一种具有超宽且可调线性范围的柔性压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及一种具有超宽且可调线性范围的柔性压力传感器及其制备方法，属于柔性压力传感器技术领域。解决了现有技术中压阻式柔性压力传感器的线性范围提升受阻的技术问题。本发明专利技术的具有超宽且可调线性范围的柔性压力传感器，包括弹性体薄膜，沉积在弹性体薄膜具有表面微结构一侧上的第一导电层，沉积在第一导电层上的第二导电层，以及覆盖在第二导电层上的导电电极。本发明专利技术在具有表面微结构的弹性体薄膜表面沉积两层具有不同的导电物质含量的导电层，通过调节第一导电层与第二导电层之间的厚度比，或第二导电层中第一导电物质的含量，即可实现对传感器线性范围的调节，构建了具有超宽线性范围的柔性压力传感器。具有超宽线性范围的柔性压力传感器。具有超宽线性范围的柔性压力传感器。

A flexible pressure sensor with ultra wide and adjustable linear range and its preparation method

【技术实现步骤摘要】
一种具有超宽且可调线性范围的柔性压力传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于柔性压力传感器
，具体涉及一种具有超宽且可调线性范围的柔性压力传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着机器人技术的发展，面对越来越多的特殊信号和特殊环境，对各种传感提出更高的要求，同时希望传感器还能够具有透明、柔韧、延展、可自由弯曲，甚至折叠、便于携带、可穿戴等特点。
[0003]柔性压力传感器具有出色的机械和电气特性，例如高灵活性，高灵敏度，高分辨率和快速响应等，在人机交互、医疗健康、机器人触觉等应用领域具有比刚性传感器更大的优势。根据柔性压力传感器的工作机制，可以将其大致分为以下几类：压阻式、电容式、压电式和其它类型的压力传感器。
[0004]其中，压阻式柔性传感器因其结构和制备方法简单、灵敏度高、检测范围广、信号易读取、能量消耗低等特点得到了人们的广泛关注。压阻式柔性压力传感器是基于压阻效应的传感器，在外力作用下活性材料会变形，并间接改变内部导电材料的分布和接触状态，从而导致活性材料的电阻有规律变化。压阻式柔性压力传感器一般由具有表面微结构(如金字塔阵列、半球阵列、褶皱结构、仿荷叶结构、无规微结构等)的聚合物薄膜与沉积在薄膜表面的导电层材料(如碳纳米管、石墨烯、导电纳米颗粒、导电聚合物以及复合材料等)以及导电电极组成。
[0005]除表面微结构外，导电层同样会对传感器的线性范围与灵敏度等器件性能造成影响。对压阻式柔性压力传感器而言，电阻大致可分为两个部分，即导电层与导电电极之间的接触电阻以及传感器本身主要由导电层电阻构成的体电阻。在具有表面微结构的传感器中，随着压力增大，导电层与导电电极之间的接触面积逐渐增大，接触电阻逐渐减小，但传感器本身的体电阻几乎不变，这就使得当外加压力较大时，接触电阻接近甚至小于体电阻，从而使总电阻随压力变化受阻，这对传感器线性范围的提升造成了阻碍(Adv.Mater.Technol.，2019，1900679)。因此对传感器的导电层结构进行优化，调节传感器体电阻与接触电阻之间的关系，实现传感器的宽线性范围，会有力地推进柔性压力传感器在人机交互、健康监测等领域的进一步发展。

