基于双汉堡结构的差动式压敏元件及其研制方法

摘要

本发明涉及一种基于双汉堡结构的差动式压敏元件及其研制方法，属于测量技术领域。基于双汉堡结构的差动式压敏元件包括高导电相含量单汉堡结构层和低导电相含量单汉堡结构层，高导电相含量单汉堡结构层由窗口封装膜、高导电相含量压敏膜、热固胶和小电极封装膜构成，低导电相含量单汉堡结构层由大电极封装膜、低导电相含量压敏膜、热固胶和窗口封装膜构成。将高导电相含量单汉堡结构层和低导电相含量单汉堡结构层作为基于双汉堡结构的差动式压敏元件的两个压敏子单元，并利用电桥可减小温度对压敏元件输出的不利影响。利用本发明提出的方法研制的基于双汉堡结构的差动式压敏元件的电极数量比传统的基于单汉堡结构的差动式压敏元件的少，更有利于精简元件结构，以便于将压敏元件安装在更加狭小的空间，特别适用于大型军事与民用设备狭小层间压力测量或机器人指端触觉实现等领域。

说明书

技术领域

本发明属于传感技术领域，特别涉及到狭小层间压力测量。

背景技术

由纳米导电粉末和高分子基体构成的导电高分子复合材料不但具有压阻特性，而且具有易加工性和良好的柔韧性。因此，越来越多的科研机构都在研制基于这种复合材料的柔性压敏元件以实现现代国防和工业领域的压力测量，比如：大型设备狭小层间压力测量和人工电子皮肤研制等。由于这种复合材料的电阻具有温度依赖性，因此，温度会引起的压敏元件输出漂移。故而如何减小温度对压敏元件输出的影响是该领域目前的关键问题。高导电相含量的压敏子单元与低导电相含量的压敏子单元的电阻随压力变化趋势相反而随温度变化趋势相同，故可采用基于这两种压敏子单元的差动电桥来来减小由温度引起的压敏元件输出漂移。由于传统的压敏子单元都采用单汉堡结构，增加压敏子单元的数量会导致传感探头更为复杂。比如，若采用板桥差动形式，则需四个电极，比传统单汉堡结构的电极数增加了一倍。但是在很多工程应用中能够安装传感器的空间狭小，因此，亟需精简压敏子单元的结构，以使其能安装于空间狭小的结构中以完成测量任务。

发明内容

本发明的目的是为克服已有技术的不足之处，提出一种基于双汉堡结构的差动式压敏元件及其研制方法。所述的基于双汉堡结构的差动式压敏元件包括高导电相含量单汉堡结构层和低导电相含量单汉堡结构层，高导电相含量单汉堡结构层由窗口封装膜、高导电相含量压敏膜、热固胶和小电极封装膜构成，低导电相含量单汉堡结构层由大电极封装膜、低导电相含量压敏膜、热固胶和窗口封装膜构成。

所述的基于内置式电极的柔性压阻传感器的研制方法包括以下步骤：

在第一张绝缘薄膜的一侧覆合长为3.36厘米、宽为5.12厘米的电极及其引线作为大电极封装膜；在第二张绝缘薄膜的一侧覆合长为0.38厘米、宽为0.59厘米的电极及其引线作为小电极封装膜；在第三张绝缘薄膜的一侧覆合长为3.36厘米、宽为5.12厘米的电极及其引线，并在第三张绝缘薄膜未覆合电极的一侧开长为0.38厘米、宽为0.59厘米的窗口，使覆合在第三张绝缘薄膜上的电极在未覆合电极的一侧通过窗口裸露，并确保所述的窗口轴心与覆合在第三张绝缘薄膜上的电极轴心重合，进而完成窗口封装膜的制备；将小电极封装膜置于旋转平台上备用，并确保覆合有电极的一侧向上；

