例性实施例。正如本领域技术人员可认识到的那样，在不脱离本发明的精神或范围的情况下，可通过各种不同方式修改所描述的实施例。因此，附图和描述被认为本质上是示例性的而非限制性的。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“嵌套”“外端”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个所述特征。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

在本发明中，除非另有明确的规定和限定，第一特征在第二特征之“上”或之“下”可以包括第一和第二特征直接接触，也可以包括第一和第二特征不是直接接触而是通过它们之间的另外的特征接触。而且，第一特征在第二特征“之上”、“上方”和“上面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度高于第二特征。第一特征在第二特征“之下”、“下方”和“下面”包括第一特征在第二特征正上方和斜上方，或仅仅表示第一特征水平高度小于第二特征。

下文的公开提供了许多不同的实施方式或例子用来实现本发明的不同结构。为了简化本发明的公开，下文中对特定例子的部件和设置进行描述。当然，它们仅仅为示例，并且目的不在于限制本发明。此外，本发明可以在不同例子中重复参考数字和/或参考字母，这种重复是为了简化和清楚的目的，其本身不指示所讨论各种实施方式和/或设置之间的关系。此外，本发明提供了的各种特定的工艺和材料的例子，但是本领域普通技术人员可以意识到其他工艺的应用和/或其他材料的使用。

以下结合附图对本发明的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选实施例仅用于说明和解释本发明，并不用于限定本发明。

实施例1：

如图1所示，一种薄膜柔性力敏传感器，包括：

上电路膜片1，由第一基体膜11及第一基体膜表面的金属箔栅12和13构成；

下电路膜片2，由第二基体膜21及第二基体膜表面的导电膜22构成；

绝缘支撑架3，位于上电路膜片和下电路膜片之间，将上、下电路膜片撑开，使上、下电路膜片具有一定的间隔。

其中，第一基体膜11和第二基体膜21分别为金属箔栅12、13和导电膜22的载体。参见图2所示，上电路膜片1中，金属箔栅12、13的图案包括圆形的指纹电路12和两条对称的引出线13。其中的指纹电路12由第一螺旋状箔栅121和第二螺旋状箔栅122相互嵌套而成。本领域通俗的称其为电阻式传感器的上电路。所述指纹电路的两条螺旋箔栅121、122分别由外端引出对称的引出线13，引出线用于连接电路，一般来说与整机后置电路直接相连。参见图3、4所示，下电路膜片2中，其中的导电膜22是本领域通俗的称其为电阻式传感器的下电路，附着于第二基体膜21。本实施例采用电气性能和机械性能良好的聚酰亚胺(polyimide，pi)薄膜作为上下电路的载体，即第一基体膜11、第二基体膜21均采用pi材质。聚酰亚胺薄膜pi的固有性质，使得该柔性压敏传感器具有良好的绝缘性、耐热性、抗折性、较高的回弹性和良好的柔软性，不仅适用于平面体，还能与曲面体配合。聚酰亚胺薄膜厚度为0.5-5mil，常用的厚度有:0.5mil、1.0mil、2.0mil、3.0mil、5.0mil，等。本实施例优选2.0mil。其中，第一基体膜的厚度优选1mil，第二基体膜的厚度优选3mil。

本公开柔性力敏传感器的上电路膜片1及其引出线均采用柔性线路板(flexibleprintedcircuit，fpc)技术制作，用柔性线路板基板外表所覆盖的铜箔作为导体材料蚀刻出特殊设计的上电路(指纹电路)及其引出线。作为最优化的方案，本公开柔性力敏传感器的金属箔栅采用压延铜箔ra。本实施例中，压延铜箔ra的厚度优选为0.018mm。

