一種負(fù)電阻效應(yīng)的拉敏傳感器及其制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及拉力敏感型傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種負(fù)電阻效應(yīng)的拉敏傳感器及其 制造方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 1885年，英國物理學(xué)家開爾文發(fā)現(xiàn)金屬在承受壓力（拉力或扭力）后產(chǎn)生機(jī)械形 變的同時(shí)，由于受材料尺寸（長度、截面積）改變的影響，電阻值也發(fā)生了特征性變異，即應(yīng) 變電阻效應(yīng)。人們便從電阻值的變化獲得材料受力的特征和量值，分別開發(fā)出壓力敏感型 和拉力敏感型的電阻應(yīng)變傳感器。目前廣泛應(yīng)用的電阻應(yīng)變型傳感器主要有金屬應(yīng)變電阻 式、半導(dǎo)體應(yīng)變電阻式、合金應(yīng)變電阻式等。但是由于傳感材料本身彈性模量的限制，這些 應(yīng)變型電阻傳感元件存在以下缺點(diǎn)：一是缺乏柔性和彈性、不能彎曲，因而在需要彎曲、拉 伸等復(fù)雜形變的領(lǐng)域的應(yīng)用受到限制；二是力學(xué)量變化幅度較小，因而不能用于形變量較 大的領(lǐng)域；三是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高。在生物力學(xué)檢測(cè)、康復(fù)醫(yī)療、智能機(jī)器人、可穿戴設(shè) 備等領(lǐng)域的復(fù)雜結(jié)構(gòu)力學(xué)測(cè)量過程中，要求傳感器不但要具備良好的應(yīng)力-電阻特性，而 且要求有優(yōu)秀的柔韌力學(xué)性能。而金屬式或半導(dǎo)體式電阻應(yīng)變傳感器在這些領(lǐng)域中的應(yīng)用 就受到了自身彈性模量的限制。因此，需要尋找新的柔韌性優(yōu)良的力學(xué)敏感材料制造柔性 的拉力應(yīng)變型傳感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 本發(fā)明的目的在于提供一種負(fù)電阻效應(yīng)的拉敏型傳感器，增強(qiáng)傳感器的柔性和彈 性，增大力學(xué)量的變化幅度，提高生產(chǎn)效率、降低制造成本。
[0004] 為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明的技術(shù)方案是：一種負(fù)電阻效應(yīng)的拉敏傳感器，包括拉 敏材料以及制作在所述拉敏材料表面的金屬電極。所述拉敏材料是在橡膠材料中填充導(dǎo)電 炭黑并經(jīng)高能電子束或γ射線福照交聯(lián)而制成的導(dǎo)電橡膠，所述金屬電極選自金屬箱、金 屬片和金屬膜中的一種，通過導(dǎo)電膠粘合、導(dǎo)電銀漿絲網(wǎng)印刷、真空鍍膜或機(jī)械壓接的方式 制作。所述拉敏傳感器在拉伸力作用下電阻不斷下降，呈現(xiàn)出負(fù)電阻效應(yīng)，當(dāng)形變量為30% 時(shí)可產(chǎn)生5-200倍的電阻變化，將變化的電阻信號(hào)轉(zhuǎn)換成電流、電壓或電容信號(hào)，可以在生 物力學(xué)、康復(fù)醫(yī)療、智能穿戴以及人工智能等領(lǐng)域進(jìn)行力的測(cè)量。
