[发明专利]一种测量曲面间隙和力的集成化柔顺式传感器的制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种测量曲面间隙和力的集成化柔顺式传感器的制备方法，属于传感器技术领域。

背景技术

“柔顺传感器”概念的提出可以追溯到上世纪80年代末期，航空航天器中的许多特殊结构给传统刚性传感器的安装带来了很大困难。人们希望传感器具有良好的柔顺性能，不受被测物体形状限制，能够贴附于各种规则或不规则曲面实现正常的传感功能。进入上世纪90年代以后，美国、法国、日本、瑞士和葡萄牙等国家的科学家开始进行柔顺传感器的研究工作，许多新型的传感器材料和结构被应用到这一研究领域之中。

2001年，美国传感器领域的知名学者Lumelsky教授对柔顺传感器的发展方向提出了大胆的设想。Lumelsky教授认为，敏感表皮将是一种大面积的柔顺传感器阵列，就像人体的皮肤一样，能够覆盖整个测量机构的表面。它具有感知外界环境的能力，能够较为准确地测量挤压力、剪切力、接近距离、光强、温度、湿度和某些气体浓度的变化，从而帮助一些自主控制机构(例如：机器人)在复杂的环境中准确地执行任务。可以预见，柔顺传感器技术将给传感器领域带来一场新的革命，并将带动工业自动化、医疗卫生、航空航天、环境监测、机器人等领域中相关技术的发展。

(1)柔顺式电涡流传感器：在2004年的第16届世界无损检测会议上，法国人C.Gilles-Pascaud展示了一种最新研究的应用于航空领域中表面阻断裂纹检测的传感器阵列探头。该仪器包括一组含有32个敏感单元的电涡流线圈阵列和一个高分辨率的摄像头，能够实现对表面潜在裂纹实时、完整和可靠的检测，并可很好的应用于各种合金材料，裂纹深度的检测精度约为0.2mm。该系统最大的特点就是实现了两种不同检测技术的实时融合，从而提高了对小的表面阻断裂纹的检测能力。由此可见，加工在柔性基底材料上的柔顺式电涡流传感器可以很好地应用于曲面间隙测量和曲面体裂纹检测。

(2)导电高分子材料柔顺式力传感器：导电高分子复合材料指近年来常见的导电橡胶、导电塑料、导电涂料、导电胶粘剂和导电薄膜等。导电高分子复合材料分为填充型和化合型两种，前者是将导电颗粒混合入聚合物基体中形成导电通道，是两种以上材料的混合体；而后者只是单一材料，自身具有导电性。功能材料领域的研究发现，填充型导电高分子复合材料具有压阻效应，因此一些研究机构利用其作为敏感元件材料，研制了柔顺力传感器。

美国Tekscan公司从上世纪90年代开始，就一直进行柔顺传感器的研究工作。2003年，该公司推出了一种导电高分子复合材料柔顺力传感器，该传感器面积由十几平方厘米到一平方米不等，厚度为0.15mm。传感器敏感单元由上下两层电极和一层导电高分子复合材料构成，引线长度可达到700mm。采用聚酰亚胺膜将上下两层电极和一层导电高分子复合材料封装成一个传感器整体，保证了柔韧性和可靠性，最小允许弯曲半径达到100mm。

总而言之，导电高分子复合材料柔顺力传感器具有柔顺性能好、测力量程和有效面积大，加工工艺比较简单、加工费用较低等优点。

综上所述，柔顺式电涡流传感器和柔顺式力传感器可以分别很好地测量曲面间隙和曲面间挤压力。但是，随着科技及生产的发展，某些重大设备关键零部件的形状越来越复杂，其加工和装配定位精度要求越来越高，对测量提出的要求也就越高。薄壁回转曲面一类形面的零件被广泛应用于国防及各种日常生活产品中，而这些零件的加工、测量、监控往往因受到空间结构尺寸及被测材料介质等一些特殊条件的限制而增大了难度。当在同一曲面间测量间隙和挤压力时，需要安装两种传感器，安装位置和引线方式经常会受到空间结构的制约而无法实现。

发明内容

本发明的目的是提出一种测量曲面间隙和力的集成化柔顺式传感器，克服已有技术的不足，使传感器具有结构纤薄、柔顺性好、量程大、精度高、分辨率高、能够同时测量间隙和挤压力的特点，以适合用于工业生产和人体医疗康复过程中曲面间隙和挤压力的在线检测。

本发明提出的测量曲面间隙和力的集成化柔顺式传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备平面电涡流敏感元件：

(1-1)在聚酰亚胺薄膜基底上按行和列开孔，聚酰亚胺薄膜的厚度为100μm-200μm，开孔的孔径为250-350μm；

(1-2)在聚酰亚胺薄膜基底的正反两个表面以及上述开孔的表面上分别镀复铜箔，铜箔的厚度为15μm-20μm；

(1-3)对上述反面铜箔进行光刻，以上述开孔为中心形成电涡流线圈，在每个电涡流线圈的一侧形成内引线，对上述正面铜箔进行光刻，在上述开孔之间形成外引线；