專利名稱：一種測(cè)量曲面間隙和力的集成化柔順式傳感器的制備方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種測(cè)量曲面間隙和力的集成化柔順式傳感器的制備方法，屬于傳感器 技術(shù)領(lǐng)域。
背景技術(shù)：
"柔順傳感器"概念的提出可以追溯到上世紀(jì)80年代末期，航空航天器中的許多特 殊結(jié)構(gòu)給傳統(tǒng)剛性傳感器的安裝帶來了很大困難。人們希望傳感器具有良好的柔順性 能，不受被測(cè)物體形狀限制，能夠貼附于各種規(guī)則或不規(guī)則曲面實(shí)現(xiàn)正常的傳感功能。 進(jìn)入上世紀(jì)90年代以后，美國(guó)、法國(guó)、日本、瑞士和葡萄牙等國(guó)家的科學(xué)家開始進(jìn)行 柔順傳感器的研究工作，許多新型的傳感器材料和結(jié)構(gòu)被應(yīng)用到這一研究領(lǐng)域之中。
2001年，美國(guó)傳感器領(lǐng)域的知名學(xué)者Lumeisky教授對(duì)柔順傳感器的發(fā)展方向提出 了大膽的設(shè)想。Lumdsky教授認(rèn)為，敏感表皮將是一種大面積的柔順傳感器陣列，就像 人體的皮膚一樣，能夠覆蓋整個(gè)測(cè)量機(jī)構(gòu)的表面。它具有感知外界環(huán)境的能力，能夠較 為準(zhǔn)確地測(cè)量擠壓力、剪切力、接近距離、光強(qiáng)、溫度、濕度和某些氣體濃度的變化， 從而幫助一些自主控制機(jī)構(gòu)(例如機(jī)器人)在復(fù)雜的環(huán)境中準(zhǔn)確地執(zhí)行任務(wù)。可以預(yù) 見，柔順傳感器技術(shù)將給傳感器領(lǐng)域帶來一場(chǎng)新的革命，并將帶動(dòng)工業(yè)自動(dòng)化、醫(yī)療衛(wèi) 生、航空航天、環(huán)境監(jiān)測(cè)、機(jī)器人等領(lǐng)域中相關(guān)技術(shù)的發(fā)展。
(1) 柔順式電渦流傳感器在2004年的第16屆世界無損檢測(cè)會(huì)議上，法國(guó)人C. Gilles-Pascaud展示了一種最新研究的應(yīng)用于航空領(lǐng)域中表面阻斷裂紋檢測(cè)的傳感器陣 列探頭。該儀器包括一組含有32個(gè)敏感單元的電渦流線圈陣列和一個(gè)高分辨率的攝像 頭，能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)表面潛在裂紋實(shí)時(shí)、完整和可靠的檢測(cè)，并可很好的應(yīng)用于各種合金材 料，裂紋深度的檢測(cè)精度約為0.2mm。該系統(tǒng)最大的特點(diǎn)就是實(shí)現(xiàn)了兩種不同檢測(cè)技術(shù) 的實(shí)時(shí)融合，從而提高了對(duì)小的表面阻斷裂紋的檢測(cè)能力。由此可見，加工在柔性基底 材料上的柔順式電渦流傳感器可以很好地應(yīng)用于曲面間隙測(cè)量和曲面體裂紋檢測(cè)。
