一种基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提出了一种基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器及其制备方法。所述压力传感器从上到下分为电容层、公共基质层和压阻层。其中，电容层从上到下包括保护薄膜层、第一电极层、介电层和第二电极层；压阻层从上到下包括横向电极层、纵向电极层、电介质层、交错电极层和基底薄膜。介电层采用双层双级穹顶仿生微结构，材料是与公共基质层相同的弹性模量可调的聚合物。电介质层采用单层双级穹顶仿生微结构，材料是由多壁碳纳米管(MWCNT)和炭黑(CB)填充到柔性聚合物中制成纳米级导电复合材料。底部交错电极层采用多级“S”型互联导线结构。本发明专利技术在保证具有较大的检测范围同时具备高灵敏度、稳定性好、抗干扰性强的特点。

【技术实现步骤摘要】
一种基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器及其制备方法
本专利技术属于柔性电子和传感器领域，具体涉及一种基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器及其制备方法。
技术介绍
随着柔性电子器件不断发展，为了满足智能时代的需求，世界范围内已经开发了多种柔性压力传感器，用以检测不同量级的压力。柔性压力传感器结构简单、超薄且质量非常小，还具有可变特性和良好的稳定性，从而在电子皮肤、人体生理信号检测、运动状态获取、智能家居、智能化服饰、智能化假肢、机器人技术等领域柔性压力传感器得到了广泛应用。目前，柔性压力传感器在灵敏度、压力检测范围、抗干扰性、可重复性、可拉伸、透明化等方面一直为研究人员所关注。文献调研表明，现有柔性触觉传感器仍然存在两个主要缺点：一是注重微小压力检测的柔性压力传感器的检测范围普遍较小，并且在高压力下(检测范围内压力较大)灵敏度较小，从而限制了柔性压力传感器在更多应用领域的发展；二是柔性压力传感器一般不能同时采集多源信号，主要通过多个传感器的平面集成(传感器阵列)实现多信号检测，结合信号处理系统分析识别压力施加位置，显著增加了信号处理的工作量，并降低了柔性压力传感器的集成度，同时由于制造多个传感器而进一步增加了成本，亟需解决。因此，本专利技术开发了一种基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器，在较大压力感测范围内具有较高的灵敏度、稳定性等良好综合特性。将采集得到的多源信号与信号采集及处理系统结合可以实现压力信息可视化。检测过程无需对传感器进行同一压力的多次施加，进而提高可靠性减小误差。提升同时检测多个电信号的性能，为小型化的传感器创造了应用优势。
技术实现思路
本专利技术针对上述柔性压力传感器的缺陷，提出了一种基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器及其制备方法。该柔性压力传感器整体采用复合式结构设计，在介电层和电介质层中采用仿生结构；电容层中导电薄膜作为电极，并在第一电极层和第二电极层间引入双层双级穹顶仿生微结构的弹性聚合物PDMS，上层具有穹顶仿生微结构的一侧与下层具有穹顶仿生微结构的一侧互相接触；压阻层中横向和纵向电极层、电介质层和交错电极层构成差层分布，其中具有单层双级穹顶结构的纳米级导电复合材料作为电介质层，上层多级“S”型互联微米级导线、分隔层和下层多级“S”型互联微米级导线作为交错电极层。本专利技术所述压力传感器从上到下分为电容层、公共基质层和压阻层。其中，电容层从上到下包括保护薄膜层、第一电极层、介电层和第二电极层；压阻层从上到下包括横向电极层、纵向电极层、电介质层、交错电极层和基底薄膜。介电层采用双层双级穹顶仿生微结构，材料是与公共基质层相同的弹性模量可调的聚合物。电介质层采用单层双级穹顶仿生微结构，材料是由多壁碳纳米管(MWCNT)和炭黑(CB)填充到柔性聚合物中制成纳米级导电复合材料。底部交错电极层采用多级“S”型互联导线结构，使传感器在发生一定限度的弯曲或扭转时，显著降低对电信号的影响，并进一步提高柔性压力传感器的可延展性。保护薄膜层和基底薄膜的材料是具有保护作用的柔性绝缘材料，且分别覆盖在传感器的顶部和底部。本专利技术基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器在保证具有较大的检测范围同时具备高灵敏度、稳定性好、抗干扰性强的特点。此外，传感器通过采集多源信号可以区分施加压力的位置，为着力于压力信息可视化方面的柔性压力传感器的实际应用提供更广阔的空间。本专利技术的具体技术方案如下：一种基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器，从上到下分为电容层、公共基质层和压阻层。其中，电容层从上到下包括保护薄膜层1、第一电极层2、具有仿生结构的介电层3和第二电极层4；这四层按顺序平面平行叠合；压阻层从上到下包括横向和纵向电极层6、具有仿生结构的电介质层7、上层多级“S”型互联微米级导线8、分隔层9、下层多级“S”型互联微米级导线10和底部是具有保护作用的基底薄膜11；交错电极层由上层多级“S”型互联微米级导线8、分隔层9和下层多级“S”型互联微米级导线10组成；电介质层7与横向和纵向电极层6以相同形状叠合并附与公共基质层5下表面，然后与交错电极层构成差层分布。