一种柔性线性压力传感器的制作方法

1.本发明涉及压力传感器，具体为一种柔性、线性压力传感器。


背景技术：

2.柔性压力传感器因其在健康监测及人机交互等领域的应用受到越来越多的关注。整个压力范围内的线性灵敏度是衡量柔性压力传感器性能的一个重要指标。对于大部分柔性压力传感器，在较低压力下传感信号快速饱和，当压力进一步增加时，信号增加缓慢，灵敏度降低，偏离原来的线性。若实现这些压力的检测，需要进行非线性补偿或者复杂的分析计算，为压力传感器的设计、标定和数据处理带来了极大的不便。另一方面，市场上目前存在的柔性压力传感器大多是将压力敏感纳米材料、导电银浆等电子涂料印制在薄膜基材(如聚酯薄膜pet、聚酰亚胺薄膜pi等)上，制备得到的柔性传感器存在灵敏度低、在150℃下容易发生变形以及受温度影响性能飘移严重等缺点，严重限制了柔性传感器的应用场景。
3.因此，开发超宽传感范围与高线性灵敏度的能承受150℃高温的柔性压力传感器显得尤为重要。


技术实现要素：

4.本发明的一个主要目的在于提供一种柔性线性压力传感器，包括压力敏感层，在所述压力敏感层的表面设置有多个凸起结构，所述多个凸起结构包括半球体、棱锥、拱形体中的一种或多种，或者，所述凸起结构呈高斯分布。
5.本发明一实施方式的柔性压力传感器，具有工艺简单、线性灵敏度高、数据处理简单等特点。
附图说明
6.通过结合附图考虑以下对本发明的优选实施例的详细说明，本发明的各种目标、特征和优点将变得更加显而易见。附图仅为本发明的示范性图解，并非一定是按比例绘制。在附图中，同样的附图标记始终表示相同或类似的部件。其中：
7.图1为本发明一实施方式的柔性线性压力传感器的结构示意图；
8.图2a为本发明一实施方式的导电弹性体薄膜的结构示意图；
9.图2b为本发明另一实施方式的导电弹性体薄膜的结构示意图；
10.图2c为本发明另一实施方式的导电弹性体薄膜的结构示意图；
11.图3为本发明另一实施方式的导电弹性体薄膜的结构示意图；
12.图4为本发明一实施方式的图案化导电弹性体薄膜的制备流程图；
13.图5a为本发明实施例1所制得柔性线性压力传感器不同阵列高度的压力测试曲线图；
14.图5b为本发明实施例1所制得柔性线性压力传感器高度为40μm时不同温度下的压力测试曲线图；
15.图6为本发明实施例2所制得柔性线性压力传感器高度为80μm时的压力测试曲线图。
16.图7为本发明实施例3所制得柔性线性压力传感器高度为120μm时的压力测试曲线图。
17.图8为本发明实施例4所制得柔性线性压力传感器高度均值为60μm时的压力测试曲线图。
具体实施方式
18.体现本发明特征与优点的典型实施方式将在以下的说明中详细叙述。应理解的是本发明能够在不同的实施方式上具有各种的变化，其皆不脱离本发明的范围，且其中的说明及图示在本质上是当作说明之用，而非用以限制本发明。
19.本发明一实施方式提供了一种柔性压力传感器，包括导电线路层21和压力敏感层，在压力敏感层的表面设置有多个凸起结构，其中，凸起结构可以为半球体、棱锥、拱形体，也可以是凸起结构呈高斯分布。
20.于一实施方式中，凸起结构可以是空心结构，也可以是实心结构。
21.于一实施方式中，半球体可以是3/20～1/2球体，例如1/2球体、2/5球体、1/5球体等；其中，半球体是从圆球(母体)上切割下来的结构，其底面为圆形，具有连接底面的弧形顶面；1/2球体相当于母体圆球的一半，其高度(顶面最高点至底面圆心的尺寸)为母体圆球直径的1/2；1/3球体的高度为其母体圆球直径的1/3；其他依此类推。
22.于一实施方式中，棱锥可以是三棱锥、四棱锥、五棱锥、六棱锥、八棱锥等，棱锥通过其底面连接于压力敏感层的表面。
23.于一实施方式中，棱锥可以是正棱锥，例如正三棱锥、正四棱锥、正五棱锥、正六棱锥、正八棱锥等。
24.于一实施方式中，拱形体可以是圆柱体的一部分，例如可以是沿与圆柱体的轴线相平行的平面切割圆柱体得到的结构，该结构可以是1/2圆柱体，也可以是小于1/2圆柱体，例如1/3圆柱体、1/4圆柱体等。
