電阻隨壓力改變的壓力傳感器的製作方法

2023-05-19 05:35:46 1

本發明涉及薄膜開關傳感器領域，具體說是一種電阻隨壓力改變的壓力傳感器。

背景技術：

現有的薄膜開關產品大多數屬於單一的電阻值輸出類型，即當壓力達到最低值時薄膜開關的電阻由斷開（電阻無窮大）到接通（產生一定的電阻值），電阻值不會隨著壓力的增加而改變或者改變量很小。而將這類薄膜開關應用到傳感器領域，該傳感器輸出的基本是單一的通&斷信號，無法實現對於不同壓力需要與其相對應的電阻值輸出，即實現真正意義的壓感數據的輸出。例如，跑動科技公司於2016年6月推出的智能跑步鞋墊，雖然把傳感器的傳感單元設置在腳底主要壓力點如五個腳趾和腳跟等處，但是每個傳感單元的壓感數據輸出值單一，無法識別穿戴者是否為同一人。若將上述技術方案用於智能穿戴設備，則功能過於單一。此外，人在跑步時會對鞋底造成極大的瞬時衝擊，對於現有的薄膜開關傳感器結構而言，該衝擊力易造成銀漿層的斷裂，造成數據不穩定，該產品的使用壽命在一年左右的缺點。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種電阻隨壓力改變的壓力傳感器，從根本上解決了上述問題，其具有結構合理、壓感數據輸出精度高、造價低、使用壽命長、適用範圍廣等優點。

為實現上述目的，本發明提供了如下技術方案：該電阻隨壓力改變的壓力傳感器包括通過雙面膠帶粘結的一對pet層、分別設置在各pet層上的銀漿層、覆蓋銀漿層的接觸碳漿層，接觸碳漿層之間的雙面膠帶設有中空結構，接觸碳漿層上設有間隔碳漿層，其技術要點是：所述間隔碳漿層上設有網格。

進一步的，所述網格均布在間隔碳漿層上。

進一步的，所述銀漿層與pet層之間設有保護碳漿層。

進一步的，所述保護碳漿層或間隔碳漿層由以下原料按照重量百分比製備而成：螺旋碳纖維3~5wt%；導電炭黑18~20wt%；膨脹石墨2~5wt%；二氧化矽1~2wt%；樹脂10~25wt%；樹脂溶劑42~64wt%；助劑0.2~1wt%；

樹脂選自熱塑性聚氨酯（tpu）、聚氨酯（pu）或天然乳膠（nr）中的一種以上；

樹脂溶劑選自二甲基甲醯胺、環己酮、丁酮、二價酸酯、醋酸正丙酯或水的一種以上；

助劑選自分散劑0.2~0.3wt%或流平泡劑0.2~0.3wt%的一種以上；分散劑選自線性烷基醯胺類或枝型多聚羧酸、月桂酸鈉、聚乙烯醇、聚乙二醇單月桂酸酯的一種以上；流平消泡劑選自聚醚改性聚矽氧烷。

進一步的，所述螺旋碳纖維、導電炭黑、膨脹石墨與樹脂的重量比為1.2~5.0：4.0~10.0：0.8~5.0：10.0。

本發明還提供了一種電阻隨壓力改變的壓力傳感器的間隔碳漿層或保護碳漿層的製備方法，其技術要點是，包括以下步驟：

步驟1）將樹脂充分溶解於溶劑中，在轉速≥2000rpm攪拌條件下，依次加入二氧化矽，助劑、導電螺旋碳纖維、導電炭黑、膨脹石墨；

步驟2）導電螺旋碳纖維採用通用的催化乙炔熱解法製備螺旋碳纖維，然後2000℃石墨化處理；

步驟3）將組分混合均勻後經三輥研磨機研磨至≤60μm，再用球磨機研磨至≤30μm，得到粘度30~50pa·s的油墨。

本發明另外提供了採用上述電阻隨壓力改變的壓力傳感器的鞋，包括若干設置在其中一隻鞋內的傳感單元，傳感單元包括通過雙面膠帶粘結的一對pet層、分別設置在各pet層上的銀漿層、覆蓋銀漿層的接觸碳漿層，接觸碳漿層之間的雙面膠帶設有中空結構，碳漿層上設有間隔碳漿層，其技術要點是：所述間隔碳漿層上設有網格，銀漿層上設有若干磁感線圈並與整流模塊和電源模塊連接，另一隻鞋內設有若干磁場線切割磁感線圈的磁條。