进一步地，所述的双层双级穹顶仿生微结构，上层双级穹顶仿生微结构与下层双级穹顶仿生微结构相对，一级穹顶仿生微结构12有规则分布且高度相对均匀，凸起的平均高度为20～40μm,平均宽度为15～20μm；二级穹顶仿生微结构13无规则分布在每个一级穹顶仿生微结构12的表面，高宽比例与一级穹顶仿生微结构相近，体积比一级穹顶仿生微结构小5～6倍。进一步地，所述的单层双级穹顶仿生微结构，穹顶仿生微结构与交错电极层相对，一级穹顶仿生微结构12无间隙分布且高度相接近，凸起的平均高度为10～20μm,平均宽度为10～15μm；二级穹顶仿生微结构13无规则分布在每个一级穹顶仿生微结构12的表面，高宽比例与一级穹顶仿生微结构相近，体积比一级穹顶仿生微结构小5～6倍。进一步地，保护薄膜层和基底薄膜层厚度为30～50μm，电极薄膜厚度为150～250nm。本专利技术提供一种基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器的制备方法，包括：将预聚体与固化剂以10:1的比例充分混合的PDMS溶液放入真空干燥器中，之后把PDMS混合物旋涂在单层双级穹顶仿生微结构的反模具表面，固化、剥离后并在另一侧溅射沉积导电薄膜。制作两片上述带有电极层的单层双级穹顶仿生微结构薄膜，穹顶结构相对并选择任意一侧贴合在柔性绝缘保护薄膜层上。其次在单晶硅基板上旋涂40～50μm厚的正性光刻胶AZ6130，并通过光刻技术在光刻胶膜上显影，硬烘、蚀刻后得到与公共基质层相反的微结构模具，将预聚体与固化剂以8:1的比例充分混合的PDMS溶液放入真空干燥器中，之后PDMS混合物旋涂在反膜具表面，固化并且剥离。然后将前面得到的公共基质层的凹凸结构侧与掩盖磨具贴合，经溅射沉积后取下掩盖磨具，得到横向和纵向电极层。并将MWCNT/CB/PDMS纳米复合材料溶液刮涂在单层双级穹顶仿生微结构的反模具表面，加入固化剂后置于真空室中以提取内部气体，并在高温下固化后贴附在横向和纵向电极上。之后再将预聚体与固化剂以10:1的比例充分混合的PDMS溶液放入真空干燥器中，之后把PDMS混合物侵入分隔层结构的反模具中，使混合物溶液液面低于模具凹槽深度，固化、剥离后并在其表面打印上层多级“S”型互联银微米级导线。把下层多级“S”型互联银微米级导线打印在基底薄膜上，并与之前所得结构无电极一侧贴合。最后将上述所得结构按顺序上下对应层压在一起，并引入电极软线与导电薄膜连接，封装得到所述基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器。与现有技术相比，本专利技术具有以下的优点和有益效果：1.本专利技术采用复合式结构设计，是一种通过微结构化聚合物材料、导电材料和保护绝缘材料来制备的柔性压力传感器。公共基质层的弹性模量比上介电层和下电介质层高两个数量级，保证具有弹性的情况下不易发生变形。合理利用了聚合物聚二甲基硅氧烷硬度可调的特性，将电容层与压阻层组装在一起后不会影响压力转化为多种电信号的过程。2.本专利技术中的双级穹本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器，其特征在于，从上到下分为电容层、公共基质层和压阻层，其中，电容层从上到下包括：保护薄膜层(1)、第一电极层(2)、具有仿生结构的介电层(3)和第二电极层(4)；这四层按顺序平面平行叠合；压阻层从上到下包括：横向和纵向电极层(6)、具有仿生结构的电介质层(7)、上层多级“S”型互联微米级导线(8)、分隔层(9)、下层多级“S”型互联微米级导线(10)和底部具有保护作用的基底薄膜(11)；交错电极层由上层多级“S”型互联微米级导线(8)、分隔层(9)和下层多级“S”型互联微米级导线(10)组成；所述电介质层(7)与横向和纵向电极层(6)以相同形状叠合并附于公共基质层(5)下表面；所述横向和纵向电极层(6)、电介质层(7)和交错电极层构成差层分布；/n所述差层分布，截面图是两层微结构在不同高度相互交替，可将压阻层采集的电信号分为两组；上层电信号用来确定施加压力在X轴方向的位置信息，下层电信号用来确定施加压力在Y轴方向的位置信息。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器，其特征在于，从上到下分为电容层、公共基质层和压阻层，其中，电容层从上到下包括：保护薄膜层(1)、第一电极层(2)、具有仿生结构的介电层(3)和第二电极层(4)；这四层按顺序平面平行叠合；压阻层从上到下包括：横向和纵向电极层(6)、具有仿生结构的电介质层(7)、上层多级“S”型互联微米级导线(8)、分隔层(9)、下层多级“S”型互联微米级导线(10)和底部具有保护作用的基底薄膜(11)；交错电极层由上层多级“S”型互联微米级导线(8)、分隔层(9)和下层多级“S”型互联微米级导线(10)组成；所述电介质层(7)与横向和纵向电极层(6)以相同形状叠合并附于公共基质层(5)下表面；所述横向和纵向电极层(6)、电介质层(7)和交错电极层构成差层分布；
所述差层分布，截面图是两层微结构在不同高度相互交替，可将压阻层采集的电信号分为两组；上层电信号用来确定施加压力在X轴方向的位置信息，下层电信号用来确定施加压力在Y轴方向的位置信息。


