一种柔性压力传感器及其制备方法与流程

1.本发明涉及压力传感器领域，具体涉及一种柔性压力传感器及其制备方法。


背景技术：

2.柔性压力传感器是一种能将压力转变为电学信号的柔性电子器件，可广泛应用于柔性触屏、人工智能、可穿戴电子、移动医疗等领域。
3.现有技术中具有以下结构的柔性压力传感器（例如中国发明专利申请号为201610882536.x的一种柔性压力传感器及其制作方法公开的柔细压力传感器）：柔性压力传感器包括相对的两个柔性衬底，两个柔性衬底相对的侧面上均设有多个凸出球，凸出球具有弹性并可发生弹性形变，凸出球的表面上设有导电层。
4.上述柔性压力传感器的检测原理为：当压力作用在其中的一个柔性衬底上时，两个柔性衬底相互靠近，两个柔性衬底上的两个凸出球相互接触挤压，两个柔性衬底上的凸出球表面的导电层相互接触。由于凸出球具有弹性，因此凸出球被挤压而发生变形，这样压力大小不同时，凸出球的挤压变形程度不同，两侧凸出球上的导电层的接触面积也不同，进而使该柔性压力传感器的电阻电流等特征参数发生相应改变，从而实现了对不同压力的检测。
5.但是，凸出球是凸出于柔性衬底表面，凸出球具有一定的弹性形变极限，当凸出球被挤压到极限时，此时凸出球就不能再被压缩而进一步发生形变，被压缩到极限的凸出球位于两个柔性衬底之间而对柔性衬底发生形变造成阻碍，此时虽然两个柔性衬底之间具有间隙，但是由于凸出球无法再压缩，故两个柔性衬底不会进一步靠近，压力传感器到达了对压力的检测极限，压力传感器无法再进一步检测较大的压力，从而使得压力传感器能够检测的压力最大值受限。
6.因此，上述结构的柔性压力传感器的检测范围较小，需要提高柔性压力传感器的检测范围。


技术实现要素：

7.本发明意在提供一种柔性压力传感器及其制备方法，相比背景技术中的柔性压力传感器，以提高柔性压力传感器能够检测的最大压力值。
8.为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种柔性压力传感器，包括第一衬底和位于第一衬底下方的第二衬底，第一衬底远离第二衬底的侧面上设有探针盒，探针盒的内部设有多个探针腔，每个探针腔中均滑动有探针，探针的底部穿过第一衬底而位于第一衬底和第二衬底之间；多个探针依次横向排列，从中间的探针到两侧的探针，探针的底部到第二衬底的距离依次逐渐变大；还包括第一电极片和第二电极片，第一电极片和探针电性连接，第二电极片位于第二衬底上表面并与探针的底部相对。
9.本方案的原理及优点是：本方案中的探针盒用于容纳探针，对探针进行限位，使得
探针位于第一衬底上不会发生倾倒，探针位于第一衬底上以及竖向滑动比较稳定。
10.本方案中的第一衬底和第二衬底相对设置，第二衬底用于感应压力，当第二衬底感应到压力后，第二衬底会形变而触碰探针的底部。作用在第二衬底上的压力不同，第二衬底向上发生形变的程度也不同，这样第二衬底会与不同数量的探针底部接触（压力越大，第二衬底向上发生的形变程度越大，第二衬底上的第二电极片会与越多的探针底部接触；相反，压力越小，第二衬底向上形变程度小，第二衬底上的第二电极片只能与距离较近的探针底部接触，第二衬底上的第二电极片与越少的探针底部接触），从而使得第二衬底上的第二电极片与探针的接触数量不同，通过第二电极片与不同数量的探针接触，实现了对不同压力的检测。
11.本方案中，第二衬底受到压力向上弯曲时，当探针底部受到第二衬底的挤压后，探针会向上滑动，从而使得探针不会阻碍第二衬底向上弯曲，直到第二衬底发生最大形变量为止，这样第二衬底可最大限度的弯曲，相比现有技术，探针不是固定在第一衬底上，探针不会对第二衬底向上移动造成阻碍，在压力足够大的情况下，第二衬底甚至可移动到第一衬底处并与所有的探针的底部接触，从而使得柔性压力传感器的最大压力检测值得以提高，进而提高了柔性压力传感器的检测范围。
12.本方案中的柔性压力传感器可应用在压力较大的使用场景中，例如应用在人工智能领域的工业机器人的一些夹爪、夹具上，由于能够检测的最大压力值较大，故能够尽可能的施加较大的夹持力，以保证零件能够被稳定夹持，同时施加的较大的夹持力能够被检测，以避免夹持力度过度而将零件夹坏。