(2) 導(dǎo)電高分子材料柔順式力傳感器導(dǎo)電高分子復(fù)合材料指近年來常見的導(dǎo)電 橡膠、導(dǎo)電塑料、導(dǎo)電涂料、導(dǎo)電膠粘劑和導(dǎo)電薄膜等。導(dǎo)電高分子復(fù)合材料分為填充 型和化合型兩種，前者是將導(dǎo)電顆?；旌先刖酆衔锘w中形成導(dǎo)電通道，是兩種以上材 料的混合體；而后者只是單一材料，自身具有導(dǎo)電性。功能材料領(lǐng)域的研究發(fā)現(xiàn)，填充 型導(dǎo)電高分子復(fù)合材料具有壓阻效應(yīng)，因此一些研究機(jī)構(gòu)利用其作為敏感元件材料，研 制了柔順力傳感器。
美國(guó)Tekscan公司從上世紀(jì)90年代開始，就一直進(jìn)行柔順傳感器的研究工作。2003年，該公司推出了一種導(dǎo)電高分子復(fù)合材料柔順力傳感器，該傳感器面積由十幾平方厘 米到一平方米不等，厚度為0.15mm。傳感器敏感單元由上下兩層電極和一層導(dǎo)電高分 子復(fù)合材料構(gòu)成，引線長(zhǎng)度可達(dá)到700mm。采用聚酰亞胺膜將上下兩層電極和一層導(dǎo) 電高分子復(fù)合材料封裝成一個(gè)傳感器整體，保證了柔韌性和可靠性，最小允許彎曲半徑 達(dá)到100mm。
總而言之，導(dǎo)電高分子復(fù)合材料柔順力傳感器具有柔順性能好、測(cè)力量程和有效面 積大，加工工藝比較簡(jiǎn)單、加工費(fèi)用較低等優(yōu)點(diǎn)。
綜上所述，柔順式電渦流傳感器和柔順式力傳感器可以分別很好地測(cè)量曲面間隙和 曲面間擠壓力。但是，隨著科技及生產(chǎn)的發(fā)展，某些重大設(shè)備關(guān)鍵零部件的形狀越來越 復(fù)雜，其加工和裝配定位精度要求越來越高，對(duì)測(cè)量提出的要求也就越高。薄壁回轉(zhuǎn)曲 面一類形面的零件被廣泛應(yīng)用于國(guó)防及各種日常生活產(chǎn)品中，而這些零件的加工、測(cè)量、 監(jiān)控往往因受到空間結(jié)構(gòu)尺寸及被測(cè)材料介質(zhì)等一些特殊條件的限制^增大了難度。當(dāng) 在同一曲面間測(cè)量間隙和擠壓力時(shí)，需要安裝兩種傳感器，安裝位置和引線方式經(jīng)常會(huì) 受到空間結(jié)構(gòu)的制約而無法實(shí)現(xiàn)。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是提出一種測(cè)量曲面間隙和力的集成化柔順式傳感器，克服已有技術(shù) 的不足，使傳感器具有結(jié)構(gòu)纖薄、柔順性好、量程大、精度高、分辨率高、能夠同時(shí)測(cè) 量間隙和擠壓力的特點(diǎn)，以適合用于工業(yè)生產(chǎn)和人體醫(yī)療康復(fù)過程中曲面間隙和擠壓力 的在線檢測(cè)。
本發(fā)明提出的測(cè)量曲面間隙和力的集成化柔順式傳感器的制備方法，包括以下步
驟
(1) 制備平面電渦流敏感元件
(l一l)在聚酰亞胺薄膜基底上按行和列開孔，聚酰亞胺薄膜的厚度為100pm — 20(^m，開孔的孔徑為250 —350pm;
(l一2)在聚酰亞胺薄膜基底的正反兩個(gè)表面以及上述開孔的表面上分別鍍復(fù)銅 箔，銅箔的厚度為15^un—20網(wǎng)；
(l一3)對(duì)上述反面銅箔進(jìn)行光刻，以上述開孔為中心形成電渦流線圈，在每個(gè)電 渦流線圈的一側(cè)形成內(nèi)引線，對(duì)上述正面銅箔進(jìn)行光刻，在上述開孔之間形成外引線；
(2) 制備超薄柔順導(dǎo)電高分子敏感元件
