柔性压阻传感器的大规模制备方法与流程

1.本发明属于柔性压阻传感器领域，具体涉及柔性压阻传感器的大规模制备方法。


背景技术：

2.柔性压阻式压力传感器作为柔性压力传感器的重要分支，具有结构简单、稳定性好、 信号易获取等特点，在软机器人、人机界面、健康状况监测、电子皮肤等领域具有广泛 的应用前景。灵敏度是柔性压阻传感器的关键性能指标和研究重点。通过在传感单元表 面产生微纳结构如微锥、微柱、微金字塔、微球和脊形等微纳结构可有效提高柔性传感 器的灵敏度。
3.精准化、大规模、低成本在传感单元表面制备微纳结构是这类柔性压阻传感器应用 的关键。目前，柔性压阻传感器上的微纳结构主要通过将模板上的微纳结构转移到柔性 衬底上来实现。而模板表面的微纳结构常采用光刻工艺和天然材料模板两种方法进行制 备。光刻工艺虽然能对表面微纳结构进行精准化控制，但工艺复杂、成本高、不易于大 幅面制备。采用天然材料作为模板制作，例如采用荷叶、芭蕉叶、砂纸、和花瓣等表面 作为天然的模板，然而微纳结构的尺寸及形状无法进行设计和精准控制。以上方法无法 同时达到精准控制、大规模、低成本制备的要求，阻碍了柔性压阻传感器的商业应用。


技术实现要素：

4.本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供柔性压阻传感器的大规模制备 方法，实现大规模、低成本制备柔性压阻传感器。
5.本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
6.本发明提供一种柔性压阻传感器的大规模制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
7.步骤1：柔性基片由送料滚筒传送至加热滚筒与凸版压印滚筒之间，加热滚筒加热 柔性基片使其处于热塑性状态，凸版压印滚筒压印柔性基片产生塑性变形，在柔性基片 表面得到与凸版压印滚筒表面微纳结构对应的结构；
8.步骤2：压印后的柔性基片离开加热滚筒和凸版压印滚筒之间，经冷却后，表面微 纳结构得以稳定；
9.步骤3：冷却后的柔性基片被传送至导电纳米材料喷涂装置下方，导电油墨由喷涂 装置的喷嘴喷出，通过第一喷涂模版后定量喷涂在柔性基片的微纳结构上；
10.步骤4：表面带导电油墨的柔性基片被传送至烘干装置，通过高温烘烤，使导电纳 米材料紧紧粘附在柔性基片微纳结构的表面，形成纳米导电层；
11.步骤5：表面带纳米导电层的柔性基片被传送至封装胶喷涂装置下方，封装胶通过 第二喷涂模版定量喷涂在柔性基片上传感单元的间隙处；
12.步骤6：送料滚筒将表面带有叉指电极的柔性膜传送至表面带纳米导电层和封装胶 的柔性基片上方，将柔性膜上的叉指电极与柔性基片上的微纳结构单元进行对准，面对 面贴附在一起；
13.步骤7：在预定固化条件下固化封装胶使得柔性膜与柔性基片牢固贴装在一起，完 成柔性压阻传感器的封装；随后，将封装完成的柔性压阻传感器传送至收料滚筒，由此 实现柔性压阻传感器的大批量制备。
14.进一步，本发明还提供另一种柔性压阻传感器的大规模制备方法，其特征在于，包 括以下步骤：
15.步骤1：柔性基片由送料滚筒传送往加热滚筒与凸版压印滚筒之间，与此同时在位 于凸版压印滚筒上方的导电油墨涂覆装置中导电油墨由导电油墨存料盒中流出、经由上 匀料辊和下匀料辊被均匀传输并涂覆至凸版压印滚筒的微结构上，加热滚筒加热柔性基 片使其处于热塑性状态，表面均匀涂覆有导电油墨的凸版压印滚筒压印柔性基片产生塑 性变形，在柔性基片表面得到与凸版压印滚筒表面微纳结构对应的微纳结构，并且柔性 基片表面的微纳结构上均匀附着有导电油墨；
