一种高稳定性柔性压阻传感单元及其制备方法与流程

1.本发明属于柔性传感材料制备技术领域，具体涉及一种高稳定性柔性压阻传感单元及其制备方法。


背景技术：

2.压阻传感器因具有低成本、高灵敏度等特点，在电子皮肤、可穿戴医疗检测、运动监测等领域获得了越来越多的关注。传统的压阻传感器受限于封装手段以及压阻传感材料的限制，材料的灵敏度、线性度、重复性以及稳定性都限制了压阻传感器的发展。同时，许多种类的压阻传感器的形状相对规则、平整，工艺难度高，降低了生产效率。
3.采用复合导电材料制备的柔性压阻传感器，其可塑性好，延展性佳，但是这种柔性压阻传感器受限于工艺以及制备手法，稳定性欠佳。使用一段时间后，柔性压阻传感器的导电能力发生变化，致使其传感性能降低。


技术实现要素：

4.本发明是为了解决目前复合导电材料制备得到的柔性压阻传感器稳定性差，且使用一定时间后导电能力下降引发传感性能下降的问题，提供了一种高稳定性柔性压阻传感单元及其制备方法。
5.本发明采用如下技术方案：一种高稳定性柔性压阻传感单元，从上至下依次包括：第一柔性薄膜封装层、第一衬底层、导电传感材料层、第二衬底层和第二柔性薄膜封装层，所述导电传感材料层采用柔性基体中掺杂导电填料制成，所述导电填料为碳黑与多壁碳纳米管的混合物，所述碳黑与多壁碳纳米管的质量比为4:1-5:1，所述第一柔性薄膜封装层与第一衬底层一体成型，所述第二衬底层和第二柔性薄膜封装层一体成型，所述第一柔性薄膜封装层和第二柔性薄膜封装层的面积均大于导电传感材料层的面积。
6.进一步的，所述第一柔性薄膜封装层与第一衬底层材质不同，所述第二柔性薄膜封装层与第二衬底层的材质不同。
7.进一步的，所述第一柔性薄膜封装层和第二柔性薄膜封装层的材质为聚二甲基硅氧烷或橡胶。
8.进一步的，所述第一衬底层和第二衬底层的材质为聚酰亚胺、聚乙烯或聚酯树脂中的任一种。
9.进一步的，所述第一柔性薄膜封装层和第二柔性薄膜封装层的厚度小于等于0.2mm。
10.进一步的，所述柔性基体为聚二甲基硅氧烷或橡胶材质。
11.一种高稳定性柔性压阻传感单元的制备方法，包括如下步骤：（1）将第一衬底层、第二衬底层分别平铺置于加热台，在第一衬底表面涂覆第一柔性薄膜封装层材料，第二衬底层表面涂覆第二柔性薄膜封装层材料，加热固定成型，使第一柔性薄膜封装层与第一衬底层一体成型，第二柔性薄膜封装层与第二衬底层一体成型；
（2）根据压阻传感单元的形状规格，计算导电传感材料层的柔性基体质量，按质量比称取柔性基体各组分，混合搅拌均匀得到柔性基体溶液；（3）向柔性基体溶液中掺杂导电填料并充分搅拌得到导电传感材料溶液，其中导电填料的添加量为柔性基体质量的20%，所述导电填料为碳黑与多壁碳纳米管，所述碳黑与多壁碳纳米管的质量比为4:1-5:1；（4）在第二衬底层未与第二柔性薄膜封装层成型的一侧表面均匀喷涂步骤（3）制备得到的导电传感材料溶液，直至所有导电传感材料溶液喷涂完毕形成导电传感材料层；（5）迅速将第一衬底层未与第一柔性薄膜封装层成型的一侧覆盖至第二衬底层表面，在一定压力下于室温条件下固化20-24h，使第一柔性薄膜封装层、第二柔性薄膜封装层将导电传感材料包覆封装。
12.进一步的，所述步骤（2）中柔性基体为橡胶时各组分的质量比为硅橡胶：正硅酸乙酯：二月桂酸二丁基锡：二甲基硅油1:0.05:0.025:0.1。
13.进一步的，所述步骤（1）中加热固定成型时的加热温度为85-95℃，加热时间为8-12min。
14.进一步的，所述步骤（5）中固化时压力为800-1000kpa。
15.制备原理：本发明制备的柔性压阻传感单元，首先需要满足压阻传感材料可弯折，可延伸的特性，因此需要选择合适的柔性基体和导电填料。柔性基体的可延展性和弯折性决定了制备得到的柔性压阻传感单元的可延展性和可弯折性，同时柔性基体又需呈现生物惰性、化学稳定性以及电绝缘性，柔性基体的这些特征能够使导电填料有效地发挥作用。
16.导电填料含量越高，电阻越低，硬度上升，同时可延展性下降。碳黑粉末质量大，对柔性基体的可延展性影响较大，多壁碳纳米管质量小，导电能力强，导电填料选择碳黑与多壁碳纳米管混合，在提高导电能力的同时对柔性基体的可延展性破坏较小。
17.柔性薄膜封装层材料对导电传感材料不产生影响，同时能够保护导电传感材料不与外界发生接触，提高了导电传感材料的稳定性。
