一种透明电阻式压力传感器及应用的制作方法

本发明涉及电阻式压力传感器技术领域，特别是涉及一种透明电阻式压力传感器及应用。

背景技术：

触摸面板是一种输入设备，其允许用户通过与面板设备的物理接触来输入信息。触摸面板通常用作各种产品的输入设备，例如家用电器，电视，笔记本计算机和监视器以及便携式电子设备，例如笔记本电脑，电子书，便携式多媒体播放器，全球定位系统导航单元，超级移动电脑，智能手机，智能手表，平板电脑，和移动通信终端。

最常用的触控面板技术可分为电容式和电阻式两种。传统的电容式触控面板以感应触控位置著称，但缺乏准确检测设备上所施加压力的能力。基于电阻的触控板可以提供有关施加压力的信息。然而，大多数基于电阻的设备在轻微的触摸时并没有表现出很高的灵敏度，这在很大程度上影响了作为触摸屏使用时的用户体验。

最常见的电阻式压力传感器基于导电压敏复合材料来实现压力响应。其压力检测精确性随施加压力增加而降低。这限制了其在复杂手势和指令方面的应用。并且大多数导电压敏复合材料缺乏高光学透明度，和/或在反复变形中缺乏长期耐久性。这限制了其在视觉显示产品中的应用。

cn101525469b发明专利公开力敏环氧树脂基复合材料，该复合材料对力敏灵敏度高，脆性小，形变能力强，但是其透光率不佳限制了其在视觉产品领域的应用。

技术实现要素：

本发明的第一目的在于提供一种透明电阻式压力传感器，该发明压力敏感，使用耐久性好。

为解决此技术问题，本发明的技术方案是：一种透明电阻式压力传感器,包括相对设置的压力基板和支撑基板，压力基板和支撑基板之间均匀分布有多个相互分离的压敏单元；

所述压敏单元包括压敏膜，压敏膜包括光学透明的弹性聚合物和导电纳米粒子；

纳米粒子分布于弹性聚合物的表面和内部呈网状，并至少形成一条导电通道;

所述压敏单元受到压力基板一侧施加的压力时发生形变引起电阻变化，当压力基板一侧的压力撤销时，压敏单元的电阻和形状恢复至初始状态。

进一步改进，所述压力基板一侧设有条状绝缘间隔设置的第一电极，所述支撑基板一侧设有条状绝缘间隔设置的第二电极；

第一电极和第二电极相交设置；

其中一条第一电极和一条第二电极相互重叠的区域设置有压敏膜形成压敏单元；

压敏膜受压时发生弹性形变引起电阻变化，未受压时，压敏膜形状恢复至初始态引起电阻恢复至初始态。

进一步改进，所述压敏膜位于其所在压敏单元的第一电极和第二电极之间；

未受压力时，压敏膜的两侧分别与第一电极和第二电极接触。

本发明制得的电阻式压力传感器始终处于导通的状态，压力敏感度高。

进一步改进，所述压敏膜位于其所在压敏单元的第二电极表面；

未受压力时，压敏膜与第一电极之间有绝缘间隙。

本发明在未受到压力时，第一电极和第二电极之间无电信号，此状态几乎无耗能。当压力基板受力超过轻触阈值（≤0.2n），第一电极和第二电极之间形成闭合回路，压力传感器被激活并开始感应。此装置可避免传感器误触，并可被用于需要精确控制的触控板，如重型机械控制面板或车载控制面板等。

进一步改进，所述压力基板和支撑基板相对的两侧分别设有条状绝缘间隔设置的压敏膜；位于所述压力基板一侧的压敏膜和位于所述支撑基板一侧的压敏膜相交设置；每一条压力基板一侧的压敏膜和一条支撑基板一侧的压敏膜相互重叠形成所述压敏单元；

压敏膜受压时发生弹性形变引起电阻变化，未受压时，压敏膜形状恢复至初始态引起电阻恢复至初始态。

本发明利用压敏膜直接作为电极材料，所得压力传感器结构简单，光学透明度更高。

进一步改进，压力基板一侧未受压力时，所述压力基板一侧的压敏膜和所述支撑基板一侧的压敏膜之间有绝缘间隙。

本发明在未受到压力时，第一电极和第二电极之间无电信号，此状态几乎无耗能。当压力基板受力超过轻触阈值（≤0.2n），第一电极和第二电极之间形成闭合回路，压力传感器被激活并开始感应。此装置可避免传感器误触，并可被用于需要精确控制的触控板，如重型机械控制面板或车载控制面板等。