16.步骤2：压印后表面带导电油墨的柔性基片离开加热滚筒和凸版压印滚筒之间，经 冷却后，微纳结构得以稳定；
17.步骤3：微纳结构稳定后的柔性基片被传送至烘干装置，通过高温烘烤，使导电纳 米材料紧紧粘附在柔性基片微纳结构的表面，形成纳米导电层；
18.步骤5：表面带纳米导电层的柔性基片被传送至封装胶喷涂装置下方，封装胶通过 第二喷涂模版定量喷涂在柔性基片上传感单元的间隙处；
19.步骤6：送料滚筒将表面带有叉指电极的柔性膜传送至表面带纳米导电层和封装胶 的柔性基片上方，将柔性膜上的叉指电极与柔性基片上的微纳结构单元进行对准，面对 面贴附在一起；
20.步骤7：在预定固化条件下固化封装胶使得柔性膜与柔性基片牢固贴装在一起，完 成柔性压阻传感器的封装；随后，将封装完成的柔性压阻传感器传送至收料滚筒，由此 实现柔性压阻传感器的大批量制备。
21.优选地，本发明提供的柔性压阻传感器的大规模制备方法，还可以具有以下特征： 柔性基片和柔性膜均采用具有较好柔韧性的热塑性材料，例如，可采用聚对苯二甲酸乙 二醇酯(pet)、聚氨酯(pu)或者聚碳酸酯(pc)等具有较好柔韧性的热塑性材料。
22.优选地，本发明提供的柔性压阻传感器的大规模制备方法，还可以具有以下特征： 凸版压印滚筒表面包覆一层带微纳结构图形的金属膜，金属膜的微纳结构可通过激光直 写、化学腐蚀、滚压、等离子刻蚀等技术实现。
23.优选地，本发明提供的柔性压阻传感器的大规模制备方法，还可以具有以下特征： 导电油墨采用石墨烯、碳纳米管、碳黑、银纳米线或者纳米银颗粒等具有良好导电性的 纳米材料。
24.优选地，本发明提供的柔性压阻传感器的大规模制备方法，还可以具有以下特征： 叉指电极采用导电性良好的非金属材料，如铜、铝、银、金等金属或氧化铟锡等非金属 材料，电极结构形式为叉指状。
25.优选地，本发明提供的柔性压阻传感器的大规模制备方法，还可以具有以下特征： 在步骤2中，压印后的柔性基片离开加热滚筒和凸版压印滚筒后，自然经冷却定型。
26.优选地，本发明提供的柔性压阻传感器的大规模制备方法，还可以具有以下特征： 在步骤7中，采用封装胶固化装置在预定固化条件下对封装胶进行固化。
27.优选地，本发明提供的柔性压阻传感器的大规模制备方法，还可以具有以下特征： 步骤1至步骤7的操作为连续完成。
28.发明的作用与效果
29.1、本发明工艺路线简单、成本低、适用于大批量生产。采用激光直写、化学腐蚀、 滚压、等离子刻蚀等工艺制备模板的微纳结构可实现精准控制、大幅面加工；采用凸版 压印工艺制备柔性压阻传感器灵敏单元的微纳结构，直接成型，工艺简单，适合大批量 生产；采用喷涂导电油墨并加热固化的工艺，可以精准涂覆，避免导电油墨的浪费。
30.2、所制备柔性压阻传感器具有高灵敏度。传感器敏感单元表面具有大量的微纳结 构，可在外力作用下，产生相对较大的形变，从而保证了高灵敏度。
31.3、所制备柔性压阻传感器的灵敏度可调性好。凸版压印滚筒上的金属膜表面的微 纳结构容易通过加工调整，从而可以实现柔性压阻传感器灵敏度的可调性。
附图说明
32.图1为本发明涉及的柔性压阻传感器的大规模制备方法的工艺路线图；
33.图2为本发明实施例中涉及的金属压印模板的结构示意图，其中(1)为立体图， (2)为截面图；
34.图3为本发明实施例中涉及的柔性基片处理前(1)和处理后(2)的表面结构的 示意图；