進一步的，所述壓力傳感器結構分別設置在與腳尖、腳心或/和腳跟對應的位置上。腳尖具體可包括五個區域，即第一蹠骨所在區域、第二和第三蹠骨頭部所在區域、第一蹠骨根部所在區域、第三蹠骨根部所在區域及第五蹠骨根部所在區域；腳心具體是指骰骨所在區域；腳跟具體是指腳跟骨所在區域。

本發明的有益效果：而根據足部形狀在相應位置設置網格單元，則可根據受力位置的不同、受力位置輸出電流、輸出總電流以及所對應的時間循環點之間的匹配關係等這些壓感數據得到唯一的身份信息，從而可作為身份識別裝置的檢測端。例如，在腳尖、腳心和腳跟部分別設置帶有網格結構的該傳感單元，某人在特定時間單元內行走或跑步姿態發生改變，則特定的傳感器的特定傳感單元位置會受到人腳部周期性施加的作用力，從而特定的傳感單元上循環輸出電流a1~an、總輸出電流i以及時間單元的特定時間點t1~tn這組數據呈周期性變化，而通過設置匹配函數f（t）=aan*bi*ctn，則可獲得以時間t為橫坐標，以f(t)為縱坐標的特徵曲線。通過檢測傳感器不同傳感單元位置按時間順序的循環受力情況，即可獲得不同行走姿態對足底受力的影響，從而得到唯一的身份標識。

進一步的，人在走路時，通常是按照腳跟、腳心、腳尖的順序與地面接觸，按照腳跟、腳心、腳尖的順序離開地面以完成一次踏步循環。而根據人體自重、足部大小、腿部肌肉、走路習慣等的差異，會引起足部特定位置對鞋底壓力的微妙差異。在奔跑中，除遵循上述規律外，足部對地面的向下衝力、腳掌（腳跟、腳心、腳尖）與鞋底的接觸面積均不相同。而採用現有的傳感單元，通常只能檢測到單一的信號，例如檢測在特定時間點與地面接觸的足部部位。若想輸出多種電流信號，則需設置極大數量的傳感單元，由此導致需要複雜的信號接收系統及高昂的製造成本，且由於傳感單元最小面積的限制，很難做到精確的信號輸出。如圖4所示，例如在某一傳感單元的左上角施加壓力，現有技術中的薄膜開關則以左上角為受力中心向邊緣擴散，受力中心部的接觸碳漿層完全接觸，受力中心外緣處的接觸碳漿層由內向外接觸程度逐漸減小，由此雖然理論上但實際上不會產生根據受力程度而變化的電流信號，而且不能精確確定實際受力大小，由於薄膜彈性的不可克服因素，必然會存在極大誤差，無法用於身份識別這一高精度用途。

本發明僅通過在傳感單元的接觸碳漿層之間設置帶有網格結構的間隔碳漿層，在幾乎不改變製造成本的前提下，位於網格處的接觸碳漿受擠壓時變形接觸，即可顯著減小輸出信號的變化區間，提高精度。雖然部分接觸碳漿層由於網格的阻隔無法接觸，但並不影響該傳感單元輸出不同的電流信號。此外，通過網格結構間隔碳漿層的設置，網格結構將足部的衝擊力分散，從而提高了銀漿層和接觸碳漿層的韌性。