进一步改进，至少一个压敏单元的边缘设有支撑件。

优选所述压敏膜包括光学透明的弹性聚合物和导电纳米粒子；

纳米粒子分布于弹性聚合物的表面和内部呈网状，并至少形成一条导电通道。在弹性聚合物中有效分布有导电的三维纳米离子网结构，随着压力的变化三维纳米粒子网结构的导通发生变化形成压力敏感，同时还保持高光学透明度。

本发明中所述导电纳米粒子与弹性聚合物的质量比为0.05wt%至2wt%；导电纳米粒子质量占比越大，透光率越低；质量占比过小则有可能不会形成导电通道。

所述导电纳米粒子为导电纳米线或者导电纳米管。

本发明中压敏膜中还包括黏附促进化合物；黏附促进化合物占弹性聚合物的比重为1wt%-15wt%；

所述黏附促进化合物包括：

甲基丙烯酸酯、丙烯酸酯、环氧化合物或苯乙烯中的一种或者几种；

以及羧酸、胺、乙醇、硫醇、硅烷和芳族基中的一种或者几种。

本发明中通过增加黏附促进化合物有效提升弹性聚合物和导电纳米粒子之间的结合力，有效提高本发明的耐久性。

优选所述弹性聚合物的储存模量为10至10000kpa。本发明弹性聚合物模量越小对压力越敏感，但同时回复力度也越小，即压力撤去后复合材料的形状及电阻回复至原来的状态。

本发明的第二目的在于提供将透明电阻式压力传感器应用于多点触摸检测硬件和软件的电子系统，检测和处理在同一时间不同位置发生的多点触摸和分别施加的压力。

通过采用上述技术方案，本发明的有益效果是：

本发明中透明电阻式压力传感器光学透明度高，压力基板一侧的压力敏感，能将感受的压力通过外部电路转化为可测量的电阻值，对压力敏感测量；

本发明使用长期耐久，仍能保持较高的灵敏度；

本发明还可通过与常规触摸面板电子系统结合并与之一起使用以更精准地测量力，还能够配置为同时识别多个触摸位置。

从而实现本发明的上述目的。

附图说明

图1是本发明涉及的一种透明电阻式压敏传感器的分层结构示意图；

图2是本发明涉及的一种透明电阻式压敏传感器的立体图；

图3是本发明实施例1中一个压敏单元内的压力响应原理；

图4是实施例1的压力-电阻曲线图；

图5是实施例1在可见光范围内的光学透射率曲线；

图6是实施例2中一个压敏单元内的压力响应原理；

图7是实施例2的压力-电阻曲线图；

图8是实施例3中一个压敏单元内的压力响应原理；

图9是实施例3的压力-电阻曲线图；

图10是本发明中压敏膜立体结构示意图；

图11是本发明耐久性曲线。

图中：

压力基板1；支撑基板2；第一电极3；第二电极4；压敏膜5；导电聚合物51；导电纳米粒子52；保护涂层6；支撑件7。

具体实施方式

为了进一步解释本发明的技术方案，下面通过具体实施例来对本发明进行详细阐述。

实施例1

本实施例公开一种透明电阻式压力传感器，如图1至3所示，包括相对设置的压力基板1和支撑基板2，压力基板1和支撑基板2之间均匀分布有多个相互分离的压敏单元；所述压敏单元受到压力基板1一侧施加的压力时发生形变引起电阻变化，当压力基板1一侧的压力撤销时，压敏单元的电阻和形状恢复至初始状态。

所述压力基板1一侧设有条状绝缘间隔设置的第一电极3，所述支撑基板2一侧设有条状绝缘间隔设置的第二电极4；第一电极3和第二电极4正交设置；其中一条第一电极3和一条第二电极4相互重叠的区域设置有压敏膜5形成压敏单元；压敏膜5受压时发生弹性形变引起电阻变化，未受压时，压敏膜5形状恢复至初始态引起电阻恢复至初始态。

