一种正电阻效应的拉力敏感型传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种正电阻效应的拉力敏感型传感器，包括拉敏材料以及安装在所述拉敏材料两端的金属电极；所述拉敏材料是在硅橡胶材料中填充导电粒子制成的电阻率介于1.0×102Ω.cm和1.0×105Ω.cm之间的一种导电橡胶材料。本发明专利技术的拉力敏感型传感器的电阻值随拉伸形变增加逐渐增大，在30%拉伸形变时产生5到50倍的电阻变化，且电阻与形变间具有良好的线性度，因而可以通过检测电阻值的变化，或者将电阻转换成电流、电压或电容信号，可以获得所受的外界作用力的信息。本发明专利技术的拉力敏感型传感器具有很好的柔性和弹性，力学量变化幅度较大，在生物力学检测、医疗康复、智能机器人、智能可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种拉力敏感型传感器，特别涉及一种正电阻效应的拉力敏感型传感器。
技术介绍
1885年，英国物理学家开尔文发现金属在承受压力（拉力或扭力）后产生机械形变的同时，由于受材料尺寸（长度、截面积）改变的影响，电阻值也发生了特征性变异，即应变电阻效应。人们便从电阻值的变化获得材料受力的特征和量值，分别开发出压力敏感型和拉力敏感型的电阻应变传感器。目前使用的拉力敏感型电阻应变式传感器，简称拉敏电阻传感器，主要有金属应变电阻式、半导体应变电阻式、合金应变电阻式等。但是由于传感材料本身弹性模量的限制，这些应变型型电阻传感元件存在以下缺点：一是缺乏柔性和弹性、不能弯曲，因而在体育、医疗、智能穿戴等需要弯曲、拉伸等复杂形变的领域的应用受到限制；二是力学量变化幅度较小，因而不能用于形变量较大的领域；三是结构复杂，制造成本高，限制了其在更广领域的应用。特别是前两个缺点，给生物力学检测、康复医疗、智能可穿戴设备、智能机器人等领域中的许多特殊结构的应力应变的测量带来了很大困难，因此急需寻找新型的柔性的力学敏感材料制造柔性的应变型传感器。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种正电阻效应的拉力敏感型传感器，提高传感器的柔性和弹性，增大力学量变化幅度，结构简单，降低制造成本。为了实现上述目的，本专利技术的技术方案是：一种正电阻效应的拉力敏感型传感器，包括拉敏材料以及安装在所述拉敏材料两端的金属电极；所述拉敏材料是在硅橡胶材料中填充导电炭黑制成的体积电阻率介于1.0×102Ω.cm和1.0×105Ω.cm之间的一种导电橡胶材料。所述金属电极选自金属膜、金属箔、金属片或异形金属构件中的一种，通过导电胶粘合、高温热压、丝网印刷、真空镀膜或机械压接的方式制作在拉敏材料两端的表面。导电粒子在橡胶基体中通过微观的相互接触形成导电通路，因而当材料受到外界的压力或拉力作用时，材料内部相邻导电粒子的间距发生变化，导致依靠导电粒子的接触而形成的导电通路发生变化，引起宏观上材料的电阻发生变化，因此可以作为一种力学传感材料。橡胶基体自身优异的柔性和弹性赋予所述拉敏传感器优良的柔性和弹性，以及较大的力学量变化幅度，能够克服金属式或半导体式电阻应变传感器在柔韧性和弹性方面的不足。所述的正电阻效应的拉力敏感型传感器在拉伸力作用下传感器电阻逐渐增加，呈现正拉敏电阻效应，在30%拉伸形变电阻变化倍率介于5到50倍，且电阻与形变之间具有良好的线性度，可以通过检测电阻值的变化或将变化的电阻信号转换成电流、电压或者电容等其他电平信号来获得外界作用力的信息，从而制成一种拉敏型应变式传感器，在生物力学检测、医疗康复、机器人、智能可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景，且该传感器件制造工艺简单、成本低。为实现上述技术方案，所述导电橡胶材料按照质量份各组分配比为：硅橡胶100份，结构控制剂0.1-10份，硫化剂0.2-5份，补强填料5-40份，导电炭黑10-100份。其中，质量份是工业上出于计算方便使用的一个直观的质量配比方法，数字直接表示所需要配比物质的质量比。进一步地，所述硅橡胶为高温硫化型硅橡胶，选自二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶和氟硅橡胶中的一种。进一步地，所述结构控制剂，选自羟基硅油、二苯基硅二醇。进一步地，所述导电炭黑，粒径为20-120nm，吸油值为40cm3/100g-200cm3/100g。进一步地，所述补强填料选自气相二氧化硅，BET法所测比表面积100-400m2/g。气相二氧化硅除了补强之外，还具有改善拉敏电阻的电阻蠕变与松弛的作用。气相二氧化硅，也被称作白炭黑。进一步地，所述硫化剂，选自有机过氧化物，包括过氧化苯甲酰BPO、过氧化二异丙苯DCP、过氧化二叔丁基DTBP、二（叔丁基过氧化异丙基）DIPB、2,4-二氯过氧化苯甲酰DCBP、2,5-二甲基-2,5-双（叔丁基过氧基）己烷DBPMH。