18.本发明的优点具体如下：（1）本发明制备方法简单，步骤易于操作，制备得到的压阻传感单元稳定性强，灵敏度好，柔性压阻传感单元在4周时间内压阻曲线的线性度仍大于0.99。
19.（2）本发明中第一衬底层与第一薄膜封装层、第二衬底层与第二薄膜封装层采用一体成型的方式成型后再对导电传导材料进行封装，提高了内部的导电传感材料的稳定性，延长了传感单元的使用寿命。
20.（3）本发明中的导电传感材料层采用柔性基体掺杂导电填料制成，柔性基体不仅能满足延展性和弯折性还能够满足导电能力的需求。
附图说明
21.图1为本发明柔性压阻传感单元的结构示意图。
22.图2为本发明实施例2中柔性压阻传感单元的压阻曲线图。
23.图3为本发明实施例2中柔性压阻传感单元的压阻曲线线性度图。
24.图4为本发明对比例中压阻传感单元的压阻曲线图。
25.图5为本发明中对比例中压阻传感单元的压阻曲线线性度图。
26.附图标记说明：第一柔性薄膜封装层1、第一衬底层2、导电传感材料层3、第二衬底层4、第二柔性薄膜封装层5。
具体实施方式
27.为了使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合具体附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
28.在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是本发明还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施例，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似推广，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。
29.本发明中碳黑粉末型号为vcx-72，外购于美国卡博特公司；本发明中的第一衬底层和第二衬底层外购于深圳英氏达公司；本发明中的pdms溶液外购于美国道康宁公司；本发明中的多壁碳纳米管外购于苏州恒球公司。
30.实施例1：柔性压阻传感单元：规格尺寸为50*25*1，单位：mm一种稳定性良好的柔性压阻传感单元的制备方法，包括如下步骤：（1）取聚酰亚胺材质的第一衬底层和第二衬底层，裁切至60*30mm2，取pdms溶液与固化剂按质量比为10:1混合均匀制备柔性薄膜封装层的原料，将第一衬底层、第二衬底层分别平铺置于加热台，在第一衬底表面和第二衬底层表面分别涂覆柔性薄膜封装层的原料，在加热台上以95℃加热8min，在第一衬底层表面一体成型制得第一柔性薄膜封装层，在第二衬底层表面一体成型制得第二柔性薄膜封装层，第一柔性薄膜封装层和第二柔性薄膜封装层的厚度为0.2mm；（2）选择硅橡胶作为柔性基体，柔性基体中各组分的比例为：硅橡胶：正硅酸乙酯：二月桂酸二丁基锡：二甲基硅油为1:0.05:0.025:0.1，碳黑与多壁碳纳米管为导电填料，所述碳黑与多壁碳纳米管的质量比为4:1，导电填料的质量为柔性基体质量的20%，将柔性基体各组分混合均匀后缓慢加入导电填料继续搅拌形成导电传感材料溶液；（3）将导电传感材料溶液使用喷头匀速喷涂至第二衬底层表面，直至导电传感材料溶液喷涂完毕，立即将第一衬底层覆盖至第二衬底表面，在1000kpa下室温固化24h，制备得到柔性压阻传感单元。
31.实施例2：柔性压阻传感单元：规格尺寸为50*25*1，单位：mm（1）取聚乙烯材质的第一衬底层和第二衬底层，裁切至60*30mm2，取pdms溶液与固化剂按质量比为10:1混合均匀制备柔性薄膜封装层的原料，将第一衬底层、第二衬底层分别平铺置于加热台，在第一衬底表面和第二衬底层表面分别涂覆柔性薄膜封装层的原料，在加热台上以90℃加热10min，在第一衬底层表面一体成型制得第一柔性薄膜封装层，在第二衬底层表面一体成型制得第二柔性薄膜封装层，第一柔性薄膜封装层和第二柔性薄膜封装层的厚度为0.1mm；（2）选择硅橡胶作为柔性基体，柔性基体中各组分的比例为：硅橡胶：正硅酸乙酯：二月桂酸二丁基锡：二甲基硅油为1:0.05:0.025:0.1，碳黑与多壁碳纳米管为导电填料，所
述碳黑与多壁碳纳米管的质量比为5:1，导电填料的质量为柔性基体质量的20%，将柔性基体各组分混合均匀后缓慢加入导电填料继续搅拌形成导电传感材料溶液；（3）将导电传感材料溶液使用喷头匀速喷涂至第二衬底层表面，直至导电传感材料溶液喷涂完毕，立即将第一衬底层覆盖至第二衬底表面，在第一柔性薄膜封装层表面施加压力1000kpa，于室温固化24h，制备得到柔性压阻传感单元。