本实施例中所述压敏膜5位于其所在压敏单元的第一电极3和第二电极4之间；未受压力时，压敏膜5的两侧分别与第一电极3和第二电极4接触。

本实施例中所述压敏膜5包括光学透明的弹性聚合物51和导电纳米粒子52，如银纳米线；纳米粒子分布于弹性聚合物51的表面和内部呈网状，并至少形成一条导电通道。

本实施例中所述弹性聚合物51的储存模量为10至1000kpa。

根据图3所示，压敏单元内第一电极3、压敏膜5和第二电极4形成“三明治”结构。在没有施加外力的情况下，压敏膜5未受到挤压，三维纳米线网中仅有少量贯通导电通道，其导电率较低。同一个压敏单元中的第一电极3和第二电极4之间可测得的电阻较大。在力的作用下（例如用户通过手指按压压力基板1），压敏膜5受到挤压，三维纳米线网结构发生改变，纳米线之间的距离变小，更多的贯通导电通道形成，其导电率增加。第一电极3和第二电极4之间可测得的电阻减小。施加的力越大，压敏膜5形变越大，纳米线之间的距离越小，可检测到的电阻越小，从而实现压力感应。需要注意的是，三维纳米线网的蓬松多孔结构以及弹性聚合物51材料的低储存模量赋予了压敏膜5高敏感度和宽测量范围的特性。

本实施例的压力传感器的压力敏感性和可见光范围内的穿透率详见图4和图5所示。还针对本实施例的耐久性进行检测获得耐久性曲线如图11，具体测试的方法为使压敏复合材料反复发生形变至厚度形变为原来的一半并恢复原状，同时记录多次形变并恢复后材料的电阻变化，电阻变化稳定可视为耐久性好。通过图11可知本实施例耐久性良好。

本实施例中透明电阻式压力传感器应用于多点触摸检测硬件和软件的电子系统，检测和处理在同一时间不同位置发生的多点触摸和分别施加的压力。

本实施例中压力基板1和支撑基板2可以包括但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet），聚萘二甲酸乙二醇酯（pen），无色聚酰亚胺（cpi），聚碳酸酯（pc），聚甲基丙烯酸甲酯（pmma），聚苯乙烯（ps），聚醚砜（pes），聚降冰片烯（pnb），或玻璃，该材料对于可见光波长的光基本上是透明的。压力基板1和支撑基板2的厚度为0.05-2mm。压力基板1在压力接收侧涂有保护涂层6，并且具有支撑基板2向侧。在压力基板1的支撑基板2向侧有第一电极3。压力基板1、保护涂层6和第一电极3可以对光学波长的光是透明的。第一电极3由在x-y平面上相互平行的导电路径组成，所述相邻两个导电路径之间有绝缘间隙。导电路径的宽为1-10mm，厚度不超过200nm，相邻两个导电路径之间有绝缘间隙宽为0.1-0.5mm。该支撑基板2的压力面板面向侧有第二电极4、压敏膜5和连接件。支撑基板2、第二电极4和压敏膜5可以对光学波长的光是透明的。压敏膜5的厚度为0.05-1mm。第二电极4由在x-y平面上相互平行的导电路径组成，所述相邻两个导电路径之间有绝缘间隙。导电路径的宽为1-10mm，厚度不超过200nm，相邻两个导电路径之间有绝缘间隙宽为0.1-0.5mm。第一电极3的导电路径和第二电极4的导电路径正交取向。一条第一电极3和一条第二电极4在x-y平面上重叠的部分被定义为压敏单元。电极层由导电材料组成，可以包括但不限于氧化铟锡（ito），氧化铟锌（izo），氧化铟锡锌（itzo），聚（3,4-乙撑二氧噻吩）聚苯乙烯磺酸盐（pedot：pss），碳纳米颗粒，碳纳米管，石墨烯，金属纳米颗粒，金属纳米线（例如银纳米线（agnw）），金属纳米网格，金属网，导电聚合物纳米颗粒，导电聚合物纳米孔网络或其混合物，该材料对于可见光波长的光基本上是透明的。连接件沿着支撑基板2的外缘，用于将压力基板1和支撑基板2连接在一起。压敏膜5在第二电极4表面并分布在压敏单元中，形成压敏单元矩阵。在一些情况下，压力基板1和支撑基板2之间有支撑物，在复合材料和第一电极3之间形成绝缘空间。第一电极3和第二电极4可通过但不限于夹缝式涂布（slot-diecoating），喷涂（spraycoating），迈耶棒涂布（meyerrodcoating），刀片涂布（bladecoating），丝网印刷（screenprinting），喷墨印刷（ink-jetprinting），转印（stamping）等方式直接涂布在压力基板1和支撑基板2上。

