一种基于仿生多级结构的柔性压阻式传感器及其制备方法

1.本发明涉及柔性传感器的技术领域，具体涉及一种基于仿生多级结构的柔性压阻式传感器及其制备方法。


背景技术：

2.当前植物叶片仿生关注的重点一般聚焦于叶片上两叶脉之间的微结构，避开叶脉或者忽略叶脉的影响。然而，叶脉也是叶片的一部分，不同植物叶脉的形状、大小、排列方式也各有不同，而且叶脉一般呈微微凹陷状，这种天然的多级结构在柔性传感器的制备上有着得天独厚的优势，这种结构善加利用将会为柔性传感器仿生提供新的思路，对提高传感器的性能有着重要的意义。玉簪叶片表面有着整齐细密的微结构，叶脉呈微微凹陷且排列整齐，这是良好的多级结构，很适合在传感器日益微型化、集成化、低成本化的今天作为制作传感器的模板。因此，现需要一种基于玉簪叶表面多级结构的柔性压阻式传感器。


技术实现要素：

3.本发明的主要目的在于提供一种基于仿生多级结构的柔性压阻式传感器及其制备方法，以解决现有技术中传感器日益微型化、集成化、低成本化的问题。
4.为实现上述目的，本发明提供了一种基于仿生多级结构的柔性压阻式传感器，包括：自上而下设置的上封装层，传感器主体和下封装层，传感器主体由两片交叉叠放的薄膜电极层构成，薄膜电极层由基底层和附在基底层上的电极层构成，薄膜电极层上还具有凸起结构，两个凸起结构贴合设置，传感器主体上连接有两导线。
5.进一步地，每个薄膜电极层由并排设置的一大一小两个正方形部分构成，每个薄膜电极层呈“由”字形。
6.进一步地，薄膜电极层上，利用玉簪叶叶脉形成至少两条凸起结构，两片交叉叠放的薄膜电极层的凸起结构形成“井”字形。
7.进一步地，两片交叉放置的薄膜电极层的大正方形部分完全重合，两个小正方形部分分别位于重合的大正方形相邻的两条边上。
8.进一步地，基底层材料包括但不限于pdms、tpu、pvdf、硅橡胶或ecoflex。
9.进一步地，电极层材料包括但不限于mwnts、导电银浆、银纳米线、金纳米线、炭黑或石墨烯。
10.进一步地，上封装层和下封装层的材料包括但不限于pi胶带或tpu薄膜。
11.制备基于仿生多级结构的柔性压阻式传感器的方法，包括以下步骤：
12.步骤1：使用去离子水清洗玉簪叶，将叶片裁剪下一块边长为正方形的叶片，并在平行于叶脉的一侧预留出一块小正方形叶片，将剪下的叶片固定在一块干净的玻璃片上；
13.步骤2：使用无水乙醇将mwnts溶液稀释，使用喷壶均匀喷洒在玉簪叶片上，恒温干燥；
14.步骤3：机械搅拌pdms贮备溶液和固化剂的混合物，并真空处理去除气泡；
15.步骤4：将pdms均匀涂敷在叶片上，再进行恒温干燥，之后从叶片上剥离pdms涂层，形成具有微结构的pdms/mwnts薄膜，为薄膜电极层；
16.步骤5：复制两片带有玉簪叶微结构的薄膜电极层，分别在两薄膜电极层的小正方形区域使用导电银胶连接导线；
17.步骤6：将两片薄膜电极层的电极层交叉贴合放置，使得复制叶脉凹痕产生的凸起结构形成“井”字形；
18.步骤7：使用导电银胶将导线粘贴在薄膜电极层的预留小正方形位置，恒温干燥；
19.步骤8：在薄膜电极层无微结构的两侧贴附粘性pi胶带，以完成封装。
20.进一步地，pdms贮备液与固化剂的重量比为5:1。
21.进一步地，制作传感器主体的仿生叶片为任意包含两条及以上凹陷叶脉的叶片。
22.本发明技术方案，具有如下优点：
23.1、该种柔性传感器，基底层和封装层采用无毒材料，佩戴舒适，重量轻，预留出来的小正方形结构方便引出导线，不影响正常的生活活动，传感器灵敏度较高，有明显的的分级特性，对压力的监测范围广，对形变的束缚小，通过电阻值的变化，直观的反映出压力的大小；
