[發明專利]一種基于熱塑性彈性體的壓敏元件及面載荷分布測量方法

有效

• 申請號: 201410217440.2
• 申請日: 2014-05-21
• 公開（公告）號: CN103994844A
• 公開（公告）日: 2014-08-20
• 發明（設計）人: 張小祥;巴龍
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01L1/14
• 分類號: G01L1/14
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 馮慧

技術領域

本發明屬于一種高重復性和敏感性的彈性體載荷傳感裝置。

背景技術

測量軟材料接觸載荷和分布的柔性傳感器在生在生物力學、機器人、消費電子產品等領域有廣泛應用，近年來為了開發這類傳感器人們設計了不同的實現方法，例如；制備具有形變敏感特性的聚合物導電材料，形成具有拉伸、壓縮形變敏感的柔性傳感器，其拉伸敏感形變范圍達到100％，壓縮敏感形變范圍達到30％。這類以壓阻材料為基礎的具有結構簡單、制備方便、材料器件一體化等特點，不足之處在于其重復性較差，尤其不適合長時間定量測量的應用。另一類通過測量彈性體形變的平面電容或制成以彈性體為基體的有機電子器件為原理，具有重復性好、可微加工等優勢，但目前存在測量靈敏度低、成本較高等缺點。熱塑性彈性體材料是包括多種性能優越的彈性體材料，熱塑性彈性體材料通過調節成分可以做到硬度在很大范圍調節，光學透明度、可加工性、破斷延伸率及剩余形變等綜合性能正逐漸超越大部分工程橡膠，且與金屬、透明導電氧化物材料、導電聚合物具有良好的表面粘附性，適合用于制備柔性平面載荷傳感結構。

利用硅片濕法刻蝕技術，可以在硅片表面制備四棱錐狀腐蝕坑，例如用四甲基氫氧化銨、氫氧化鉀對不同取向硅晶體腐蝕速率差異，腐蝕通過光刻暴露出的方形窗口，設計窗口尺寸和圖形，可以得到不同尺寸和排列的腐蝕坑結構。以此結構作為模板，填充聚合物材料，可制成尺寸從幾微米到幾百微米的凸出反轉結構。

正交排列的電極結構，廣泛用于各種液晶顯示屏、電阻觸摸屏，在柔性材料表面制備正交電極結構，也廣泛用于各種柔性顯示器件和光電轉換器件。將該電極結構應用于上述柔性傳感結構，可實現單個錐體的選通及形變下的電容變化測量。

發明內容

本發明旨在提供一種基于熱塑性彈性體的壓敏元件及載荷測量方法，以彈性材料為基體，通過在熱塑性彈性體表面制備具有導電層的金字塔錐體及陣列，測量其接觸面上受載荷引起的錐體測量單元集體或單個的電容變化，實現載荷及分布測量。

本發明的技術方案為：一種基于熱塑性彈性體的壓敏元件，包括連續或分立的平行條帶結構的對電極以及與其以正交方式設置的周期性的金字塔錐體，周期性金字塔錐體或獨立的金字塔錐體與包含采樣電阻的測量電路串聯；所述的金字塔錐體是由彈性體表面覆蓋導電薄膜得到的導電金字塔錐體，彈性體的厚度為0.3到3mm，所述的導電薄膜包括金屬薄膜、氧化物薄膜、表面金屬化薄膜、導電聚合物薄膜中的任意一種，厚度為30到100nm；所述的對電極為層狀結構，為上下兩層聚合物層中間設置金屬或氧化物導電薄膜層，所述上層聚合物厚度為3到10μm，下層聚合物厚度為0.05到0.3mm，所述的條帶寬度與金字塔錐體底邊寬度相同。

所述的導電薄膜為鋁、銅、銀、金中任意種的金屬薄膜，或導電氧化銦錫、氧化鋅、氧化錫中任意一種的氧化物薄膜，或銅、鋁、銀離子中任意種表面金屬化薄膜，或聚苯胺、聚乙烯二氧噻吩中任意一種導電聚合物薄膜。

所述彈性體是指邵氏硬度A30到A90之間的熱塑性彈性體；

所述周期性的金字塔錐體為相鄰金字塔錐體之間的間距為20到150μm的周期性結構；單個金字塔錐體的底邊長50到250μm、傾角54.7°。

所述的對電極聚合物層為聚乙烯、聚氯乙烯、聚丙乙烯、聚苯乙烯、聚氨酯中的任意一種。

所述的對電極金屬或氧化物導電薄膜層為鋁、銅、銀、金、導電氧化銦錫、氧化鋅、氧化錫構成的薄膜中任意一種。

周期性金字塔錐體全部或金字塔錐體條帶與帶有采樣電阻的測量電路串聯，對電極均勻覆蓋在金字塔椎體結構表面，垂直對電極的載荷及分布通過測量全部或單個金字塔錐體在形變下與對電極之間的電容變化來實現。

通過標定垂直于測量面的載荷確定加載和卸載時電容變化對應的載荷，得到標準的電容變化與載荷的對應關系，通過讀取電容變化值來測量未知垂直測量面載荷，對任意方向載荷通過在立方體垂直的六個正交面放置相同的壓敏元件來測量。

所述的基于熱塑性彈性體的壓敏元件的載荷測量方法，單個錐體的電容測量通過將平行條帶導通的金字塔錐體陣列與平行條帶的對電極正交排列，交替選通測量錐體條帶，施加交流偏壓，讀取串聯的采樣電阻分壓來得到每個錐體的電容變化來實現垂直與測量面載荷分布的測量。

所述的基于熱塑性彈性體的壓敏元件的載荷測量方法，被測載荷垂直施壓于周期性金字塔錐體，通過測量該周期性金字塔錐體上集體選通或單個選通的金字塔錐體與對電極間在形變下的電容變化，實現對柔性材料的載荷及分布測量。

電容測量采用測量串聯于交流偏壓電路上的采樣電阻分壓來實現。