一种基于泊松盘分布和LHS的量程可调的压力传感器及其制备方法

本发明涉及柔性压力传感器，具体涉及一种基于泊松盘分布和lhs的量程可调的压力传感器及其制备方法。

背景技术：

1、随着智能终端、人机交互、可穿戴电子及机器人技术的发展，柔性压力传感器因具有柔性、轻量化以及微结构可设计等特点，被广泛应用于电子皮肤、智能穿戴、机器人触觉感知及人机交互等领域。现有研究表明，微结构的空间排布方式对柔性压力传感器的压力响应具有重要影响。相比高度规则的微结构阵列，引入空间随机性的微结构能够改变相邻结构之间的局部接触关系和受力状态，使不同微结构在压力加载过程中以不同状态逐步参与接触和形变，从而增加有效响应过程。同时，在相同有效面积内，微结构数量越多，潜在的有效接触单元数量越多，通常越有利于获得较大的电学响应和较高的灵敏度。因此，对于微结构柔性压力传感器而言，如何在有限面积内布置尽可能多的微结构，同时引入合理的空间随机性，是提高传感性能的重要设计问题。

2、目前，微结构空间排布主要包括四方排列、六方密堆排列以及随机排列等方式。其中，六方密堆结构具有较高的空间利用率，能够在有限面积内实现较高的微结构数量，因此有利于提高单位面积内的有效结构数量。然而，六方密堆结构本质上属于周期性规则排列，其微结构位置由固定晶格关系确定，相邻结构之间的距离及局部空间关系高度一致，缺少随机变量。在压力加载过程中，具有相似空间关系的微结构容易表现出相近的接触和形变行为，难以充分发挥随机结构所具有的非同步、多阶段接触特征，不利于形成具有空间异质性的逐级响应。完全随机排列虽然能够引入空间随机性，但由于缺乏最小距离约束，容易产生局部微结构扎堆和局部结构稀疏现象，不仅可能造成结构之间的空间干涉，还会降低有限区域内微结构的有效利用率。因此，现有规则排列难以同时获得高结构数量与随机响应特征，而完全随机排列又难以兼顾随机性、最小间距和空间利用率。

技术实现思路

1、泊松盘分布通过在随机空间采样过程中引入预设最小中心距离约束，使微结构在保持非周期随机特征的同时避免局部过度聚集。与六方密堆相比，泊松盘不再要求微结构按照固定晶格周期排列，而是在满足最小间距的前提下允许每个微结构具有不同的局部邻域关系，从而将随机变量引入微结构空间排布过程；与完全随机分布相比，其又能够有效抑制结构扎堆，提高设计区域内微结构的有效覆盖。因此，泊松盘适用于解决“在保证较高单位面积结构数量的同时引入空间随机性”这一问题。然而，仅采用泊松盘控制空间位置时，微结构尺寸仍可能保持一致或采用普通随机方式赋值，难以保证有限数量微结构对尺寸设计范围的充分覆盖。为此，本发明进一步采用拉丁超立方采样（lhs）对微金字塔底边长度进行分层采样，使不同尺寸等级均能够获得采样值，避免尺寸参数随机生成过程中出现局部扎堆或部分尺寸区间缺失。由此，泊松盘负责控制“微金字塔在哪里”，lhs负责控制“微金字塔有多大”，二者分别作用于空间位置和几何尺寸两个独立设计变量。

2、基于上述设计思想，本发明提出一种泊松盘随机空间排布与lhs尺寸调控相结合的可编程微金字塔阵列设计及柔性压力传感器制备方法，在有限面积内兼顾微结构数量、空间随机性、最小间距约束和尺寸均匀覆盖，实现从空间位置到几何尺寸的双参数程序化控制。通过调节微金字塔尺寸设计范围，可进一步改变不同尺寸结构参与压力响应的范围，从而实现传感器检测量程的可编程调节。该方法将传统微结构设计由单一规则阵列或无约束随机结构，提升为 “泊松盘控制空间、lhs控制尺寸、参数化版图自动生成、性能可调”的一体化设计方法，为柔性压力传感器的高灵敏度和宽范围可调设计提供新的结构设计路径。

3、针对现有柔性压力传感器中微结构参数固定、检测量程难以调节，以及规则微结构易产生同步接触、随机微结构设计不可控和重复性不足等问题，本发明提供一种基于可编程微金字塔阵列的柔性压力传感器及其制备方法。

4、本发明通过对微金字塔单元的空间位置和几何尺寸进行程序化设计，构建具有空间随机性和尺寸可控性的微金字塔阵列结构。其中，通过泊松盘约束随机排布方法控制微金字塔之间的空间距离，使阵列结构在保持随机分布特征的同时避免结构重叠；通过拉丁超立方采样方法对微金字塔底边尺寸进行分层采样和参数分配，使阵列内部形成可调控的尺寸分布。

5、通过调节微金字塔尺寸参数范围、尺寸分布覆盖程度以及空间排列方式，可改变不同压力阶段参与接触和变形的微金字塔数量，使传感器能够根据结构参数实现最大检测量程调节。同时，尺寸梯度分布能够改善压力加载过程中的接触演化行为，提高传感器压力响应连续性和线性特性。

