大面阵分离式压力传感器及其制备方法、水性导电浆料及其制备方法与流程

本发明涉及一种柔性传感器，特别是涉及一种大面阵分离式压力传感器及其制备方法、水性导电浆料及其制备方法。

背景技术：

阵列压力传感器能够将所接触物体的受力情况展示出来，从压力分布中可以推测出被测物体的一些健康参数，如从汽车轮胎压力分布可以看出轮胎的磨损状况；从坐垫上的压力分布可以看出人体坐姿是否正确；从足底压力分布可以看出人的站姿或走路姿态是否标准等。目前，欧美研发的阵列式压力传感器做得比较出色，该传感器由三层组成，其中上下两层分别印有纵向和横向的条带状电极，中间层为压敏感层。纵横电极交叉点形成一个传感单元，每个传感单元等效一个压敏电阻，随着作用在传感单元上压力的变化，其电阻值也会发生变化，带状导体的宽度和间隙决定了整个传感器的点阵密度，单位面积的点阵密度决定了其压力分布的检测分辨率。

在实际应用中，这种传感器在进行测试的时候，容易出现行列信号串扰的情况，需要对采集到的信号进行后续处理；其次，这种传感器比较适合对静态物体的压力分布检测，当对动态物体进行压力分布检测且压力较大时，容易使传感器的上下两层分离，容易损坏传感器。

技术实现要素：

本发明为了克服上述现有技术当中存在的问题，提供一种大面阵分离式压力传感器。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种大面阵分离式压力传感器，其特征在于，从上之下依次包括柔性基板、间隔层和电极基板，其中，

所述柔性基板对应于间隔层的下表面设置有由多个压敏阵列单元形成的压敏层，所述间隔层上对应于所述压敏阵列单元的位置开设有镂空，所述电极基板上对应于所述间隔层的上表面设置有由多个电极阵列单元形成的电极层，且所述电极层的电极阵列单元与所述镂空的位置一一对应。

进一步地，所述大面阵分离式压力传感器还包括设置在所述压敏层和/或电极表面的电子隧穿层，所述电子隧穿层为印刷在所述压敏层表面和/或所述电极层表面的高介电常数的聚合物层，或者所述电子隧穿层为经过氧气处理在所述压敏层表面和/或所述电极层表面形成的钝化层，其中，

所述聚合物包括硅胶，聚氨酯，或环氧树脂，所述聚合物的厚度1～10nm；或，所述钝化层为通过高温氧化或者氧气等离子体处理的方式对所述压敏层和/或所述电极层进行处理得到，其厚度为1～5nm。

其中，所述间隔层采用粘性材料制成，以将所述柔性基板和电极基板上下粘接并封装成具有间隔层的分离式压阻式传感器，且所述粘性材料制成的间隔层厚度为5μm～200μm；其中，所述具有粘性的材料包括固体双面粘接胶或不干胶的个方式实现镂空化图形。

其中，所述柔性基板和/或所述电极基板采用柔性绝缘衬底材料制成，所述柔性绝缘衬底材料包括pet、pi、pc、pu，或织物。

其中，所述压敏阵列单元为水性导电浆料制成的，所述水性导电材料是将水性丙烯酸酯乳液、水性分散剂、水性消泡剂、导电炭黑、去离子水、无水乙醇按照质量比30-50：3-5:0.5-1:5-20:20-30:0-10进行混合后通过机械搅拌与球磨搅拌相结合的方式使之分散均匀，获得炭黑色浆，然后再将所述炭黑色浆与水性聚氨酯树脂以质量比1:1-10互混，并利用机械搅拌使之混合均匀得到的。

其中，所述电极阵列单元为叉指电极，和/或，所述压敏阵列单元呈为矩形、圆形、三角形或其它任意几何形状，且所述压敏层的厚度为2-10μm。

进一步地，由所述压敏阵列单元(2)和所述电极阵列单元(6)形成的传感单元的阵列数目为1～128×1～128，且所述传感单元尺寸为1mm～50mm×1mm～50mm；和/或，所述压敏层的占空比(即所有压敏阵列单元的总面积与柔性基板下表面的面积之比)为50％～85％，器件的最大压力工作范围为10g～100kg，而具体量程是由压敏层电阻、间隔层高度、单元器件面积以及电子隧穿层共同决定。

