卷绕诱导镂空结构的柔性压阻式压力传感器、制备方法及系统

本发明涉及柔性压阻传感，具体是一种卷绕诱导镂空结构的柔性压阻式压力传感器、一种卷绕诱导镂空结构柔性压阻式压力传感器的制备方法，以及一种压力检测系统。

背景技术：

1、随着柔性电子技术的快速发展，柔性压阻式压力传感器凭借结构柔韧性佳、制备工艺流程简便、电阻信号易于采集与处理等突出优势，已被广泛应用于可穿戴健康监测、智能机器人触觉感知、人体运动信号识别、柔性人机交互界面等诸多领域，在民用消费电子、医疗康复与工业智能检测等场景中具备重要的研究价值与广阔的产业化应用前景。从传感机理来看，压阻式压力传感器的核心性能主要取决于弹性基底的微观结构形貌与表面导电网络的形变响应特性；当外部压力作用于传感器时，弹性基底受载产生压缩形变，带动表面导电通路的数量与接触状态发生动态变化，最终将机械压力信号转化为可采集的电阻变化信号输出。

2、当前，现有柔性压阻传感器多采用多孔弹性基底结合表面导电涂覆的结构形式，其中较为常见的技术方案是以商用发泡海绵、随机多孔橡胶等材料作为弹性基底，在其表面涂覆碳纳米管、石墨烯等导电功能材料以构建可形变的导电网络（参见专利申请cn202510548151.9）。这类多孔基底通常通过发泡工艺、牺牲模板法等方式制备：发泡工艺依靠发泡剂在基体中自发分解产生气泡并生长成型，牺牲模板法通过随机分散的模板颗粒造孔，二者的孔隙成核、生长与空间排布均缺乏人为的定向调控，孔隙的尺寸、形状与空间分布往往呈现较强的随机性，难以按照预设规律实现精准、定量的结构设计。

3、受这种随机孔隙结构的影响，器件性能易出现多方面的局限。其一，孔隙结构的随机性使得不同批次样品的孔隙率、整体力学刚度存在明显波动，导电涂层的附着均匀性也难以保持稳定，进而导致传感器件的批次间性能一致性欠佳，不利于规模化生产与应用。其二，随机分布的孔隙在受压过程中形变次序与程度不均：大尺寸孔隙易在低压下率先发生压缩，而小尺寸孔隙与致密区域的形变更为滞后，使得导电网络的演化过程缺乏有序的渐进性。这一方面造成低压阶段整体新增的导电接触点数量有限，电阻响应幅度偏小，器件初始灵敏度有待提升；另一方面也易使部分区域的导电网络在中低压力下便提前致密饱和，后续高压阶段的电阻变化趋于平缓，最终导致器件难以在宽压力检测范围内同时兼顾高灵敏度与良好的线性响应特性，难以充分满足高精度压力检测场景的使用需求。

技术实现思路

1、为了解决现有柔性压阻式压力传感器多孔基底孔隙结构随机无序、难以精准调控，进而导致传感器批次一致性欠佳，且难以在宽压力范围内同时兼顾高灵敏度与良好线性响应的技术问题，本发明提供了一种卷绕诱导镂空结构的柔性压阻式压力传感器。本发明还提供了一种卷绕诱导镂空结构柔性压阻式压力传感器的制备方法，以及包含该传感器的压力检测系统。

2、为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

3、一种卷绕诱导镂空结构的柔性压阻式压力传感器，包括：

4、柔性传感芯体，为由多层盘绕丝层逐层堆叠而成的镂空三维弹性骨架；每层盘绕丝层包括由单根弹性材料丝经卷绕效应形成依次衔接的多个同尺寸的卷曲圈，各卷曲圈沿打印路径连续沉积布置，以形成阵列排布；镂空三维弹性骨架表面均匀设有导电涂覆层，形成连续可形变的导电网络；

5、叉指电极层，与柔性传感芯体导电贴合，可外接数据处理单元，用于输出受压过程中的电阻变化信号。

6、作为上述方案的进一步改进：多层盘绕丝层呈木堆式正交堆叠，相邻两层盘绕丝层的打印路径方向相互垂直，各层内卷曲圈的阵列延伸方向相互交叉，共同构成三维正交阵列式的镂空三维弹性骨架。