25.于一实施方式中，拱形体通过上述切割平面连接于压力敏感层的表面，该切割平面为矩形，进一步可以为正方形，正方形的边长可以与拱形体的高度相同。
26.于一实施方式中，凸起结构呈高斯分布，多个呈高斯分布的凸起结构相连，使得多个凸起结构整体呈起伏状分布。
27.于一实施方式中，压力敏感层为图案化导电弹性体薄膜31，由导电组合物制得，导电组合物包括弹性体材料、碳基粉体和导电油墨。其中，导电组合物制得的导电弹性体薄膜可承受150℃的高温。
28.于一实施方式中，多个凸起结构呈阵列排布(例如矩形阵列)，使压力敏感层呈现图案化。
29.于一实施方式中，多个凸起结构呈方形阵列，阵列中的多个凸起结构等间隔地排布；其中，凸起结构为正三棱锥或正四棱锥，凸起结构底部的边长与阵列中两个相邻凸起结构的间距之比为(0.9～1.1):1，优选地，凸起结构底部的边长与阵列中两个相邻凸起结构的间距之比为1:1；例如凸起结构的边长为200μm，两相邻凸起结构的间距为200μm；凸起结
构的边长为300μm，两相邻凸起结构的间距为300μm；凸起结构的边长为400μm，两相邻凸起结构的间距为400μm。
30.于一实施方式中，阵列中的多个凸起结构同向排布，例如，凸起结构为正三棱锥，其底边三角形的边长平行于相邻正三棱锥底边三角形的相应边长。
31.于一实施方式中，凸起结构为正棱锥，其底部多边形的边数n≥5，例如正五棱锥、正六棱锥或正八棱锥，凸起结构底部的最大尺寸与阵列中两个相邻凸起结构的间距之比为(0.9～1.1):1。优选地，凸起结构底部的最大尺寸与阵列中两个相邻凸起结构的间距之比为1:1。例如，正六棱锥的底面为正六边形，其最大尺寸来自于内部的一条对角线。
32.于一实施方式中，凸起结构为半球体，其底面直径与阵列中两个相邻凸起结构的间距之比为(0.9～1.1):1；优选地，凸起结构底部直径与阵列中两个相邻凸起结构的间距之比为1:1。
33.于一实施方式中，凸起结构是沿与圆柱体的轴线相平行的平面切割圆柱体得到的拱形体，其底部为正方形，正方形的边长与阵列中两个相邻凸起结构的间距之比为(0.9～1.1):1，例如1:1。
34.其中，凸起结构的底部或底面是指其与压力敏感层的表面相连的部分，如凸起结构为半球体，则半球体通过圆形底面与压力敏感层相连；如凸起结构为正三棱锥，则正三棱锥通过正三角形的底面与压力敏感层相连。两个凸起结构的间距是指在压力敏感层的阵列中两个凸起结构之间的最短距离。
35.于一实施方式中，凸起结构可以是图2a所示的拱形，也可以是图2b所示的四棱锥，还可以是图2c所示的半球体。
36.于一实施方式中，压力敏感层的凸起结构可以呈高斯分布，其结构可如图3所示。
37.于一实施方式中，凸起结构的高度可以为30～150μm，例如40μm、80μm、120μm等，优选地，凸起结构的高度为40～60μm；其中，凸起结构的高度是指沿垂直于压力敏感层方向的最大尺寸。
38.于一实施方式中，凸起结构可以呈表面凸起高度均值为30～150μm的高斯分布，例如高度均值为60μm、80μm、100μm等。
39.于一实施方式中，图案化导电弹性体薄膜31由导电组合物浆料涂于图案的基板上，固化后制得。
40.于一实施方式中，基板上的图案与所制的导电弹性体薄膜的结构相匹配，例如基板上具有多个凸起结构组成的阵列。
41.于一实施方式中，弹性体材料可以是橡胶。
42.于一实施方式中，橡胶可以为硅橡胶，硅橡胶可以是ecoflex、聚二甲基硅氧烷(pdms)。
43.于一实施方式中，碳基粉体可以是基于碳元素的粉体，特别是碳单质的粉体，例如碳纤维粉、生物质炭、导电炭黑、石墨粉中的一种或多种，由于碳基粉体的价格较为低，使用其降低了所制得的导电弹性体薄膜的成本。
44.于一实施方式中，碳纤维粉的纤维直径可以为5～10μm，例如5μm、8μm、10μm；长度可以为10～100μm，例如20μm、30μm、50μm、80μm等。
