一种压力传感阵列及其制备方法与流程

本发明涉及柔性电子技术领域，尤其涉及一种压力传感阵列及压力传感阵列的制备方法。

背景技术：

随着科学技术的不断进步，越来越多的电子产品转向柔性化和个性化定制，如可穿戴设备、柔性电路、天线、微波电缆、电子皮肤等，这些电子产品不仅要求电子元件的正常运转，还要求电子元件可随着用户的需要进行弹性形变，也就需要其中的连接电缆线也具有弹性形变，这样的需求无疑对传统制造产生巨大挑战。现有弹性电缆线的相关研究制造，是通过铸模的方式将导电材料嵌入到弹性材料中并进行封装成型。但是现有弹性电缆线的相关研究制造存在以下局限性：（1）现有的弹性电缆线采用传统铸模方式制造，需要事先制造模具，生产成本很高，并且如果根据不同的需要进行不同的工艺调整，还要根据需要进行模具的更换，造成人力、时间和成本的大量浪费；（2）现有的弹性电缆线由于上述因素，难以满足用户越来越多的个性化定制要求。

技术实现要素：

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种压力传感阵列及压力传感阵列的制备方法，以解决现有技术中的问题。

作为本发明的第一个方面，提供一种压力传感阵列，其中，所述压力传感阵列包括：两层电缆线结构，每层电缆线结构均包括多根平行设置的弹性电缆线，一层电缆线结构横向排列，另一侧电缆线结构纵向排列，两层电缆线结构的每两根弹性电缆线接触位置形成具有位置信息的传感节点，每根所述弹性电缆线均包括壳体和位于壳体内的导线层。

优选地，所述压力传感阵列包括电容压力传感阵列，所述导线层形成电容电极，两层电缆线结构的壳体与空气夹层形成电容介电层。

优选地，所述压力传感阵列包括电阻压力传感阵列，每层电缆线结构均形成电阻传感单元。

优选地，所述导线层的制作材料包括碳基导电液、碳基导电膏、导电离子液、导电聚合物溶液、导电聚合物水凝胶、导电离子凝胶和镓铟锡合金中的一种或多种，所述导线层的制作材料的电导率范围为10⁵s/m~10⁸s/m。

优选地，所述壳体的制作材料包括热固性或热塑性橡胶、热固性/热塑性树脂和尼龙中的一种或多种。

优选地，横向排列的电缆线结构与纵向排列的电缆线结构之间的夹角在10°至90°之间。

作为本发明的第二种实施方式，提供一种压力传感阵列的制备方法，其中，所述压力传感阵列的制备方法包括：

提供基底、壳体的制作材料和导线层的制作材料；

提供挤压装置；

将所述壳体的制作材料和所述导线层的制作材料装入所述挤压装置；

设置挤压装置的挤压参数；

根据所述挤压参数，所述挤压装置同时将所述壳体的制作材料和所述导线层的制作材料挤出到基底上，并在所述基底上挤压形成两层纵横交错的网格结构；

加热固化；

封装成型。

优选地，所述挤压装置包括第一挤压机构、第二挤压机构和喷头结构，所述喷头结构包括内芯结构和外腔结构，所述外腔结构环绕所述内芯结构隔离设置，所述内芯结构的入口与所述第一挤压机构的出口连接，所述外腔结构的入口与所述第二挤压结构的出口连接，所述第一挤压机构用于盛放所述导线层的制作材料并能够将所述导线层的制作材料挤压至所述内芯结构，所述第二挤压机构用于盛放所述壳体的制作材料并能够将所述壳体的制作材料挤压至所述外腔结构，所述内芯结构的出口和所述外腔结构的出口同时将所述壳体的制作材料和导线层的制作材料喷出至所述基底上。

