一种柔性压力传感器及阵列式压力检测装置的制作方法

1.本实用新型属于传感器设备技术领域，具体涉及一种柔性压力传感器及阵列式压力检测装置。


背景技术：

2.随着智能消费电子产品的应用和普及，传感器作为必不可缺的核心器件将对未来智能产品的设计和发展方向带来重要的影响。在某些特殊环境与特殊信号下针对气体、压力、湿度等这些被测量的范围、精度和稳定情况等各性能参数的期望值和理想化的要求逐步提高，传感器的应用需求也越来越高，对普通传感器提出了新的挑战。近年来随着柔性基质材料的发展，新型传感器的研发开始向能够满足柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等需求的方向发展。新型的柔性传感器结构形式灵活，具有较好的柔韧性和延展性能够根据不同的检测环境及条件进行布置，并且对复杂的被测量进行检测，可应用于医疗健康监测、运动监测、医疗复健康复、人机接口等新兴电子产品领域。
3.传统的压力传感器根据采用的感知元件及传感机理一般分为压阻式传感器、压电式传感器和电容式传感器，柔性压力传感器因柔性基材的性质较多为压阻式传感器和复合式传感器。在柔性基材的选择中，聚二甲基硅氧烷、聚偏氟乙烯、硅橡胶、聚酰亚胺等材料常作为柔性压力传感器的基底材料，具有较好的柔韧性、导电性及压阻特性。现有的柔性压力传感器在应用于阵列式检测环境中，因传感器结构和柔性基底材料的限制，其灵敏性和柔韧性不高，无法准确应用于柔性材料的检测环境中。


技术实现要素：

4.本实用新型的目的在于，针对如何克服上述现有技术存在的问题，提供一种柔性压力传感器，以及一种阵列式压力检测装置，该压力传感器均采用柔性材料实现，灵敏度高，柔韧轻便，可广泛应用于可穿戴领域内的压力检测。
5.为了实现上述目的，本实用新型采用的技术方案包括以下各方面。
6.一种柔性压力传感器，结构依次包括：第一电极层、第一可压缩电阻层、柔性导电高分子层、第二可压缩电阻层、第二电极层，所述第一电极层、第二电极层为导电织物，与外部测量电路连接，所述第一可压缩电阻层、第二可压缩电阻层为具有多个等间距凸起物的导电材料，该导电材料为柔性可压缩，所述柔性导电高分子层的电阻值恒定。
7.进一步的，所述第一电极层、第二电极层的厚度为0.01mm～0.1mm，第一可压缩电阻层、第二可压缩电阻层的厚度为0.01mm～0.1mm，柔性导电高分子层的厚度为0.02mm～0.1mm。
8.进一步的，所述第一可压缩电阻层、第二可压缩电阻层的凸起物之间的间距为0.01mm～0.5mm。
9.更进一步的，所述凸起物为导电织物或导电高分子材料。
10.更进一步的，所述第一可压缩电阻层、第二可压缩电阻层的凸起物的面积大小为
0.0001mm2～0.25mm2。
11.进一步的，所述导电高分子层的成分按照质量百分数比例包括：聚烯烃共聚物45～60％，导电填料30～45％，无机助剂2～4％，钛酸酯偶联剂4～6％，增塑剂0.8～2％，抗氧剂0.4～1.2％。
12.更进一步的，所述聚烯烃共聚物为聚丙烯和聚乙烯的共混物，共混比例为 1:1，导电填料为石墨、炭黑、碳纳米管中的任意一种或多种，优选采用炭黑实现。
13.进一步的，所述导电高分子层上下表面还设置了等间距的柔性隔离层，该隔离层为绝缘材料，厚度为0.01mm～0.1mm，导电高分子层同一侧的柔性隔离层之间的距离为2mm～10mm。
14.进一步的，所述第一电极层、第二电极层背离可压缩电阻层的外表面还设置了一保护层，该保护层为绝缘塑料薄膜或绝缘织物。
15.为了达到上述实用新型目的，本实用新型还提供一种采用上述柔性压力传感器的阵列式压力检测装置，包括，至少两个柔性压力传感器组成的传感器阵列、采集电路、控制电路、分析电路，所述采集电路与柔性压力传感器的第一电极层和第二电极层连接，控制电路对采集电路和分析电路进行控制，分析电路对采集到的数据信息进行分析，判定阵列式压力检测装置承受压力的位置。