13.优选的，作为一种改进，第一电极片位于探针盒的顶部，探针的顶端和第一电极片之间连接有导电丝。由此，通过导电丝将第一电极片和探针的顶部连接，实现了第一电极片和探针的电性连接。采用导电丝进行连接，导电丝能够弯曲，不会阻碍探针的滑动。
14.优选的，作为一种改进，导电丝为石墨烯纤维丝。导电丝采用石墨烯纤维丝，原因主要有两方面，一方面石墨烯具有良好的导电性，石墨烯纤维具备了石墨烯良好导电的性能，阻值小，能够提高压力传感器的灵敏度；另一方面，导电丝位于较小的探针腔中，需要具备较好的柔性，而石墨烯纤维丝具有较好的柔软度，能够发生任意形状的弯曲和形变，导电丝即便位于空间较小的探针腔中，也易于弯曲，对探针的竖向滑动影响非常小。因此，本方案中的导电丝兼顾了柔性和导电性。而采用其他材质的导电丝，例如金属材质的导电丝，虽然也能够导电，但是金属材质的柔性没有纤维好。
15.优选的，作为一种改进，探针盒的顶部设有磁性层，探针的顶端具有磁性，探针顶端的磁性和磁性层的磁性相同。由此，探针的顶部和磁性层之间存在弱排斥力，当第二衬底上的压力消失后，探针受到向下的排斥力，从而辅助探针向下移动复位。
16.优选的，作为一种改进，第一衬底和第二衬底之间连接有垫片。垫片的设置用于使得第一衬底和第二衬底之间具有间隙，从而能够容纳探针的底端。
17.优选的，作为一种改进，探针盒包括盒体以及位于盒体顶部的盒盖，盒盖顶部设有线孔，盒盖的顶部固定连接有第一电极片，导电丝的顶部穿过线孔和第一电极片连接。由此，线孔的设置便于使导电丝穿过盒盖而能够与第一电极片连接。本方案中的盒盖和盒体分开设置，而不是一体设置，是考虑到制备操作便利性，这样便于探针穿入到探针盒的探针腔中以及导电丝穿过线孔。
18.优选的，作为一种改进，多个探针的顶部齐平。由此，探针的顶部齐平，此时选用不同长度的探针，就可使得探针的底部到第二衬底的距离不同。同时探针的顶部齐平，探针顶部到探针盒顶部距离相同，探针的顶端和第一电极片之间可采用相同长度的导电丝进行连接。
19.为达到上述目的，本发明还采用如下技术方案：一种柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：步骤1，制备第一衬底：将柔性材料填充到制备第一衬底的模具的腔室中而成型第一衬底，在第一衬底上采用激光打孔的方式打出多个针孔；步骤2，制备第二衬底：将柔性材料填充到制备第二衬底的模具的腔室中而成型第二衬底，在第二衬底表面中部涂覆第二电极片；步骤3，制备探针盒以及探针：将柔性材料填充到制备探针盒的模具的腔室中而成型探针盒，在探针盒上采用激光打孔的方式打出多个探针腔；步骤4，制备探针：取相同长度的金属针，采用激光切割的方式对金属针进行切割，切割出长短不一的探针；步骤5，组合：将探针盒、第一衬底和第二衬底按照从上到下的顺序依次进行固定复合，探针盒上的探针腔和第一衬底上的针孔相对；然后将多个探针的顶部均电性连接第一电极片，探针和第一电极片连接后，将多个探针依次插入到探针腔中，使多个探针的顶部齐平；多个探针的排列方式为：从中间的探针到两侧的探针，探针的底部和第二衬底之间的距离逐渐变大。
20.由此，通过本制备方法，便可制备出本技术结构的柔性压力传感器，经检索，现有技术中没有公开此结构的柔性压力传感器，更没有公开此结构的柔性压力传感器的制备方法，故制备方法具有创造性，也进行专利保护。优选的，作为一种改进，步骤1-步骤4中的任意两个步骤进行互换。由此，步骤1-步骤4的顺序不唯一，其中的任意两个步骤可进行互换。
21.优选的，作为一种改进，第一电极片和探针之间连接有导电丝，导电丝为石墨烯纤维丝。
附图说明
22.图1为本发明实施例的柔性压力传感器的竖向剖视结构示意图。
具体实施方式
23.下面通过具体实施方式进一步详细说明：说明书附图中的附图标记包括：第一衬底1、垫片2、第二衬底3、第二电极片4、盒体5、盒盖6、磁性层7、第一电极片8、探针9、导电丝10、探针腔11。