技术实现思路

[0006]有鉴于此，本专利技术为解决现有技术中压阻式柔性压力传感器的线性范围提升受阻的技术问题，提供一种具有超宽且可调线性范围的柔性压力传感器及其制备方法。
[0007]本专利技术解决上述技术问题采取的技术方案如下。
[0008]本专利技术的具有超宽且可调线性范围的柔性压力传感器，包括弹性体薄膜，沉积在弹性体薄膜具有表面微结构一侧上的第一导电层，沉积在第一导电层上的第二导电层，以
及覆盖在第二导电层的上的导电电极；
[0009]所述第一导电层经导电液A喷涂、加热制备，导电液A为含有第一导电物质、热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、氨基硅烷偶联剂和去离子水的N，N
‑
二甲基甲酰胺(DMF)，第一导电物质、热塑性聚氨酯弹性体橡胶、氨基硅烷偶联剂、去离子水的质量比为1:1:(0.25
‑
1):(0.25
‑
1)；
[0010]所述第二导电层经导电液B喷涂制备，导电液B为含有第一导电物质和热塑性聚氨酯弹性体橡胶的N，N
‑
二甲基甲酰胺，第一导电物质的质量为第一导电物质和热塑性聚氨酯弹性体橡胶总质量的0.1％
‑
10％；
[0011]所述导电电极为沉积有第二导电物质的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚酰亚胺(PI)薄膜，导电电极沉积有第二导电物质的一侧覆盖在第二导电层上。
[0012]进一步的，所述导电电极沉积有第二导电物质的一侧上沉积有第一导电层，对该第一导电层标刻后，覆盖在弹性体薄膜沉积有第二导电层的一侧上；
[0013]或者，导电电极沉积有第二导电物质的一侧上沉积有第二导电层，对该第二导电层标刻后，覆盖在弹性体薄膜沉积有第二导电层的一侧上；
[0014]或者，导电电极沉积有第二导电物质的一侧上依次沉积有第一导电层和第二导电层，对该第一导电层和第二导电层标刻后，覆盖在弹性体薄膜沉积有第二导电层的一侧上。
[0015]优选的是，所述弹性体薄膜的材料为硅橡胶、环氧树脂或聚氨酯。
[0016]优选的是，所述表面微结构为金字塔阵列、半球阵列、褶皱结构、仿荷叶结构、无规微结构中的一种或多种的组合。
[0017]优选的是，所述微结构的尺寸分别独立的为1μm
‑
500μm。
[0018]优选的是，所述导电液A中，第一导电物质的浓度为0.5
‑
2mg/ml。
[0019]优选的是，所述第一导电物质为碳纳米管、炭黑中的一种或两种按任意比例的混合；更优选的是，碳纳米管为多壁碳纳米管(CNTs)。
[0020]优选的是，所述热塑性聚氨酯弹性体橡胶为巴斯夫的L1275A、巴斯夫1080A、中国台湾日胜的BTE
‑
75A中的一种或多种按任意比例的混合。
[0021]优选的是，所述氨基硅烷偶联剂为3
‑
氨基丙基三甲氧基硅烷、3
‑
氨基丙基三乙氧基硅烷中的一种或两种按任意比例的混合。
[0022]优选的是，所述第一导电层与第二导电层的厚度比为1:(1
‑
4)。
[0023]优选的是，所述第二导电物质为银、铜、导电复合材料中的一种或多种按任意比例的混合。
[0024]优选的是，所述加热温度为70
‑
80℃，加热时间为10
‑
24h。
[0025]优选的是，所述导电液A和导电液B的制备方法为：
[0026]1a)将热塑性聚氨酯弹性体橡胶溶于N，N
‑
二甲基甲酰胺中，得到热塑性聚氨酯弹性体橡胶浓度为40
‑
100mg/ml的溶液A；
[0027]1b)按第一导电物质与热塑性聚氨酯弹性体橡胶的质量比为1:1，将第一导电物质与溶液A混合均匀，得到的混合液与N，N
‑
二甲基甲酰胺混合均匀，得到第一导电物质的浓度为0.5
‑
2mg/ml的溶液B，超声分散，得到分散液；