35.图4为本发明实施例中涉及的表面喷涂有导电纳米材料的柔性基片(1)、传感单 元间隙涂有封装胶的柔性基片(2)、第一喷涂模版(3)和第二喷涂模版(4)的结构示 意图；
36.图5为本发明实施例中涉及的压印后的柔性基片(1)、表面喷涂有导电纳米材料 的柔性基片(2)、单个柔性压阻传感器(3)的截面结构示意图；
37.图6为本发明实施例中涉及的单个柔性压阻传感单元的sem图；
38.图7为本发明实施例中涉及的单个柔性压阻传感单元的灵敏度检测结果图；
39.图8为本发明涉及的另一种柔性压阻传感器的大规模制备方法的工艺路线图。
40.图中各标号含义为：1
‑
送料滚筒、2
‑
凸版压印滚筒、3
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加热滚筒、4
‑
导电材料喷涂 装置(图1)/导电油墨涂覆装置(图8)、5
‑
导电纳米材料烘干装置、6
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封装胶喷涂装置、 7
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送料滚筒、8
‑
封装胶烘干装置(封装胶固化装置)、9
‑
收料滚筒、101
‑
柔性基片、102
‑ꢀ
表面带微脊结构的柔性基片、103
‑
表面喷涂有导电材料的柔性基片、104
‑
传感单元间隙 涂有封装胶的柔性基片、105
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组装好的柔性压阻传感器、401
‑
第一喷涂模版、601
‑
第二 喷涂模版、701
‑
带叉指电极的柔性膜、1031
‑
柔性基底层、1032
‑
纳米材料导电层、1051
‑ꢀ
叉指电极基底层、1052
‑
叉指电极层。
具体实施方式
41.以下结合附图对本发明涉及的柔性压阻传感器的大规模制备方法的具体实施方案 进行详细地说明。
42.<实施例一>
43.如图1所示，本发明提供的柔性压阻传感器的大规模制备方法包括如下步骤：
44.步骤1：柔性基片101由送料滚筒1传送至加热滚筒3与凸版压印滚筒2之间，加 热
滚筒加热柔性基片使其处于热塑性状态，凸版压印滚筒压印柔性基片产生塑性变形， 在柔性基片表面得到与凸版压印滚筒表面微纳结构对应的结构。
45.步骤2：压印后的柔性基片102离开加热滚筒和凸版压印滚筒之间，经冷却后，表 面微纳结构得以稳定。
46.步骤3：冷却后的柔性基片被传送至导电材料喷涂装置4下方，导电油墨由喷涂装 置的喷嘴喷出，通过第一喷涂模版401后定量喷涂在柔性基片的微纳结构上。
47.步骤4：表面带导电油墨的柔性基片103被传送至导电纳米材料烘干装置5，通过 高温烘烤，使导电纳米材料紧紧粘附在柔性基片微纳结构的表面，形成纳米导电层。
48.步骤5：表面带纳米导电层的柔性基片被传送至封装胶喷涂装置6下方，封装胶通 过第二喷涂模版601定量喷涂在柔性基片上传感单元的间隙处。
49.步骤6：送料滚筒7将表面带有叉指电极的柔性膜701传送至表面带导电层和封装 胶的柔性基片104上方，将柔性膜701上的叉指电极与柔性基片104上的微纳结构单元 进行对准，面对面贴附在一起。
50.步骤7：采用封装胶烘干装置8于100℃温度固化封装胶使得柔性膜701与柔性基 片104牢固贴附在一起，完成柔性压阻传感器的封装。随后，将封装完成的柔性压阻传 感器传送至收料滚筒9，由此实现了柔性压阻传感器的大批量制备。