45.于一实施方式中，导电油墨可以是导电碳油墨。
46.于一实施方式中，导电碳油墨中碳颗粒的粒径可以为40nm。
47.于一实施方式中，导电组合物包括13质量份碳基粉体、52质量份弹性体材料和35质量份导电油墨。
48.如图4所示，本发明一实施方式的图案化导电弹性体薄膜的制备方法包括：将导电组合物浆料30涂到图案化基板10上，抽真空出气泡；用刮刀20刮涂预设厚度的浆料薄膜；然后，将刮涂后的基板10放入100℃鼓风干燥箱固化，保持2h后，取出，室温冷却，剥离，得到图案化导电弹性体薄膜31。
49.于一实施方式中，图案化基板可以是玻璃板、石英板、硅片或砂纸。
50.于一实施方式中，图案化基板可以通过用激光在基板上雕刻预设图案。
51.于一实施方式中，图案化基板可以是自身带有凸起高度呈高斯分布的砂纸。
52.本发明一实施方式的图案化导电弹性体薄膜的制备方法，可以有效地降低制作成本，简化制作步骤，并可承受150℃的高温。
53.于一实施方式中，柔性线性压力传感器包括两层导电线路层，压力敏感层夹设于两导电线路层之间。
54.于一实施方式中，导电线路层包括柔性基材以及形成于柔性基材上的导电线路；柔性基材例如可以是聚酰亚胺(pi)、聚二甲基硅氧烷(pdms)或纺织布；导电线路例如可以是金线路、银线路或铜线路。
55.本发明一实施方式利用pdms的模塑性可制备出图案化的导电弹性体薄膜，通过表面图案化能够改变材料对力的响应状态，使其传感器在0～600kpa如此宽泛的量程内具有较高的线性度，在实际的潜在应用中具有优异的传感性能。
56.本发明一实施方式的柔性压力传感器，制备工艺简单，可以根据模板设计制备出多种图案，也可以根据设计制备出任意形状和任意尺寸传感器，从而进行大规模生产。
57.本发明一实施方式的柔性压力传感器，适用于小型化和集成化设备，可以测试手掌按压压力分布、足底压力分布、体重等，用于制作智能手套、在人机交互、康复训练等领域有广泛的应用前景。
58.本发明一实施方式的柔性压力传感器，适用于石油、汽车、化工需要对高温介质进行压力测量的场景。
59.以下，结合附图及具体实施例对本发明一实施方式的柔性线性压力传感器及其制备进行进一步说明。其中，所使用的碳纤维粉、导电碳油墨及pdms均为市售购买；碳纤维粉的纤维直径范围为5～10μm，长度范围为10～100μm；导电碳油墨中碳颗粒的粒径约为40nm。所涉及的测试包括传感器压力性能测试和高温性能测试，其中图5b为传感器的高温性能测试，从图中可以看出在20℃至150℃范围内，温度变化对传感器性能影响不大。图5a、图6、图7和图8分别不同图案化的导电弹性体薄膜组成的传感器性能进行测试，检测设备为mts力学试验机，从图中可以看出传感器的测试量程和灵敏度分布情况。
60.实施例1
61.导电弹性体薄膜的制备
62.将直径为5μm、长度为20μm的碳纤维粉加入到pdms的主剂中，通过行星分散均匀，然后加入固化剂搅拌均匀，得到碳纤维粉-pdms复合浆料；
63.向上述碳纤维粉-pdms复合浆料中加入导电碳油墨，机械搅拌均匀，制得导电弹性
体浆料；导电弹性体浆料中碳纤维粉的质量分数为13％，导电碳油墨的质量分数为35％；
64.将导电弹性体浆料涂到激光雕刻底边为0.2mm、间距为0.2mm的拱形矩阵的玻璃板上，真空除气泡后，用可调刮刀刮涂预设厚度，然后放置于鼓风干燥箱100℃固化2h，剥离，得到一侧表面为拱形阵列的导电弹性体薄膜。
65.按照上述步骤分别制得拱形结构高度为40μm、60μm、80μm、120μm的导电弹性体薄膜。
66.压力传感器的制备
67.将表面覆铜的pi导电膜分别作为两导电线路层，并与图案化的导电弹性体薄膜叠加到一起，制得压力传感器。
68.图5a所示为实施例1制备的不同高度的拱形导电弹性体薄膜作为压力敏感层组装的压力传感器性能展示(高度为40μm、60μm、80μm、120μm四个传感器分别命名为p
40
、p
60
、p
80
、p
120
