可穿戴压力传感器制造技术

本实用新型专利技术提供一种制造效率高、成本低、微结构尺寸可控且灵敏度可以调制的可穿戴压力传感器。该传感器包括第一电极部和第二电极部，第一电极部包括具有微结构的第一PDMS薄膜、第一导电层和第一电极；第二电极部包括具有平坦表面的第二PDMS薄膜、第二导电层和第二电极；第一电极部和第二电极部以第一PDMS薄膜的微结构与第二PDMS薄膜的平坦表面相向的方式层叠；上述微结构包括多组突起，每组突起包含至少一个突起且在第一PDMS薄膜的表面上沿第一方向分布，各组突起沿着与第一方向交叉的第二方向排列。本实用新型专利技术的传感器可以通过接触电阻的变化实时监测压力的变化，在智能假肢、生物医疗、机器人等领域有广泛的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
可穿戴压力传感器
本技术属于压力传感器制造领域，具体涉及一种具有微结构的可穿戴压力传感器。
技术介绍
皮肤是人体最大的感知器官，它既是人类与外界互动时的保护屏障，同时也赋予人类触觉、痛觉、温度感知等能力。开展电子皮肤的研究在智能假肢、实时医学监测与诊断、人工智能(机器人)等领域意义重大且前景广阔。压力是电子皮肤能感知的众多参数中非常重要的一个物理量。电阻式的压力传感器，因为其工作原理简单，制造成本低，功耗小，成为了实现压力传感的一个重要设计方向。目前，柔性电阻式压力传感器通常是通过将纳米管(CNT)、纳米线和石墨烯等纳米材料加入软聚合物(即形成弹性复合材料)或通过在聚合物表面沉积活性物质(即形成电极)来制造。由于软聚合物有比较大的弹性模量、粘弹性，因而柔性电阻式压力传感器普遍存在较差的灵敏度。为了提高柔性电阻式压力传感器的灵敏度，往往需要构建柔性基体的微结构。在低压力段，柔性电阻式压力传感器往往用于感知呼吸、脉搏等压力；在高压力段，柔性电阻式压力传感器往往用于感知按压、拾取物品等压力。因而在不同的场景下，柔性电阻式压力传感器往往需要有不同的灵敏度特性，需要对柔性电阻式压力传感器的灵敏度进行调制。为了提高灵敏度，斯坦福的鲍哲南团队采用了空心小球的方法来构建柔性基体的微结构，以此获得高灵敏度。但该方法，制备方法复杂且灵敏度难以控制，不可对灵敏度进行调制。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的团队，采用对丝绸倒模的方法来构建柔性基体的微结构，该方法方便快捷，但是微结构的尺寸形状难以控制，不可对灵敏度进行调制。韩国浦项科技大学的团队采用光刻和化学方法来构建了柔性基体的微结构，该方法可以精确的控制微结构的形状尺寸，但是制备方法过于复杂，不便于快速大规模制造。主流制备微结构的方法为光刻法和倒模法，其中，光刻法的制备工艺流程复杂(一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序)；倒模法(通过树叶、丝绸、砂纸等进行倒模)的制备流程虽然简单，但制备的微结构尺寸结构无法控制。因此，现有的微结构制备方法存在成本较高、制备工艺复杂及微结构的尺寸结构难以进行控制的问题。因此，需要一种制造效率高、成本低、微结构尺寸可控且灵敏度可以调制的可穿戴压力传感器。现有技术文献非专利文献1：Chortos,A.；Liu,J.；Bao,Z.A.,Pursuingprostheticelectronicskin.NatureMaterials2016,15(9),937-950.非专利文献2：Zang,Y.；Zhang,F.；Di,C.-a.；Zhu,D.,Advancesofflexiblepressuresensorstowardartificialintelligenceandhealthcareapplications.MaterialsHorizons2015,2(2),140-156.非专利文献3：Hammock,M.L.；Chortos,A.；Tee,B.C.K.；Tok,J.B.H.；Bao,Z.,25thanniversaryarticle:Theevolutionofelectronicskin(E-Skin):Abriefhistory,designconsiderations,andrecentprogress.AdvancedMaterials2013,25(42),5997-6038.
技术实现思路
本技术是为了解决现有技术中存在的问题而完成的，其目的在于提供一种制造效率高、成本低、微结构尺寸可控且灵敏度可以调制的可穿戴压力传感器。为了达到上述目的，本技术包括以下技术方案。[1]一种可穿戴压力传感器，其包括第一电极部和第二电极部，上述第一电极部包括具有微结构的第一PDMS薄膜、涂覆在上述第一PDMS薄膜上的第一导电层、和形成于上述第一PDMS薄膜的一端部的第一电极；上述第二电极部包括具有平坦表面的第二PDMS薄膜、涂覆在上述第二PDMS薄膜上的第二导电层、和形成于上述第二PDMS薄膜的一端部的第二电极；上述第一电极部和上述第二电极部以上述第一PDMS薄膜的微结构与上述第二PDMS薄膜的平坦表面相向的方式层叠；上述微结构包括多组突起，每组突起包含至少一个突起且在上述第一PDMS薄膜的表面上沿第一方向分布，各组突起沿着与上述第一方向交叉的第二方向排列。[2]如[1]所述的可穿戴压力传感器，其中，上述突起的高度为10～50μm；上述微结构的相邻突起之间的间隔距离为10～100μm。[3]如[1]所述的可穿戴压力传感器，其中，上述突起的与上述第一方向垂直的截面大致呈三角形、长方形、正方形、梯形、拱形或半圆形；上述突起在上述第一方向上呈点状或线状分布。[4]如[1]所述的可穿戴压力传感器，其中，上述突起以周期性点阵的方式排列。[5]如[1]所述的可穿戴压力传感器，其中，上述第一导电层和上述第二导电层包含碳纳米管、石墨烯、导电金属粒子或导电金属纳米线中的至少一种。[6]如[1]所述的可穿戴压力传感器，其中，上述第一导电层和上述第二导电层包含碳纳米管，且上述碳纳米管的直径为10～80nm、长度为2～10μm。[7]如[1]所述的可穿戴压力传感器，其中，上述第一电极和上述第二电极包含银纳米颗粒。[8]如[1]所述的可穿戴压力传感器，其中，上述第一PDMS薄膜的微结构通过以下步骤形成：(1)制备PDMS衬底；(2)利用飞秒激光器对上述PDMS衬底的一个表面进行蚀刻，形成具有周期性排列的微槽的图案；(3)以形成有上述图案的PDMS衬底作为模具进行倒模，制备具有周期性排列的微结构的第一PDMS薄膜。[9].如[8]所述的可穿戴压力传感器，其中，上述飞秒激光器的扫描速率为10～50mm/s，激光功率为1～10W，脉冲数为800～1200kHz。[10]如[8]所述的可穿戴压力传感器，其中，上述PDMS衬底、上述第一PDMS薄膜及上述第二PDMS薄膜通过将PDMS的前驱体和固化剂按照10:1的质量比例混合，在真空中除去气泡后进行固化而得到。技术效果根据本技术的可穿戴压力传感器，通过使用具有微结构的PDMS薄膜，能够提高可穿戴压力传感器的灵敏度。在本技术的可穿戴压力传感器的制造中，采用飞秒激光烧蚀的方法在大气环境下对PDMS衬底进行激光直写加工，可以大规模快速形成微结构，并且可以对微结构的尺寸进行精确控制，从而能以低成本批量生产具有微结构的PDMS薄膜，通过飞秒激光烧蚀的方法可形成不同的微结构形状，能够对制得的压力传感器的灵敏度进行调制，从而能以高效率制造具有适合于不同压力下的灵敏度的可穿戴压力传感器。附图说明图1是本技术的一实施方式的可穿戴压力传感器的示意立体图。图2是显示本技术实施例1的可穿戴压力传感器的制造中制备具有微结构的第一PDMS薄膜的步骤，其中，图2(a)是通过飞秒激光烧蚀的方法在PDMS衬底的表面上形成的微槽的光学显微镜照片；图2(b)是以形成有微槽的PDMS衬底为模具进行倒模而得的PDMS薄膜截面的光学显微镜照片。图3是本技术实施例1的可穿戴压力传感器中的第一PDMS薄膜的微结构的光学显微镜照片。图4是本技术实施例2本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种可穿戴压力传感器，其特征在于，包括第一电极部和第二电极部，所述第一电极部包括具有微结构的第一PDMS薄膜、涂覆在所述第一PDMS薄膜上的第一导电层、和形成于所述第一PDMS薄膜的一端部的第一电极；所述第二电极部包括具有平坦表面的第二PDMS薄膜、涂覆在所述第二PDMS薄膜上的第二导电层、和形成于所述第二PDMS薄膜的一端部的第二电极；所述第一电极部和所述第二电极部以所述第一PDMS薄膜的微结构与所述第二PDMS薄膜的平坦表面相向的方式层叠；所述微结构包括多组突起，每组突起包含至少一个突起且在所述第一PDMS薄膜的表面上沿第一方向分布，各组突起沿着与所述第一方向交叉的第二方向排列。