本发明通过间隔层与电子隧穿层相结合，可以有效降低阵列器件的行列信号串扰，使得只有当受到压力的该传感单元中的压敏单元才与其对应的电极阵列单元通过粘合层的镂空位置相接触，而当没有受到压力的传感单元中压敏单元则与电极阵列单元分离，此时电阻无穷大，有效的避免了行列交叉耦合的问题，使得结构稳定可靠，并且响应快速；并且采用多层膜系，可采用印刷工艺，易于大规模的工业化生产。

基于上述的大面阵分离式压力传感器，本发明还提供了该大面阵分离式压力传感器的制备方法，其包括以下步骤：

步骤1：制作带有电极层的柔性电极基板，其中，所述电极层由多个电极阵列单元形成；具体地，按照实际应用所要求的形状尺寸制作带有电极阵列的柔性电极基板；

步骤2：以质量比30-50：3-5:0.5-1:5-20:20-30:0-10分别称取相应的水性丙烯酸酯乳液、水性分散剂、水性消泡剂、导电炭黑、去离子水、无水乙醇进行搅拌得到炭黑色浆，然后以质量比1:1-10分别称取炭黑色浆和水性聚氨酯树脂进行搅拌混合，得到水性导电浆料；

步骤3：将预先制备的柔性基板放置在丝网印刷机的印刷台上，把步骤2中制备得到的水性导电浆料倒在对应于电极阵列的印刷图案的网版上进行印刷，从而在所述柔性基板上形成具有压敏阵列的2-10μm厚压敏层；

步骤4：根据所述电极层或所述压敏层，利用激光雕刻机在间隔层上相应的位置进行镂空化处理，或者直接采用丝网印刷的方式对粘合材料进行镂空处理，得到镂空化的间隔层；

步骤5：将间隔层与柔性电极基板对齐，并将其粘贴在该柔性电极基板上，然后把印有压敏层的柔性基底与柔性电极基板对齐，粘贴在间隔层上，使得压敏阵列单元对应于该间隔层上的镂空，从而得到大面阵高密度分布式压力传感器。

进一步地，得到压敏层和/或电极层之后，所述制备方法还包括步骤：在所述压敏层或者叉指电极上印刷高介电常数的聚合物层，也可以对所述压敏层或者叉指电极进行氧化得到钝化层，从而得到位于压敏层表面上的电子隧穿层。其中聚合物包括，硅胶、聚氨酯、环氧树脂等，厚度1～10nm；钝化层可以通过高温氧化或者氧气等离子体处理等方式得到，厚度为1～5nm。

其中，所述电极阵列单元为叉指电极，和/或，所述压敏阵列单元呈矩形、圆形、三角形或其它任意几何形状，且所述压敏层的厚度为2-10μm。

另一方面，本发明还提供了一种水性导电浆料的制备方法，其包括步骤：

按照质量比30-50：3-5:0.5-1:5-20:20-30:0-10分别称取水性丙烯酸酯乳液、水性分散剂、水性消泡剂、导电炭黑、去离子水、无水乙醇，并通过机械搅拌与球磨搅拌相结合的方式使之分散均匀，获得炭黑色浆；

按照质量比1:1-10分别称取炭黑色浆与水性聚氨酯树脂进行互混，并采用机械搅拌使之混合均匀，得到水性导电浆料。优选地，导电炭黑的比重控制在0.5～10％，以获得面电阻为5mω～20kω的压敏层。

进一步地，在将炭黑色浆与水性聚氨酯树脂搅拌过程中，加入0.5％-2％的消泡剂。

相应地，本发明还提供了利用上述制备方法得到的水性导电浆料。

有益效果在于：

1、本发明通过在电极层和压敏层之间设置间隔层，使得每个由电极阵列单元和压敏单元构成的压力传感单元实现了分离式结构；进一步，在压敏层或者电极表面设置了电子隧穿层，使得只有当受到压力的传感单元中的压敏单元才与其对应的电极阵列单元通过粘合层的镂空位置相接触，而当没有受到压力的传感单元中压敏单元则与电极阵列单元分离，此时电阻无穷大，有效的避免了阵列传感器中的行列交叉耦合问题。