24.2、该种柔性传感器，使用天然玉簪叶作为模板，利用pdms进行复刻其结构，冷却后剥离叶片，传感器可多次利用，面积较小、大小可调、制作周期短、成本低、对环境友好，使用温度宽广，能在-30℃或更低的温度至 80℃或更高的温度下长期使用，有良好的耐磨性、重复性、耐腐蚀性；
25.3、该种柔性传感器的多级结构是指复刻叶脉对应的凹痕和复刻叶片对应的平面有着高度差，在感知压力时，有着明显的分级特性，导线使用导电银胶粘贴在电极层，当某一部件损坏时可直接拆卸更换；
26.4、该种柔性传感器，可以单独进行工作，也可多个传感器集成形成阵列进行工作，从而适应不同的工作环境。
附图说明
27.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
28.图1示出了本发明的一种基于仿生多级结构的柔性压阻式传感器的薄膜电极层的整体结构示意图；
29.图2示出了本发明的图1的薄膜电极层的结构示意图；
30.图3示出了本发明的制备基于仿生多级结构的柔性压阻式传感器的薄膜电极层的制作方法流程图；
31.图4是本发明优选实施例在1-100kpa受力过程中压强相对应的电流变化率示意图；
32.图5是本发明优选实施例在1-2kpa受力过程中压强相对应的电流变化率示意图。
33.其中，上述附图中的附图标记为：
34.10、传感器主体；11、薄膜电极层；111、基底层；112、电极层；12、凸起；20、上封装层；30、下封装层；40、导线；50、导电银胶。
具体实施方式
35.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
36.如图1和图2所示的一种基于仿生多级结构的柔性压阻式传感器，包括：自上而下设置的上封装层20，传感器主体10和下封装层30，传感器主体10由两片交叉叠放的薄膜电极层11构成，薄膜电极层11由基底层111和附在基底层111上的电极层112构成，薄膜电极层11上还具有凸起12结构，两个凸起12结构贴合设置，传感器主体10上连接有两导线40。
37.薄膜电极层11上具有凸起12结构，此凸起12结构即多级结构，该凸起12结构高出薄膜电极层11，在承受压力时优先感知，电极层112由mwnts构成，并且复制玉簪叶表面的微结构后，成为保证传感器高灵敏度的关键。
38.具体地，每个薄膜电极层11由并排设置的一大一小两个正方形部分构成，每个薄膜电极层11呈“由”字形。并在平行于叶脉的一侧预留出一块小正方形叶片用以粘贴电极和导线40，避免导线40对传感性能的影响。
39.具体地，薄膜电极层11上，利用玉簪叶叶脉形成至少两条凸起12结构，两片交叉叠放的薄膜电极层11的凸起12结构形成“井”字形。进而保证传感器传感具有明显的分级性。
40.具体地，两片交叉放置的薄膜电极层11的大正方形部分完全重合，两个小正方形部分分别位于重合的大正方形相邻的两条边上。
41.具体地，基底层111材料包括但不限于pdms(聚二甲基硅氧烷)、tpu(热塑性聚氨酯弹性体橡胶)、pvdf(聚偏氟乙烯)、硅橡胶或ecoflex(芳香族无规共聚酯)。
42.具体地，电极层112材料包括但不限于mwnts(多壁碳纳米管)、导电银浆、银纳米线、金纳米线、炭黑或石墨烯。
43.具体地，上封装层20和下封装层30的材料包括但不限于pi(聚酰亚胺)胶带或tpu薄膜。利用胶带或tpu薄膜固定并保护传感器结构。
44.如图1、图2和图3所示的制备基于仿生多级结构的柔性压阻式传感器的方法，包括以下步骤：
45.步骤1：使用去离子水清洗玉簪叶，将叶片裁剪下一块边长为正方形的叶片，并在平行于叶脉的一侧预留出一块小正方形叶片，将剪下的叶片固定在一块干净的玻璃片上；
46.步骤2：使用无水乙醇将mwnts溶液稀释，使用喷壶均匀喷洒在玉簪叶片上，恒温干燥；