将平均粒径为30纳米的炭黑、室温硫化硅橡胶和正己烷按1∶8∶100的体积比混合，利用机械搅拌和超声振荡使炭黑在由室温硫化硅橡胶和正己烷构成的混合溶液中分散，待正己烷挥发后，形成高导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料；将高导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料滴入固定于旋转平台上的小电极封装膜的电极之上；把高导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料旋涂成所需厚度，并确保高导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料完全覆盖在小电极封装膜的电极之上；待高导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料硫化成型后，去除小电极封装膜的电极之外的高导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料，剩余的覆盖在小电极封装膜的电极之上的高导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料作为高导电相含量单汉堡结构层的高导电相含量压敏膜；在小电极封装膜上的高导电相含量压敏膜周围的绝缘薄膜上涂热固胶，将窗口封装膜覆盖在高导电相含量压敏膜和热固胶之上，并确保窗口封装膜的窗口与高导电相含量压敏膜正对、且覆合在窗口封装膜上的电极在未覆合电极的一侧通过窗口裸露出的部分与高导电相含量压敏膜完全接触，利用柔性材料热压封装机对窗口封装膜、高导电相含量压敏膜、热固胶和小电极封装膜进行热压封装，进而完成由窗口封装膜、高导电相含量压敏膜、热固胶和小电极封装膜构成的高导电相含量单汉堡结构层的制备；

将高导电相含量单汉堡结构层固定在旋转平台上备用，并使覆合在窗口封装膜上的电极一侧向上；将平均粒径为30纳米的炭黑、室温硫化硅橡胶和正己烷按1∶16∶180的体积比混合，利用机械搅拌和超声振荡使炭黑在由室温硫化硅橡胶和正己烷构成的混合溶液中分散，待正己烷挥发后，形成低导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料；将低导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料滴入所述的固定有高导电相含量单汉堡结构层的旋转平台之上，把低导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料旋涂成所需厚度，并确保低导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料完全覆盖在高导电相含量单汉堡结构层的窗口封装膜的电极之上；待低导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料硫化成型后，去除窗口封装膜的电极之外的部分，剩余的覆盖在窗口封装膜的电极之上的低导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料作为低导电相含量单汉堡结构层的低导电相含量压敏膜；在低导电相含量压敏膜周围的窗口封装膜的绝缘薄膜上涂热固胶，将大电极封装膜覆盖在低导电相含量压敏膜和热固胶之上，并确保大电极封装膜的电极与低导电相含量压敏膜正对且完全接触，利用柔性材料热压封装机对高导电相含量单汉堡结构层、低导电相含量压敏膜、和热固胶和大电极封装膜进行热压封装，以完成由大电极封装膜、低导电相含量压敏膜、热固胶和窗口封装膜构成的低导电相含量单汉堡结构层的制备，进而完成由高导电相含量单汉堡结构层和低导电相含量单汉堡结构层构成的基于双汉堡结构的差动式压敏元件的制备。

本发明的特点及效果：

利用本发明的方法制备的基于双汉堡结构的差动式压敏元件，其包括的高导电相含量压敏膜和低导电相含量压敏膜的炭黑与室温硫化硅橡胶的体积比是通过大量实验和分析得到的，可确保高导电相含量压敏膜和低导电相含量压敏膜的电阻随压力的变化趋势相反、且随温度的变化相同，因此可作位电桥相邻桥臂进而减小温度漂移并增大灵敏度。高导电相含量单汉堡结构层和低导电相含量单汉堡结构层共享窗口封装膜，与传统的基于单汉堡结构的差动式压敏元件相比，节省了一个电极，更有利于精简元件结构，进而应用到更加狭小的空间，特别适用于大型军事与民用设备狭小层间压力测量或机器人指端触觉实现等领域。

附图说明

图1(A)为大电极封装膜的覆合有电极一侧的俯视图。

图1(B)为大电极封装膜的剖面图。

图2(A)为小电极封装膜的覆合有电极一侧的俯视图。

图2(B)为小电极封装膜的剖面图。

图3(A)为窗口封装膜的覆合有电极一侧的俯视图。

图3(B)为窗口封装膜的剖面图。

图3(C)为窗口封装膜的开有窗口一侧的俯视图。

图4为高导电相含量单汉堡结构层的剖面图。

图5为基于双汉堡结构的差动式压敏元件的剖面图。

图1-图5中，a代表大电极封装膜的绝缘膜(即：第一张绝缘膜)；b代表覆合在大电极封装膜的绝缘膜上的电极；c代表覆合在大电极封装膜的绝缘膜上的引线；d代表小电极封装膜的绝缘膜(即：第二张绝缘膜)；e代表覆合在小电极封装膜的绝缘膜上的电极；f代表覆合在小电极封装膜的绝缘膜上的引线；g代表窗口封装膜的绝缘膜(即：第三张绝缘膜)；h代表覆合在窗口封装膜的绝缘膜上的电极；i代表覆合在窗口封装膜的绝缘膜上的引线；j1代表在在窗口封装膜的绝缘膜上未覆合电极的一侧开的窗口；j2代表覆合在窗口封装膜上的电极在未覆合电极的一侧通过窗口裸露出的部分；k代表高导电相含量压敏膜；l代表位于小电极封装膜和窗口封装膜之间的热固胶；m代表低导电相含量压敏膜；n代表位于窗口封装膜和大电极封装膜之间的热固胶。