24.实施例1基本如附图1所示：一种柔性压力传感器，包括第一衬底1和位于第一衬底1下方的第二衬底3，第一衬底1和第二衬底3之间连接(第一衬底1、垫片2和第二衬底3三者不是一体时，连接方式优选为粘接，当第一衬底1、第二衬底3和垫片2为相同材质时，三者可以是一体成型方式)有垫片2，垫片2的设置使得第一衬底1和第二衬底3之间具有间隙。第一衬底1、第二衬底3和垫片2均具有柔性，第一衬底1、第二衬底3和垫片2的材料均选自聚二甲基硅氧
烷、聚乙烯醇、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、丁苯橡胶、聚氨酯类弹性体、聚烯烃类弹性体和聚酰胺类弹性体等中的任意一种。本实施例中的第一衬底1、第二衬底3和垫片2的材质相同，优选为聚二甲基硅氧烷。
25.第一衬底1远离第二衬底3的侧面上设有(一体成型或者粘接)探针盒，探针盒的材质和第一衬底1的材质相同，探针盒的内部设有多个探针腔11，每个探针腔11中均竖向滑动有探针9，本实施例中的探针9为金属材质，第一衬底1上设有多个针孔，针孔和探针腔11相对，探针9的底部穿过第一衬底1上的针孔而位于第一衬底1和第二衬底3之间。多个探针9依次横向排列，多个探针9的顶部齐平，结合图1所示，为了便于说明和理解，本实施例以11个探针9为例(实际制作时，可设置更多的探针9以提高压力传感器的灵敏度)，从中间的探针9到两侧的探针9，探针9的底部到第二衬底3的距离依次逐渐变大，也就是从中间的探针9到两侧的探针9，探针9的长度逐渐变短。
26.本实施例中的探针盒包括盒体5以及位于盒体5顶部的盒盖6，盒盖6上设有多个线孔，线孔的孔径小于探针腔11的孔径，盒盖6的顶部侧面上覆有第一电极片8，第一电极片8和探针9的顶端之间连接有导电丝10，导电丝10穿过线孔，导电丝10位于探针腔11中，本实施例中的导电丝10为石墨烯纤维丝，石墨烯纤维丝为丝状，石墨烯纤维丝为石墨烯纤织成，石墨烯纤维为现有技术，在此不再赘述，例如专利公告号为cn103388197b公开的一种石墨烯纤维的制备方法，再如专利公告号为cn103966844b的一种石墨烯导电复合纤维的制备方法。导电丝之所以选用石墨烯纤维材质制成，是因为石墨烯纤维电导率高且有较高的柔性，在柔性电子产品、传感器等领域能够应用。
27.第二衬底3的上表面中部覆有第二电极片4，第二电极片4与探针9的底部相对。第一电极片8和第二电极片4材料选自金、银、铝、铜、镍、碳的任意一种。
28.本实施例中第一衬底1和第二衬底3的厚度为0.01mm-1mm之间，优选为0.5mm，垫片2的厚度为0.1mm-1mm，优选为1mm。探针盒的盒体5的高度为1-3mm，本实施例中优选为2mm。从中间的探针9到两侧的探针9长度依次为2mm、1.84mm、1.68mm、1.52mm、1.36mm、1.2mm。当然，对于各个部位的尺寸参数，根据实际压力传感器的大小不同而不同。
29.本实施例中还公开了一种柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：步骤1，制备第一衬底1：将柔性材料填充到制备第一衬底1的模具的腔室中而成型第一衬底1，在第一衬底1上采用激光打孔的方式打出多个针孔，针孔的直径为0.15mm。
30.步骤2，制备第二衬底3：将柔性材料填充到制备第二衬底3的模具的腔室中而成型第二衬底3，在第二衬底3表面上中部连接设置第二电极片4，第二电极片4通过粘接的方式固定在第二衬底3的上表面。
31.步骤3，制备探针盒以及探针9：将柔性材料填充到制备探针盒的模具的腔室中而成型探针盒，探针盒包括盒体5以及盒盖6，在盒体5上采用激光打孔的方式打出多个探针腔11，本实施例中的探针腔11的数量为11个，探针腔11的直径为0.15mm。在盒盖6上采用激光打孔的方式打出线孔，线孔的孔径比探针腔11的孔径小，导电丝10的直径小于线孔的直径。