進一步的，間隔碳漿層的配方中，螺旋碳纖維3~5wt%的用量可有效提升油墨的壓彈性。螺旋導電碳纖維和膨脹石墨粉具有良好的壓縮回彈性，與導電炭黑、二氧化矽島鏈結構一起在高彈性樹脂中形成明顯的壓縮變形效應，這種壓縮改變了保護碳漿層內導電網絡的緻密程度，進而這種碳漿的導電性能具有隨著壓力值的變化而發生變化的特性。將這種碳漿做成網格等形狀的結構介於接觸碳漿層之間，一方面可提高接觸碳漿層的耐磨、柔韌性能，並使得傳感單元的輸出電流值隨著接觸碳漿層受壓接觸部分的變化而產生不同的輸出信號，另一方面具有變壓力變電阻的導電特性的間隔碳漿層在受壓產生彈性變形的過程中，可以連續性改變間隔碳漿層與接觸碳漿層以及接觸碳漿層之間的的接觸程度，使得傳感單元的輸出電阻（或電流）值保持連續性地相應改變，即提高了傳感器受到不同壓力時與其相對應的輸出值的精度。

由於銀漿層脆性高，在彎折時易斷裂。而人在奔跑時，對鞋墊的衝力顯著增大，衝擊瞬間則可產生極大的瞬時形變量，若採用現有的具有大面積銀漿層的薄膜傳感器，則極易折斷，這顯然限制了薄膜開關在該領域的使用。而在銀漿層與pet之間設置具有壓縮回彈性的保護碳漿層，則可提高顯著銀漿層的韌性，從而提高其使用壽命，擴大適用範圍。具體而言，接觸碳漿層與保護碳漿層分別設置在銀漿層兩側，並不會影響其正常使用，保護碳漿層位於銀漿層與pet層之間，避免銀漿層與pet層直接接觸。壓力傳感器收到腳部衝擊時，保護碳漿層將衝量吸收，由於其壓縮回彈的材料特性而將衝量分散，避免其直接作用於銀漿層，由此可顯著提高壓力傳感器的使用壽命。

壓力傳感器需要設置獨立的電源，而可穿戴的智能設備使用頻率高，則需要採用可充電電源，使用時仍存在一定的不便。本發明通過在鞋內設置磁感線圈和產生磁感線的永磁磁條，可在人體行走或跑步過程中自行發電，並將電量經過整流模塊後存儲在電源模塊中。一方面，由於壓力傳感器耗電量較低；另一方面，由於鞋內有無線充電裝置，則可保證在無需定期取下電源充電的情況下無限制使用，從而提高了使用的便利性。可在其中一隻鞋內設置磁感線圈，在另一隻鞋內設置永磁磁條。當然，也可在左右鞋內同時設置磁感線圈和磁條，在不影響使用舒適度的前提下均可。

此外，根據變阻範圍廣的特點。還可根據不同壓力判斷人的行為動作，將其應用於vr領域，進一步提升智能設備的逼真效果。

附圖說明

圖1為本發明的分解結構示意圖；

圖2為本發明的剖視結構示意圖；

圖3為本發明的使用狀態示意圖；

圖4為本發明傳感單元的工作原理示意圖；

圖5為本發明傳感器的工作原理示意圖；

圖6為本發明另一種接觸碳漿層結構的示意圖。

附圖標記說明：1pet層、2保護碳漿層、3銀漿層i、4接觸碳漿層、5間隔碳漿層、6雙面膠帶層、7銀漿層ii、8通孔、9磁條、10磁感線圈、11整流模塊、12處理器模塊、13電源模塊、14傳感單元、15rf模塊。

具體實施方式

以下結合圖1~6，通過具體實施例詳細說明本發明的內容。該電阻隨壓力改變的壓力傳感器包括通過雙面膠帶粘結的一對pet層1、分別設置在各pet層上的銀漿層i3和銀漿層ii7、覆蓋銀漿層的接觸碳漿層4，接觸碳漿層之間的雙面膠帶上設有由通孔8形成的中空結構，接觸碳漿層4上設有間隔碳漿層5，間隔碳漿層上設有網格結構。優選的，網格均布在間隔碳漿層5上。銀漿層i3或銀漿層ii7與pet層1之間設有保護碳漿層2。間隔碳漿層與保護碳漿層採用了相同的原料和方法製備而成，並採用了與現有薄膜開關導電碳漿層（或接觸碳漿層）不同的具有回彈特性的碳漿配方，採用該配方製成的碳漿層方阻值範圍：50kω~1000kω/sq。