如图10所示，压敏膜5由导电纳米粒子52和弹性聚合物51组成。导电纳米粒子52是导电的并包括但不限于：金属如银、铜、铝、金、镍、不锈钢或铂的纳米线；导电聚合物如聚吡咯、聚苯胺、聚噻吩、聚(3-甲硫基噻吩)、聚(3，4-乙硫基噻吩)的纳米线或纳米管；以及陶瓷导体如掺杂氧化铟的氧化锡的纳米线或纳米管，或其混合物。弹性聚合物51由可聚合单体聚合而成。所述可聚合单体可以是液体分子，例如丙烯酸酯、甲基丙烯酸酯、甲基烯酸脂、丙烯酸、甲基丙烯酸、丙烯酰胺、甲基丙烯酰胺、甲基苯乙烯、各种环氧化合物或其混合物。

本实施例中压敏膜5合成包括首先将导电纳米颗粒52（如纳米线或纳米管）的悬浮液涂布到光滑的合成基底表面上以形成三维纳米线网悬浮液层。悬浮液的涂布方法包括但不限于滴铸，旋涂，喷涂，丝网印刷，喷墨印刷，meyer杆（meyerrod）或刮刀涂布等方式。随后将纳米悬浮液冻干（freeze-dry）以去除溶剂，留下三维纳米线网。冷冻干燥，又称冻干或低温干燥，是一种低温脱水工艺，包括冻结悬浮液，降低压力，然后通过升华去除溶剂。这与大多数传统方法利用热能蒸发溶剂的脱水过程不同。冻干的方式可使得悬浮液溶剂升华的同时保留多孔的三维纳米线网结构，从而得到高透明度的纳米线网层。普通的溶剂蒸发会使得纳米线的多孔网络结构坍塌，从而导致压力敏感特性和光学透明度的下降。三维纳米线网可选择地进行退火，以进一步融合（如电耦合）纳米线，并形成导电材料的实质性网络。用于分散纳米线以形成悬浮液的溶剂为可挥发性溶剂，包括但不限于水，甲醇，乙醇等可挥发醇类，二甲醚，乙醚等可挥发醚类，四氢呋喃，二恶烷，丙酮，甲基乙基酮等可挥发酮类，乙酸乙酯，乙酸正丙酯等可挥发酯类，或其混合物。接着，将至少一种弹性聚合物51的前驱体（即可聚合单体）沉积在三维纳米线网之上。由于是液态，前驱体渗入三维纳米线网中。通过uv或加热等方式在原处聚合以形成压敏膜5，所述复合材料可从合成基底上揭下。在一个实施方式中，将可选的黏附促进化合物添加至所述可聚合单体中以增强聚合物与三维纳米线网的粘接。黏附促进化合物包括但不限于至少一个从甲基丙烯酸酯、丙烯酸酯、环氧化合物或苯乙烯选出的官能团和至少一个从羧酸、胺、乙醇、硫醇、硅烷、芳族基选出第二官能团。最终形成的压敏膜5可以被图形化，其方式包括但不限于微影光刻（photolithography），激光刻蚀，转印等。