7、作为上述方案的进一步改进：同一盘绕丝层内，相邻卷曲圈之间的间隙构成层内孔隙；各层孔隙经层间堆叠间隙相互连通，在镂空三维弹性骨架内部形成随卷曲圈阵列蜿蜒延伸的三维迷宫式连通孔隙通道。

8、作为上述方案的进一步改进：还包括弹性封装组件，弹性封装组件包括上层封装片、下层封装片，以及夹设于二者之间的垫圈环，三者围合形成用于容纳柔性传感芯体与叉指电极层的容纳腔；叉指电极层贴合固定于下层封装片的上表面，柔性传感芯体叠置于叉指电极层上方；柔性传感芯体的上端面与上层封装片的下表面无预压接触，外部压力经上层封装片缓冲后传递至柔性传感芯体，实现承载功能与传感功能的解耦。

9、作为上述方案的进一步改进：上层封装片与下层封装片的中心位置均开设有透气通孔。

10、作为上述方案的进一步改进：弹性材料丝的材质为rtv室温硫化硅胶，导电涂覆层的材质为多壁碳纳米管涂层，弹性封装组件的材质为聚二甲基硅氧烷。

11、一种卷绕诱导镂空结构柔性压阻式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

12、采用3d打印设备，将rtv室温硫化硅胶从其中的喷嘴连续挤出，利用液体卷绕效应使下落的弹性材料丝形成依次衔接的卷曲圈，各卷曲圈沿打印路径连续沉积形成单层盘绕丝层；通过多层盘绕丝层逐层堆叠沉积，固化后得到镂空三维弹性骨架；

13、在镂空三维弹性骨架的表面均匀涂覆多壁碳纳米管导电涂覆层，构建连续可形变的导电网络，制得柔性传感芯体；

14、将柔性传感芯体与叉指电极层导电贴合固定，使叉指电极层的引脚可外接数据处理单元，以输出受压过程中的电阻变化信号；

15、制备材质为聚二甲基硅氧烷的上层封装片、下层封装片与垫圈环，将叉指电极层贴合固定于下层封装片的上表面，将柔性传感芯体叠置于叉指电极层上方，再将垫圈环夹设于上层封装片与下层封装片之间，制备得到卷绕诱导镂空结构的柔性压阻式压力传感器；装配后柔性传感芯体的上端面与上层封装片的下表面呈无预压接触状态，外部压力经上层封装片缓冲后传递至柔性传感芯体，实现承载功能与传感功能的解耦。

16、作为上述方案的进一步改进：多壁碳纳米管导电涂覆层的制备过程具体为：

17、将0.04g多壁碳纳米管与5ml工业乙醇混合并搅拌，至多壁碳纳米管的团聚体完全分散，制得涂覆溶液；将镂空三维弹性骨架浸入涂覆溶液中并反复挤压，使涂覆溶液均匀浸润骨架的孔隙与丝材表面；取出骨架后置于50℃环境下干燥15min以完全挥发乙醇，再采用去离子水清洗骨架以去除表面多余的多壁碳纳米管，随后再次干燥5min，在镂空三维弹性骨架表面形成均匀的多壁碳纳米管导电涂覆层。

18、作为上述方案的进一步改进：各层盘绕丝层以湿态逐层连续沉积，在先沉积的盘绕丝层处于未完全固化状态时即沉积下一层，相邻盘绕丝层之间依靠未固化弹性材料的自身粘性结合；全部盘绕丝层沉积完成后，对镂空三维弹性骨架整体进行静置固化，形成无额外粘接界面的一体式镂空三维弹性骨架。

19、一种压力检测系统，包括检测单元、数据处理单元以及执行单元；

20、检测单元包含至少一个卷绕诱导镂空结构的柔性压阻式压力传感器或由卷绕诱导镂空结构柔性压阻式压力传感器的制备方法制备得到的柔性压阻式压力传感器，用于将待测压力转换为电阻变化信号并经叉指电极层输出；

