[发明专利]一种正电阻效应的拉力敏感型电阻传感器

说明书

技术领域

本发明涉及一种拉力敏感型电阻传感器，特别涉及一种正电阻效应的拉力敏感型电阻传感器。

背景技术

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电阻应变型传感器。

发明内容

本发明的目的在于提供一种正电阻效应的拉力敏感型电阻传感器，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，本发明的技术方案是：一种正电阻效应的拉力敏感型电阻传感器，包括拉敏电阻材料以及安装在所述拉敏电阻材料两端的金属电极；所述拉敏电阻材料是在硅橡胶材料中填充导电填料制成的体积电阻率介于1.0×10²Ω.cm和1.0×10⁵Ω.cm之间的一种导电硅橡胶材料。所述金属电极选自金属膜、金属箔、金属片中的一种，通过导电胶粘合、高温热压、丝网印刷或者真空镀膜的方式制作在拉敏电阻材料两端的表面。所述的正电阻效应的拉力敏感型电阻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2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其他电平信号来获得外界作用力的信息，从而制成一种模拟型拉敏电阻应变式传感器，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，所述导电硅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30-100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。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。

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、金属膜中的一种，通过导电胶粘合、高温热压、银浆丝网印刷或真空镀膜的方式制作，以方便拉敏电阻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，所述拉敏电阻器在拉伸力作用下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2到50倍，并且电阻与形变之间具有良好的线性度。拉敏电阻传感器在形变前后电阻值的变化倍率，定义为传感器的灵敏度或灵敏因子。

本发明还提供了一种正电阻效应的拉力敏感型电阻传感器的制造方法，包括以下步骤：