一种具有荷叶微结构多层柔性压力传感器的制备方法技术

本发明专利技术公开了一种具有荷叶微结构多层柔性压力传感器的制备方法，本技术方案是以荷叶乳突微结构作为仿生模板，将其仿生微结构转印到柔性基底层，并采用电极层

A preparation method of multilayer flexible pressure sensor with lotus leaf microstructure

【技术实现步骤摘要】
一种具有荷叶微结构多层柔性压力传感器的制备方法


[0001]本专利技术涉及传感器的制备领域，特别涉及一种具有荷叶微结构多层柔性压力传感器的制备方法。

技术介绍

[0002]近十几年来，柔性压力传感器作为一种新型的压力和触觉传感方法应运而生，除了具有良好的动、静态刺激响应和轻薄的柔性器件结构外，它还具有高分辨率、可变形性、可拉伸性、重量轻、适形性好等优点。随着人工智能的发展，其可广泛应用于电子皮肤、可穿戴医疗设备、柔性压力传感器等医疗和工业领域。
[0003]在各种类型的传感器中，压力传感器因其结构简单、易于制造、灵敏度高、成本低而显示出巨大的应用潜力。压力传感器由柔性基底和电极层组成，为适应实际应用，所需要的传感器器件期望具有高灵敏度和宽线性响应范围。
[0004]在以往的研究中，科研人员通过改变传感器的结构来提升传感器的性能。目前，柔性压力传感器已被用于监测细微的运动，如触觉传感，无创血压测量，以及大压力运动，如走路、跑步和跳跃。不同的应用对应不同的压力范围：体内压力和触诊心血管活动通常低于10kPa；血压监测设备的高压可达10kPa以上，人体足底压力可达100kPa以上。宽线性范围是传感器的一个重要特性，它可以在较宽的压力范围内保持高压分辨率，并简化数据处理和转换。当线性范围较小时，所施加的压力容易超出传感器的测量范围，导致压力测量失效，失去传感功能。为了扩大线性范围，韩国科学技术研究所D Kwon等人研制了一种基于三维微孔介质弹性体的宽线性范围的柔性可穿戴压力传感器，将该传感器进行测试，当压力小于5kPa时，灵敏度仅为0.601kPa
‑1，当压力大于30kPa时，灵敏度下降到0.077kPa
‑1。因此，如何制备同时具备高灵敏度和宽线性范围性能的柔性传感器是一个巨大的挑战。
[0005]传统压力传感器的灵敏度受限于基底的低压缩性，因此，设计具有较高压缩性的微结构基底已被证明是提高灵敏度的有效途径。常用的方法是在设计巧妙的硅模具或激光蚀刻模具上浇铸，另一种常用的方法是模板法。通过上述方法，可制备高灵敏度传感器所需的微柱阵列、微金字塔阵列、微圆顶阵列、微锥体和圆锥形截锥状微结构的基底。在低压范围内，这些微结构可以有效地集中载荷，从而快速增加与载荷的接触面积，大幅提高灵敏度。然而，随着压力的增加，预先存在的接触区域中的增量变形和应力积聚会导致灵敏度下降，从而偏离线性度。