如圖2所示，接觸碳漿層由於未採用具有明顯回彈特性的組分，上、下接觸碳漿層4在壓力作用下接觸時如果沒有間隔碳漿層，通常這種情況下如前面的技術背景介紹的，只能達到薄膜開關產品基本的單一的電阻值輸出技術效果，即當壓力達到最低值時薄膜開關的電阻由斷開（電阻無窮大）到接通（產生一定的電阻值），電阻值不會隨著壓力的增加而改變或者改變量很小。由於帶有網格結構的間隔碳漿層為接觸碳漿層提供了彈性保護作用，一方面增加了上、下接觸碳漿層面之間的耐磨損性能，即防止接觸層直接接觸長時間受力逐漸磨損導致接觸電阻不穩定，影響壓感數據的檢測精度；另一方面，由於間隔碳漿層的網格結構及其彈性特性，使得傳感器單元受壓接通後，隨著壓力的增加，接觸碳漿層（如圖4所示）透過網格的接觸面積（模塊）也相應增加，產生的電阻值也相應變化，即隨著壓力的增加，電阻值也對應發生變化，產生變壓力變電阻輸出的技術效果。而且由於間隔碳漿層本身非絕緣具有較高的方阻值，介於絕緣和一般接觸碳漿之間，它與接觸碳漿層共同構成導電碳漿層，增加了不同壓力範圍的電阻輸出，使得帶有網格結構的間隔碳漿層的這種傳感單元的反應更為靈敏。另外，由於採用了具有回彈特性的保護碳漿層和間隔碳漿層，提高了壓力傳感器的整體韌性，進一步延長了銀漿層和接觸碳漿層的使用壽命。

具有壓縮回彈性的保護碳漿層由以下原料按照重量百分比製備而成：螺旋碳纖維3~5wt%；導電炭黑18~20wt%；膨脹石墨2~5wt%；二氧化矽1~2wt%；樹脂10~25wt%；樹脂溶劑42~64wt%；助劑0.2~1wt%；

樹脂選自熱塑性聚氨酯（tpu）、聚氨酯（pu）或天然乳膠（nr）中的一種以上。

其中，螺旋導電碳纖維採用通用的催化乙炔熱解法製備的螺旋碳纖維，然後進行2000℃石墨化處理，使得螺旋碳纖維電導率得以提升，螺旋碳納纖維3～5%的用量可有效提升油墨的壓彈性。導電炭黑優選電阻率≤2ω·m，如荷蘭akzo（阿克蘇.諾貝爾）公司的科琴黑ketjenblackec300j、600jd型、德國degussa公司的printexxe-2b及美國cabot公司的bp2000（blackpearls2000）等。導電炭黑的質量百分比太低油墨電阻會偏高，比例太高會導致油墨附著力下降，18wt%~20wt%比例相對更加合適。3wt%～4wt%的膨脹石墨粉為市售高膨脹率石墨經高速氣磨粉碎機粉碎至約40μm後的粉體，用於協調油墨的壓彈性和電阻，採用該配比可優化油墨的變阻性。二氧化矽為粒度≤10μm的氣相二氧化矽。樹脂可選用10wt%~25wt%的高彈性的熱塑性聚氨酯（tpu）、聚氨酯（pu）或天然乳膠（nr）中的一種以上，該範圍匹配其它物料的配比後，過網性和墨性最佳。樹脂溶劑選自二甲基甲醯胺、環己酮、丁酮、二價酸酯、醋酸正丙酯或水的一種以上。助劑選自分散劑0.2~0.3wt%或流平泡劑0.2~0.3wt%的一種以上，該配比範圍可保證良好的消泡和流平性。分散劑選自線性烷基醯胺類或枝型多聚羧酸、月桂酸鈉、聚乙烯醇、聚乙二醇單月桂酸酯的一種以上。流平消泡劑選自聚醚改性聚矽氧烷。

