一种弹性体薄膜及其制备方法与包含该弹性体薄膜的柔性压力传感器技术

本发明专利技术涉及一种弹性体薄膜及其制备方法与包含该弹性体薄膜的柔性压力传感器，属于压力传感器技术领域。解决了现有技术中柔性压力传感器的线性响应范围窄及柔性压力传感器制备方法重复性不佳，很难实现大规模的产业化生产的技术问题。本发明专利技术的弹性体薄膜的制备方法，先通过三维建模软件建立具有凹槽结构的浇筑模具的三维模型，然后采用选择性激光烧结技术加工出步骤一的浇筑模具，最后向步骤二得到的浇筑模具的凹槽中倒入弹性体流体，固化后，将薄膜从模具中剥离，得到具有表面微结构的弹性体薄膜。该弹性体薄膜的接触面积与压强在高达200kPa的范围内呈现出良好的线性关系，能够实现柔性压力传感器的宽线性响应范围和高灵敏度。

【技术实现步骤摘要】
一种弹性体薄膜及其制备方法与包含该弹性体薄膜的柔性压力传感器
本专利技术属于压力传感器
，具体涉及一种弹性体薄膜及其制备方法与包含该弹性体薄膜的柔性压力传感器。
技术介绍
可穿戴柔性压力传感器能够灵敏响应人体活动所产生的压力，在人体健康监测、疾病预诊断、运动监测、人机交互等方面均有着广泛的应用前景，因此近年来发展十分迅速。压阻型传感器具有结构和制备方法简单、灵敏度高、检测范围广、信号易读取和能量消耗低等特点，具有很好的应用前景。通过在柔性薄膜表面构建表面微结构，是获得高性能柔性传感器十分有效的途径。在以往的报道中，研究者们采用硅模板(Adv.Mater.2014,26,3451-3458)获得金字塔型阵列的微结构表面，并获得了具有较高灵敏度(4.88kPa-1,响应范围<5.9kPa)的柔性压力传感器件。但是，硅模板的制备工艺复杂，成本较高，并且制备面积有限，不适合产业化发展。针对这一问题，研究者们利用较为廉价的树叶(Adv.Funct.Mater.2017,27,1606066),织物(Adv.Mater.2014,26,1336-1342)，砂纸(ACSNano2018,12,2346-2354)等具有天然微结构的物品作为模板制备弹性体薄膜，同样也构建了性能优异的传感器件。尽管目前利用表面微结构制备的柔性压力传感器可以达到较高的灵敏度，但其线性响应范围一般较窄，通常只能在几个千帕或者几十千帕的范围内具有较高的灵敏度。此外，树叶等天然物体的宏观形态不规则，面积有限，个体之间的重复性也不佳，很难实现大规模的产业化生产。对于柔性压力传感器，除了灵敏度之外，其响应范围和线性度也是影响传感器实际应用的重要参数；除此之外，其制备方法是否具有规模化的潜质也决定了柔性压力传感器的产业化生产和商业化应用。因此，通过低成本和可规模化的制备方法构建弹性体表面微结构，并实现具有宽线性响应范围和高灵敏度的柔性压力传感器件，是该领域需要解决的重要问题。
技术实现思路
本专利技术的目的是解决现有技术中柔性压力传感器的线性响应范围窄及柔性压力传感器制备方法重复性不佳，很难实现大规模的产业化生产的技术问题，提供一种弹性体薄膜及其制备方法与包含该弹性体薄膜的柔性压力传感器。本专利技术解决上述技术问题采取的技术方案如下。本专利技术提供一种弹性体薄膜的制备方法，包括以下步骤：步骤一、通过三维建模软件建立具有凹槽结构的浇筑模具的三维模型；步骤二、采用选择性激光烧结技术加工出步骤一的浇筑模具；步骤三、向步骤二得到的浇筑模具的凹槽中倒入弹性体流体，固化后，将薄膜从模具中剥离，得到具有表面微结构的弹性体薄膜。