一种压阻传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及压力传感器领域，具体涉及一种压阻传感器及其制备方法。

背景技术

压力传感器是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。压力传感器有多种，其中压阻式压力传感器具有灵敏度高，测量范围大、结构简单等优点。

如图1和图2所示，为现有技术中的压阻式压力传感器（例如中国专利申请号为201510624235.2的一种具有高灵敏度的柔性压阻式压力传感器及其制备方法的发明专利中有公开类似结构的压阻式压力传感器），包括柔性衬底1、位于柔性衬底1两端的电极片3以及位于柔性衬底1表面上的检测网2，检测网2的两端位于电极片3上。该压力传感器的柔性衬底1受到压力时，发生形变，柔性衬底1带动检测网2发生形变，继而导致检测网2的电阻的变化，检测网2的电阻的变化通过两边电极片3输出，对输出的电阻值与外界施加的压力值进行标定，最后达到测出外在压力值的目的。

上述压力传感器的检测是通过柔性衬底1和检测网2弯曲形变而实现的，但是在一些寒冷的环境中，例如在高原寒冷地区或者在冬天，在这些温度较低的环境中，当柔性衬底1和检测网2受到压力而形变后其弹性恢复能力变差，这样柔性衬底1和检测网2形状无法立刻复原而仍保持弯曲的状态，从而影响了对后续压力的正常检测，影响了压力传感器的后续使用，同时对后续检测的准确度也有一定的影响。

发明内容

本发明意在提供一种压阻传感器及其制备方法，以解决在低温环境下柔性衬底和检测网受到压力之后不易复原的问题。

为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：一种压阻传感器，包括传感器本体，传感器本体包括柔性衬底、位于柔性衬底两端处的电极片以及位于柔性衬底上的检测网，检测网的端部位于电极片上，传感器本体还包括位于检测网表面上的弹性热涨层，弹性热涨层内分散有石墨烯颗粒；

压阻传感器还包括给弹性热涨层进行供热的热发生机构，热发生机构位于传感器本体的外侧，热发生机构包括电控开关、电源以及电热丝，电控开关、电源和电热丝电性串联，电热丝和弹性热涨层之间连接有传热部件。

本方案的原理及优点是：当有压力作用在柔性衬底上时，柔性衬底和检测网发生向上弯曲，柔性衬底和检测网发生弯曲对弹性热涨层进行挤压，弹性热涨层由于具有弹性而发生收缩，从而不会影响柔性衬底和检测网发生形变，压力传感器能够对压力进行正常的检测。

压力检测完毕之后，在低温环境下，由于温度较低，柔性衬底和检测网的弹性降低，弹性材料复原能力较差，因此柔性衬底和检测网会发生形变后不易复原复位，此时闭合电控开关，电源给电热丝供电，电热丝产生热，热量通过传热部件传递给弹性热涨层，由于弹性热涨层内部分散有石墨烯颗粒，石墨烯的导热性较好，因此石墨烯颗粒可迅速接受热量并在弹性热涨层内传递，从而使得弹性热涨层内部能够升温，根据热涨冷缩的原理，弹性热涨层升温后被挤压的凹陷的部位发生膨胀，从而针对性的推动柔性衬底和检测网形变部位发生复位复原；同时弹性热涨层将热量均匀传递给检测网和柔性衬底，从而使得检测网和柔性衬底的温度升高，检测网和柔性衬底自身的弹性恢复能力也会变好。由此，通过本方案，使得压力传感器能够尽快复位，以便于后续压力的正常检测，不影响压力传感器的后续使用，同时也避免了柔性衬底和检测网发生形变不易恢复而造成的检测准确度不高的问题。

本方案中之所以设置弹性热涨层，给弹性热涨层进行加热，而不是直接给柔性衬底和检测网进行加热，是因为：一方面，直接给柔性衬底和检测网进行加热，虽然柔性衬底和检测网自身能够升温，弹性恢复能力变好，但是柔性衬底和检测网只能根据自身的弹性形变复位，不会受到外部的推动，故本方案中弹性热涨层对柔性衬底和检测网的复位具有推动作用，使压力传感器恢复形变效果更好、更及时。另一方面，本方案中弹性热涨层受热后，由于石墨烯颗粒导热性好，热量在弹性热涨层上会迅速横向传递，同时并向下传递给检测网和柔性衬底，使得检测网的整个面能够较为同时、均匀受热，柔性衬底的整个面也能够较为同时、均匀受热，避免检测网以及柔性衬底总是某个局部部位先受热，久而久之，避免某个局部部位过早老化损坏，能够保证检测网整个材料和柔性衬底整个材料的物理性能一致性，有利于保证检测精确度和保证使用寿命。