(2 — 1)將粒徑小于1微米的導(dǎo)電炭黑粉末、粒徑為10—50納米的二氧化硅分散 劑粉末和液態(tài)單組份硅橡膠在濃度為95%以上的丙酮有機(jī)溶劑中混合，混合時(shí)各成分的 體積百分比濃度為單組份硅橡膠:導(dǎo)電炭黑粉末:二氧化硅分散劑粉末丙酮有機(jī)溶劑 =100:10—15:1—3:300 — 500;
(2—2)在超聲振蕩下進(jìn)行機(jī)械攪拌，攪拌環(huán)境溫度為40-60'C，攪拌時(shí)間為2-4小時(shí)，得到凝膠狀態(tài)混合體；
(2 — 3)將占上述混合體總體積量的3—5%的順丁橡膠顆粒加入到該混合體中，繼 續(xù)機(jī)械攪拌20 -30分鐘，使丙酮揮發(fā)；
(2—4)將上述丙酮揮發(fā)后的混合體滴入旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，旋涂成型，得到厚度為70—100 微米的導(dǎo)電高分子膜；
(2 — 5)將占上述導(dǎo)電高分子膜總體積1%的正硅酸乙脂交聯(lián)劑和占上述導(dǎo)電高分 子膜總體積2%的二月桂酸二丁基錫催化劑混合成溶液，將該混合溶液涂在上述導(dǎo)電高 分子膜的表面，使導(dǎo)電高分子膜硫化，硫化時(shí)間為24小時(shí)以上，得到超薄柔順導(dǎo)電高 分子敏感元件；
(3)集成化柔順式傳感器的封裝
(3 — 1)在上述平面電渦流敏感元件的每相鄰兩列電渦流線圈之間涂覆一層定位
膠；
(3—2)將上述制備的超薄柔順導(dǎo)電高分子敏感元件剪成條狀，將剪成條狀的超薄 柔順導(dǎo)電高分子敏感元件粘貼在上述定位膠上；
(3 — 3)在上述已經(jīng)粘貼超薄柔順導(dǎo)電高分子敏感元件的平面電渦流敏感元件的基 底周邊涂覆具有熱固性的封裝膠，利用封裝膠將另一層平面電渦流敏感元件粘附在表 面，得到集成化柔順式傳感器，粘附時(shí)，使上、下兩層平面電渦流線圈、內(nèi)引線和開孔 分別相對(duì)。
本發(fā)明提出的測(cè)量曲面間隙和力的集成化柔順式傳感器的制備方法，其優(yōu)點(diǎn)是
1、 本發(fā)明制備的集成化柔順式傳感器的集成化敏感元件，將超薄平面電渦流線圈和 導(dǎo)電高分子力敏感元件集成在同一柔性基底材料上，能夠同時(shí)測(cè)量曲面間隙和擠壓力。
2、 本發(fā)明制備的集成化柔順式傳感器中的導(dǎo)電高分子力敏感元件，采用了新型的材 料設(shè)計(jì)和加工工藝，具有大的量程，以及高的力敏精度和分辨率。
3、 本發(fā)明制備的集成化柔順式傳感器中的超薄平面電渦流線圈及其引出電纜具有良
好的柔順性。因此，傳感器可以貼附在任意形狀的表面間進(jìn)行測(cè)量。而傳統(tǒng)的電渦流傳 感器無法安裝在曲面上進(jìn)行測(cè)量。
4、 本發(fā)明制備的的集成化柔性傳感器可進(jìn)行大面積范圍內(nèi)的快速測(cè)量。由于采用了 印刷電路板工藝，集成化傳感器陣列可以分布在很大的面積范圍內(nèi)(400mmX700mm甚至 更大)，從而實(shí)現(xiàn)^:面積范圍的測(cè)量。而其它工藝，如MEMS等微細(xì)加工工藝，就無法制 作大面積范圍的柔性傳感器陣列，因此也難以實(shí)現(xiàn)大面積范圍內(nèi)的測(cè)量。如果利用單個(gè) 傳感器進(jìn)行大面積范圍的測(cè)量，則需要利用機(jī)械裝置控制傳感器或被測(cè)目標(biāo)按規(guī)律動(dòng) 作，這必然影響測(cè)量的速度和精度。而在本發(fā)明中，利用多路選通開關(guān)，對(duì)傳感器陣列 實(shí)現(xiàn)快速循環(huán)掃描。掃描一個(gè)通道僅需20毫秒。