)，结果显示在0～600kpa测量范围内，不同拱形单元高度其灵敏度在全量程范围内保持统一线性，其中p
40
传感器为25.40kpa-1
，拟合优度r2为0.997。图5b所示为实施例1制备的p
40
传感器在不同温度下的性能图。结果显示从图中可以看出在20℃至150℃范围内，温度变化对传感器性能影响不大。
69.实施例2
70.导电弹性体薄膜的制备
71.将直径为8μm、长度为30μm的碳纤维粉加入到pdms的主剂中，通过行星分散均匀，然后加入固化剂搅拌均匀，得到碳纤维粉-pdms复合浆料；
72.向上述碳纤维粉-pdms复合浆料中加入导电碳油墨，机械搅拌均匀，制得导电弹性体浆料；导电弹性体浆料中碳纤维粉的质量分数为13％，导电碳油墨的质量分数为35％；
73.将导电弹性体浆料涂到激光雕刻底边为0.3mm、间距为0.3mm的金字塔阵列(四棱锥)的玻璃板上，真空除气泡后，用可调刮刀刮涂预设厚度，然后放置于鼓风干燥箱100℃固化2h，剥离，得到一侧表面为金字塔阵列的导电弹性体薄膜。
74.压力传感器的制备
75.将表面蒸镀金线路的pdms导电膜分别作为两导电线路层，并与图案化的导电弹性体薄膜叠加到一起，制得压力传感器。
76.图6所示为实施例2制备的高度为80μm的金字塔导电弹性体薄膜作为压力敏感层组装的压力传感器性能展示结果显示在0～600kpa测量范围内，传感器灵敏度保持统一线性，其中灵敏度传感器为19.22kpa-1
，拟合优度r2为0.998。
77.实施例3
78.导电弹性体薄膜的制备
79.将直径为10μm、长度为50μm的碳纤维粉加入到pdms的主剂中，通过行星分散均匀，然后加入固化剂搅拌均匀，得到碳纤维粉-pdms复合浆料；
80.向上述碳纤维粉-pdms复合浆料中加入导电碳油墨，机械搅拌均匀，制得导电弹性体浆料；导电弹性体浆料中碳纤维粉的质量分数为13％，导电碳油墨的质量分数为35％；
81.将导电弹性体浆料涂到激光雕刻直径为0.2mm、间距为0.2mm的半球体阵列的玻璃板上，真空除气泡后，用可调刮刀刮涂预设厚度，然后放置于鼓风干燥箱100℃固化2h，剥离，得到一侧表面为半球体阵列的导电弹性体薄膜。
82.压力传感器的制备
83.将表面丝印银浆的pi导电膜分别作为两导电线路层，并与图案化的导电弹性体薄膜叠加到一起，制得压力传感器。
84.图7所示为实施例3制备的高度为120μm的半球体导电弹性体薄膜作为压力敏感层组装的压力传感器性能展示结果显示在0～600kpa测量范围内，传感器灵敏度同样能保持统一线性，其中灵敏度为13.71kpa-1
，拟合优度r2为0.996。
85.实施例4
86.导电弹性体薄膜的制备
87.将直径为10μm、长度为80μm的碳纤维粉加入到pdms的主剂中，通过行星分散均匀，然后加入固化剂搅拌均匀，得到碳纤维粉-pdms复合浆料；
88.向上述碳纤维粉-pdms复合浆料中加入导电碳油墨，机械搅拌均匀，制得导电弹性体浆料；导电弹性体浆料中碳纤维粉的质量分数为13％，导电碳油墨的质量分数为35％；
89.将导电弹性体浆料涂到预雕刻高度均值为60μm的高斯分布石英上，真空除气泡后，用可调刮刀刮涂预设厚度，然后放置于鼓风干燥箱100℃固化2h，剥离，得到一侧表面为高斯分布突起的导电弹性体薄膜。
90.压力传感器的制备
91.将表面覆铜的纺织布导电膜分别作为两导电线路层，并与图案化的导电弹性体薄膜叠加到一起，制得压力传感器。
92.图8所示为实施例4制备的高度为60μm的高斯分布导电弹性体薄膜作为压力敏感层组装的压力传感器性能展示结果显示在0～600kpa测量范围内，传感器灵敏度同样能保持统一线性，其中灵敏度为29.08kpa-1
，拟合优度r2为0.995。
93.除非特别限定，本发明所用术语均为本领域技术人员通常理解的含义。
94.本发明所描述的实施方式仅出于示例性目的，并非用以限制本发明的保护范围，本领域技术人员可在本发明的范围内作出各种其他替换、改变和改进，因而，本发明不限于上述实施方式，而仅由权利要求限定。