作为本发明的第三种实时方式，提供一种压力传感阵列的制备方法，其中，所述压力传感阵列的制备方法包括：

提供基底、液体材料、壳体的制作材料和导线层的制作材料，其中，所述液体材料与所述导线层的制作材料以及壳体的制作材料均不相容；

提供挤压装置和注射装置；

将所述壳体的制作材料和所述液体材料装入所述挤压装置；

设置挤压装置的挤压参数；

根据所述挤压参数，所述挤压装置同时将所述壳体的制作材料和所述液体材料挤出到基底上，并在所述基底上挤压形成两层纵横交错的网格结构；

第一次加热固化，形成中心为液体材料外层为外壳的结构；

去除掉所述液体材料，形成空心通道；

采用注射装置将导线层的制作材料注入到所述空心通道；

第二次加热固化；

封装成型。

优选地，所述液体材料包括挥发性液体材料和非挥发性液体材料，所述挥发性液体材料在所述第一次加热固化后挥发，所述非挥发性液体材料在所述第一次加热固化后形成固体形状。

本发明提供的压力传感阵列，通过设置两层电缆线结构，且两层电缆线结构之间纵横交互设置，且在两层电缆线接触位置形成具有位置信息的传感节点，这种结构形成的电子产品满足柔性化需求，具有弹性形变的能力，且由于不同于现有的电缆线结构，解决了现有技术中的工艺复杂成本高的问题，具有结构简单节省人力以及时间等成本的优势。

附图说明

附图是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，与下面的具体实施方式一起用于解释本发明，但并不构成对本发明的限制。在附图中：

图1为本发明提供的压力传感阵列的结构示意图。

图2为本发明提供的压力传感阵列的制备方法的一种实施方式的流程图。

图3为本发明提供的挤压装置的结构示意图。

图4为本发明提供的压力传感阵列的制备方法的另一种实施方式的流程图。

图5为本发明提供的压力传感阵列打印过程的路径规划示意图。

图6为本发明提供的压力传感阵列的制备方法制得的压力传感阵列的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是，此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本发明，并不用于限制本发明。

作为本发明的第一个方面，提供一种压力传感阵列，其中，如图1所示，所述压力传感阵列包括：两层电缆线结构100，每层电缆线结构100均包括多根平行设置的弹性电缆线110，一层电缆线结构100横向排列，另一侧电缆线结构100纵向排列，两层电缆线结构100的每两根弹性电缆线110接触位置形成具有位置信息的传感节点120，每根所述弹性电缆线110均包括壳体111和位于壳体内的导线层112。

本发明提供的压力传感阵列，通过设置两层电缆线结构，且两层电缆线结构之间纵横交互设置，且在两层电缆线接触位置形成具有位置信息的传感节点，这种结构形成的电子产品满足柔性化需求，具有弹性形变的能力，且由于不同于现有的电缆线结构，解决了现有技术中的工艺复杂成本高的问题，具有结构简单节省人力以及时间等成本的优势。

作为一种具体地实施方式，所述压力传感阵列包括电容压力传感阵列，所述导线层形成电容电极，两层电缆线结构100的壳体与空气夹层形成电容介电层。

作为另一种具体地实施方式，所述压力传感阵列包括电阻压力传感阵列，每层电缆线结构100均形成电阻传感单元。

具体地，所述导线层112的制作材料包括碳基导电液、碳基导电膏、导电离子液、导电聚合物溶液、导电聚合物水凝胶、导电离子凝胶和镓铟锡合金中的一种或多种。

优选地，所述导线层112的制作材料的电导率范围为10⁵s/m~10⁸s/m。

具体地，所述壳体111的制作材料包括热固性或热塑性橡胶、热固性/热塑性树脂和尼龙中的一种或多种。

具体地，横向排列的电缆线结构100与纵向排列的电缆线结构100之间的夹角在10°至90°之间。

优选地，所述壳体的壁厚在10微米至1毫米之间。

作为本发明的第二个方面，提供一种压力传感阵列的制备方法，其中，如图2所示，所述压力传感阵列的制备方法包括：

s110、提供基底、壳体的制作材料和导线层的制作材料；

s120、提供挤压装置；

s130、将所述壳体的制作材料和所述导线层的制作材料装入所述挤压装置；

s140、设置挤压装置的挤压参数；

s150、根据所述挤压参数，所述挤压装置同时将所述壳体的制作材料和所述导线层的制作材料挤出到基底上，并在所述基底上挤压形成两层纵横交错的网格结构；

s160、加热固化；

s170、封装成型。

本发明提供的压力传感阵列的制备方法，采用壳体和导线层的形式，通过挤压装置挤压成型，并加热固化等工艺最终获得压力传感阵列，这种压力传感阵列的制备方法，避免了传统利用模具或者手动的繁琐生产工艺，能够满足不同用户对电缆线的任意3d图形、几何尺寸等的要求，同时该制造方法所生产的传感器阵列具有成型好、连续程度高、过程不间断、可大批量生产等诸多优点，节约人力、时间和生产成本。