5、 本發(fā)明制備的集成化柔順式傳感器具有超薄的特性。集成化傳感器陣列及其引出 電纜的厚度最小可做到0. 3mm，適合安裝在狹小的空間中進(jìn)行測(cè)量。6、 本發(fā)明制備的集成化柔順式傳感器可以形成密排電纜。傳感器陣列的引線匯集到
一起，形成密排長(zhǎng)電纜，使結(jié)構(gòu)更加緊湊。由于采用循環(huán)掃描的測(cè)量方法，任意時(shí)刻， 電纜中只有一組線中有信號(hào)傳輸，因此，電纜所傳輸信號(hào)互不干擾。
7、 本發(fā)明制備的集成化柔順式傳感器相對(duì)傳統(tǒng)的間隙測(cè)量和力測(cè)量傳感器，能適用 于很多測(cè)量場(chǎng)合，如曲面測(cè)量、大面積范圍內(nèi)快速測(cè)量、狹小空間中的測(cè)量等。基底材 料如采用聚合材料聚酰亞胺，則該傳感器陣列還能應(yīng)用在高溫(300—40(TC)、輻射等 測(cè)量場(chǎng)合。
8、 本發(fā)明制備的的集成化柔性傳感器，厚度僅為0.3mm;柔順性能好，最小彎曲 半徑可達(dá)到200mm;傳感器陣列面積可訂做，范圍為400 700mm2;測(cè)力的量程0
2MPa;測(cè)力的精度1%FS;測(cè)力的分辨率0.2%FS;測(cè)量間隙的分辨率1 y m;測(cè)
量間隙的靈敏度100Hz/um;測(cè)量間隙的精度±1%FS;測(cè)量間隙的量程0~5mm。


圖1是本發(fā)明制備集成化柔順式傳感器過程中傳感器封裝前的正向平面圖。
圖2是圖1所示的封裝前傳感器的反向平面圖。 圖3是封裝后圖1所示的傳感器的A-A剖視圖。 圖4是封裝后圖1所示的傳感器的B-B剖視圖。
圖1一圖3中，l是基底，2是外引線，3是內(nèi)引線，4是開孔，5是超薄導(dǎo)電高分 子材料敏感元件，6是定位膠，7是電渦流線圈，8是密封膠。
具體實(shí)施例方式
本發(fā)明提出的測(cè)量曲面間隙和力的集成化柔順式傳感器的制備方法，制備過程中傳
感器封裝前的正向平面圖如圖1所示，包括以下步驟
(1) 制備平面電渦流敏感元件
(l一l)在聚酰亞胺薄膜基底1上按行和列開孔4，聚酰亞胺薄膜的厚度為100pm —200|im，開孔的孔徑為250—350^;
(l一2)在聚酰亞胺薄膜基底的正反兩個(gè)表面以及上述開孔的表面上分別鍍復(fù)銅 箔，銅箔的厚度為15pm—20pm;
(1 — 3)對(duì)上述反面銅箔進(jìn)行光刻，以上述開孔4為中心形成電渦流線圈7，在每 個(gè)電渦流線圈7的一側(cè)形成內(nèi)引線3，對(duì)上述正面銅箔進(jìn)行光刻，在上述開孔4之間形 成外引線2，如圖2所示；
(2) 制備超薄柔順導(dǎo)電高分子敏感元件
(2 — 1)將粒徑小于1微米的導(dǎo)電炭黑粉末、粒徑為10—50納米的二氧化硅分散 劑粉末和液態(tài)單組份硅橡膠在濃度為95%以上的丙酮有機(jī)溶劑中混合，混合時(shí)各成分的 體積百分比濃度為單組份硅橡膠導(dǎo)電炭黑粉末:二氧化硅分散劑粉末:丙酮有機(jī)溶劑
6=100:10—15:1—3:300—500;