热发生机构位于传感器本体的外侧，电热丝产生热量后不是直接传递给弹性热涨层，而是通过传热部件进行传热，这样热量在传递过程中向外界发生一些散发，热量传递给弹性热涨层后，不会温度过高，避免了传递给弹性热涨层的温度过高而造成压力传感器损坏。

优选的，作为一种改进，传热部件包括传热插头，传热插头和电热丝之间连接有导热丝。由此，电热丝产生热量后，传递给导热丝，导热丝再将热量传递给传热插头，传热插头将热量传递给弹性热涨层。此结构的传热部件结构简单。

优选的，作为一种改进，传热部件包括导热片，导热片位于弹性热涨层的上方，导热片和弹性热涨层之间具有间隙；弹性热涨层的表面上涂覆有多个石墨烯导热凸点，石墨烯导热凸点和导热片相对。

当柔性衬底受到压力后，柔性衬底向上弯曲而拱起，柔性衬底的受力点拱起高度最高，弹性热涨层被柔性衬底向上弯曲拱起的部位挤压，弹性热涨层向上弯曲而使得相应部位的石墨烯导热凸点向上移动，石墨烯导热凸点与导热片接触，热量从导热片传递给石墨烯导热凸点，石墨烯导热凸点再将热量传递给弹性热涨层，从而将热量向下传递给检测网和柔性衬底，同时使得弹性热涨层受热膨胀而推动柔性衬底和检测网向下复位。

本方案之所以采用此结构的传热部件，是因为柔性衬底在检测压力时，柔性衬底上受力点并不固定，因此柔性衬底向上弯曲拱起的部位不固定。但无论柔性衬底受力部位在何处，柔性衬底受力部位均是柔性衬底向上拱起最高的部位，柔性衬底受力部位周围区域向上拱起程度相比受力点拱起程度小，故弹性热涨层上与柔性衬底受力点相对应的部位向上拱起程度也是最大的，这样弹性热涨层向上拱起最大的部位相应的石墨烯导热凸点能够与导热片接触，从而使得弹性热涨层向上拱起的最高的部位的石墨烯导热凸点接触到导热片而接受热量。柔性衬底受到挤压的部位不同，则弹性热涨层向上拱起的部位也不同，与导热片接触的石墨烯导热凸点也不同，从而使得弹性热涨层每次接受热量的部位也不同，相比传热插头将热量传递给弹性热涨层的方式，传热插头将热量传递给弹性热涨层的部位是固定唯一的，而本方案中弹性热涨层接受热量的部位不是固定唯一的，避免了弹性热涨层局部部位一直接受热量而长期受热老化损坏的现象，提高了弹性热涨层的使用寿命。

优选的，作为一种改进，弹性热涨层的底部设有多个凹槽，凹槽和检测网的网孔相对。由此，弹性热涨层不会填充到网孔中，避免弹性热涨层对网孔造成堵塞。

优选的，作为一种改进，电极片为金、银、铜、铝、铂或者钛中的一种材质制成。

优选的，作为一种改进，弹性热涨层为聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯或者聚酰亚胺中的一种材料制成。

优选的，作为一种改进，柔性衬底为聚乙烯PE、聚氯乙烯PVC或者LCP中的一种材质制成。

为达到上述目的，本发明还采用如下技术方案：一种压阻传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，在柔性衬底上制备电极片：在柔性衬底上覆上金属层，并使用光刻技术将金属层进行腐蚀，从而在柔性衬底的端部制备出电极片；

步骤2，制备检测网：在柔性衬底表面以及电极片上涂上氧化石墨烯薄膜层，利用光刻技术制备出网格状的氧化石墨烯薄膜层；然后进行加热，将网格状的氧化石墨烯薄膜层还原，形成网格状的石墨烯网；