2、本发明通过在输出端接运算放大器，利用运算放大器的两个输入端等电位的原理，有效解决了多点测试中的行列交叉耦合问题，同时也降低了功耗，参见图3和图5。

3、本发明采用印刷工艺在柔性基底上印刷压敏单元阵列，工艺简单，易于大规模的工业化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍。在所有附图中，类似的元件或部分一般由类似的附图标记标识。附图中，各元件或部分并不一定按照实际的比例绘制。

图1为本发明的一种大面阵分离式压力传感器的一实施例的结构示意图；

图2为图1中大面阵分离式压力传感器的每个传感单元的等效电路示意图；

图3为图1中大面阵分离式压力传感器的后端处理电路示意图；

图4为图1中大面阵分离式压力传感器应用于的压力成像系统的示意图；

图5为反应本发明的一种大面阵分离式压力传感器中电极阵列单元电性连接的一实施例的示意图；

图6为本发明的大面阵分离式压力传感器应用于压力传感成像系统中的成像效果与现有美国spi成像效果之间的性能对比表。

附图标记：其中1为柔性基底，2为压敏单元，3为间隔层，4为间隔层上的镂空，5为柔性电极基板，6为柔性电极基板上的叉指电极对。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的说明。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这些仅是举例说明，本发明的保护范围是由所附权利要求书限定的。本领域的技术人员在不背离本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式作出多种变更或修改，但这些变更和修改均落入本发明的保护范围。

本发明通过在柔性基板和电极基板之间设置间隔层，从而将柔性基板下表面的压敏层和电极基板上电极层之间进行分离，得到具有一定间隔的大面阵分离式压阻式传感器，且当无压力作用时压敏层与电极层分离，这种结构对力响应速度比较快，灵敏度高；进一步地，通过在压敏层和/或电极层表面设置电子隧穿层，使其与分离式间隔层相结合，使得只有当受到压力时，压敏阵列单元才能够通过间隔层上对应的镂空位置与相应位置的电极阵列单元相接触，而当没有受到压力时，压敏阵列单元则与电极阵列单元分离，此时电阻无穷大，有效的避免了阵列传感器中的行列交叉耦合问题。

另一方面，本发明的该大面阵分离式压力传感器中的压敏阵列单元采用印刷式水性导电浆料体系，利用印刷工艺将压敏阵列单元印刷在柔性基底上，形成2-10μm的压敏层，不仅降低了制作成本，也利于批量生成。

本发明中，该柔性基板1和电极基板5均可采用柔性绝缘衬底材料制成，如pet、pi、pc、pu，或织物，从而使得该大面阵分离式压力传感器能够进一步用于制备各种柔性电子设备。

本发明，该柔性基板1上的压敏层厚度为2-10nm，其为通过丝网印刷将预先制备得到的水性导电浆料图形化印制在上述的柔性基板1得到的，且该水性导电浆料是采用色浆+调配剂的方案配置得到，从而提高力敏层的印刷适应性及电阻调控性，其中，该力敏层的电阻调控范围为10mω-10kω。

本发明中，该间隔层3是采用具有粘性的材料，如固体双面粘接胶或不干胶，制成的一具有镂空的5μm～200μm厚的粘合层，从而可将柔性基板1和电极基板5上下粘接并封装形成一个具有间隔层(即粘性材料形成的粘合层)的分离式压阻传感器，即在无压力作用下，由于间隔层和遂穿层的隔离，压敏阵列单元和电极阵列单元分离，即实现了压力传感单元的分离式结构，只有在压力作用下，压敏阵列单元才与其对应的电极阵列单元通过间隔层上的镂空相接触，，从而使得对力响应速度更快，灵敏度也更高，并且可通过调控该间隔层的厚度来调控器件的灵敏度和量程，使得器件的灵活性更高，适应范围也更广。