(2—2)在超聲振蕩下進(jìn)行機(jī)械攪拌，攪拌環(huán)境溫度為40-60°C，攪拌時(shí)間為2-4 小時(shí)，得到凝膠狀態(tài)混合體；
(2 — 3)將占上述混合體總體積量的3 — 5%的順丁橡膠顆粒加入到該混合體中，繼 續(xù)機(jī)械攪拌20 -30分鐘，使丙酮揮發(fā)；
(2—4)將上述丙酮揮發(fā)后的混合體滴入旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，旋涂成型，得到厚度為70—100 微米的導(dǎo)電高分子膜；
(2 — 5)將占上述導(dǎo)電高分子膜總體積1%的正硅酸乙脂交聯(lián)劑和占上述導(dǎo)電高分 子膜總體積2%的二月桂酸二丁基錫催化劑混合成溶液，將該混合溶液涂在上述導(dǎo)電高 分子膜的表面，使導(dǎo)電高分子膜硫化，硫化時(shí)間為24小時(shí)以上，得到超薄柔順導(dǎo)電高 分子敏感元件；
(3)集成化柔順式傳感器的封裝
(3 — 1)在上述平面電渦流敏感元件的每相鄰兩列電渦流線圈之間涂覆一層定位膠
6;
(3 — 2)將上述制備的超薄柔順導(dǎo)電高分子敏感元件剪成條狀，將剪成條狀的超薄 柔順導(dǎo)電高分子敏感元件粘貼在上述定位膠上；
(3 — 3 )在上述己經(jīng)粘貼超薄柔順導(dǎo)電高分子敏感元件的平面電渦流敏感元件的基 底周邊涂覆具有熱固性的封裝膠，利用封裝膠將另一層平面電渦流敏感元件粘附在表 面，得到集成化柔順式傳感器，粘附時(shí)，使上、下兩層平面電渦流線圈、內(nèi)引線和開孔 分別相對(duì)。
上述方法中，制備超薄柔順導(dǎo)電高分子敏感元件的兩個(gè)實(shí)施例配方為
混合時(shí)各成分的體積百分比濃度為單組份硅橡膠導(dǎo)電炭黑粉末二氧化硅分散劑 粉末丙酮有機(jī)溶劑=100:12:2:350;
或者混合時(shí)各成分的體積百分比濃度為單組份硅橡膠:導(dǎo)電炭黑粉末:二氧化硅分 散劑粉末丙酮有機(jī)溶劑=100:14:2. 5:400。
本發(fā)明制備的集成化柔順式傳感器，由封裝成一體的上下電極層及壓于其間的導(dǎo)電 高分子力敏感元件陣列構(gòu)成，如圖3和圖4所示。
本發(fā)明制備的集成化柔順式傳感器采用具有壓阻效應(yīng)的導(dǎo)電高分子材料作為測(cè)量應(yīng) 力的敏感元件，該材料以導(dǎo)電炭黑粉末作為導(dǎo)電相、以硅橡膠作為絕緣相，按優(yōu)化比例 混合，采用了超聲振蕩、有機(jī)溶劑溶解、加熱攪拌、納米分散和彈性體共混等混合技術(shù)。
本發(fā)明制備的集成化柔順式傳感器中使用的導(dǎo)電高分子力敏感元件電極層是利用柔 性印刷電路板工藝在薄膜基底上制作而成，其中上、下電極采用了超薄平面電渦流線圈 替代傳統(tǒng)的平板電極。上、下電極可以分別單獨(dú)采用超薄平面電渦流線圈，也可以同時(shí) 采用超薄平面電渦流線圈。由此，上、下電極形成單層或雙層電渦流檢測(cè)結(jié)構(gòu)。超薄平 面電渦流線圈與導(dǎo)電高分子力敏感元件集成在一起，共同形成了一個(gè)能夠同時(shí)測(cè)量間隙
7和擠壓力的集成化敏感元件。
本發(fā)明制備的集成化柔順式傳感器中的傳感器陣列的每個(gè)平面電渦流線圈各有兩條 信號(hào)線，上、下電極的引線自然形成導(dǎo)電高分子力敏感元件的信號(hào)線，陣列中各個(gè)集成 化敏感元件的信號(hào)線匯集一起，形成引出密排電纜，該電纜的另一端設(shè)有與多路選通開 關(guān)相連的插頭。