16.综上所述，由于采用了上述技术方案，本实用新型至少具有以下有益效果：
17.本方案通过采用柔性材料构建特殊的压力传感器结构，使传感器能够适用于任意柔性环境中的压力检测，同时传感器材质轻便、灵敏度高、制作成本低，可广泛应用于可穿戴、医疗康复、汽车安全监测领域等。
附图说明
18.图1是根据本实用新型一实施例的一种柔性压力传感器的结构示意图。
19.图2是根据本实用新型一实施例的一种柔性压力传感器在按压时的结构示意图。
20.图3是根据本实用新型另一实施例的一种柔性压力传感器的结构示意图。
21.图4是根据本实用新型另一实施例的一种柔性压力传感器在按压时的结构示意图。
22.图5是根据本实用新型一实施例的一种柔性压力传感器的电阻和压力关系曲线图。
23.附图说明：
24.1-第一电极层，2-第二电极层，3-第一可压缩电阻层，4-第二可压缩电阻层， 5-柔性导电高分子层，6-凸起物，7-隔离层。
具体实施方式
25.下面结合附图及实施例，对本实用新型进行进一步详细说明，以使本实用新型的目的、技术方案及优点更加清楚明白。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
26.一种柔性压力传感器，如图1所示，结构依次包括：第一电极层1、第一可压缩电阻层3、柔性导电高分子层5、第二可压缩电阻层4、第二电极层2，所述第一电极层1、第二电极
层2为导电织物，与外部测量电路连接，所述第一可压缩电阻层2、第二可压缩电阻层3为具有多个等间距凸起物6的导电材料，该导电材料具有柔性可压缩性质，所述柔性导电高分子层5的电阻值恒定。
27.本实用新型通过采用柔性材料构建特殊的压力传感器结构，由传感器表面的电极层感知外部压力，电极层与柔性导电高分子层之间的可压缩电阻层随着外部压力产生形变，如图2所示，导致两电极层之间的电阻值发生变化，当外部压力越大，可压缩电阻层形变程度越大，电极层之间的电阻值越小，从而可根据第一电极层与第二电极层之间的电阻值变化判断外部压力的变化。
28.在本实用新型中所述第一电极层1、第二电极层2为现有技术中普通的导电织物，可以双面导电，也可为单面导电，当为单面导电织物材料时，导电面朝向可压缩电阻层，电极层的厚度一般为0.01mm～0.1mm；第一可压缩电阻层3、第二可压缩电阻层4均为柔性可压缩的导电材料，厚度为0.01mm～0.1mm，实际使用中可压缩电阻层可以和电极层为一体，也可以和导电高分子层为一体，通过特殊制备工艺在导电织物或者导电高分子材料表面形成等间距的凸起物6，成为电极层与导电高分子层之间可压缩形变的电阻层。其中，所述凸起物6之间的间距可以是为0.01mm～0.5mm，面积大小0.0001mm2～0.25mm2，形状可以是柱形、球形或锥形等。
29.所述柔性导电高分子层5为电阻值恒定的复合型导电高分子聚合物，其厚度为0.02mm～0.1mm。为了保证导电高分子层的柔性，在本实用新型中其成分按照质量百分数比例包括：聚烯烃共聚物45～60％，导电填料30～45％，无机助剂2～4％，钛酸酯偶联剂4～6％，增塑剂0.8～2％，抗氧剂0.4～1.2％。其中，聚烯烃共聚物为聚丙烯和聚乙烯的共混物，共混比例在1:3～3:1之间，可优选 1:1比例；导电填料选用石墨、炭黑、碳纳米管，在本实用新型中优选采用直径为10～50nm的炭黑作为导电填料。无机助剂的主要作用为提高导电高分子层的导电的稳定性，可采用现有技术通常使用的无机助剂填料，具体为碳酸钙，硫酸钡，云母，滑石等；增塑剂主要用于保证制备的聚合物的柔韧性，也可采用现有技术通常使用的增塑剂，具体为邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、磷酸三甲苯酯、磷酸三苯酯、氯化石蜡等；抗氧剂可选择采用有机硫化物类抗氧剂，如二硫代氨基甲酸盐类和硫醇基苯并咪唑等。在本实用新型中，导电高分子层通过采用上述成分比例，可在保证材料的柔性和韧性基础上，达到良好的导电率，并且在常温状态下对该导电高分子材料进行任意按压可保持电阻值不变。
