一种柔性压力传感器的三维互锁敏感层结构及其制备方法

本发明属于柔性电子器件与传感器，具体涉及一种具有三维互锁微结构敏感层的柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术：

1、随着物联网与柔性电子技术的飞速发展，柔性压力传感器在可穿戴健康监测、智能机器人触觉感知及人机交互等领域展现出了巨大应用潜力。为了提升压力传感器的灵敏度与稳定性，研究人员通常会在传感器的敏感层界面处引入微结构（如微金字塔、微半球、微柱阵列等）。

2、然而，现有的微结构柔性压力传感器在实际的应用场景中仍面临严重的稳定性限制。由于现有的微结构界面多为简单的两层单向物理贴合或弱粘接，当外界施加法向压力，尤其是伴随切向力或动态扰动的复合载荷时，层间接触界面极易发生相对滑移、局部微观分离甚至微结构倒伏。这种界面状态的不稳定会直接导致微结构形变或接触电阻发生难以预测的波动，宏观表现为传感器存在明显的信号不稳或信号迟滞等问题。

3、现有技术中，公开号为cn115805375a的中国发明专利公开了一种互锁一体化微结构的压力传感器，其在同一压力敏感层上分别设置正锥度微结构和负锥度微结构，负锥度微结构位于呈矩形排列的四个正锥度微结构的中心处以形成互锁配合关系，并通过压力下聚合键合形成互锁敏感层结构，能够在一定程度上改善传感器界面的稳定性。然而，该类结构中的正锥度微结构与负锥度微结构通常为分立式排布，即正锥与负锥分别设置在同一敏感层的不同空间位置，二者并非在同一微结构单元内连续过渡；同时，其装配过程主要依赖直接压合或聚合键合。对于具有倒扣特征的负锥度结构，在大面积柔性阵列或曲面共形贴附场景下，仍可能存在对位困难、局部压溃、贴合一致性不足以及复杂扰动下界面锁紧能力有限等问题。

4、因此，本领域迫切需要开发一种新型的柔性敏感层结构设计，以有效约束受载状态下的界面形变，抑制层间相对滑移与脱离，并兼具连续正负锥度结构特征与自对准装配能力，从而进一步提升柔性压力传感器在复杂力学环境下的传感稳定性。

技术实现思路

1、针对现有微结构柔性压力传感器在复杂复合载荷（尤其是包含法向压力与切向扰动的复合载荷）作用下，容易发生层间相对滑移和微结构脱离，进而导致传感信号迟滞大、重复性差和输出不稳定的技术问题，本发明提供了一种柔性压力传感器的三维互锁敏感层结构及其制备方法。本发明通过正负锥度复合的三维互锁设计与预应变弹性释放组装工艺，实现了层间界面的机械约束与高可靠传感。

2、第一方面，本发明提出了一种柔性压力传感器的三维互锁敏感层结构，包括第一敏感层和第二敏感层；所述第一敏感层与所述第二敏感层相对设置并贴合，形成层间互锁界面；所述第一敏感层与所述第二敏感层的相对界面侧，均设有由多个互锁微结构单元构成的微结构阵列；所述互锁微结构单元为从对应敏感层基底向远离基底方向凸起的一体式三维结构；沿远离基底的方向，所述互锁微结构单元依次包括负锥度段与正锥度段；所述负锥度段的截面尺寸沿远离基底的方向逐渐增大，所述正锥度段的截面尺寸沿远离基底的方向逐渐减小；所述正锥度段与所述负锥度段在单元的最大截面处平滑连续过渡；所述第一敏感层的微结构阵列与所述第二敏感层的微结构阵列错位排布，受压时两层的互锁微结构单元相互交错嵌合，通过所述正锥度段与所述负锥度段的锥面相互接触咬合，在沿敏感层平面的切向与垂直于敏感层平面的法向均形成机械互锁约束。