具体实施方式

以下结合实施例说明本发明提出的基于双汉堡结构的差动式压敏元件的研制方法：

在第一张绝缘薄膜a的一侧覆合长为3.36厘米、宽为5.12厘米的电极b及其引线c作为大电极封装膜；在第二张绝缘薄膜d的一侧覆合长为0.38厘米、宽为0.59厘米的电极e及其引线f作为小电极封装膜；在第三张绝缘薄膜g的一侧覆合长为3.36厘米、宽为5.12厘米的电极h及其引线i，并在第三张绝缘薄膜g未覆合电极的一侧开长为0.38厘米、宽为0.59厘米的窗口j1，使覆合在第三张绝缘薄膜g上的电极h在未覆合电极的一侧通过窗口j1裸露，并确保所述的窗口j1轴心与覆合在第三张绝缘薄膜g上的电极h轴心重合，进而完成窗口封装膜的制备；将小电极封装膜置于旋转平台上备用，并确保覆合有电极的一侧向上；

将平均粒径为30纳米的炭黑、室温硫化硅橡胶和正己烷按1∶8∶100的体积比混合，利用机械搅拌和超声振荡使炭黑在由室温硫化硅橡胶和正己烷构成的混合溶液中分散，待正己烷挥发后，形成高导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料；将高导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料滴入固定于旋转平台上的小电极封装膜的电极e之上；把高导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料旋涂成所需厚度，并确保高导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料完全覆盖在小电极封装膜的电极e之上；待高导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料硫化成型后，去除小电极封装膜的电极之外的高导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料，剩余的覆盖在小电极封装膜的电极之上的高导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料作为高导电相含量单汉堡结构层的高导电相含量压敏膜k；在小电极封装膜上的高导电相含量压敏膜k周围的绝缘薄膜上涂热固胶l，将窗口封装膜覆盖在高导电相含量压敏膜k和热固胶l之上，并确保窗口封装膜的窗口j1与高导电相含量压敏膜k正对、且覆合在窗口封装膜上的电极在未覆合电极的一侧通过窗口裸露出的部分j2与高导电相含量压敏膜k完全接触，利用柔性材料热压封装机对窗口封装膜、高导电相含量压敏膜k、热固胶l和小电极封装膜进行热压封装，进而完成由窗口封装膜、高导电相含量压敏膜、热固胶和小电极封装膜构成的高导电相含量单汉堡结构层的制备；

将高导电相含量单汉堡结构层固定在旋转平台上备用，并使覆合在窗口封装膜上的电极h一侧向上；将平均粒径为30纳米的炭黑、室温硫化硅橡胶和正己烷按1∶16∶180的体积比混合，利用机械搅拌和超声振荡使炭黑在由室温硫化硅橡胶和正己烷构成的混合溶液中分散，待正己烷挥发后，形成低导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料；将低导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料滴入所述的固定有高导电相含量单汉堡结构层的旋转平台之上，把低导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料旋涂成所需厚度，并确保低导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料完全覆盖在高导电相含量单汉堡结构层的窗口封装膜的电极h之上；待低导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料硫化成型后，去除窗口封装膜的电极h之外的部分，剩余的覆盖在窗口封装膜的电极h之上的低导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料作为低导电相含量单汉堡结构层的低导电相含量压敏膜m；在低导电相含量压敏膜m周围的窗口封装膜的绝缘薄膜上涂热固胶n，将大电极封装膜覆盖在低导电相含量压敏膜m和热固胶n之上，并确保大电极封装膜的电极b与低导电相含量压敏膜m正对且完全接触，利用柔性材料热压封装机对高导电相含量单汉堡结构层、低导电相含量压敏膜m、和热固胶n和大电极封装膜进行热压封装，以完成由大电极封装膜、低导电相含量压敏膜m、热固胶n和窗口封装膜构成的低导电相含量单汉堡结构层的制备，进而完成由高导电相含量单汉堡结构层和低导电相含量单汉堡结构层构成的基于双汉堡结构的差动式压敏元件的制备。