步骤3，制备弹性热涨层：将柔性材料、石墨烯粉末颗粒、分散剂混合均匀成第一浆料，将第一浆料填充到模具的腔室中，烘干成型并脱模，从而制成弹性热涨层；

步骤4，将弹性热涨层粘合在检测网的表面。

由此，采用此方法实现了本申请中压阻传感器的制备，现有技术中不存在本申请中结构的传感器，因此，制备方法也是独特的，具有创造性，故对制备方法也进行专利保护。

优选的，作为一种改进，步骤3中，烘干之前，将传热插头插入到模具腔室中；第一浆料烘干成型后，传热插头和弹性热涨层连在一起。由此，烘干之前，第一浆料为液体，可将传热插头插入，烘干之后，第一浆料凝固为固态，从而实现了传热插头和弹性热涨层的连接。

优选的，作为一种改进，步骤3中，弹性热涨层脱模之后，在弹性热涨层的表面上设置一层模板，模板上设有多个通孔，在模板上涂覆第二浆料，第二浆料包括炭黑、石墨烯粉末和分散剂；

第二浆料涂覆到模板之后，进行初烘干，烘干时间30min，烘干温度30℃；初烘干后将模板取下，进行再烘干，烘干时间30min，烘干温度为65℃。由此，实现了在弹性热涨层的表面一次性设置多个石墨烯导热凸点。

附图说明

图1为现有技术中压阻传感器的竖向剖视图。

图2为现有技术中压阻传感器的俯视图。

图3为实施例1中压阻传感器的竖向剖视结构示意图。

图4为实施例2中压阻传感器的竖向剖视结构示意图。

图5为实施例2中模板的俯视图。

具体实施方式

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：柔性衬底1、检测网2、电极片3、第二载体4、导热片5、第一载体6、弹性热涨层7、石墨烯颗粒8、石墨烯导热凸点9、模板10、通孔11、传热插头12。

实施例1

基本如附图3所示：一种压阻传感器，包括传感器本体，传感器本体包括柔性衬底1、位于柔性衬底1上表面两端处的电极片3以及位于柔性衬底1上的检测网2，检测网2上设有多个网孔，本实施例中的检测网2为石墨烯网，检测网2的端部位于电极片3上（检测网2的结构形状如图2所示）。传感器本体还包括位于检测网2表面上的弹性热涨层7，弹性热涨层7具有弹性，弹性热涨层7内分散有石墨烯颗粒8。弹性热涨层7的厚度均大于检测网2的厚度和柔性衬底1的厚度。

压阻传感器还包括给弹性热涨层7进行供热的热发生机构(图中未示出)，热发生机构位于传感器本体的外侧，热发生机构包括电控开关、电源以及电热丝，电控开关、电源和电热丝电性串联，实际应用时，热发生机构距离传感器本体较远，例如距离控制在10-20cm之间。电热丝和弹性热涨层7之间连接有传热部件，通过传热部件能够将电热丝产生的热量传递给弹性热涨层7上。

本实施例中的传热部件包括金属材质的传热插头12，传热插头12插在弹性热涨层7上，传热插头12和电热丝之间连接有导热丝(图中未示出)，由于热发生机构距离传感器本体的距离在10-20cm，因此导热丝的长度在10-20cm之间。由此，电热丝产生热量后，传递给导热丝，导热丝再将热量传递给传热插头12，传热插头12将热量传递给弹性热涨层7，热量通过弹性热涨层7中的石墨烯颗粒8传递而使得热量在弹性热涨层7中散开。

本实施例中的电极片3为金、银、铜、铝、铂或者钛中的一种材质制成。

本实施例中的弹性热涨层7为聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯或者聚酰亚胺中的一种材料制成。

本实施例中的柔性衬底1为聚乙烯PE、聚氯乙烯PVC或者LCP中的一种材质制成的片状。

图3中还示意出了对传感器进行支撑固定的第一载体6(第一载体6不属于本传感器部分)。

同时，本实施例中还公开了一种压阻传感器的制备方法，主要是传感器本体的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，在柔性衬底1上制备电极片3：在柔性衬底1上覆上金属层，在金属层的两端分别涂上光刻胶层，并图形化；然后对未被光刻胶层覆盖的金属层进行腐蚀；然后去除光刻胶层，位于光刻胶层正下方的金属层形成电极片3。本实施例中电极片3位于柔性衬底1的顶面的两端。