本發(fā)明制備的集成化柔順式傳感器中的導(dǎo)電高分子力敏感元件可以制作成單層或雙 層甚至多層，平面電渦流線圈形狀可以是圓形、方形或其它形狀。
本發(fā)明制備的集成化柔順式傳感器的制備過程采用了光刻引線、涂覆定位膠、貼附 力敏感元件、涂覆封裝膠和熱壓封裝的工藝流程。根據(jù)測(cè)量條件及要求進(jìn)行選材與設(shè)計(jì)， 所說的薄膜基底可采用適合印刷電路板工藝的柔性材料，如聚酰亞胺薄膜，聚酯薄膜等。
以下介紹本發(fā)明制備的集成化柔性傳感器敏感元件的工作原理
本發(fā)明的集成化敏感元件由平面電渦流敏感元件和導(dǎo)電高分子力敏感元件組成，平 面電渦流敏感元件的信號(hào)引線同時(shí)作為導(dǎo)電高分子力敏感元件的信號(hào)引線使用。
a、 電渦流敏感元件測(cè)量間隙的工作原理
通用的電渦流檢測(cè)的工作原理是檢測(cè)激勵(lì)線圈磁場(chǎng)和被測(cè)導(dǎo)體感應(yīng)渦流磁場(chǎng)之間 的交互作用。當(dāng)敏感線圈通入交流電流時(shí)，線圈周圍就會(huì)產(chǎn)生交變磁場(chǎng)，如果此時(shí)將金 屬導(dǎo)體靶材移入此交變磁場(chǎng)中，靶材表面就會(huì)感應(yīng)出電渦流，而此電渦流又會(huì)產(chǎn)生一個(gè)
磁場(chǎng)，該磁場(chǎng)的方向與原線圈磁場(chǎng)的方向正好相反，從而減弱了原磁場(chǎng)，引起磁場(chǎng)變化。 磁場(chǎng)的變化情況是通過敏感線圈的阻抗變化來反映的，線圈的等效阻抗Z—般可表示為 如下的函數(shù)
Z = F(cr,/^,/,x,/")
其中，cr， //分別是被測(cè)金屬導(dǎo)體的電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率，/是激勵(lì)信號(hào)的頻率，；c是 線圈與金屬導(dǎo)體之間的距離，r是線圈的尺寸因子，與線圈的結(jié)構(gòu)、形狀以及尺寸相關(guān)。 可見，線圈阻抗的變化完整而且唯一地反映了被測(cè)金屬導(dǎo)體的電渦流效應(yīng)。實(shí)際檢測(cè)時(shí)， 對(duì)不需要的影響因素加以控制，就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)上式中某個(gè)相關(guān)量的檢測(cè)。作為接近式傳 感器，線圈到金屬靶材之間的距離與線圈的阻抗直接相關(guān)，而檢測(cè)金屬表面或近表面的 缺陷時(shí)，缺陷的存在將引起被測(cè)導(dǎo)體電導(dǎo)率和磁導(dǎo)率的變化，進(jìn)而使線圈的阻抗參數(shù)發(fā) 生改變。通過電渦流傳感器可以得到測(cè)點(diǎn)位置的球面間隙測(cè)量數(shù)據(jù)。
b、 導(dǎo)電高分子敏感元件測(cè)量擠壓力的工作原理