優選的，螺旋碳纖維、導電炭黑、膨脹石墨與樹脂的重量比為1.2~5.0：4.0~10.0：0.8~5.0：10.0。

上述的電阻隨壓力改變的壓力傳感器的保護碳漿層可採用下述方法製備：

步驟1）將樹脂充分溶解於溶劑中，在轉速≥2000rpm攪拌條件下，依次加入二氧化矽，助劑、導電螺旋碳纖維、導電炭黑、膨脹石墨；

步驟2）導電螺旋碳纖維採用通用的催化乙炔熱解法製備螺旋碳纖維，然後2000℃石墨化處理；

步驟3）將組分混合均勻後經三輥研磨機研磨至≤60μm，再用球磨機研磨至≤30μm，得到粘度30~50pa·s的油墨。

將上述壓力傳感器用於智能穿戴設備，如鞋類製品，可採用以下結構。該智能鞋包括若干設置在其中一隻鞋內的壓力傳感器，壓力傳感器包括通過雙面膠帶粘結的一對pet層、分別設置在各pet層上的銀漿層、覆蓋銀漿層的接觸碳漿層，接觸碳漿層之間的雙面膠帶設有中空結構，接觸碳漿層上設有間隔碳漿層，間隔碳漿層上設有網格結構，銀漿層與pet層之間設有保護碳漿層。銀漿層上設有若干磁感線圈10，分別與各磁感線圈兩端相連的整流模塊11，與整流模塊串聯的電源模塊13，電源模塊13與各傳感單元14並聯，同時電源模塊與rf模塊15和處理器模塊12串聯。另一隻鞋內設有若干磁場線切割磁感線圈的磁條9。為提高使用精度，傳感單元分別設置在與腳尖、腳心或/和腳跟對應的位置上。腳尖優選包括五個區域，即第一蹠骨所在區域、第二和第三蹠骨頭部所在區域、第一蹠骨根部所在區域、第三蹠骨根部所在區域及第五蹠骨根部所在區域，腳心優選骰骨所在區域，腳跟優選腳跟骨所在區域。

使用時，由電源模塊向處理器模塊供電，處理器模塊根據時間點向各傳感單元輸出脈衝電流，由於各傳感單元相應時刻接觸碳漿層的接觸面積不同，所產生的阻值不同，進而生成不同大小的電流信號，該電流信號經過處理器進行壓感數據處理後，由rf模塊發送至智能設備接收端，如智慧型手機。

例如，當走路時，不同時刻相應位置的傳感單元（以a~g為例，實際使用中，考慮開發成本與生產難度，可適當增減或更換位置）的輸出電流如表1所示：

表1

註：t1~t6為第一次脈衝循環，其中t1時刻右腳落地作為支撐部，左腳懸空；t2時刻左腳腳跟與地面接觸，其他部位尚未與地面接觸；t3時刻腳跟與骰骨同時與地面接觸，其他部位尚未與地面接觸，但此時腳跟受力明顯減小；t4時刻蹠骨末端與骰骨同時與地面接觸，腳跟向前傾離地，腳尖即將與地面接觸，骰骨受力明顯減小；t5時刻蹠骨前端與末端同時與地面接觸，骰骨剛好前傾離地，蹠骨末端受力明顯減小；t6時刻蹠骨末端前傾離地，蹠骨前端逐漸前傾離地，左腳完成一次踏步循環。

由於不同穿戴者的走路姿態不同，因此在t1~t6期間所產生的電流ia~ig也會存在差異。由此，可分別在t1~t6各時刻分別獲得唯一的對應編碼值，而將各編碼值合併後，即可獲得類似於加密代碼的特定身份識別編碼（代碼共八位，分別對應t、a~g，即相當於的在第一位代碼t不斷時，a~g位具有唯一對應的編碼，當全部代碼匹配後才程序在繼續進行）。此外，即使是同一佩戴者，也有可能在行走速度不同時產生差異，此時則應設定數據採集的起始時間和結束時間，並在該採集區間內多次測量樣本，獲得趨勢線或獲得各電流信號的可信區間，從而避免解碼數據過於單一導致無法識別的問題。