步骤2，制备检测网2：在柔性衬底1上表面以及电极片3上涂上氧化石墨烯薄膜层，利用光刻技术制备出网格状的氧化石墨烯薄膜层，具体的制备步骤为：在柔性衬底1顶面和电极片3顶面分别涂上光刻胶层，并图形化；光刻胶层在柔性衬底1顶面呈阵列式分布，相邻的光刻胶层之间具有间隙；然后在裸露的电极片3、柔性衬底1表面和光刻胶层上分别旋涂一层氧化石墨烯薄膜层；然后去除光刻胶层及位于光刻胶层上的氧化石墨烯薄膜层，从而在柔性衬底1上制备出网格状的氧化石墨烯薄膜层。

最后，进行加热，将网格状的氧化石墨烯薄膜层还原，形成网格状的石墨烯网。还原操作时，以氮气作为保护气，可防止氧化石墨烯还原不够彻底和位于两端的金属电极被氧化。

步骤3，制备弹性热涨层7：将柔性材料(聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯或者聚酰亚胺中的一种材料，本实施例优选为聚二甲基硅氧烷)、石墨烯粉末颗粒、分散剂混合搅拌均匀成第一浆料(柔性材料、石墨烯粉末颗粒以及分散剂的重量配比为90:5:5)，将第一浆料填充到用于制备弹性热涨层7的模具的腔室中，同时将传热插头12插在模具腔室中(容易理解，为了避免传热插头12在模具中倾倒而保证竖直状态，模具腔室的内壁设有对传热插头12进行固定的限位插槽)，烘干成型并脱模，烘干时的温度为50℃，烘干时间2h，从而制成弹性热涨层7。由于传热插头12插在模具中，因此第一浆料烘干成型后，弹性热涨层7变干凝固后将传热插头12连在一起。

步骤4，将弹性热涨层7底部使用胶液粘合在检测网2的表面。

将本传感器应用到低温工作环境中的机器人上，机器人安装传感器的部位为第一载体6，传感器安装好之后，在机器人上安装热发生机构，将电热丝和传热插头12之间连接导热丝。

当有压力作用在柔性衬底1上时，柔性衬底1和检测网2发生向上弯曲的形变，柔性衬底1和检测网2发生弯曲对弹性热涨层7进行挤压，弹性热涨层7发生收缩，从而不会影响柔性衬底1和检测网2发生形变，压力传感器能够对压力进行正常的检测。

压力检测完毕之后，在低温环境下，由于温度较低，弹性材料复原能力较差，因此柔性衬底1和检测网2会发生形变后不易复原复位，此时闭合电控开关(电控开关控制可根据温度传感器对温度检测以及设定plc程序自动控制)，电源给电热丝供电，电热丝产生热，热量通过导热丝传递给传热插头12，传热插头12再将热量传递给弹性热涨层7，由于弹性热涨层7内部分散有石墨烯颗粒8，石墨烯的导热性较好，因此石墨烯颗粒8可迅速接受热量并在弹性热涨层7内传递，使得热量在弹性热涨层7中分散，从而使得弹性热涨层7内部能够升温，根据热涨冷缩的原理，弹性热涨层7升温后发生膨胀，从而向下推动柔性衬底1和检测网2而发生复位复原，同时，弹性热涨层7也将热量传递给检测网2和柔性衬底1，从而使得检测网2和柔性衬底1的温度升高，检测网2和柔性衬底1弹性恢复能力变好。这样，通过检测网2和柔性衬底1受热而使得自身的弹性恢复能力变好，以及弹性热涨层7对检测网2和柔性衬底1向下的推动，使得压力传感器能够尽快复位，以便于后续压力的正常检测，不影响压力传感器的后续使用，同时也避免了柔性衬底1和检测网2发生形变不易恢复而造成的检测准确度的问题。

实施例2

实施例1中的弹性热涨层7接受外部的热量的部位是插有传热插头12的部位，这个部位总是接受热量，久而久之，这个部位容易发生老化损坏。

为此，本实施例中传热部件与实施例1不同，结合图4所示，本实施例中的传热部件包括导热片5，导热片5位于弹性热涨层7的上方，图4中导热片5安装在第二载体4(第二载体4不属于本传感器的结构，属于机器人上对导热片5的支撑结构)上，导热片5和弹性热涨层7之间具有间隙；弹性热涨层7的表面上涂覆有多个石墨烯导热凸点9，石墨烯导热凸点9和导热片5相对。