從微觀導(dǎo)電機(jī)制的角度分析可知，炭黑填充硅橡膠復(fù)合材料產(chǎn)生壓阻效應(yīng)的原因可 歸結(jié)為炭黑顆粒在硅橡l^基體中分布的變化，更準(zhǔn)確的說，是導(dǎo)電炭黑顆粒間距的變化。 外界壓力可以壓縮復(fù)合材料的體積，由于導(dǎo)電炭黑顆粒的可壓縮性遠(yuǎn)小于硅橡膠基體， 因此導(dǎo)電顆粒的間距減小，提高了接觸傳導(dǎo)和隧道效應(yīng)發(fā)生的幾率。隨著壓力增大，導(dǎo) 電炭黑顆粒的間距逐漸減小，由于接觸傳導(dǎo)和隧道效應(yīng)機(jī)制的作用，在材料的內(nèi)部形成 了導(dǎo)電通道。而接觸傳導(dǎo)和隧道效應(yīng)機(jī)制的產(chǎn)生，又受到導(dǎo)電顆粒的粒徑和形狀的影響，因此材料的壓阻效應(yīng)表現(xiàn)出與形貌參數(shù)的密切關(guān)系。材料的形貌參數(shù)值越大，接觸傳導(dǎo) 和隧道效應(yīng)產(chǎn)生的幾率就越高，材料的壓阻效應(yīng)也就越明顯。
從導(dǎo)電滲流現(xiàn)象的角度分析，材料的電阻率在導(dǎo)電滲流區(qū)內(nèi)隨導(dǎo)電填料體積濃度的 變化十分明顯。這是因?yàn)?，?dāng)外界壓力減小了聚合物基體的體積時(shí)，導(dǎo)電顆粒的體積濃 度相應(yīng)增加，引起材料電阻率的明顯變化。材料變形引起了導(dǎo)電滲流變化，隨著材料變 形，炭黑體積濃度，材料的電阻率隨之減小。當(dāng)炭黑體積濃度越接近滲流閾值，材料的 壓阻效應(yīng)就越明顯。在有效介質(zhì)普適方程中，炭黑的體積濃度、滲流閾值和材料的形貌 參數(shù)一起表征了導(dǎo)電滲流現(xiàn)象，也說明炭黑填充硅橡膠復(fù)合材料的壓阻效應(yīng)是其導(dǎo)電滲 流現(xiàn)象的一個(gè)具體表現(xiàn)。另外，材料的變形不但引起電阻率的變化，還改變了其電阻幾 何系數(shù)(即沿電流方向上材料的長(zhǎng)度與橫截面積的比值)。綜上所述，炭黑填充硅橡膠 復(fù)合材料的受力變形是其產(chǎn)生壓阻效應(yīng)的直接原因。
在宏觀表象上，由于壓力的作用，構(gòu)成敏感元件的導(dǎo)電高分子材料產(chǎn)生了電阻變化， 這種變化在一定范圍內(nèi)與壓力呈現(xiàn)線性比例關(guān)系。
以下介紹本發(fā)明制備的陣列式集成化柔順傳感器的工作方式
實(shí)際工作時(shí)，將傳感器貼附在曲面間。通過振蕩電路測(cè)量傳感器每個(gè)電渦流線圈的 阻抗變化，通過電阻取樣電路測(cè)量傳感器每對(duì)電極間的電阻變化，根據(jù)標(biāo)定曲線，得到 對(duì)應(yīng)的間隙值和擠壓力值。通過信號(hào)取樣和陣列掃描電路以及多路選通開關(guān)，對(duì)敏感元 件進(jìn)行快速循環(huán)掃描，可以測(cè)出每個(gè)敏感元件的測(cè)量值。由于這些敏感元件的分布方式 是已知的，因此，對(duì)測(cè)量結(jié)果進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，就可以得到曲面間隙和擠壓力的分布。
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權(quán)利要求