此外，為進一步提高識別精度，而將兩個接觸碳漿層之間設置如圖6所示的斜面結構，上述身份識別的技術方案在實際應用中，可能會存在下列可能：各傳感單元的電流輸出僅與接觸碳漿層的接觸面積有關，因此，即使在傳感器上的不同位置，只要接觸面積相同仍可輸出同樣的電流造成誤認。為解決該問題，而採用具有斜面結構的接觸碳漿層，由於斜面的設置，在接觸碳漿層不同的接觸位置必定會輸出不同的電流信號，從而避免了誤認。為方便間隔碳漿層的鋪設，通常將其中一個接觸碳漿層設為斜面，另一個接觸碳漿層設為平面。由於接觸碳漿層厚度較小，即使設置斜面也基本不會對傳感單元的正常功能產生其他不利影響，但卻可有效解決上述問題。圖6中並未示出間隔碳漿層等其他結構或部件，本領域技術人員根據本發明的構思應該可以毫無疑義的推斷出具有斜面結構的傳感器單元的結構。且接觸碳漿層之間的間隔距離呈圖6所示的非對稱式梯度分布，顏色越深接觸碳漿層之間的間隙越小，間隙最小值為間隔碳漿層的厚度。

選取時間點t1~tn時，建議採用等間隔取點，一方面便於設計脈衝輸出程序，另一方面可使數據採集和識別算法更為簡單。當然，也可採用時間間隔不等的取點法，進一步提高身份編碼的特異性。

實施例1

先將熱塑性聚氨酯樹脂25g在40℃攪拌的情況下，充分溶解於環己酮與二甲基甲醯胺1：1的75g溶劑中。然後在3000rpm的高速攪拌下中依次逐步加入2g二氧化矽，0.2g二十烯基十八烷基醯胺、3.5g導電螺旋碳纖維、20g導電炭黑、4g膨脹石墨。在此高速剪切攪拌下運行2h，最後將組分混合均勻後經三輥研磨機研磨至細度低於60μm，再用球磨機研磨至細度低於30μm。

本實施例中，該原料比例下所得油墨的各參數為：粘度45pa·s、方阻變化為50kω~1000kω/sq（絲網印刷至pet薄膜上，厚度18μm±1.8μm），膜層硬度80a。

實施例2

先將水性聚氨酯樹脂25g常溫攪拌的情況下，充分溶解於75g丁酮中。然後在2000rpm的高速攪拌下中依次逐步加入2.5g親水性二氧化矽，0.2g月桂酸鈉、3g導電螺旋碳纖維、18g導電炭黑、4g膨脹石墨。在此高速剪切攪拌下運行1h，最後將組分混合均勻後經三輥研磨機研磨至細度低於60μm，再用球磨機研磨至細度低於30μm。

本實施例中，該原料比例下所得油墨的各參數為：粘度34pa·s、方阻變化為50kω~1000kω/sq(絲網印刷至pet薄膜上，厚度15μm±1.5μm)，膜層硬度75a。

實施例3

先將天然乳膠5g和水性聚氨酯20g常溫攪拌下，充分混合溶解於75g任意比例混合的二價酸酯與醋酸正丙酯的混合溶液中。然後在2000rpm的高速攪拌下中依次逐步加入1.5g親水性二氧化矽，0.2g聚乙二醇單月桂酸酯、4g導電螺旋碳纖維、20g導電炭黑、2g膨脹石墨粉。在此高速剪切攪拌下運行1h，最後將組分混合均勻後經三輥研磨機研磨至細度≤60μm，再用球磨機研磨至細度≤30μm。

本實施例中，該原料比例下所得油墨的各參數為：粘度36pa·s、方阻變化為50kω~1000kω/sq(絲網印刷至pet薄膜上，厚度12μm±1.2μm)，膜層硬度70a。