本实施例中，所述下电路膜片2的导电膜22呈圆形，与圆形的指纹电路12相对应。导电膜22为一种带有导电质的树脂膜，例如采用低电阻、低温条件下固化的石墨烯碳纳米管复合膜。石墨烯和碳纳米管的复合膜相较于现有的石墨与炭黑的复合膜，在微观上看，用二维结构的石墨烯代替高厚度层状的石墨，用一维的线性碳纳米管代替大颗粒的炭黑，二维结构的石墨烯与一维的线性碳纳米管之间所形成的电子网格更加均匀且更容易通过电子，因而石墨烯和碳纳米管的复合膜的导电性、导电率、导电均匀性都具有石墨与炭黑复合膜所无法逾越的高度。优选地，导电膜中所含石墨烯和碳纳米管的量为0.9-17wt％，例如：0.9wt％、1.5wt％、3wt％、4wt％、5.5wt％、6wt％、7.3wt％、8wt％、9wt％、10wt％、12wt％、13.5wt％、14wt％、15wt％、16.5wt％、17wt％，等；石墨烯和碳纳米管的质量比为(2-5)：2。进一步优选地，导电膜中所含石墨烯和碳纳米管的量为1.7wt％，其中含有石墨烯1wt％，含有碳纳米管0.7wt％。

本实施例中，参见图1、5、6所示，所述绝缘支撑架3为环状的pet双面胶，与指纹电路12和导电膜22的边缘连接，使指纹电路和导电膜之间构成密闭的空间30。pet双面胶厚度为0.05-0.2mm，例如：0.05mm、0.06mm、0.08mm、0.1mm、0.12mm、0.14mm、0.15mm、0.16mm、0.18mm、0.2mm，等；优选0.075mm。采用pet双面胶置于上电路与下电路层之间，起密封和连接的作用，在充分考虑产品的整体厚度、绝缘性和密封性前提下选择此层材料厚度为0.05-0.2mm，优选厚度为0.075mm。

本实施例中，根据本发明的另一个方面，所述第一螺旋箔栅121的栅条宽度和第二螺旋箔栅122的栅条宽度相同，且相邻两栅条之间的间隔是栅条宽度的0.5-3倍。例如，栅条宽度为0.12mm与相邻两栅条之间的间隔为0.06mm的设计、栅条宽度为0.09mm与相邻两栅条之间的间隔为0.27mm的设计、栅条宽度为0.15mm与相邻两栅条之间的间隔为0.3mm的设计，或者栅条宽度为0.1mm与相邻两栅条之间的间隔为0.1mm的设计，或者栅条宽度为0.5mm与相邻两栅条之间的间隔为0.25mm的设计，或者栅条宽度为0.2mm与相邻两栅条之间的间隔为0.4mm的设计，等等；相邻两栅条之间的间隔与栅条宽度相当为本实施例的最优选择，最好栅条宽度和邻两栅条之间的间隔均在0.1mm以下，优选栅条宽度和邻两栅条之间的间隔均为0.09mm。

本实施例中，薄膜柔性力敏传感器引出线13与传感器是一体的，指纹电路12与引出线13是通过附着于第一基体膜上的铜箔图案化而成。并按设计指定的位置和标准的线距向外延伸，柔软可任意弯曲的密封引出线13与整机后置电路直接相连。

实施例2：

本实施例作为实施例1的进一步优选实施例，参见图7所示，所述薄膜柔性力敏传感器还设有背膜4，用于与外部基体粘结。本实施中，背膜4采用普通双面胶、3m胶、防水胶等作为背胶，背胶的采用跟传感器与何种材质相粘贴相关。背膜4在薄膜柔性力敏传感器上设置的部位可以是第一基体膜上任一位置或全部，可以是第二基体膜上的任一位置或全部，根据传感器与所相粘贴的基体之间的结构关系而定。图7中，背膜4设置在了第一基体膜11上，传感器的上电路膜片1与所要粘贴的基体更接近。例如开关中使用本公开的传感器，面板通过背膜4与第一基体膜11相连，手触面板后，上电路膜片1受到压力发生变形，在密闭的空间30内与导电膜22(下电路)接触，电路导通。手指松开后，上电路膜片1触点反弹，电路断开。

实施例3：

上述薄膜柔性力敏传感器作为薄膜开关的应用，开关形状可以制作成各种不同的立体形状。

最后还应指出，任何单位和个人使用或实施本发明的技术方案都是对本发明的侵犯，任何单位和个人未经过本申请人的允许，都不能单独实施本专利。而任何单位和个人受到本发明的启发或经过简单调整而实施，也应认为是本专利的保护范围。