30.另外，为了进一步提升传感器的灵敏度，所述导电高分子层5上下表面还设置了等间距的柔性隔离层7，如图3和图4所示，阻断了初始状态下可压缩电阻层与高分子电阻层的接触，提高初始检测的准确性和灵敏性。该隔离层7为绝缘材料，例如塑料决绝薄膜或绝缘织物，其厚度为0.01mm～0.1mm，位于导电高分子层同一侧的柔性隔离层之间的距离可以根据传感器的实际大小进行设置，可以为2mm～10mm。
31.由于电极层为导电织物时，特别是采用双面导电织物时，为了使用方便，所述第一电极层1、第二电极层2背离可压缩电阻层的外表面还设置了一保护层，该保护层为绝缘塑料薄膜或绝缘织物。
32.为了达到实用新型目的，本实用新型还提供一种制备上述柔性压力传感器的方法，步骤为：
33.s1、制备阻值恒定的导电高分子层；
34.s2、制备厚度为0.01mm～0.1mm，间距为0.01mm～0.5mm，面积大小为 0.0001mm2～0.25mm2的凸起物；
35.s3、平铺下层电极材料，再按照凸起物、导电高分子层、凸起物、上层电极材料的顺序依次平铺于下层电极材料之上，边缘封装，形成柔性压力传感器；
36.所述步骤s1导电高分子层的制备过程为：
37.s11、将45～60％聚烯烃共聚物原料加热至熔融状态，加入35～45％的导电填料，快速搅拌；
38.其中，所述聚烯烃共聚物为聚丙烯和聚乙烯的共聚物，共聚物的比例为1:3～ 3:1之间，优选采用1:1的共聚比例；熔融加热温度为170～210℃，共聚物的共混搅拌时间5～10min；导电填料选择炭系导电填料，可采用石墨、炭黑、碳纳米管中的任一种或多种，在本实用新型中优选采用直径为10～200nm的炭黑；加入导电填料后，对熔融状态下的共聚物快速搅拌，搅拌时间10～15min。
39.s12、依次加入无机助剂填料2～4％，钛酸酯偶联剂4～6％，增塑剂0.8～ 2％，抗氧剂0.4～1.2％，快速搅拌，搅拌时间1～2小时；
40.无机助剂可采用现有技术通常使用的无机助剂填料，具体为碳酸钙，硫酸钡，云母，滑石等；增塑剂也可采用现有技术通常使用的增塑剂，具体为邻苯二甲酸二丁酯、邻苯二甲酸二辛酯、磷酸三甲苯酯、磷酸三苯酯、氯化石蜡等；抗氧剂可选择采用有机硫化物类抗氧剂，如二硫代氨基甲酸盐类和硫醇基苯并咪唑等。
41.s13、将混合物倒入模具，冷却至室温，可静置1～2h，取出模具中的导电高分子层。
42.在上述步骤s13中，混合物的冷却方式可采用空气冷却和炉温慢火冷却两种方式，当采用炉温慢火冷却方式形成的导电高分子层的导电性更加稳定。炉温慢火冷却方式是现有技术常用的冷却方式，本实用新型在此不作赘述。另外，为了进一步提高导电高分子层的热稳定性，还包括对取出模具的导电高分子层进行后续热处理，将温度逐级升至100～120℃，持续1.5～3h，再随炉温缓慢冷却。
43.步骤s2中的凸起物的制备过程可以采用三种方式：
44.1、平铺导电织物，在表面通过激光雕刻形成凸起物；其中激光雕刻技术为成熟的加工技术，在此不作详细描述；
45.2、平铺步骤s1制备的导电高分子层，在上下表面通过激光雕刻形成凸起物；
46.3、通过导电胶将0.01mm～0.5mm宽度的导电纱线附着在电极材料表面，再用切割机切割成凸起物。
47.实施例1
48.11、将20g聚乙烯和聚丙烯共聚物加热至180℃成熔融状态，加入16g平均直径为50nm的炭黑，混合后搅拌，搅拌10min；
49.12、依次加入1.2g无机助剂碳酸钙、2.08g钛酸酯、0.4g邻苯二甲酸二辛酯， 0.32g亚磷酸酯类抗氧剂，持续快速搅拌，搅拌时间为1小时；