本发明中，上述的电子遂穿层是通过在压敏层表面和/或电极层表面印刷1～10nm厚的高介电常数的聚合物，如聚氨酯材料，或者硅胶，或者环氧树脂等得到；或者，通过氧气处理(如高温氧化或者氧气等离子体处理)在压敏层表面和/或电极层表面形成1～5nm厚的钝化层得到的。

本发明通过在压敏层和电极层之间设置间隔层和电子隧穿层，使得每个由电极阵列单元和压敏单元构成的压力传感单元实现了分离式结构，并且由于压敏阵列单元采用特制的水性导电浆料制成，使得本发明的大面阵分离式压力传感器无论是压力的测量范围，还是测量精度都进一步得到提高，也使得应用本发明压力传感器的各种电子设备的性能得到提高，参见图4中本发明的传感器应用于压力传感成像系统中的成像效果，及其与现有美国spi之间的性能对比表，参见图6。

下面结合具体实施例和附图对本发明的大面阵分离式压力传感器进行详细的说明。

实施例一

参见图1，为本发明的一种大面阵分离式压力传感器的一实施例的结构示意图，具体地，以传感单元(即阵列单元，其由压敏阵列单元和电极阵列单元形成)阵列数目为8×8的大面阵分离式压力传感器为例，其阵列单元尺寸为1mm×1mm，压敏层占空比为85％，器件的最大压力工作范围为100g，本实施例的该大面阵分离式压力传感器从上到下依次包括：

柔性基底1、间隔层3和柔性电极基板5，其中，该柔性基底1对应于间隔层3的下表面设置有由多个压敏阵列单元2形成的压敏层，该间隔层3上对应于间隔层3的上表面也设置有由多个电极阵列单元6形成的电极层，且每个电极阵列单元6与间隔层3上的镂空4一一对应，也即每个电极阵列单元6与每个压敏阵列单元2通过镂空4一一对应，即本实施例中，通过该间隔层3将压敏层的每个压敏阵列单元2与电极层的每个电极阵列单元6分离开来，以实现压敏层和电极层的分离式结构，从而当无压力时，电极阵列单元6的正负电极之间的电阻无穷大；而当有压力作用在对应于压敏阵列单元2上时，相应位置的压敏阵列单元2通过对应的镂空4与其下方的电极阵列单元6相接触，从而使得电阻阵列单元6的正负电极之间的电阻发生变化，且电阻随压力的增大而减小。

本实施例中，该柔性基板1采用pet制成，而电极基板5则采用fpc阵列电路，且该fpc阵列电路中的每个电极阵列单元6均采用叉指电极(对)。当然，该柔性fpc阵列电路的大小、电极阵列单元大小、叉指电极的电极对密度、叉指电极的叉指间隙可根据实际应用需求设计，而每个电极阵列单元的电性连接方式参见图5所示。

本实施例中，该间隔层3利用激光雕刻镂空5μm厚的oca胶得到，然后利用对准贴合设备将间隔层与柔性壁板1上的压敏层对准贴合；最后，利用ccd对准贴合设备将上述制备并处理好的电极层和压敏层通过oca粘接间隔层进行对位封装，获得分离式压力传感器阵列。当然，该间隔层也可采用丝网印刷不干胶的方式实现镂空化图形。

本实施例中，该压敏阵列单元为通过丝网印刷将预先制备得到的水性导电浆料图形化印制在pet柔性衬底上，然后在恒温烘箱中80℃固化1小时，获得pet衬底上的10μm厚的压敏层，其面电阻为20kω。

在一具体实施例中，为了获得分散性好的水性导电浆料，采用两步法进行该水性导电浆料的配置：首先，将水性丙烯酸酯乳液、水性分散剂、水性消泡剂、导电炭黑、去离子水、无水乙醇(重量比/质量比为45:5:0.5:20:30:10)通过机械搅拌与球磨搅拌相结合的方式使之分散均匀，获得炭黑色浆；然后，在印刷前，将炭黑色浆与水性聚氨酯树脂以1:1的比重进行互混，机械搅拌使之混合均匀。本实施例中，采用力水性导电浆料来制备压敏阵列单元(力敏阵列单元)，不仅绿色环保，低成本，而且由于采用了色浆+调配剂的方案来配置水性导电浆料提高压敏层的印刷适应性及电阻调控性。