3、优选的，所述正锥度段的侧壁倾角为5°~60°，所述负锥度段的侧壁倾角为-5°~-60°。此处“侧壁倾角”是指微结构单元侧壁与敏感层基底平面法线之间的夹角。正锥度段的侧壁倾角为正值，表示侧壁向内倾斜（截面尺寸沿远离基底方向逐渐减小）；负锥度段的侧壁倾角为负值，表示侧壁向外倾斜（截面尺寸沿远离基底方向逐渐增大）。

4、进一步优选的，所述正锥度段的侧壁倾角绝对值与所述负锥度段的侧壁倾角绝对值之比为0.2~2。若该比值过大或过小，则可能导致两层交错嵌合时正锥度段与负锥度段之间无法形成有效的面接触，影响互锁效果。

5、优选的，所述互锁微结构单元的轮廓曲线为分段直线、分段圆弧、样条曲线或其组合构成的连续曲线，且所述正锥度段与所述负锥度段的交界处为平滑过渡曲线。当采用分段直线时，微结构单元呈现为具有棱边的多面体形态（如棱锥台与倒棱锥台的复合体）；当采用分段圆弧或样条曲线时，微结构单元呈现为具有光滑曲面的回转体形态（如圆锥台与倒圆锥台的复合体，或类似蘑菇形、锚形的曲面体）。正锥度段与负锥度段的交界处采用圆弧或样条曲线进行平滑过渡，可以避免尖角处的应力集中，提高微结构在反复受压下的疲劳寿命。

6、优选的，所述互锁微结构单元的高度为10μm~500μm，底部特征尺寸为20μm~800μm，单元高度与底部特征尺寸之比为0.5~2。若长径比过小（小于0.5），则微结构过于扁平，正锥度段与负锥度段之间的高度差不足，难以形成有效的倒扣锁紧；若长径比过大（大于2），则微结构过于细高，在受压时容易发生屈曲失稳或倒伏。

7、优选的，所述微结构阵列为周期性排布或准周期性排布，阵列分布密度为100~10000个/cm²。若分布密度过低，则单位面积内的互锁点数量不足，影响界面约束效果和传感灵敏度；若分布密度过高，则相邻微结构单元之间的间隙过小，可能影响两层微结构阵列在贴合时的交错嵌合。

8、优选的，所述错位排布的微结构阵列在受压时，所述互锁微结构单元通过所述正锥度段与所述负锥度段的锥面接触面积随载荷增大而增大，形成自对准限位。所谓“自对准限位”，是指即使初始对位存在一定的偏差（通常在几十微米以内），在受压过程中，锥面的相互滑动作用会自动将微结构单元引导至阵列间隙的中心位置，实现对位偏差的自动修正。这种自对准机制大大降低了对高精度对位设备的要求，有利于大面积阵列的高效组装。

9、优选的，所述第一敏感层与所述第二敏感层均为弹性体基体与导电材料复合形成的柔性敏感材料层，且所述第一敏感层和所述第二敏感层中至少一者作为引出电信号的微结构电极层。弹性体基体赋予敏感层良好的柔性和弹性回复能力；导电材料分散于弹性体基体中形成导电网络，使敏感层具有压阻效应。

10、进一步优选的，所述弹性体基体为聚二甲基硅氧烷（pdms），所述导电材料为碳纳米管、石墨烯、炭黑、金属纳米线中的一种或多种；所述弹性体基体与所述导电材料的质量比为100:2~100:20。若导电材料含量过低（低于100:2），则导电网络不连续，敏感层的电导率过低，传感器输出信号微弱；若导电材料含量过高（高于100:20），则敏感层的弹性模量增大，柔性降低，且导电填料可能发生团聚，影响传感性能的均匀性。