所述合成方法适用于合成厚度不超过0.2mm的压敏膜5。采用此种方法，压敏膜5可直接以最终图样合成得到，而无需后续图形化处理。

压敏膜5也可以通过以下方法的合成：

包括首先将导电纳米颗粒52（如纳米线或纳米管）的悬浮液灌注进由两块合成基底和间隔物堆叠而成的间隙中。由于液体的表面张力，悬浮液会自动充满合成基底之间的间隙。间隔物的高度决定了悬浮液层（以及最终压敏膜5）的厚度。随后将纳米悬浮液冻干（freeze-dry）以去除溶剂，留下三维纳米线网。冷冻干燥，又称冻干或低温干燥，是一种低温脱水工艺，包括冻结悬浮液，降低压力，然后通过升华去除溶剂。这与大多数传统方法利用热能蒸发溶剂的脱水过程不同。冻干的方式可使得悬浮液溶剂升华的同时保留多孔的三维纳米线网结构，从而得到高透明度的纳米线网层。普通的溶剂蒸发会使得纳米线的多孔网络结构坍塌，从而导致压力敏感特性和光学透明度的下降。三维纳米线网可选择地进行退火，以进一步融合（如电耦合）纳米线，并形成导电材料的实质性网络。用于分散纳米线以形成悬浮液的溶剂为可挥发性溶剂，包括但不限于水，甲醇，乙醇等可挥发醇类，二甲醚，乙醚等可挥发醚类，四氢呋喃，二恶烷，丙酮，甲基乙基酮等可挥发酮类，乙酸乙酯，乙酸正丙酯等可挥发酯类，或其混合物。接着，将至少一种弹性聚合物51的前驱体（即可聚合单体）灌注进两块合成基底之间的间隙，即三维纳米线网所在的位置。由于是液态，前驱体渗入三维纳米线网中。通过uv或加热等方式在原处聚合以形成压敏膜5，所述复合材料可从合成基底上揭下。在一个实施方式中，将可选的黏附促进化合物添加至所述可聚合单体中以增强聚合物与三维纳米线网的粘接。黏附促进化合物包括但不限于至少一个从甲基丙烯酸酯、丙烯酸酯、环氧化合物或苯乙烯选出的官能团和至少一个从羧酸、胺、乙醇、硫醇、硅烷、芳族基选出第二官能团。最终形成的压敏膜5可以被图形化，其方式包括但不限于微影光刻（photolithography），激光刻蚀，转印等。

所述合成方法适用于合成任意厚度的压敏膜5。采用此种方法，压敏膜5只可以整块片状膜的形式合成。如需图形化则需进行后续处理。

实施例2

本实施例与实施例1的主要区别详见图6和图7所示，所述压敏膜5位于其所在压敏单元的第二电极4表面；未受压力时，压敏膜5与第一电极3之间有绝缘间隙。

每一个压敏单元的边缘设有支撑件7。

压敏单元内压敏膜5贴附在第二电极4表面并且和第一电极3之间存在绝缘间隙。在没有施加外力的情况下，第一电极3和第二电极4之间没有形成闭合回路，可检测到的电阻为无穷大。轻按压力基板1，第一电极3向下弯曲并与压敏膜5接触。两个电极层之间形成闭合回路，可检测到一定电阻。此时，因按压力道为轻触，压敏膜5未受到挤压，或仅收到轻微挤压，三维纳米线网中仅有少量贯通导电通道，其导电率较低。第一电极3和第二电极4之间可测得的电阻较大。当按压力道增加时，压敏膜5受到挤压，三维纳米线网结构发生改变，纳米线之间的距离变小，更多的贯通导电通道形成，其导电率增加。第一电极3和第二电极4之间可测得的电阻减小。施加的力越大，压敏膜5的形变越大，纳米线之间的距离越小，可检测到的电阻越小，从而实现压力感应。

实施例3

本实施例与实施例1的主要区别如图8和图9所示：所述压力基板1和支撑基板2相对的两侧分别设有条状绝缘间隔设置的压敏膜5；位于所述压力基板1一侧的压敏膜5和位于所述支撑基板2一侧的压敏膜5正交设置；每一条压力基板1一侧的压敏膜5和一条支撑基板2一侧的压敏膜5相互重叠形成所述压敏单元；

压敏膜5受压时发生弹性形变引起电阻变化，未受压时，压敏膜5形状恢复至初始态引起电阻恢复至初始态。

压力基板1一侧未受压力时，所述压力基板1一侧的压敏膜5和所述支撑基板2一侧的压敏膜5之间有绝缘间隙。

每一个压敏单元的边缘设有支撑件7。

本实施例中压敏膜5本身可作为电极材料替代第一电极3和第二电极4。将压力基板1和支撑基板2分别作为合成基底进行压敏膜5的合成和图形化，以分别形成条状正交的压敏膜5。在没有施加外力的情况下，两个压敏膜5之间存在绝缘间隙，可检测到的电阻为无穷大。轻按压力基板1，上侧的压敏膜5向下弯曲并与下部的压敏膜5接触。两个压敏膜5之间形成闭合回路，可检测到一定电阻。此时，因按压力道为轻触，压敏膜5未受到挤压，或仅收到轻微挤压，三维纳米线网中仅有少量贯通导电通道，其导电率较低。第一电极3和第二电极4之间可测得的电阻较大。当按压力道增加时，压敏膜5受到挤压，三维纳米线网结构发生改变，纳米线之间的距离变小，更多的贯通导电通道形成，其导电率增加。上下两压敏膜5之间可测得的电阻减小。施加的力越大，压敏膜5的形变越大，纳米线之间的距离越小，可检测到的电阻越小，从而实现压力感应。