51.具体地，本实施例一所提供的柔性压阻传感器的大规模制备方法为：
52.1)准备一块60m
×
1m
×
0.1mm的柔性pu膜101，将其缠绕在送料滚筒1上；采 用表面有30μm宽，40μm间距，30μm深周期性微槽的铜膜作为模板，将其贴附在凸 版压印滚筒2上，如图2所示；采用石墨烯导电油墨作为导电纳米材料，将其添加到导 电材料喷涂装置4的墨盒中；将加热滚筒3加热至150℃，将导电纳米材料烘干装置5 的温度升至110℃，将封装胶烘干装置8的温度升至100℃；整体机器的转速为 1m/min。
53.2)启动设备，pu膜101由送料滚筒1传送至加热滚筒3与凸版压印滚筒2之间， 加热滚筒加热pu膜使其处于热塑性状态，凸版压印滚筒压印pu膜产生塑性变形，在 pu膜表面得到与凸版压印滚筒表面微槽结构对应的微脊结构，如图3
‑
(2)和图5
‑
(1) 所示。
54.3)压印后的pu膜102离开加热滚筒和凸版压印滚筒之间，经自然冷却后，表面 微脊结构得以稳定。
55.4)冷却后的pu膜102，被传送至导电材料喷涂装置4下方，石墨烯导电油墨由喷 涂装置的喷嘴喷出，通过第一喷涂模版401后定量喷涂在pu膜的微脊结构上。
56.5)表面带石墨烯导电油墨的pu膜103被传送至导电纳米材料烘干装置5，通过110 ℃高温烘烤，使石墨烯紧紧粘附在pu膜微脊结构的表面，形成石墨烯纳米导电层，如 图4
‑
(1)和5
‑
(2)所示。
57.6)表面带石墨烯导电层的pu膜被传送至封装胶喷涂装置6下方，封装胶通过第 二喷涂模版601定量喷涂在pu膜上传感单元的间隙处。
58.7)送料滚筒7将表面带有叉指电极的pu膜701传送至表面带石墨烯导电层和封 装胶的pu膜104上方，将pu膜701上的叉指电极与pu膜104上的微脊结构单元进 行对准，面对面贴附在一起，如图5
‑
(3)所示。
59.8)采用封装胶烘干装置8于100℃温度固化封装胶使得pu膜701与pu膜104牢 固贴附在一起，完成柔性压阻传感器的封装。随后，将封装完成的柔性压阻传感器传送 至收料
高温烘烤，使导电纳米材料紧紧粘附在柔性基片微纳结构的表面，形成纳米导电层。
76.步骤4：表面带纳米导电层的柔性基片被传送至封装胶喷涂装置6下方，封装胶通 过第二喷涂模版601定量喷涂在柔性基片上传感单元的间隙处。
77.步骤5：送料滚筒7将表面带有叉指电极的柔性膜701传送至表面带导电层和封装 胶的柔性基片104上方，将柔性膜701上的叉指电极与柔性基片104上的微纳结构单元 进行对准，面对面贴附在一起。
78.步骤6：采用封装胶烘干装置8于100℃温度固化封装胶使得柔性膜701与柔性基 片104牢固贴附在一起，完成柔性压阻传感器的封装。随后，将封装完成的柔性压阻传 感器传送至收料滚筒9，由此实现了柔性压阻传感器的大批量制备。
79.本实施例的步骤1中，导电油墨从存料盒中流出来后在上匀料辊和下匀料辊分流和 均匀流量的作用下，将导电油墨均匀的分布到凸版压印滚筒2的微结构上，柔性基片加 热滚筒3与凸版压印滚筒2被压印出微纳结构的同时，表面也均匀附着上了导电油墨， 效率更高，而且导电油墨涂覆均匀性更好。
80.以上实施例仅仅是对本发明技术方案所做的举例说明。本发明所涉及的柔性压阻传 感器的大规模制备方法并不仅仅限定于在以上实施例中所描述的内容，而是以权利要求 所限定的范围为准。本发明所属领域技术人员在该实施例的基础上所做的任何修改或补 充或等效替换，都在本发明的权利要求所要求保护的范围内。