进一步地，为了避免互混过程中气泡的产生，可以在此过程中加入0.5％的消泡剂。

当然，柔性基板1上的压敏阵列单元的形状、厚度和大小可根据实际应用需求进行设计，如该压敏阵列单元的形状可为矩形、圆形、三角形或其它任意几何形状，而该压敏层的厚度也可为2μm，或10μm。

下面结合等效电路图对本实施例的传感单元进行详细的说明。

参见图2，为本实施例中每个传感单元(包括压敏阵列单元和电极阵列单元/叉指电极)的等效电路图，具体地，根据运算放大器的两个输入端等电位的原理，每个传感单元的电阻由一下公式计算得出：

其中，r为压敏阵列单元的等效电阻，vcc为加在大面阵分离式压力传感器一端的激励电压，rf为运算放大器的反馈电阻，vout为运算放大器的输出电压。

基于上述的等效电路，本发明的大面阵分离式压力传感器的后端处理电路参见图3，其中，该大面阵分离式压力传感器的各行接数字模拟开关，列输出端与运算放大器相连，然后接入单片机(即mcu，其包括adc)，由单片机控制数字模拟开关的接通或断开，来实现行列选择；然后列输出信号经过运算放大器的放大后进入单片机的adc，经转换之后通过串口发送到pc，由pc上的上位机软件实现数据的存储、处理和显示。其中，运算放大器的放大倍数和放大级数(如两级或三级等)可根据实际应用需求进行灵活设计。

实施例二

本发明还提供了另外一种大面阵分离式压力传感器，其包括上述实施例一中的各个部件，不同的是，为了进一步降低阵列器件的行列信号串扰，本实施例的大面阵分离式压力传感器还在该压敏层和电极层之间设置了一电子隧穿层。

本实施例中，通过在压敏层表面/电极层表面印刷5nm厚的pdms(聚二甲基硅氧烷)作为聚合物电子隧穿层。当然，也可印刷3nm，或8nm，或10nm厚的pdms(聚二甲基硅氧烷)作为聚合物电子隧穿层。

在另一具体实施例中，采用高温氧化或者氧气等离子体处理的方式对压敏层和/或电极层进行氧化处理在压敏层和/或电极层表面形成的3nm或5nm的钝化层作为电子遂穿层。

本实施例中，通过在压敏层表面设置1～10nm厚的电子隧穿层，从而避免了空载短路。

实施例三

本实施例的该大面阵分离式压力传感器包括上述实施例二中的各个部件，不同的是：

本实施例的阵列数目为32×32，阵列单元尺寸为5mm×5mm，压敏区域的占空比75％，器件的最大压力工作范围为10kg。

本实施例中，该柔性基底1采用pi制成，柔性电极基板5则采用pet衬底，并通过丝网印刷银浆叉指电极获得。

当然，该电极阵列单元大小、电极阵列单元的电极对密度、叉指电极的叉指间隙可根据实际应用需求设计；相应地，pi薄膜上的压敏阵列单元的形状、厚度和大小可根据实际应用需求进行设计。

本实施例中，间隔层3为利用丝网印刷厚25μm的不干胶以实现镂空化间隔层，然后利用ccd对准贴合设备将该间隔层与pi上的压敏层对准贴合。

本实施例中，该电子遂穿层是利用印刷的方法在压敏层表面/电极层表面，即在压敏阵列单元表面/叉指电极层表面印刷厚7nm的聚氨酯得到。

本实施例中，该压敏阵列单元是通过丝网印刷将预先制备的水性导电浆料图形化印制在pi柔性衬底上，然后在恒温烘箱中80℃固化1小时，获得pi衬底上的7μm压敏层，其面电阻为100kω，制备该压敏阵列单元的水性导电浆料的配置方法包括：首先，将水性丙烯酸酯乳液、水性分散剂、水性消泡剂、导电炭黑、去离子水、无水乙醇(质量比/重量比为50:3:0.5:15:20:10)通过机械搅拌与球磨搅拌相结合的方式使之分散均匀，获得炭黑色浆；然后，在印刷前，将炭黑色浆与水性聚氨酯树脂以1:2的比重进行互混，机械搅拌使之混合均匀。