进一步地，所述导电硅橡胶材料的电阻率介于1.0×102Ω.cm和1.0×105Ω.cm之间。进一步地，所述金属电极选自金属箔、金属片、金属膜或异形金属构件中的一种，通过导电胶粘合、高温热压、银浆丝网印刷、真空镀膜或者机械压接的方式制作，以方便拉敏传感器与信号采集端的连接。所述导电银浆包括热固化型和紫外光固化型。所述真空镀膜的方法包括真空蒸发镀膜、真空溅射镀膜、真空离子镀膜。进一步地，所述拉力敏感型传感器包括拉敏材料以及安装在所述拉敏材料两端的金属电极，更进一步地，所述拉敏传感器的电阻值介于50kΩ和5000kΩ之间。进一步地，所述拉敏传感器在拉伸力作用下100%拉伸形变范围内电阻值逐渐增加，在30%拉伸形变电阻变化倍率介于5到50倍，并且电阻与形变之间具有良好的线性度。拉敏传感器在形变前后电阻值的变化倍率，可以用来表征为传感器的灵敏度。所述拉敏传感器在受到拉力作用之后，拉敏材料长度增加，截面积变小，以及材料内部导电粒子间隙的变化导致材料微观导电网络变化，从而引起材料电阻率的变化。材料电阻率、电极间材料的长度等因素的综合变化也同时导致了拉敏材料两端电极之间的电容值发生变化。进一步地，本专利技术的拉敏型传感器的电容值随着拉伸形变增加而下降，100%拉伸形变范围内拉敏传感器的电容值变化倍率5到50倍。本专利技术还提供了一种正电阻效应的拉力敏感型传感器的制造方法，包括以下步骤：步骤A：按照一定的质量配比将硅橡胶基体、结构控制剂、导电填料、补强填料和硫化剂依照上述顺序依次加入到双辊开炼机或者密炼机进行混炼，设定温度低于为50℃，各组分混合均匀后，薄通出片，整个混炼过程的温度控制在80℃以下；步骤B：将混炼好导电橡胶胶料放入一定的模腔尺寸的模具中，在一定的温度、压力和时间下硫化成型，得到导电橡胶板材。硫化分为一段硫化：150-200℃，压力10MPa-20MPa，5-15分钟；二段硫化：转移至烘箱中150-200℃，2-4小时；以及步骤C：将导电橡胶板材，裁切成一定长度和宽度的橡胶样条，使用导电银胶粘接、高温热压、丝网印刷、真空镀膜或者机械压接的方法在样条两端做出金属电极，也可以进一步在其上连接金属导线，从而制备出正电阻效应的拉力敏感型传感器。有益效果：本专利技术的正电阻效应的拉力敏感型电阻传感器的电阻值介于50kΩ和5000kΩ之间。拉敏传感器在100%拉伸形变范围内其电阻随形变增大逐渐增加，呈现正电阻效应，同时随着拉伸形变增加传感器两端金属电极之间的电容值下降，在30%拉伸形变时传感器的电阻值和电容值的变化倍率介于5到50倍。通过检测电阻值的变化，或者将变化的电阻信号转换成电流、电压或者电容等其他电平信号可以获得传感器受力的信息。本专利技术的拉敏传感器柔性好，力学量变化幅度大，结构简单，制造成本低。在生物力学检测、医疗康复、机器人、智能可穿戴设备等领域具有广阔的应用前景。附图说明图1-图7是正电阻效应拉敏传感器的电阻（电容）与形变的关系曲线图。具体实施方式为了能够更清楚地理解本专利技术的
技术实现思路
，特举以下实施例对本专利技术拉敏传感器作详细说明：实施例1导电橡胶的成份配比及制作方法如下：按照以下顺序依次将100质量份的甲基乙烯基硅橡胶（牌号110-1，分子量45-70万，乙烯基含量0.13-0.22%，南京东爵有机硅公司），2质量份的二苯甲基硅二醇，80质本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种正电阻效应的拉力敏感型传感器，其特征在于：包括拉敏材料以及安装在所述拉敏材料两端的金属电极；所述拉敏材料是在硅橡胶材料中填充导电炭黑制成的电阻率介于1.0×102Ω.cm和1.0×105Ω.cm之间的一种导电硅橡胶，按照质量份各组分配比为：硅橡胶100份，结构控制剂0.1‑10份，硫化剂0.2‑5份，补强填料5‑40份，导电炭黑10‑100份。

【技术特征摘要】
2015.07.15 CN 20151041726601.一种正电阻效应的拉力敏感型传感器，其特征在于：包括拉敏材料以及安装在所述拉敏材料两端的金属电极；所述拉敏材料是在硅橡胶材料中填充导电炭黑制成的电阻率介于1.0×102Ω.cm和1.0×105Ω.cm之间的一种导电硅橡胶，按照质量份各组分配比为：硅橡胶100份，结构控制剂0.1-10份，硫化剂0.2-5份，补强填料5-40份，导电炭黑10-100份。2.如权利要求1所述的正电阻效应的拉力敏感型传感器，其特征在于，所述硅橡胶为高温硫化型硅橡胶，选自二甲基硅橡胶、甲基乙烯基硅橡胶、甲基苯基乙烯基硅橡胶和氟硅橡胶中的一种。3.如权利要求1所述的正电阻效应的拉力敏感型传感器，其特征在于，所述导电炭黑，粒径为20-120nm，吸油值为40cm3/1...

【专利技术属性】
技术研发人员：李大军，李杨，徐行涛，方斌，
申请(专利权)人：深圳市慧瑞电子材料有限公司，
类型：发明
国别省市：广东;44