对于传感器的制备方法，与实施例1中的制备方法区别在于步骤3，步骤3中，将弹性热涨层7脱模(此时，弹性热涨层7上不设传热插头12)之后，在弹性热涨层7的表面上设置一层模板10，结合图5所示，模板10上设有多个通孔11，通孔11的孔径为0.5mm，在模板10上涂覆第二浆料，第二浆料包括炭黑、石墨烯粉末和分散剂，炭黑、石墨烯粉末和分散剂的重量配比为75:20:5，三者通过混合搅拌制成第二浆料。第二浆料涂覆到模板10之后，放入到烘干箱中，进行初烘干，烘干时间30min，烘干温度30℃，从而使得石墨烯导热凸点9初成型；初烘干后将模板10取下，进行再烘干，烘干时间30min，烘干温度为65℃，通过再烘干使得石墨烯导热凸点9位于弹性热涨层7上比较稳定。由此，实现了在弹性热涨层7的表面设置多个石墨烯导热凸点9。

在实际使用时，柔性衬底1上的受力部位并不是固定的，无论柔性衬底1受力部位在何处，柔性衬底1受力部位均是柔性衬底1向上拱起最高的部位，柔性衬底1受力部位周围区域向上拱起程度相比受力点部位拱起程度小。本实施例中，由于柔性衬底1向上拱起对弹性热涨层7进行挤压，因此弹性热涨层7与柔性衬底1受力点对应的部位向上拱起程度也是最大的，这样弹性热涨层7向上拱起最大的部位相应的石墨烯导热凸点9能够与导热片5接触，从而使得弹性热涨层7向上拱起的最高的部位的石墨烯导热凸点9接触到导热片5而接受热量。当柔性衬底1在不同的部位受到挤压时，则弹性热涨层7向上拱起的部位也不同，与导热片5接触的石墨烯导热凸点9也不同，从而使得弹性热涨层7每次接受热量的部位也不同，相比实施例1中传热插头12将热量传递给弹性热涨层7的方式，本方案中弹性热涨层7接受热量的部位不是固定唯一的，整个弹性热涨层7的上表面均有可能接受热量，避免了弹性热涨层7一直是固定部位接受热量而长期受热老化损坏的现象，提高了弹性热涨层7的使用寿命。

实施例3

本实施例中的弹性热涨层7的底部设有多个凹槽（图中未示出），凹槽和检测网2的网孔相对。由此，检测网2设有网孔的部位没有弹性热涨层7，弹性热涨层7不会填充到检测网2的网孔中，避免弹性热涨层7对网孔造成堵塞，能够保证检测网2正常弯曲和形变，减少对检测网2压力检测造成的影响。

采用本实施例中的结构，制备方法与实施例1-2不同，具体的制备方法为：

步骤1，在柔性衬底1上制备电极片3：与实施例1中的步骤1相同。

步骤2，制备弹性热涨层7：与实施例1或实施例2中的步骤3相同。

步骤3，制备检测网2：在弹性热涨层7的底部涂抹氧化石墨烯薄膜层，进行加热，将氧化石墨烯薄膜层还原，形成石墨烯层。还原操作时，以氮气作为保护气，可防止氧化石墨烯还原不够彻底和位于两端的金属电极被氧化。

然后采用激光打孔的方式对弹性热涨层7的底部加工多个孔(孔的深度大于石墨烯层的厚度，小于石墨烯层和弹性热涨层7的总厚度)，孔位于石墨烯层上而形成网孔，这样在石墨烯层上加工出多个网孔而形成石墨烯网。由于孔深度小于石墨烯层和弹性热涨层7的总厚度，因此孔穿过弹性热涨层7的底部而没有打穿整个弹性热涨层7，从而形成凹槽。由于网孔和凹槽同时形成，因此凹槽和网孔相对。

步骤4，将弹性热涨层7设有检测网2的下侧面使用胶液粘合在柔性衬底1的上表面，检测网2的端部位于电极片3上。

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。本申请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。