一种基于PDMS材料的包覆型压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术一种基于PDMS材料的包覆型压力传感器及其制备方法，属于柔性压力传感器技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种基于PDMS材料的包覆型压力传感器结构及其制备方法的改进；解决该技术问题采用的技术方案为：包括作为三维多孔框架的海绵复合骨架，所述海绵复合骨架的三维多孔结构表面包覆有PDMS材料，所述海绵复合骨架的内部还充填有导电纳米材料；所述海绵复合骨架的两侧分别设置有电极，所述电极通过PDMS薄膜键合在海绵复合骨架的表面；所述电极具体为表面涂覆有导电银浆的导电胶带；本发明专利技术应用于制作柔性触觉传感器。

A coated pressure sensor based on PDMS and its preparation method

The invention relates to a coated pressure sensor based on PDMS material and a preparation method thereof, belonging to the technical field of flexible pressure sensor; the technical problems to be solved are: providing an improved structure and preparation method of the coated pressure sensor based on PDMS material; the technical solutions to the technical problems are: including a sponge composite framework as a three-dimensional porous framework, The three-dimensional porous structure surface of the sponge composite skeleton is covered with PDMS material, and the interior of the sponge composite skeleton is also filled with conductive nano materials; the two sides of the sponge composite skeleton are respectively provided with electrodes, which are bonded on the surface of the sponge composite skeleton through PDMS film; the electrode is specifically a conductive tape coated with conductive silver paste on the surface; the invention is applied to Make flexible tactile sensor.