进一步的，所述步骤一中，浇筑模具的外轮廓的形状为长方体、立方体或圆柱体；浇筑模具的外轮廓的形状为长方体或立方体时，长度为50-400mm，宽度为50-400mm，高度为2-40mm；浇筑模具的外轮廓的形状为圆柱体时，直径为50-400mm，高度为2-40mm；所述步骤一中，凹槽结构的形状为长方体、立方体或圆柱体；凹槽结构的形状为长方形或正方形时，凹槽结构底面的长度为45-390mm，凹槽结构底面的宽度为45-390mm，凹槽结构的深度为0.2-30mm，凹槽结构的壁厚为1-10mm；凹槽结构的形状为圆形时，凹槽结构底面的直径为45-390mm，凹槽结构的深度为0.2-30mm，凹槽结构的壁厚为1-10mm。进一步的，所述步骤二中，选择性激光烧结技术采用的粉末材料为尼龙、聚酰胺或聚苯乙烯；激光烧结的预加热温度为140-200℃，激光束的功率为10-80W，激光路径的间距为0.05-0.5mm；浇筑模具的表面粗糙度为0.5-50μm；浇筑模具的表面微结构的水平尺寸为1-500μm，高度尺寸为1-200μm。进一步的，所述步骤三中，弹性体薄膜的材料为有机硅橡胶、聚氨酯或环氧树脂；弹性体流体为预聚体/固化剂体系、高分子水溶液、高分子/有机溶剂溶液或高分子熔体。本专利技术还提供上述弹性体薄膜的制备方法制备的弹性体薄膜。本专利技术还提供含有上述弹性体薄膜的柔性压力传感器。进一步的，所述柔性压力传感器，包括弹性体薄膜、导电层、叉指电极和连接导线，所述导电层的一侧覆盖在弹性体薄膜具有微结构的表面上，导电层的另一侧与叉指电极的电极面接触，连接导线的两端分别与叉指电极的两个电极连接。进一步的，所述柔性压力传感器，包括两个弹性体薄膜、两个导电层和两个连接导线，一个导电层的一侧覆盖在一个弹性体薄膜具有微结构的表面上，另一个导电层的一侧覆盖在另一个弹性体薄膜具有微结构的表面上，两个导电层的另一侧错位接触，两个连接导线分别与两个导电层相互不接触的位置连接。进一步的，所述柔性压力传感器，包括弹性体薄膜、阵列导电层、叉指阵列电极和多个连接导线，阵列导电层由多个导电层组成，多个导电层呈阵列排布在弹性体薄膜具有微结构的表面上，叉指阵列电极包括多个叉指电极，多个叉指电极的基底一体成型，多个叉指电极的导电电极呈阵列排布，阵列导电层的另一侧与叉指阵列电极的电极面接触；每个叉指电极对应两根连接导线，两根连接导线分别与叉指电极的两个电极连接。进一步的，所述导电层的厚度为10nm-20μm；导电层的材料为导电材料或弹性体材料与导电材料的复合材料，导电材料为导电金属、导电聚合物、金属纳米线或导电碳材料，弹性体材料为聚氨酯、硅橡胶或环氧树脂；所述叉指电极为指状叉指电极，每指的宽度为5μm-2mm，指间距为5μm-2mm；所述连接导线为铜导线或铜箔，连接方式为接触连接、焊锡连接或导电银浆连接。与现有技术相比，本专利技术的有益效果：1、本专利技术提供的弹性体薄膜，利用激光烧结技术制备，表面具有微结构，其接触面积与压强在高达200kPa的范围内呈现出良好的线性关系。2、本专利技术提供的弹性体薄膜的制备方法，采用浇筑模具，相比硅模板和花瓣、树叶、织物、砂纸等天然转印模板，通过激光烧结技术更容易实现弹性体浇筑模具的形状大小设计以及规模化生产，且激光烧结技术在工业上较为成熟，从而实现弹性体薄膜产业化制备。3、本专利技术基于弹性体薄膜的柔性压力传感器能够获得宽线性响应范围(50Pa-100kPa)和高灵敏度(>40kPa-1)；不仅能够对人体脉搏，手指触摸等小压力进行检测，同时可以对人体体重等较大的压力进行检测，应用范围十分广泛。附图说明图1为本专利技术的柔性压力传感器的浇筑模具的三维模型。图2中，a为本专利技术的单侧柔性压力传感器的结构示意图(俯视图)，b为a的主视图。图3，a为本专利技术的面对面型柔性压力传感器的结构示意图(俯视图)，b为a的主视图。