6、为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

7、一种基于泊松盘分布和lhs的量程可调的压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

8、步骤一：在方形设计区域内，采用泊松盘采样法生成微金字塔中心位置集合；预设微金字塔的底边长度区间，计算各所述微金字塔对应的外接圆半径；

9、任意两个微金字塔中心之间的距离不小于两倍的所述外接圆半径与预设安全间距之和，以确保微金字塔之间不发生空间重叠；本发明使用泊松盘采样算法使各微金字塔既要随机又要不重叠；

10、步骤二：在所述底边长度区间内提取连续的拉丁超立方采样的尺寸设计区间，将所述尺寸设计区间均匀划分为若干个等概率子区间，采用拉丁超立方采样方法在每个子区间内选取一个尺寸参数，获得底边长度样本集合；以使在有限数量的微金字塔中实现尺寸均匀覆盖以拓宽量程；

11、步骤三：对所述微金字塔中心位置和底边长度样本按照统一的编号规则建立一一映射关系，以各中心位置为基准，以对应的底边长度构建二维正方形图元，形成参数化二维微金字塔阵列，并生成版图文件；

12、步骤四：

13、基于所述版图文件，在<100>晶向硅衬底上依次进行掩膜沉积、光刻曝光、掩膜刻蚀及各向异性湿法刻蚀，制备出表面具有倒金字塔形微腔阵列的硅模板；

14、步骤五：基于所述硅模板进行柔性导电压敏层成型，并将所述柔性导电压敏层与柔性电极进行封装，形成柔性压力传感单元；

15、其中，通过调节步骤二中拉丁超立方采样的尺寸设计区间在所述底边长度区间内的具体子区间，实现传感器最大检测量程的连续调节。

16、优选的，所述泊松盘采样法采用固定随机种子进行候选位置生成，使相同输入参数条件下能够重复生成相同的微金字塔空间位置集合；改变随机种子时，生成满足相同空间约束条件的不同空间分布实例。

17、优选的，所述底边长度区间为50至90微米，所述预设安全间距20至30微米；

18、优选的，所述拉丁超立方采样的尺寸设计区间选自50至60微米、50至70微米、50至80微米或50至90微米；其中，尺寸设计区间为50至60微米时对应的最大检测量程为355.1kpa，50至70微米时对应的最大检测量程为516kpa，50至80微米时对应的最大检测量程为630kpa，50至90微米时对应的最大检测量程约为700kpa、最大灵敏度为3.83kpa-1。

19、优选的，步骤一中所述方形设计区域按如下方式进行边界约束：微金字塔中心位置距离设计区域边界的距离不小于所述外接圆半径，以使任意微金字塔均完整位于设计区域内部。

20、优选的，步骤四中所述硅模板制备具体包括：

21、在硅衬底上电子束蒸镀铬掩膜层，蒸镀速率为0.9至1.2埃/秒，厚度为100纳米；

22、旋涂光刻胶，将所述版图文件导入光刻系统进行曝光，显影后形成光刻胶图案；

23、采用ph值为3.50±0.05的cr离子刻蚀液湿法刻蚀暴露的铬掩膜层，形成掩膜开口图案；

24、去除残留光刻胶后，置于浓度为6.0mol/l的naoh水溶液中，在80℃条件下进行各向异性湿法刻蚀4小时，形成倒金字塔形微腔阵列；

25、去除残余铬掩膜层，得到硅模板。

26、优选的，步骤五中，所述柔性导电压敏层使用的材料按如下方式制备：将碳纳米管分散于异丙醇后与聚二甲基硅氧烷的a组分混合，再加入聚二甲基硅氧烷的b组分固化剂得到的复合材料；其中，碳纳米管与异丙醇的质量比为1:20，碳纳米管与聚二甲基硅氧烷的a组分质量比为3:50，聚二甲基硅氧烷的a组分与b组分质量比为10:1；所述柔性电极采用丝网印刷工艺制备：在厚度50微米的pet柔性绝缘薄膜上印刷银浆电极及引脚，所述银浆电极尺寸为1cm×1cm，经120℃加热20分钟固化后形成柔性电极。

27、优选的，步骤一中，在1cm×1cm的设计区域内，所述泊松盘采样生成n个满足最小间距约束的微金字塔中心位置；步骤二中，所述拉丁超立方采样的样本数量也为n个，以实现微结构数量的匹配;其中，n不少于3000。

28、一种基于泊松盘分布和lhs的量程可调的压力传感器，使用所述的制备方法制得。

29、优选的，所述的压力传感器，包括上电极层、柔性导电压敏层和下电极层。

30、在本发明中，制备了一种基于泊松盘随机空间排布与拉丁超立方采样尺寸调控的可编程微金字塔柔性压力传感器。通过泊松盘约束算法对微金字塔中心位置进行随机排布，在保证微金字塔之间满足最小结构间距及不发生空间重叠的条件下获得随机空间分布；进一步采用拉丁超立方采样方法对微金字塔底边长度进行分层设计，并将尺寸参数与空间位置进行一一对应，从而构建具有空间随机性和尺寸异质性的可编程微金字塔阵列。基于所获得的结构参数建立参数化二维版图，并自动生成gdsii版图文件及三维模型，实现微金字塔阵列从结构设计、参数生成到版图输出和模板制备的程序化控制。通过调节微金字塔尺寸参数的覆盖范围，可进一步实现柔性压力传感器检测量程的可调控，为不同压力检测场景下的柔性压力传感器结构设计与性能调控提供一种可编程的技术方案。