50.13、将混合物倒入方形模具，于室温中冷却固化，静置2h后，取出制备好的导电高分子层；
51.14、选择0.2mm厚度的双面导电织物，通过激光雕刻在其表面形成高度为 0.1mm，
面积为0.01mm2的柱形凸起物，凸起物之间的间隔为0.1mm；
52.15、将步骤14雕刻完成后的导电织物切割为面积大于步骤13中模具的方形材料；
53.16、平铺切割完成后的导电织物，具有凸起物的一面朝上，再将导电高分子材料平铺于导电织物中间，在导电织物表面(导电高分子材料未覆盖区域) 涂抹透明绝缘粘胶，将另一同等大小的导电织物具有凸起物的一面向下平铺于涂抹了粘胶的导电织物上，压紧，静止10min，得到本实用新型所述的柔性压力传感器。
54.将实施例1制备的柔性压力传感器置于压力测量环境中，得到电阻变化与所受压力值之间的变化关系如图5所示，通过该曲线关系可知压力越大传感器的电阻值越小，由此可通过测量压力传感器的电阻值数据检测传感器所有压力大小。
55.实施例2
56.11、将21g石墨粉导入装有适量丙酮的容器中，常温中混合搅拌90分钟，后置于风箱中去除丙酮；
57.12、取33g聚烯烃原料(此处按聚乙烯和聚丙烯原料按照1:1混合)加热至 190℃成熔融状态，持续搅拌30min；
58.13、将步骤11中处理完成的石墨加入至熔融状态的聚烯烃原料中，再一次加入1.8g无机助剂碳酸钙、3g钛酸酯、0.72g邻苯二甲酸二辛酯，0.4g抗氧剂，持续快速搅拌1.5小时；
59.14、将步骤13制得的混合物倒入方形模具(模具高度大于2mm)，于炉温中冷却，冷却至室温后，静置2小时；
60.15、取出模具中制备的导电高分子材料，通过激光雕刻在上下表面形成高度为0.05mm，面积为0.25mm2的锥形凸起物，凸起物之间的间隔为0.5mm；
61.16、取厚度为0.1mm的双面导电织物，切割为面积小于步骤14模具大小的方形；
62.17、取厚度为0.1mm的绝缘塑料pet，切割为面积等于步骤14模具大小的方形；
63.18、平铺切割完成后导电织物，将导电高分子材料置于两片导电织物中间，在上下导电织物表面覆盖绝缘塑料pet，用导线连接上下导电织物任一角引出，再用绝缘粘胶封装材料边缘，压紧，静止10min，得到本实用新型所述的柔性压力传感器。
64.将实施例2制备的柔性压力传感器通过导线连接到压力测量环境中，得到电阻变化与所受压力值之间的变化关系(部分数据)如下表1所示，通过该曲线关系可知压力越大传感器的电阻值越小，由此可通过测量压力传感器的电阻值数据检测传感器所有压力大小。
65.表1(施加压力单位：kg，测得电阻值单位：kω)
66.[0067][0068]
上述柔性压力传感器因其柔韧性和稳定性，可广泛应用于柔性环境的压力检测中，例如将本实用新型传感器应用于汽车座椅中，可检测座椅压力提高安全性；也可应用于医用床垫或儿童床垫中，对床垫承受的压力进行监测。因此，本实用新型还提供一种采用上述柔性压力传感器的阵列式压力检测装置，包括，柔性压力传感器阵列，采集电路，控制电路，分析电路，所述采集电路与柔性压力传感器的第一电极层和第二电极层连接，控制电路对采集电路和分析电路进行控制，分析电路对采集到的数据信息进行分析，判定阵列传感器承受压力的位置。其中采集电路采用现有技术常用的单点轮巡采集或多点轮巡采集方式对阵列式的压力传感数据进行采集，常用的轮巡电路一般采用多个模拟开关芯片对数据进行轮询采集，例如ad7501，cd4051，74hc4051等芯片。
[0069]
以上所述，仅为本实用新型具体实施方式的详细说明，而非对本实用新型的限制。
相关技术领域的技术人员在不脱离本实用新型的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本实用新型的保护范围之内。