[0028]1c)按第一导电物质、氨基硅烷偶联剂、去离子水的质量比为1:(0.25
‑
1): (0.25
‑
1)取分散液、氨基硅烷偶联剂和去离子水混合均匀，得导电液A；
[0029]1d)按第一导电物质的质量为第一导电物质和热塑性聚氨酯弹性体橡胶总质量的0.1％
‑
10％取分散液与溶液A混合均匀，得到导电液B。
[0030]更优选的是，所述1a)中，将热塑性聚氨酯弹性体橡胶加入N，N
‑
二甲基甲酰胺中，加热溶解，得到溶液A；所述1b)中，超声分散的功率为19.6kHz，时间为1
‑
3h；所述1c)和1d)中，混合均匀本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.具有超宽且可调线性范围的柔性压力传感器，其特征在于，包括弹性体薄膜，沉积在弹性体薄膜具有表面微结构一侧上的第一导电层，沉积在第一导电层上的第二导电层，以及覆盖在第二导电层上的导电电极；所述第一导电层经导电液A喷涂、加热制备，导电液A为含有第一导电物质、热塑性聚氨酯弹性体橡胶、氨基硅烷偶联剂和去离子水的N，N
‑
二甲基甲酰胺，第一导电物质、热塑性聚氨酯弹性体橡胶、氨基硅烷偶联剂、去离子水的质量比为1:1:(0.25
‑
1):(0.25
‑
1)；所述第二导电层经导电液B喷涂制备，导电液B为含有第一导电物质和热塑性聚氨酯弹性体橡胶的N，N
‑
二甲基甲酰胺，第一导电物质的质量为第一导电物质和热塑性聚氨酯弹性体橡胶总质量的0.1％
‑
10％；所述导电电极为沉积有第二导电物质的聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺薄膜，导电电极沉积有第二导电物质的一侧覆盖在弹性体薄膜沉积有第二导电层的一侧上。2.根据权利要求1所述的具有超宽且可调线性范围的柔性压力传感器，其特征在于，所述导电电极沉积有第二导电物质的一侧上沉积有第一导电层，对该第一导电层标刻后，覆盖在弹性体薄膜沉积有第二导电层的一侧上；或者，导电电极沉积有第二导电物质的一侧上沉积有第二导电层，对该第二导电层标刻后，覆盖在弹性体薄膜沉积有第二导电层的一侧上；或者，导电电极沉积有第二导电物质的一侧上依次沉积有第一导电层和第二导电层，对该第一导电层和第二导电层标刻后，覆盖在弹性体薄膜沉积有第二导电层的一侧上。3.根据权利要求1或2所述的具有超宽且可调线性范围的柔性压力传感器，其特征在于，所述弹性体薄膜的材料为硅橡胶、环氧树脂或聚氨酯，表面微结构为金字塔阵列、半球阵列、褶皱结构、仿荷叶结构、无规微结构中的一种或多种的组合，微结构的尺寸分别独立的为1μm
‑
500μm；所述第一导电物质为碳纳米管、炭黑中的一种或两种按任意比例的混合；所述热塑性聚氨酯弹性体橡胶为巴斯夫的L1275A、巴斯夫1080A、中国台湾日胜的BTE
‑
75A中的一种或多种按任意比例的混合；所述氨基硅烷偶联剂为3
‑
氨基丙基三甲氧基硅烷、3
‑
氨基丙基三乙氧基硅烷中的一种或两种按任意比例的混合；所述第二导电物质为银、铜、导电复合材料中的一种或多种按任意比例的混合。4.根据权利要求1或2所述的具有超宽且可调线性范围的柔性压力传感器，其特征在于，所述导电液A中，第一导电物质的浓度为0.5
‑
2mg/ml。5.根据权利要求1或2所述的具有超宽且可调线性范围的柔性压力传感器，其特征在于，所述第一导电层与第二导电层的厚度比为1:(1
‑
4)。6.根据权利要求1或2所述的具有超宽且可调线性范围的柔性压力传感器，其特征在于，所述加热温度为70
‑
...

【专利技术属性】
技术研发人员：杨小牛，李坤，张通，李宗林，
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：