32.实施例3：柔性压阻传感单元：规格尺寸为50*25*1，单位：mm；（1）取聚乙烯材质的第一衬底层和第二衬底层，裁切至60*30mm2，取pdms溶液与固化剂按质量比为10:1混合均匀制备柔性薄膜封装层的原料，将第一衬底层、第二衬底层分别平铺置于加热台，在第一衬底表面和第二衬底层表面分别涂覆柔性薄膜封装层的原料，在加热台上以85℃加热12min，在第一衬底层表面一体成型制得第一柔性薄膜封装层，在第二衬底层表面一体成型制得第二柔性薄膜封装层，第一柔性薄膜封装层和第二柔性薄膜封装层的厚度为0.2mm；（2）选择硅橡胶作为柔性基体，柔性基体中各组分的质量比为硅橡胶：正硅酸乙酯：二月桂酸二丁基锡：二甲基硅油=1:0.05:0.025:0.1，称量各组分材料混合搅拌，碳黑与多壁碳纳米管为导电填料，所述碳黑与多壁碳纳米管的质量比为5:1，导电填料的质量为柔性基体质量的20%，将柔性基体各组分混合均匀后缓慢加入导电填料继续搅拌形成导电传感材料溶液；（3）将导电传感材料溶液使用喷头匀速喷涂至第二衬底层表面，直至导电传感材料溶液喷涂完毕，立即将第一衬底层覆盖至第二衬底表面，在第一柔性薄膜封装层表面施加压力1200kpa，于室温固化24h，制备得到柔性压阻传感单元。
33.实施例4：柔性压阻传感单元：规格尺寸为50*25*1，单位：mm（1）取聚酯树脂材质的第一衬底层和第二衬底层，裁切至60*30mm2，取橡胶为柔性薄膜封装层的原料，将第一衬底层、第二衬底层分别平铺置于加热台，在第一衬底表面和第二衬底层表面分别涂覆柔性薄膜封装层的原料，在加热台上以90℃加热10min，在第一衬底层表面一体成型制得第一柔性薄膜封装层，在第二衬底层表面一体成型制得第二柔性薄膜封装层，第一柔性薄膜封装层和第二柔性薄膜封装层的厚度为0.2mm；（2）选择pdms硅橡胶作为柔性基体，碳黑与多壁碳纳米管为导电填料，所述碳黑与多壁碳纳米管的质量比为5:1，导电填料的质量为柔性基体质量的20%，将柔性基体各组分混合均匀后缓慢加入导电填料继续搅拌形成导电传感材料溶液；（3）将导电传感材料溶液使用喷头匀速喷涂至第二衬底层表面，直至导电传感材料溶液喷涂完毕，立即将第一衬底层覆盖至第二衬底表面，在第一柔性薄膜封装层表面施加压力800kpa，室温固化24h，制备得到柔性压阻传感单元。
34.对比例柔性压阻传感单元：规格尺寸为50*25*1，单位：mm；无柔性薄膜封装层。
35.（1）选择硅橡胶作为柔性基体，柔性基体中各组分的比例为：硅橡胶：正硅酸乙酯：二月桂酸二丁基锡：二甲基硅油为1:0.05:0.025:0.1，碳黑与多壁碳纳米管为导电填料，所述碳黑与多壁碳纳米管的质量比为5:1，导电填料的质量为柔性基体质量的20%，将柔性基
体各组分混合均匀后缓慢加入导电填料继续搅拌形成导电传感材料溶液；（2）在第二衬底表面均匀喷涂步骤（1）的导电传感材料溶液形成导电传感材料层，立即覆盖第一衬底，在一定压力下室温固化24h，制备得到柔性压阻传感单元。
36.选取本发明实施例二中制备得到的柔性压阻传感单元以及对比例中的压阻传感单元进行压阻性能测试，结果如图2-图5所示。柔性压阻传感器对稳定性以及压阻曲线的线性度有严格的要求。同等压力下，柔性压阻传感器电阻值的改变会严重影响测量压强的准确度。
37.图2为本发明制备的柔性压阻传感单元样品，进行压阻曲线测量的结果，横坐标代表其压强大小，纵坐标代表其电阻值。
38.由图2可知本发明制备得到的柔性压阻传感单元的压阻曲线在4周内均呈稳定状态。图3为该柔性压阻传感单元的压阻曲线线性度曲线图，压阻曲线线性度越接近1，压强与电阻值的关系拟合越准确，更有利于通过压阻曲线以及测量电阻值得到压强大小，也表明压阻特性越优秀，压阻特性优异更能满足制成柔性压阻传感器的需求，本发明制备得到的柔性压阻传感单元在4周时间内线性度均大于0.99，因此完全能够满足柔性压阻传感器的性能需求。
39.图4为对比例得到的压阻传感单元，由图4可知，未经柔性薄膜封装材料层封装的压阻传感单元的压阻曲线在2周后电阻整体变大，同等压强下阻值与第1周有明显差距，不利于柔性压阻传感器的长期使用。对比图5的压阻曲线性度，其长期线性度不稳定，在2周后线性度下降幅度大，仅管后续线性度有一定回升，但该压阻变化不能满足柔性压阻传感器的性能要求。