具体地，作为所述挤压装置的具体实施方式，如图3所示，所述挤压装置包括第一挤压机构1、第二挤压机构2和喷头结构3，所述喷头结构3包括内芯结构31和外腔结构32，所述外腔结构32环绕所述内芯结构31隔离设置，所述内芯结构31的入口与所述第一挤压机构1的出口连接，所述外腔结构32的入口与所述第二挤压结构2的出口连接，所述第一挤压机构1用于盛放所述导线层的制作材料并能够将所述导线层的制作材料挤压至所述内芯结构31，所述第二挤压机构2用于盛放所述壳体的制作材料并能够将所述壳体的制作材料挤压至所述外腔结构32，所述内芯结构31的出口和所述外腔结构32的出口同时将所述壳体的制作材料和导线层的制作材料喷出至所述基底上。

具体地，将第一挤压机构1、第二挤压机构2、喷头3安装于多自由度运动的执行末端；在第一挤压机构1中装入导线层的制作材料，在第二挤压机构2中装入壳体的制作材料；利用运动控制技术与挤出系统控制协同工作，可以在运动过程中挤出弹性电缆于基底之上，利用壳层的制作材料的高储能模量的特性完成自支撑，同时内部挤出导线层的制作材料。

针对不同材料的固化情况，可以选择性地配置热固化加热板、加热光源等辅助固化设备，在打印过程中加热固化包覆材料以期获得更好的包覆效果。

打印出纵横交错的网格结构之后，放置到高温环境下将其完全固化。在得到的电容传感网格结构上引入连接电导线，与导线层接触，将其封装成形，最终得到具有弹性的压力传感阵列。

作为本发明的第三个方面，提供一种压力传感阵列的制备方法，其中，如图4所示，所述压力传感阵列的制备方法包括：

s210、提供基底、液体材料、壳体的制作材料和导线层的制作材料，其中，所述液体材料与所述导线层的制作材料以及壳体的制作材料均不相容；

s220、提供挤压装置和注射装置；

s230、将所述壳体的制作材料和所述液体材料装入所述挤压装置；

s240、设置挤压装置的挤压参数；

s250、根据所述挤压参数，所述挤压装置同时将所述壳体的制作材料和所述液体材料挤出到基底上，并在所述基底上挤压形成两层纵横交错的网格结构；

s260、第一次加热固化，形成中心为液体材料外层为外壳的结构；

s270、去除掉所述液体材料，形成空心通道；

s280、采用注射装置将导线层的制作材料注入到所述空心通道；

s290、第二次加热固化；

s300、封装成型。

本发明提供的压力传感阵列的制备方法，采用壳体和导线层的形式，首先通过挤压装置将壳体与液体材料挤压成型，然后将液体材料去除后，再将导线层的制作材料注射进去，并加热固化等工艺最终获得压力传感阵列，这种压力传感阵列的制备方法，避免了传统利用模具或者手动的繁琐生产工艺，能够满足不同用户对电缆线的任意3d图形、几何尺寸等的要求，同时该制造方法所生产的传感器阵列具有成型好、连续程度高、过程不间断、可大批量生产等诸多优点，节约人力、时间和生产成本。另外，由于先采用液体材料加热固化后去除，再注入进去导线层的制作材料，能够使得一次性挤压的距离更长，可控性更换。

需要说明的是，所述液体材料与所述导线层的制作材料以及壳体的制作材料不相容，才可以在加热固化后去除掉该液体材料。

具体地，所述液体材料包括挥发性液体材料和非挥发性液体材料，所述挥发性液体材料在所述第一次加热固化后挥发，所述非挥发性液体材料在所述第一次加热固化后形成固体形状。

可以理解的是，当所述液体材料为挥发性液体材料时，通过加热固化后挥发，可以直接注入导线层的制作材料，当所述液体材料为非挥发性液体材料时，通过蠕动送料装置等辅助注射装置在注射导线层的制作材料的同时将液体材料挤出。