技术实现思路

[0006]本专利技术提供了一种采用荷叶乳突微结构作为仿生模板，将其仿生微结构转印到柔性基底层，并采用电极层
‑
基底层多层叠加的方法，设计并制备了一种柔性、灵敏、宽线性范围的压阻式压力传感器，用于解决上述
技术介绍
中的问题。
[0007]一种具有荷叶微结构多层柔性压力传感器的制备方法，本技术方案是以荷叶乳突微结构作为仿生模板，将其仿生微结构转印到柔性基底层，并采用电极层
‑
基底层多层叠加
的方法，将四层荷叶微结构PDMS导电薄膜叠加在一起，以荷叶为模板，经过两次复制成型法，制备出具有高纵横比和低密度乳突状结构的微图案化PDMS柔性基底，将金属银溅射到柔性基板上制备金属电极层，将导电铜胶带和不导电的普通胶带分别粘贴在柔性基底的两端，将四层带银电极的微结构PDMS柔性基底粗糙表面面对面放置，粘结平整表面，粘有导电铜胶带的基底放置在同一端，再次用导电铜胶带将中间两层的粘有导电铜胶带的一端粘结，将铜线粘结在上下两层粘有导电铜胶带的一侧，最后用聚对苯二甲酸乙二醇酯将其进行封装，至此，制得具有荷叶微结构多层柔性压力传感器。
[0008]一种具有荷叶微结构多层柔性压力传感器的制备方法，具体工艺过程如下：
[0009]1)荷叶微结构PDMS导电薄膜的制备：
[0010]a)将新鲜荷叶切成4
×
2.5cm2大小的长方形，选择大的扁平叶片，避免粗大叶脉，用去离子水洗涤3次，室温烘干，用双面胶带将烘干后的荷叶固定在玻璃基片上；
[0011]b)荷叶微结构PDMS柔性膜的制备：将环氧树脂基料和固化剂按重量比3：1进行混合，机械搅拌至少10分钟，脱气后，将混合物倒在处理好的荷叶上，再次脱气，在室温下固化20小时，荷叶剥落后，制得负型荷叶微结构的环氧树脂模具，将道康宁DC184有机硅聚合体和交联剂按重量比10:1配制PDMS溶液，搅拌15分钟，脱气后倒在负型环氧树脂模具上，再次脱气以促进PDMS的浸润，放入80℃的干燥箱中固化2小时，具有荷叶微结构的PDMS薄膜很容易从环氧树脂模具上剥离；
[0012]c)用全自动高性能离子溅射镀膜仪将金属银磁控溅射在微结构PDMS薄膜上制备金属柔性电极，通过调节喷涂时间90s和喷涂电流30mA来控制导电金属银层的厚度，得到荷叶形微结构PDMS导电薄膜；
[0013]2)柔性压力传感器的制备：
[0014]在荷叶微结构PDMS导电膜的两端分别粘贴导电铜胶带和不导电的普通胶带，将有图案的PDMS导电薄膜面对面堆叠在一起，其中，粘贴有导电铜胶带的薄膜与另一粘贴不导电普通胶带的薄膜堆叠在同一侧，将堆叠好的薄膜平整面通过胶水将其粘贴在一起，其中，将贴有导电铜胶带的薄膜放置在同一侧，最后，用导电铜胶带再次将中间两层粘贴有导电胶带的薄膜端再一次进行粘贴，使堆叠的四层薄膜具有良好的导电性，在上下两层的粘贴有导电胶带的一端分别粘贴导电铜线，再次用导电胶带将导电铜线固定，最后，用聚对苯二甲酸乙二醇酯将其封装，至此，制得表面具有荷叶图案的多层结构柔性压力传感器。
[0015]本专利技术的有益效果：
[0016]1)本专利技术的设计理念是将四层银
‑
PDMS薄膜堆叠在一起，在保证高灵敏度的同时，大大扩宽了压力线性范围，与传统的双层传感器相比，新型四层结构的银
‑
PDMS传感器具有优异的压敏性能，压力线性范围提高了一个数量级。
[0017]2)本专利技术所涉及多层柔性压阻式压力传感器的制备方法，采用简单的方法制备了性能优越的传感器，具有良好的灵敏度、稳定性、宽线性范围、低检测限、低制备成本、高鲁棒性等特点。该柔性压力传感器已被证实可用于检测手腕脉搏、颈动脉脉搏、声波等微小振动，还被用于测量大型运动，如行走、跑步和跳跃时的足底压力。
[0018]3)采用本专利技术方法所制备出的传感器既能识别声带振动、脉搏振动等微小的人体信号，其较宽的压力线性范围，还使其可以监测多种运动模式下较大的足底压力，这些显著的特性表明，该传感器在可穿戴电子设备、运动监测、健康监测，特别是在大压力范围的应
用中具有巨大的应用潜力，为生物医学、可穿戴设备、电子皮肤和人工智能等领域内，柔性传感器的设计与开发提供一种行之有效的新方法。
附图说明
[0019]图1是本专利技术具有荷叶微结构多层柔性压力传感器的制作示意图；
[0020]图2是扫描电镜下的具有荷叶微结构多层柔性压力传感器表面图像；
[0021]图3是四层和两层传感器的电阻变化图；
[0022]图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有荷叶微结构多层柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：本技术方案是以荷叶乳突微结构作为仿生模板，将其仿生微结构转印到柔性基底层，并采用电极层
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基底层多层叠加的方法，将四层荷叶微结构PDMS导电薄膜叠加在一起，以荷叶为模板，经过两次复制成型法，制备出具有高纵横比和低密度乳突状结构的微图案化PDMS柔性基底，将金属银溅射到柔性基板上制备金属电极层，将导电铜胶带和不导电的普通胶带分别粘贴在柔性基底的两端，将四层带银电极的微结构PDMS柔性基底粗糙表面面对面放置，粘结平整表面，粘有导电铜胶带的基底放置在同一端，再次用导电铜胶带将中间两层的粘有导电铜胶带的一端粘结，将铜线粘结在上下两层粘有导电铜胶带的一侧，最后用聚对苯二甲酸乙二醇酯将其进行封装，至此，制得具有荷叶微结构多层柔性压力传感器。2.根据权利要求1所述的一种具有荷叶微结构多层柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：具体工艺过程如下：1)荷叶微结构PDMS导电薄膜的制备：a)将新鲜荷叶切成4
×
2.5cm2大小的长方形，选择大的扁平叶片，避免粗大叶脉，用去离子水洗涤3次，室温烘干，用双面胶带将烘干后的荷叶固定在玻璃基片上；b)荷叶微结构PDMS柔性膜的制备：将环氧树脂基料和固化剂按重量比3：1进行混合，机械搅拌...

【专利技术属性】
技术研发人员：马愫倩，李水根，梁云虹，王萌，赵骞，张浩，任雷，韩志武，任露泉，
申请(专利权)人：吉林大学，
类型：发明
国别省市：