图4中，a-c为本专利技术实施例1的弹性体薄膜表面微结构的图像，a为光学显微镜照片，b为扫描电镜照片，c为截面扫描电镜照片。图5为本专利技术实施例8的柔性压力传感器的压力-电流变化曲线的示意图，a为0-400kPa范围内的曲线，b为0-140kPa范围内的曲线，c为0-15kPa范围内的曲线，d为0-1kPa范围内的曲线。图6中，a为本专利技术实施例8的柔性压力传感器系在人手腕上的照片，b为本专利技术实施例8的柔性压力传感器测量的人体脉搏与时间的关系图，c为b中A区域的局部放大图，d为实施例8的柔性压力传感器件加载和卸载的响应时间图。图7中，a为本专利技术实施例10的柔性压力传感器的叉指阵列电极的结本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.弹性体薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、通过三维建模软件建立具有凹槽结构的浇筑模具的三维模型；步骤二、采用选择性激光烧结技术加工出步骤一的浇筑模具；步骤三、向步骤二得到的浇筑模具的凹槽中倒入弹性体流体，固化后，将薄膜从模具中剥离，得到具有表面微结构的弹性体薄膜。

【技术特征摘要】
1.弹性体薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、通过三维建模软件建立具有凹槽结构的浇筑模具的三维模型；步骤二、采用选择性激光烧结技术加工出步骤一的浇筑模具；步骤三、向步骤二得到的浇筑模具的凹槽中倒入弹性体流体，固化后，将薄膜从模具中剥离，得到具有表面微结构的弹性体薄膜。2.根据权利要求1所述的弹性体薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤一中，浇筑模具的外轮廓的形状为长方体、立方体或圆柱体；浇筑模具的外轮廓的形状为长方体或立方体时，长度为50-400mm，宽度为50-400mm，高度为2-40mm；浇筑模具的外轮廓的形状为圆柱体时，直径为50-400mm，高度为2-40mm；所述步骤一中，凹槽结构的形状为长方体、立方体或圆柱体；凹槽结构的形状为长方形或正方形时，凹槽结构底面的长度为45-390mm，凹槽结构底面的宽度为45-390mm，凹槽结构的深度为0.2-30mm，凹槽结构的壁厚为1-10mm；凹槽结构的形状为圆形时，凹槽结构底面的直径为45-390mm，凹槽结构的深度为0.2-30mm，凹槽结构的壁厚为1-10mm。3.根据权利要求1所述的弹性体薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，选择性激光烧结技术采用的粉末材料为尼龙、聚酰胺或聚苯乙烯；激光烧结的预加热温度为140-200℃，激光束的功率为10-80W，激光路径的间距为0.05-0.5mm；浇筑模具的表面粗糙度为0.5-50μm；浇筑模具的表面微结构的水平尺寸为1-500μm，高度尺寸为1-200μm。4.根据权利要求1所述的弹性体薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，弹性体薄膜的材料为有机硅橡胶、聚氨酯或环氧树脂；弹性体流体为预聚体/固化剂共混体系、高分子水溶液、高分子/有机溶剂溶液...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨小牛，张通，李坤，李朝阳，孙洪国，王杰，
申请(专利权)人：中国科学院长春应用化学研究所，
类型：发明
国别省市：吉林,22