2.根据权利要求1所述基于仿生微结构的一种复合式柔性压力传感器，其特征在于，所述介电层(3)采用双层双级穹顶仿生微结构，上层双级穹顶仿生微结构与下层双级穹顶仿生微结构相对，一级穹顶仿生微结构(12)有规则分布且高度相对均匀，凸起的平均高度为20～40μm，平均宽度为15～20μm；二级穹顶仿生微结构(13)无规则分布在每个一级穹顶仿生微结构(12)的表面，高宽比例与一级穹顶仿生微结构相近，体积比一级穹顶仿生微结构小5～6倍。


3.根据权利要求1或2所述基于仿生微结构的一种复合式柔性压力传感器，其特征在于，所述电介质层(7)采用单层双级穹顶仿生微结构，穹顶仿生微结构与交错电极层相对，一级穹顶仿生微结构(12)无间隙分布且高度相接近，凸起的平均高度为10～20μm，平均宽度为10～15μm；二级穹顶仿生微结构(13)无规则分布在每个一级穹顶仿生微结构(12)的表面，高宽比例与一级穹顶仿生微结构相近，体积比一级穹顶仿生微结构小5～6倍。


4.根据权利要求3所述基于仿生微结构的一种复合式柔性压力传感器，其特征在于，保护薄膜层(1)和基底薄膜(11)厚度为30～50μm；所述介电层(3)和公共基质层(5)的材料选聚二甲基硅氧烷PDMS。


5.根据权利要求1所述基于仿生微结构的一种复合式柔性压力传感器，其特征在于，所述交错电极层采用多级“S”型互联导线结构，在一级“S”型导线顶端的一小段截面积小于其他部分，其余级别导线是正常的“S”型分布。...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘振泽，何井全，钱志辉，田彦涛，梁亮，孙吉，王成喜，程丽丽，王奎霖，于金良，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22