【技术特征摘要】
1.一种可穿戴压力传感器，其特征在于，包括第一电极部和第二电极部，所述第一电极部包括具有微结构的第一PDMS薄膜、涂覆在所述第一PDMS薄膜上的第一导电层、和形成于所述第一PDMS薄膜的一端部的第一电极；所述第二电极部包括具有平坦表面的第二PDMS薄膜、涂覆在所述第二PDMS薄膜上的第二导电层、和形成于所述第二PDMS薄膜的一端部的第二电极；所述第一电极部和所述第二电极部以所述第一PDMS薄膜的微结构与所述第二PDMS薄膜的平坦表面相向的方式层叠；所述微结构包括多组突起，每组突起包含至少一个突起且在所述第一PDMS薄膜的表面上沿第一方向分布，各组突起沿着与所述第一方向交叉的第二方向排列。2.如权利要求1所述的可穿戴压力传感器，其特征在于，所述突起的高度为10～50μm；所述微结构的相邻突起之间的间隔距离为10～100μm。3.如权利要求1所述的可穿戴压力传感器，其特征在于，所述突起的与所述第一方向垂直的截面大致呈三角形、长方形、正方形、梯形、拱形或半圆形；所述突起在所述第一方向上呈点状或线状分布。4.如权利要求1所述的可穿戴压力传感器，其特征在于，所述突起以周期性点阵的方式排列。5.如权利要求1所述的可穿戴压力传...

【专利技术属性】
技术研发人员：高阳，轩福贞，于国辉，卢聪，谈建平，
申请(专利权)人：华东理工大学，
类型：新型
国别省市：上海,31