21、数据处理单元与检测单元电连接，用于接收电阻变化信号，经信号转换与运算处理得到对应的压力检测值，并根据压力检测值生成控制指令；

22、执行单元与数据处理单元电连接，用于接收控制指令并执行对应的响应动作。

23、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

24、1、在本发明的传感器中，每层盘绕丝层由单根弹性材料丝经卷绕效应形成依次衔接的多个同尺寸卷曲圈，并沿打印路径连续沉积形成阵列排布。该结构中，构成多孔骨架的基本单元为同一盘绕丝层中尺寸一致的卷曲圈，且卷曲圈沿预设路径规则排列，孔隙的尺寸、间距与空间分布具备明确的有序性，而非随机造孔工艺形成的无序孔隙结构。这种规整的阵列结构从结构形态上消除了孔隙随机分布带来的性能波动，使骨架的力学性能与孔隙特性具备可复现性，可有效提升传感器件的性能一致性。此外，柔性传感芯体为多层盘绕丝层逐层堆叠而成的镂空三维弹性骨架，受压时骨架的形变呈现渐进式的演化过程：随着压力增大，层内相邻卷曲圈逐步靠近、接触，同时层与层之间的丝材搭接面积逐步增加，使骨架表面导电网络的接触结点数量随压力升高逐步增多，避免了随机孔隙结构中局部孔隙提前闭合、导电网络过早饱和的问题。这种渐进式的结构形变使导电网络可在更宽的压力范围内持续演化，既能够在低压阶段通过卷曲圈的灵活形变产生明显的电阻变化，保障检测灵敏度；又能够延缓导电网络的致密饱和进程，有效拓展传感器的有效检测范围。最后，镂空三维弹性骨架表面均匀设有导电涂覆层，形成连续可形变的导电网络。叉指电极层与柔性传感芯体导电贴合，可将受压过程中导电网络产生的电阻变化信号稳定输出至外部数据处理单元，为压力信号的后续采集与处理提供可靠的电气接口。基于规整有序的卷曲圈阵列骨架，导电涂覆层可均匀附着于丝材表面，形成分布均匀的导电层；受压过程中，导电网络随有序骨架的规律性形变同步演化，电阻变化与压力输入的对应关系更具规律性，有助于提升传感响应的线性度与信号稳定性，改善随机孔隙结构中导电网络演化无序、响应一致性差的问题，有效提高检测精度，从而满足对应的实际检测要求。

25、2、采用木堆式正交堆叠的层间排布方式，使相邻两层盘绕丝层的打印路径方向相互垂直、卷曲圈阵列延伸方向相互交叉，共同构成三维正交阵列式的镂空三维弹性骨架，一方面可提升骨架整体的力学稳定性与受力均匀性，避免单向堆叠结构易出现的侧向形变失稳问题，使受压过程中骨架各区域形变更对称一致；另一方面可形成空间各向连通的规整孔隙网络，让导电网络随压力的演化过程更均匀有序，有效提升传感响应的各向同性与检测重复性，同时进一步强化了多孔结构的可设计性与批次制备一致性。

26、3、通过相邻卷曲圈之间的间隙自然构成层内孔隙，并借助层间堆叠间隙使各层孔隙相互贯通，在骨架内部形成随卷曲圈阵列蜿蜒延伸的三维迷宫式连通孔隙通道；这种全连通的孔隙结构一方面可保障受压过程中骨架内部气体顺畅排出，避免闭孔气压阻碍结构形变，有助于提升传感器的响应速度与形变灵敏度；另一方面，蜿蜒连续的孔隙通道使骨架受压时孔隙随卷曲圈形变逐步收窄闭合，形变过程呈现平缓渐进的特性，可延缓导电网络的致密饱和进程，有效拓宽压力检测范围；同时，相互连通的孔隙结构也便于导电涂覆溶液充分浸润骨架的内外表面，保障导电涂覆层均匀完整地附着，避免闭孔区域涂层缺失导致的导电网络不连续，进一步提升传感响应的均匀性与稳定性。