实施例

在第一张聚酰亚胺薄膜的一侧覆合长为3.36厘米、宽为5.12厘米的铜电极及其铜引线作为大电极封装膜；在第二张聚酰亚胺薄膜的一侧覆合长为0.38厘米、宽为0.59厘米的铜电极及其铜引线作为小电极封装膜；在第三张聚酰亚胺薄膜的一侧覆合长为3.36厘米、宽为5.12厘米的铜电极h及其铜引线，并在第三张聚酰亚胺薄膜未覆合铜电极的一侧开长为0.38厘米、宽为0.59厘米的窗口j1，使覆合在第三张聚酰亚胺薄膜上的铜电极在未覆合铜电极的一侧通过窗口裸露，并确保所述的窗口轴心与覆合在第三张聚酰亚胺薄膜上的铜电极轴心重合，进而完成窗口封装膜的制备；将小电极封装膜置于旋转平台上备用，并确保覆合有电极的一侧向上；

将平均粒径为30纳米的炭黑、室温硫化硅橡胶和正己烷按1∶8∶100的体积比混合，利用机械搅拌和超声振荡使炭黑在由室温硫化硅橡胶和正己烷构成的混合溶液中分散，待正己烷挥发后，形成高导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料；将高导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料滴入固定于旋转平台上的小电极封装膜的电极之上；把高导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料旋涂成厚度为80微米的薄片，并确保高导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料完全覆盖在小电极封装膜的电极之上；待高导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料硫化成型后，去除小电极封装膜的电极之外的高导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料，剩余的覆盖在小电极封装膜的电极之上的高导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料作为高导电相含量单汉堡结构层的高导电相含量压敏膜；在小电极封装膜上的高导电相含量压敏膜周围的聚酰亚胺薄膜上涂热固胶，将窗口封装膜覆盖在高导电相含量压敏膜和热固胶之上，并确保窗口封装膜的窗口与高导电相含量压敏膜k正对、且覆合在窗口封装膜上的电极在未覆合电极的一侧通过窗口裸露出的部分与高导电相含量压敏膜完全接触，利用柔性材料热压封装机对窗口封装膜、高导电相含量压敏膜、热固胶和小电极封装膜进行热压封装，进而完成由窗口封装膜、高导电相含量压敏膜、热固胶和小电极封装膜构成的高导电相含量单汉堡结构层的制备；

将高导电相含量单汉堡结构层固定在旋转平台上备用，并使覆合在窗口封装膜上的电极一侧向上；将平均粒径为30纳米的炭黑、室温硫化硅橡胶和正己烷按1∶16∶180的体积比混合，利用机械搅拌和超声振荡使炭黑在由室温硫化硅橡胶和正己烷构成的混合溶液中分散，待正己烷挥发后，形成低导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料；将低导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料滴入所述的固定有高导电相含量单汉堡结构层的旋转平台之上，把低导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料旋涂成厚度为80微米的薄片，并确保低导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料完全覆盖在高导电相含量单汉堡结构层的窗口封装膜的电极之上；待低导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料硫化成型后，去除窗口封装膜的电极之外的部分，剩余的覆盖在窗口封装膜的电极之上的低导电相含量的炭黑填充硅橡胶复合材料作为低导电相含量单汉堡结构层的低导电相含量压敏膜；在低导电相含量压敏膜周围的窗口封装膜的聚酰亚胺薄膜上涂热固胶，将大电极封装膜覆盖在低导电相含量压敏膜和热固胶之上，并确保大电极封装膜的电极与低导电相含量压敏膜正对且完全接触，利用柔性材料热压封装机对高导电相含量单汉堡结构层、低导电相含量压敏膜、和热固胶和大电极封装膜进行热压封装，以完成由大电极封装膜、低导电相含量压敏膜、热固胶和窗口封装膜构成的低导电相含量单汉堡结构层的制备，进而完成由高导电相含量单汉堡结构层和低导电相含量单汉堡结构层构成的基于双汉堡结构的差动式压敏元件的制备。