具体地，所述挤压装置可以采用前文所述的挤压装置，所不同的是，所述第一挤压机构1用于盛放所述液体材料，内芯结构31内为液体材料，所述内芯结构31的出口和所述外腔结构32的出口同时将所述壳体的制作材料和液体材料喷出至所述基底上。

具体地，将第一挤压机构1、第二挤压机构2、喷头结构3安装于多自由度运动的执行末端；在第一挤压机构1中装入液体材料，在第二挤压机构2中装入壳体的制作材料；利用运动控制技术与挤出系统控制协同工作，可以在运动过程中挤出弹性电缆于基底之上，利用壳层的制作材料的高储能模量的特性完成自支撑，同时内部挤出液体材料。

针对不同材料的固化情况，可以选择性地配置热固化加热板、加热光源等辅助固化设备，在打印过程中加热固化包覆材料以期获得更好的包覆效果。

打印出纵横交错的网格结构之后，放置到高温环境下将其完全固化，并且若所述液体材料为挥发性材料，则高温时内部液体挥发，并形成弹性空心通道；随后使用注射装置向空心通道内注入导线层的制作材料。

在得到的电容传感网格结构上引入连接电导线，与导线层接触，将其封装成形，而最终得到具有弹性的压力传感阵列。

需要说明的是，若所述液体材料为非挥发性材料，则可以采用诸如气压、注射装置、蠕动送料装置等将固化后的非挥发性液体材料挤出形成空心通道，以便于注入导线层的制作材料。另外，还可以边注射导线层的制作材料边挤出固化后的非挥发性液体材料。

还需要说明的是，固化时的温度控制在40°至200°之间。

交叉的双层网格结构，例如单条线缆的线宽、相邻线缆的线距、线缆内部导电层直径等，可分别通过挤出参数、运动参数、喷头规格来进行调整。

优选地，所述液体材料可以为水。

下面对本发明提供的压力传感阵列的制备方法进行具体说明，以注射导线层的制作材料这种方式为例。

（1）在第一挤压机构1中装入水，第二挤压机构2中装入道康宁se1700硅橡胶；

（2）将第一挤压机构1、第二挤压机构2与喷头结构3平行排布，并将第一挤压机构1、第二挤压机构2通过导管分别与喷头结构3的内芯结构31和外腔结构32连通；所述喷头结构3的内芯结构31的内径具体为0.21mm，内芯结构31的外径为0.4mm，外腔结构32的内径为13mm；

（3）设定第一挤压机构1的注射泵流速为5ul/s、第二挤压机构2的挤出气压为70psi，喷头结构3以8mm/s的打印速度将同轴线打印在打印基底上；打印路径如图5所示，可堆积成为网格形状；

（4）采用80℃加热热固化方式，使步骤（3）所得压力传感阵列固化成型，得到长度尺寸为30*30mm的双层传感器网格阵列，其中每根同轴线约为宽度约为1.4mm，内芯直径约为0.4mm；

（5）利用注射器，将共晶合金ga75.5-in24.5镓铟锡合金，从步骤（4）得到的网格阵列的始端注射到网格传感器阵列中。

（6）将步骤（5）所得传感网格阵列的两端切除，并为每根同轴线两端插入直径为0.1mm的铜丝（没入同轴线的长度为3mm-5mm，本实施方式以图中标注5mm为例），再用uv光固化胶注射同轴线两端至漫出，并用uv硅胶固化封装成型。

最后制成如图6所示的压力传感阵列，利用keysight公司的e9480al型lcr表测量单个节点的电容，其值约为1.5pf。

本发明提供的容传感阵列的制备方法，避免了传统利用模具或者手动的繁琐生产工艺，能够满足不同用户对电缆线的任意3d图形、几何尺寸等的要求，同时该制造方法所生产的传感器阵列具有成型好、连续程度高、过程不间断、可大批量生产等诸多优点，节约人力、时间和生产成本。

本发明采用液体或者胶体的导电材料，由于液体的流动性或者胶体良好的弹性形变，可满足用其制造的传感器阵列具有弹性。当包覆材料选用硅橡胶时，由于硅橡胶具有良好的绝缘性和弹性形变能力，同时硅橡胶无毒无味、耐高温、耐低温，具有良好的惰性，均使我们的柔性电容具有明显的优势。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。