进一步地，为了避免互混过程中气泡的产生，可以在此过程中加入0.5％的消泡剂。

实施例四

本实施例的该大面阵分离式压力传感器包括上述实施例二中的各个部件，不同的是：

本实施例的阵列数目为64×8，阵列单元尺寸为2mm×3mm，压敏区域的占空比60％，器件的最大压力工作范围为20kg。

本实施例中，该电子遂穿层是利用等离子体氧化的方法将柔性基板1上的压敏层进行钝化处理得到的，钝化层的厚度为2nm。

本实施例中，间隔层是利用丝网印刷50μm厚的不干胶得到的，然后利用对准贴合设备实现间隔层与压敏层对准贴合。

本实施例中，该压敏阵列单元是通过将水性导电浆料图形化印制在pet柔性衬底上，在恒温烘箱中80℃固化1小时，获得pet衬底上5μm厚的压敏层，面电阻为400kω。其中，该水性导电浆料采用两步法进行浆料配置：首先，将水性丙烯酸酯乳液、水性分散剂、水性消泡剂、导电炭黑、去离子水、无水乙醇(比重为30:5:0.5:5:30:10)通过机械搅拌与球磨搅拌相结合的方式使之分散均匀，获得炭黑色浆；然后，在印刷前，将炭黑色浆与水性聚氨酯树脂以1:5的比重进行互混，机械搅拌使之混合均匀。为了避免互混过程中气泡的产生，可以在此过程中加入0.5％的消泡剂。

实施例五

本实施例的该大面阵分离式压力传感器包括上述实施例二中的各个部件，不同的是：

本实施例的阵列数目为128×128，阵列单元尺寸为2mm×2mm，压敏区域的占空比50％，器件的最大压力工作范围为50kg。

本实施例中，该电子遂穿层是利用等离子体氧化的方法将叉指电极层进行钝化处理，得到厚度为5nm的钝化层。

本实施例中，该间隔层是利用丝网印刷100μm厚的不干胶得到镂空化的间隔层，然后利用对准贴合设备实现间隔层与压敏层对准贴合。

本实施例中，该压敏阵列单元是通过丝网印刷将水性导电浆料图形化印制在pet柔性衬底上，在恒温烘箱中80℃固化1小时，获得pet衬底上的2μm厚压敏层，面电阻为1000kω。其中，该水性导电浆料采用两步法进行浆料配置：首先，将水性丙烯酸酯乳液、水性分散剂、水性消泡剂、导电炭黑、去离子水、无水乙醇(比重为40:5:1:10:30:0)通过机械搅拌与球磨搅拌相结合的方式使之分散均匀，获得炭黑色浆。然后，在印刷前，将炭黑色浆与水性聚氨酯树脂以1:10的比重进行互混，机械搅拌使之混合均匀。为了避免互混过程中气泡的产生，可以在此过程中加入2％的消泡剂。

实施例六

本发明还提供了一种水性导电浆料，其是以上述实施例一至五中任意一实施例中所记载的水性导电浆料的制备方法，即以质量比30-50：3-5:0.5-1:5-20:20-30:0-10将水性丙烯酸酯乳液、水性分散剂、水性消泡剂、导电炭黑、去离子水、无水乙醇通过机械搅拌与球磨搅拌相结合的方式使之分散均匀，获得炭黑色浆；然后以质量比为1:1-10将炭黑色浆与水性聚氨酯树脂以互混，并采用机械搅拌使之混合均匀，得到水性导电浆料。

进一步地，在炭黑色浆与水性聚氨酯树脂搅拌过程中，加入0.5％-2％的消泡剂。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。