32.步骤4，制备探针9：取相同长度的金属针，使多个金属针的一端齐平，并采用激光切割的方式对多个金属针的另一端进行统一切割，切割出长短不一的探针9。在探针9齐平的一段上连接上导电丝10。
33.步骤5，组合：将盒体5、第一衬底1、垫片2和第二衬底3按照从上到下的顺序依次进
行固定复合(若盒体5、第一衬底1、垫片2和第二衬底3一体成型，无需进行复合固定，若探针盒、第一衬底1、垫片2和第二衬底3不是一体成型，可采用粘接的方式进行复合固定)，盒体5上的探针腔11和第一衬底1上的针孔相对。
34.然后将多个探针9的顶部的导电丝10穿过盒盖6上的线孔，在盒盖6的顶部粘附第一电极片8，并将导电丝10的顶部锡焊在第一电极片8上。
35.然后将多个探针9依次插入到探针腔11中，盒体5中的多个探针9的顶部齐平；多个探针9的排列方式为：从中间的探针9到两侧的探针9，探针9的底部和第二衬底3之间的距离逐渐变大。
36.最后将盒盖6和盒体5的顶部进行粘接固定。
37.本实施例中第二衬底3用于感应压力，当第二衬底3感应到向上的压力后，第二衬底3会触碰探针9的底部并推动探针9向上移动，第二电极片4和探针9底部接触，电信号就会在第二电极片4、探针9、导电丝10和第一电极片8之间传递而对压力进行检测。当压力消失后，第二衬底3向下恢复形变，探针9在重力的作用下向下移动而复位。探针9在导电丝10的拉动限位作用下，使得探针9不会向下脱离而掉落到第二电极片4上。
38.作用在第二衬底3上的压力不同，第二衬底3向上发生形变的程度也不同，这样第二衬底3上的第二电极片4会与不同数量的探针9底部接触。例如当压力较小时，第二衬底3向上弯曲的程度较小，第二衬底3仅仅触碰中间的探针9的底部，当压力增大后，第二衬底3向上弯曲的程度变大，第二衬底3会触碰中间的探针9后，继续向上发生形变，而推动中间的探针9向上移动，第二衬底3会触碰到中间探针9两侧的其他探针9的底部，这样压力越大，第二衬底3向上发生的形变程度越大，第二衬底3上的第二电极片4会与越多的探针9底部接触，相反，压力越小，第二衬底3上的第二电极片4只能与距离较近的探针9底部接触，第二衬底3上的第二电极片4与越少的探针9底部接触。这样使得第二衬底3上的第二电极片4与探针9的接触数量不同，通过第二电极片4与不同数量的探针9接触，实现了对不同压力的检测。
39.本实施例中，由于当探针9底部受到第二衬底3的挤压后，探针9会向上滑动，从而使得探针9不会阻碍第二衬底3向上弯曲，第二衬底3根据施加的压力可最大限度的向上弯曲，相比现有技术，探针9不是固定在第一衬底1上，探针9不会对第二衬底3向上移动造成阻碍，在压力足够大的情况下，第二衬底3甚至可移动到第一衬底1处并与所有的探针9的底部接触，从而使得柔性压力传感器的最大压力检测值得以提高，进而提高了柔性压力传感器的检测范围。
40.由此，根据本实施例中压力传感器的工作原理可知，探针9的数量越多，每个探针9之间的长度差值就会越小，压力传感器的精度就越大，故在实际应用时，可根据实际的精读需求，设置不同数量的探针9，例如设置20根、30根、40根等等。
41.另外，根据实际情况，还可增大第一衬底1和第二衬底3的之间的距离，以及增大探针9的数量，从而进一步提高柔性传感器的最大检测值。
42.实施例2结合图1所示，本实施例中的盒盖6的底部设有磁性层7，探针9的顶端具有磁性，探针9顶端的磁性和磁性层7的磁性相同。这样当第二衬底3上的压力消失后，探针9的顶端和磁性层7之间具有弱斥力，弱排斥力可辅助探针9向下移动而复位。
43.以上所述的仅是本发明的实施例，方案中公知的具体技术方案和/或特性等常识在此未作过多描述。应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明技术方案的前提下，还可以作出若干变形和改进，这些也应该视为本发明的保护范围，这些都不会影响本发明实施的效果和专利的实用性。本技术要求的保护范围应当以其权利要求的内容为准，说明书中的具体实施方式等记载可以用于解释权利要求的内容。