[0005] 導(dǎo)電粒子在橡膠基體中通過微觀的相互接觸形成導(dǎo)電通路，因而當(dāng)材料受到外界 的壓力或拉力作用時(shí)，材料內(nèi)部相鄰導(dǎo)電粒子的間距發(fā)生變化，導(dǎo)致依靠導(dǎo)電粒子的接觸 而形成的導(dǎo)電通路發(fā)生變化，引起宏觀上材料的電阻發(fā)生變化，因此可以作為一種力學(xué)傳 感材料。橡膠基體自身優(yōu)異的柔性和彈性賦予所述拉敏傳感器優(yōu)良的柔性和彈性，以及較 大的力學(xué)量變化幅度，能夠克服金屬式或半導(dǎo)體式電阻應(yīng)變傳感器在柔韌性和彈性方面的 不足。
[0006] 為實(shí)現(xiàn)上述技術(shù)方案，所述拉敏材料包含橡膠基體、防老劑、導(dǎo)電炭黑，按照質(zhì)量 份，各組分比例為：橡膠基體100份，防老劑0. 1~2份，導(dǎo)電炭黑30~120份。
[0007] 進(jìn)一步地，所述橡膠材料為天然橡膠、丁腈橡膠、三元乙丙橡膠、丁苯橡膠、氯丁橡 膠、聚異戊二烯橡膠、順丁橡膠中的至少一種。
[0008] 進(jìn)一步地，所述防護(hù)體系，包括胺類防老劑和酚類防老劑。
[0009] 進(jìn)一步地，所述導(dǎo)電填料為炭黑，平均粒徑為20-120nm，吸油值為 40cm3/100g-200cm 3/100g〇
[0010] 進(jìn)一步地，所述導(dǎo)電橡膠材料是采用高能電子束或γ射線輻照的方法進(jìn)行交聯(lián)， 與采用硫磺或有機(jī)過氧化物作為交聯(lián)劑的化學(xué)交聯(lián)法相比，采用輻照技術(shù)對(duì)橡膠進(jìn)行交 聯(lián)，具有以下優(yōu)點(diǎn)：無需硫化劑、促進(jìn)劑等有機(jī)化合物，減少環(huán)境污染；交聯(lián)密度由輻照吸 收劑量控制，易于調(diào)節(jié)和控制交聯(lián)程度，因而導(dǎo)電橡膠電阻分布窄；輻照硫化的橡膠熱穩(wěn)定 性和抗老化性好。
[0011] 進(jìn)一步地，所述高能電子束或γ射線的福照劑量5到30Mrad。拉德（rad)，是每 單位物質(zhì)質(zhì)量所接受的福射能量的計(jì)量單位，M rad是106rad。
[0012] 進(jìn)一步地，所述導(dǎo)電橡膠材料的電阻率介于1.0 X IO2 Ω . cm和1.0 X IO6 Ω . cm之 間。
[0013] 進(jìn)一步地，所述金屬電極選自金屬箱、金屬片、金屬膜或異形金屬件中的一種，通 過導(dǎo)電膠粘合、高溫?zé)釅?、?dǎo)電銀漿絲網(wǎng)印刷、真空鍍膜或者機(jī)械壓接的方式制作在拉敏材 料兩端。所述導(dǎo)電銀漿為紫外光固化型。所述真空鍍膜的方法包括蒸發(fā)鍍膜、磁控濺射鍍 膜、離子鍍膜。
[0014] 進(jìn)一步地，所述負(fù)電阻效應(yīng)的拉敏傳感器，包括拉敏材料以及制作在所述拉敏材 料表面的金屬電極，所述拉敏材料是在橡膠中填充導(dǎo)電炭黑并經(jīng)電子束或γ射線輻照交 聯(lián)而制成的導(dǎo)電橡膠。
[0015] 更進(jìn)一步地，拉敏傳感器的電阻值介于20k Ω和50000k Ω之間。
[0016] 所述拉敏傳感器在拉伸力作用下電阻值下降，呈現(xiàn)出負(fù)電阻效應(yīng)，當(dāng)拉伸30%時(shí) 可產(chǎn)生5-200倍的電阻變化。拉敏電阻傳感器在拉伸形變前后電阻值的變化倍率，可以表 征傳感器的靈敏度。