1、一種測(cè)量曲面間隙和力的集成化柔順式傳感器的制備方法，其特征在于該方法包括以下步驟(1)制備平面電渦流敏感元件(1—1)在聚酰亞胺薄膜基底上按行和列開孔，聚酰亞胺薄膜的厚度為100μm—200μm，開孔的孔徑為250—350μm；(1—2)在聚酰亞胺薄膜基底的正反兩個(gè)表面以及上述開孔的表面上分別鍍復(fù)銅箔，銅箔的厚度為15μm—20μm；(1—3)對(duì)上述反面銅箔進(jìn)行光刻，以上述開孔為中心形成電渦流線圈，在每個(gè)電渦流線圈的一側(cè)形成內(nèi)引線，對(duì)上述正面銅箔進(jìn)行光刻，在上述開孔之間形成外引線；(2)制備超薄柔順導(dǎo)電高分子敏感元件(2—1)將粒徑小于1微米的導(dǎo)電炭黑粉末、粒徑為10—50納米的二氧化硅分散劑粉末和液態(tài)單組份硅橡膠在濃度為95％以上的丙酮有機(jī)溶劑中混合，混合時(shí)各成分的體積百分比濃度為單組份硅橡膠:導(dǎo)電炭黑粉末:二氧化硅分散劑粉末:丙酮有機(jī)溶劑＝100:10—15:1—3:300—500；(2—2)在超聲振蕩下進(jìn)行機(jī)械攪拌，攪拌環(huán)境溫度為40-60℃，攪拌時(shí)間為2-4小時(shí)，得到凝膠狀態(tài)混合體；(2—3)將占上述混合體總體積量的3—5％的順丁橡膠顆粒加入到該混合體中，繼續(xù)機(jī)械攪拌20-30分鐘，使丙酮揮發(fā)；(2—4)將上述丙酮揮發(fā)后的混合體滴入旋轉(zhuǎn)平臺(tái)，旋涂成型，得到厚度為70—100微米的導(dǎo)電高分子膜；(2—5)將占上述導(dǎo)電高分子膜總體積1％的正硅酸乙脂交聯(lián)劑和占上述導(dǎo)電高分子膜總體積2％的二月桂酸二丁基錫催化劑混合成溶液，將該混合溶液涂在上述導(dǎo)電高分子膜的表面，使導(dǎo)電高分子膜硫化，硫化時(shí)間為24小時(shí)以上，得到超薄柔順導(dǎo)電高分子敏感元件；(3)集成化柔順式傳感器的封裝(3—1)在上述平面電渦流敏感元件的每相鄰兩列電渦流線圈之間涂覆一層定位膠；(3—2)將上述制備的超薄柔順導(dǎo)電高分子敏感元件剪成條狀，將剪成條狀的超薄柔順導(dǎo)電高分子敏感元件粘貼在上述定位膠上；(3—3)在上述已經(jīng)粘貼超薄柔順導(dǎo)電高分子敏感元件的平面電渦流敏感元件的基底周邊涂覆具有熱固性的封裝膠，利用封裝膠將另一層平面電渦流敏感元件粘附在表面，得到集成化柔順式傳感器，粘附時(shí)，使上、下兩層平面電渦流線圈、內(nèi)引線和開孔分別相對(duì)。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種測(cè)量曲面間隙和力的集成化柔順式傳感器的制備方法，屬于傳感器技術(shù)領(lǐng)域。分別制備平面電渦流敏感元件和超薄柔順導(dǎo)電高分子敏感元件利用定位膠和封裝膠，將已經(jīng)粘貼超薄柔順導(dǎo)電高分子敏感元件的平面電渦流敏感元件的基底周邊涂覆具有熱固性的封裝膠，利用封裝膠將另一層平面電渦流敏感元件粘附在表面，得到集成化柔順式傳感器，粘附時(shí)，使上、下兩層平面電渦流線圈、內(nèi)引線和開孔分別相對(duì)。本方法制備的傳感器，能夠同時(shí)測(cè)量曲面間隙和擠壓力；可以貼附在任意形狀的表面間進(jìn)行測(cè)量，適合安裝在狹小的空間進(jìn)行測(cè)量；能應(yīng)用在高溫、輻射等測(cè)量場(chǎng)合；而且測(cè)量量程寬，測(cè)量精度高。
文檔編號(hào)G01B7/14GK101464126SQ20091007612
公開日2009年6月24日 申請(qǐng)日期2009年1月9日 優(yōu)先權(quán)日2009年1月9日
發(fā)明者丁天懷, 鵬 王, 穎 胡 申請(qǐng)人:清華大學(xué)