【技术实现步骤摘要】
一种基于PDMS材料的包覆型压力传感器及其制备方法
本专利技术一种基于PDMS材料的包覆型压力传感器及其制备方法，属于柔性压力传感器

技术介绍
电子皮肤是智能材料与传感器研究的最前沿方向之一，也是当代电子信息产业发展的新兴领域，在人工智能，通信娱乐，医疗健康等领域具有重要的应用价值；柔性触觉传感器作为电子皮肤研究中的重要组成部分，是机器人感知外界环境信息仅此于视觉的一种重要途径，是机器人实现与外界环境或目标直接交互的必须媒体之一，发展具有触觉感知功能的电子皮肤对未来机器人探索物理世界具有重要的科学意义和应用价值。随着科学技术的发展以及生产制备工艺的不断改进，在功能结构、外观特征等方面对机器人触觉传感器提出了更高的需求，具有柔性、穿戴舒适性、高灵敏度、高稳定性以及可大面积触觉感知等特点的柔性触觉传感器成为电子皮肤的研究热点；传统硅基、金属应变片式的触觉传感器不能满足柔性、延展性及穿戴舒适性等功能需求，因此将纳米导电材料填充在柔性基体中制备力敏导电复合材料被广泛应用于柔性触觉传感器设计中。依据工作原理不同，柔性触觉传感器可大致分为光电式、压电式、电阻式、电容式等几类，其中电容式柔性触觉传感器因具有高灵敏度、高精度、响应速率快、迟滞小、易于集成等优点，被广泛应用于智能机器人电子皮肤研究中；传统基于复合材料的柔性触觉传感器在低压区的灵敏度较低，为了提高柔性触觉传感器的传感性能，通过在触觉敏感层设置微结构是提升机器人电子皮肤触觉检测灵敏度一种常用的方法，常见的微结构主要有金字塔、触须状、凹凸状、微针结构等，通常在敏感层设计微结构时其制备过程中往往需要复杂的工艺流程，如光刻、溅射、蒸镀、刻蚀等，且存在不易大规模生产等弊端。常见的三维多孔微结构复合导电材料制备方法有：真空冷冻干燥法和化学气相沉积法；其中真空冷冻干燥法也称升华干燥，其原理是将湿物料或溶液在较低温度(-50℃～-10℃)下冷冻成固态，然后在真空(1.3～12Pa)下使其中的水分不经液态直接升华成气态以达到干燥的目的，使用该方法制备出的柔性触觉传感器，可实现较高检测灵敏度(～0.8kPa-1)、低检测下限(～0.24Pa)、快速响应(～100ms)等；但真空冷冻干燥法存在设备昂贵、能源消耗及材料制备成本高等弊端；化学气相沉积(CVD)通常以三维泡沫镍材料为模板，在三维骨架上化学气相沉积石墨烯等导电材料，再通过化学刻蚀去除泡沫镍骨架便可获得三维多孔微结构的石墨烯导电泡棉，使用该方法制备出的柔性触觉传感器，可实现高灵敏度(应变系数GF＝35)、快速响应(～30ms)，良好稳定性(循环次数>5000)触觉感知功能；但化学气相沉积一般存在沉积速率不高、沉积过程容易对薄膜表面、环境造成污染等，对设备往往还有耐腐蚀的要求。
技术实现思路
本专利技术为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于PDMS材料的包覆型压力传感器结构及其制备方法的改进。为了解决上述技术问题，本专利技术采用的技术方案为：一种基于PDMS材料的包覆型压力传感器，包括作为三维多孔框架的海绵复合骨架，所述海绵复合骨架的三维多孔结构表面包覆有PDMS材料，所述海绵复合骨架的内部还充填有导电纳米材料；所述海绵复合骨架的两侧分别设置有电极，所述电极通过PDMS薄膜键合在海绵复合骨架的表面；所述电极具体为表面涂覆有导电银浆的导电胶带。所述海绵复合骨架具体通过注射泵、点胶机或3D打印机将PDMS材料注射到海绵内部。所述导电纳米材料具体为石墨烯、碳纳米管或MXene材料。一种基于PDMS材料的包覆型压力传感器的制备方法，包括如下步骤：步骤一：制备PDMS材料：配置PDMS溶液：取PDMS预聚物与固化剂质量比为10:1置于试管中混合均匀，取一部分放入培养皿中进行PDMS薄膜的制备，将其余PDMS放入冰箱中待用；制备PDMS薄膜：将制备好的PDMS放入培养皿中，厚度控制在1mm左右，放入烘干箱以70℃温度中干燥1h；步骤二：制备三维多孔结构框架的海绵复合骨架：将海绵用去离子水进行清洗2-3遍，放入烘干箱中进行干燥，并将干燥后的海绵裁剪成所需要传感器的尺寸；将制备好的PDMS溶液吸入注射器内，通过注射器将PDMS溶液注射入预处理好的海绵内部，注射PDMS溶液容量与所裁剪海绵块的大小相适应；注射完毕后，根据制备传感器感应方向的需求，对海绵采用不同大小力挤压，将挤压出来的PDMS溶液清除后将海绵块取出，并轻微按压使PDMS溶液在海绵块内部分散均匀；步骤三：制备导电纳米材料的溶液：将所需要的导电纳米材料放入无水乙醇中进行分散，进行超声处理1h，获得均匀分散的导电纳米材料的悬浮液；步骤四：制备柔性压力传感器：将由PDMS溶液包覆的海绵复合骨架放入导电纳米材料的悬浮液中，使海绵充分吸收悬浮液后，将海绵放入烘干箱中以70℃温度烘干4h；将导电胶带裁剪成与传感器相适应的尺寸，在导电胶带上涂敷导电银浆，将烘干后的海绵块与导电胶带通过导电银浆粘附，使导电胶带粘贴在海绵块的上下面；将制备好的PDMS薄膜裁剪成与传感器相适应的尺寸，粘贴在导电胶带表面；将制备好的传感器器件放入烘干箱中以70℃温度干燥3h后取出，完成制备。本专利技术相对于现有技术具备以下的有益效果：一、本专利技术提供的三维多孔柔性触觉传感器，以三维结构框架为骨架，通过PDMS粘附导电纳米材料，能够通过控制PDMS含量来控制柔性压力传感器的检测范围，同时三维结构具有良好的机械特性，能够提供良好的稳定性以及动态响应；二、本专利技术采用海绵以及PDMS材料，以粘附导电纳米材料的形式制备触觉压力传感器，具有成本低廉，工艺流程简单，利于宏量制备的优势；三、本专利技术以市售海绵为基材，PDMS与导电纳米材料相结合，使用材料价格低廉，能够很好满足电子皮肤对柔性、可穿戴、大面积触觉感知的要求；四、本专利技术提供的传感器制备方法相比于真空冷冻干燥法和化学气相沉积法，通过浸渍包裹法的自组装方式在三维骨架结构表面直接形成三维多孔微结构复合导电材料，降低了制备成本、简化了工艺流程，具有方法制备简单，利于宏量制备等优势。附图说明下面结合附图对本专利技术做进一步说明：图1为本专利技术的结构示意图；图2为本专利技术制备方法的流程示意图；图3为压力触觉传感器扫描电镜图；图4为压力下压力触觉传感器灵敏度对比图；图5为压力触觉传感器循环测试图；图中：1为海绵复合骨架、2为PDMS材料、3为导电纳米材料、4为电极、5为PDMS薄膜。具体实施方式如图1和图2所示，本专利技术属于柔性触觉传感器领域，具体涉及一种基于PDMS包覆三维结构高灵敏度柔性压力传感器及其制备方法，能够应用于电子皮肤领域触觉感知。为提高传感器的机械性能，本专利技术采用海绵的三维骨架为框架，通过PDMS包覆三维多孔结构，利用PDMS特性进行导电纳米材料的填充，本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于PDMS材料的包覆型压力传感器，其特征在于：包括作为三维多孔框架的海绵复合骨架（1），所述海绵复合骨架（1）的三维多孔结构表面包覆有PDMS材料（2），所述海绵复合骨架（1）的内部还充填有导电纳米材料（3）；/n所述海绵复合骨架（1）的两侧分别设置有电极（4），所述电极（4）通过PDMS薄膜（5）键合在海绵复合骨架（1）的表面；/n所述电极（4）具体为表面涂覆有导电银浆的导电胶带。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于PDMS材料的包覆型压力传感器，其特征在于：包括作为三维多孔框架的海绵复合骨架（1），所述海绵复合骨架（1）的三维多孔结构表面包覆有PDMS材料（2），所述海绵复合骨架（1）的内部还充填有导电纳米材料（3）；
所述海绵复合骨架（1）的两侧分别设置有电极（4），所述电极（4）通过PDMS薄膜（5）键合在海绵复合骨架（1）的表面；
所述电极（4）具体为表面涂覆有导电银浆的导电胶带。


2.根据权利要求1所述的一种基于PDMS材料的包覆型压力传感器，其特征在于：所述海绵复合骨架（1）具体通过注射泵、点胶机或3D打印机将PDMS材料（2）注射到海绵内部。


3.根据权利要求2所述的一种基于PDMS材料的包覆型压力传感器，其特征在于：所述导电纳米材料（3）具体为石墨烯、碳纳米管或MXene材料。


4.一种基于PDMS材料的包覆型压力传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
步骤一：制备PDMS材料（2）：
配置PDMS溶液：取PDMS预聚物与固化剂质量比为10:1置于试管中混合均匀，取一部分放入培养皿中进行PDMS薄膜（5）的制备，将其余PDMS放入冰箱中待用；
制备PDMS薄膜（5）：将制备好的PDMS放入培养皿中，厚度控制在1mm左右，放入...

【专利技术属性】
技术研发人员：张强，景柱，桑胜波，程永强，郝润芳，张虎林，袁仲云，冀健龙，禚凯，张文栋，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：山西;14