[0017] 所述拉敏傳感器在受到拉力作用之后，拉敏材料長度增加，截面積變小，以及材料 內(nèi)部導(dǎo)電粒子間隙的變化導(dǎo)致材料微觀導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)變化，從而引起材料電阻率的變化。材料 電阻率、電極間材料的長度等因素的綜合變化也同時(shí)導(dǎo)致了拉敏材料兩端電極之間的電容 值發(fā)生變化。
[0018] 進(jìn)一步地，本發(fā)明的拉敏型傳感器電極兩端的電容值隨著拉伸形變?cè)黾佣黾樱?30%拉伸形變范圍內(nèi)拉敏傳感器的電容值變化倍率為5到200倍。
[0019] 在本發(fā)明還提供了一種負(fù)電阻效應(yīng)的拉敏傳感器的制造方法，包括以下步驟：
[0020] A.將所述的橡膠基體、所述防老劑、所述炭黑例依次加入到雙輥開煉機(jī)或者密煉 機(jī)中進(jìn)行混煉，混煉時(shí)間5~30分鐘，得到混煉膠。
[0021] B.將混煉膠料通過橡膠成型設(shè)備，制備出片狀、圓柱狀或其他形狀的拉敏橡膠半 成品。
[0022] C.將橡膠半成品用高能電子束或或γ射線輻照的方法進(jìn)行交聯(lián)。
[0023] D.將已經(jīng)交聯(lián)的橡膠制成一定形狀的拉敏橡膠，在橡膠表面制作出金屬電極，得 到負(fù)電阻效應(yīng)的拉敏傳感器。
[0024] 較佳地，在步驟B中，橡膠成型設(shè)備包括螺桿擠出機(jī)、壓延機(jī)和平板硫化機(jī)。
[0025] 較佳地，在步驟D中，所述金屬電極是通過導(dǎo)電膠粘接、銀漿絲網(wǎng)印刷、真空鍍膜 或機(jī)械壓接的方式制作在拉敏材料的兩端。
[0026] 有益效果：本發(fā)明提供的負(fù)電阻效應(yīng)的拉敏傳感器電阻值介于20k Ω和50000k Ω 之間。在拉伸力作用下拉敏傳感器的電阻隨著拉伸形變?cè)黾硬粩嘞陆担尸F(xiàn)負(fù)電阻效應(yīng)，同 時(shí)隨著拉伸形變?cè)黾觽鞲衅鲀啥私饘匐姌O之間的電容值增加，當(dāng)形變量為30%時(shí)傳感器的 電阻值和電容值產(chǎn)生5-200倍的變化，且經(jīng)過1000次拉伸后仍能保持良好的穩(wěn)定性能。橡 膠自身優(yōu)異的柔韌性賦予所述傳感器優(yōu)良的柔性和彈性，以及較大的力學(xué)量變化幅度，克 服了金屬式和半導(dǎo)體式應(yīng)變傳感器在彈性和柔性方面的不足。將拉伸過程中傳感器電阻的 變化轉(zhuǎn)換成電壓、電流或電容信號(hào)，能夠在生物力學(xué)、康復(fù)醫(yī)療、智能穿戴以及人工智能等 領(lǐng)域進(jìn)行力的測(cè)量，具有廣泛的應(yīng)用前景。而且，本發(fā)明拉敏傳感器中導(dǎo)電橡膠采用電子束 或γ射線輻照進(jìn)行交聯(lián)，相對(duì)于采用硫磺或有機(jī)過氧化物作交聯(lián)劑的化學(xué)交聯(lián)法，具有生 產(chǎn)效率高、環(huán)境污染小、交聯(lián)密度容易控制以及導(dǎo)電橡膠電阻分布窄的優(yōu)點(diǎn)。
【附圖說明】
[0027] 圖1-圖11是拉敏傳感器的電阻值、電容值隨拉伸形變?cè)黾拥淖兓€圖。
【具體實(shí)施方式】
[0028] 為了能夠更清楚地理解本發(fā)明的技術(shù)內(nèi)容，特舉以下實(shí)施例對(duì)本發(fā)明的負(fù)電阻效 應(yīng)的拉敏傳感器作詳細(xì)說明：
[0029] 實(shí)施例1
[0030] 本實(shí)施例的負(fù)電阻效應(yīng)的拉敏傳感器采用導(dǎo)電天然橡膠作為拉敏材料，其制作方 法如下：
[0031] 導(dǎo)電橡膠的成份配比及制作方法如下：
[0032] 按照以下順序?qū)⑻烊幌鹉zNR (牌號(hào)