11、优选的，所述第一敏感层与所述第二敏感层设置于可弯曲或可拉伸的柔性基底上，用于曲面共形贴附场景。柔性基底为敏感层提供结构支撑，同时保证整个传感器能够贴合于复杂曲面或动态形变表面。柔性基底的材料可以选用与敏感层相同的弹性体材料（如pdms），也可以选用聚酰亚胺（pi）、聚对苯二甲酸乙二醇酯（pet）等其他柔性聚合物材料。

12、第二方面，本发明实施例提供了一种柔性压力传感器的三维互锁敏感层结构的制备方法，包括以下步骤：

13、s1、分别制备具有互锁微结构单元阵列的第一敏感层和第二敏感层，所述互锁微结构单元为具有正锥度段与负锥度段连续过渡的一体式三维结构，所述负锥度段的截面尺寸沿远离基底的方向逐渐增大，所述正锥度段的截面尺寸沿远离基底的方向逐渐减小；

14、s2、对所述第一敏感层和/或所述第二敏感层施加预应变，使其微结构阵列的单元间距或开口状态发生可回复变化；

15、s3、在保持所述预应变的状态下，将所述第一敏感层与所述第二敏感层对位贴合，使两层的互锁微结构单元相互交错嵌合；

16、s4、释放所述预应变，使两层互锁微结构单元在弹性回弹过程中保持交错嵌合状态，形成具有残余应力锁紧作用的三维互锁界面。

17、优选的，步骤s2中所述预应变的应变量为5%~50%。若应变量过小（小于5%），则微结构单元间距的增大量不足，上层凸起无法顺利嵌入下层间隙；若应变量过大（大于50%），则敏感层可能发生塑性变形或断裂，无法完全回复。

18、优选的，所述预应变为单轴拉伸预应变、双轴拉伸预应变或弯曲预应变。对于矩形敏感层，可以采用单轴或双轴拉伸；对于圆形或不规则形状的敏感层，可以采用弯曲预应变。

19、优选的，步骤s1中制备所述互锁微结构单元阵列的方法为模压复制、光固化3d打印、激光刻蚀、微纳压印或其组合。

20、优选的，步骤s4之后还包括：通过热压、胶粘、边缘密封或机械夹持中的一种或多种方式对贴合后的结构进行封装固定。

21、第三方面，本发明实施例提供了一种柔性压力传感器，包括上述的三维互锁敏感层结构，以及与所述三维互锁敏感层结构电连接的引出电极或导线。

22、优选的，所述柔性压力传感器为压阻式压力传感器，所述三维互锁敏感层结构在受压时界面接触状态与结构形态的变化引起等效电阻变化并输出电信号。

23、第四方面，本发明实施例提供了一种电子设备，包括上述的柔性压力传感器，用于获取接触压力信号。

24、与现有技术相比，本发明的有益效果在于：

25、（1）本发明摒弃了传统的单向物理贴合设计，创新性地构建了由正负锥度连续过渡的三维互锁微结构。两层均为全凸起的微结构阵列，通过错位排布实现交错嵌合，在受压状态下互补的锥度面相互接触咬合，在沿敏感层平面的切向与垂直于敏感层平面的法向均对敏感层提供机械约束，有效抑制了在复杂载荷下的层间相对滑移和微观分离，有效解决了传统传感器信号迟滞大、抗剪切能力弱的设计难题。

26、（2）本发明的互补锥面结构赋予了界面自适应对准的能力。随着载荷的增加，互锁微结构的锥面接触面积逐渐增大，层间界面的有效接触区域呈现稳定、可预测的扩展，避免了微结构倒伏或无序接触带来的信号突变，有利于保持传感器的高灵敏度以及在宽量程下的输出稳定性。

27、（3）本发明巧妙引入预应变释放的啮合机制，利用柔性基体释放时的弹性回复动力，使两层微结构阵列在回弹过程中自动实现交错嵌合。一方面解决了负锥度结构直接压合时对位困难、容易压溃的技术难题，另一方面利用残余应力锁紧了界面，有利于提升大面积柔性阵列的制造一致性。