47.其中mwnts的重量百分数为2wt％，保证电极层112的导电性，利用喷壶喷洒保证电极层112导电单元均匀分布；
48.步骤3：机械搅拌pdms贮备溶液和固化剂的混合物，并真空处理去除气泡；
49.步骤4：将pdms均匀涂敷在叶片上，再进行恒温干燥，之后从叶片上剥离pdms涂层，形成具有微结构的pdms/mwnts薄膜，为所述薄膜电极层11；
50.步骤5：复制两片带有玉簪叶微结构的薄膜电极层11，分别在两薄膜电极层11的小
正方形区域使用导电银胶50连接导线40；
51.步骤6：将两片薄膜电极层11的电极层112交叉贴合放置，使得复制叶脉凹痕产生的凸起12结构形成“井”字形；
52.步骤7：使用导电银胶50将导线40粘贴在薄膜电极层11的预留小正方形位置，恒温干燥；
53.步骤8：在薄膜电极层11无微结构的两侧贴附粘性pi胶带，以完成封装。
54.具体地，pdms贮备液与固化剂的重量比为5:1。此比例适合于复制纳米尺度的成型的效果。
55.具体地，制作传感器主体10的仿生叶片为任意包含两条及以上凹陷叶脉的叶片。具体地，柔性压阻式传感器体积很小，面积大小控制在1cm
×
1cm以内，厚度在1cm以内，保证更大的应用范围。
56.具体的，导线40为漆包线，仅在两端进行打磨，以避免环境的干扰，用于连接上位机和传感器主体10。
57.具体地，如图5所示，两薄膜电极层11的凸起12呈“井”字形交叉放置，导线40通过导电银胶50粘贴在导电层上，粘性pi胶带自带粘性，粘贴在基底层111上，起到固定和保护传感器的作用。
58.优选实施例
59.如图2所示的基于仿生多级结构的柔性压阻式传感器的方法的流程示意图：
60.(1)使用去离子水清洗玉簪叶，将叶片裁剪下一块备用，裁剪下的叶片包含两个叶脉，并且边长为正方形，并在平行于叶脉的一侧预留出一块小正方形叶片，将剪下的叶片固定在一块干净的玻璃片上；
61.(2)使用无水乙醇将mwnts溶液稀释，mwnts的重量百分数为2wt％，使用喷壶均匀喷洒在玉簪叶片上，60℃恒温干燥10min；
62.(3)机械搅拌pdms贮备溶液pdms贮备溶液和固化剂的混合物，并真空处理10min以去除气泡，贮备液与固化剂的重量比为5:1；
63.(4)匀胶-旋涂仪设置300r/min，旋涂30s，将pdms均匀涂敷在叶片上，80℃恒温干燥5h，从叶片上剥离pdms涂层,形成具有微结构的pdms/mwnts薄膜，即得到薄膜电极层。
64.图3为本发明提供的基于仿生多级结构的柔性压阻式传感器在1-100kpa受力过程中压强相对应的电阻变化率示意图，传感器的灵敏度在0-5kpa范围内为1.068kpa-1
，在5kpa-100kpa范围内为0.019kpa-1
。可以看出，随着压力的增大，增长速度逐渐下降并趋于平缓，在第一条曲线中，变化速度明显，这是由于微结构在顶部施加的压力的作用下压缩变形，电阻迅速下降，导致电流变化。在第二条曲线中，电流变化趋于稳定。由于电极层被挤压到极限，电阻变化趋于饱和，电流变化逐渐停滞。可以看出本发明制备的电阻式柔性传感器灵敏度良好，可以满足传感器的基本要求。
65.图4为本发明提供的基于仿生多级结构的柔性压阻式传感器在1-2kpa受力过程中压强相对应的电阻变化率示意图，在承受微小压力，灵敏度有着别样的变化，在0-1.3kpa，电流变化率经历了快速到平缓的过程，此时电极层表面凸起发生形变，但上下电极表面微结构并未接触。当压力大于1.3kpa时，微结构接触并发生形变，所以出现了陡然变化的现象，并在此时出现了该传感器的最大灵敏度1.619kpa-1
，该传感器灵敏度变化的分段特性是
其在应用在不同领域的保证。
66.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。