具有多模式力感知的柔性传感器阵列及其制作方法技术

本发明专利技术公开了一种具有多模式力感知的柔性传感器阵列及其制作方法。所述柔性传感器阵列包括电极层，包括阵列排布的多个电极，所述电极具有三维微结构，且所述电极的高度与宽度之比＞2；柔性力敏材料，覆设于所述电极表面和/或填充于多个所述电极之间，且所述柔性力敏材料具有微纳多孔结构。本发明专利技术提供了具有多模式力感知功能的柔性传感器阵列及传感器，通过对传感器结构及力敏材料的结构设计，能够实现对压力、剪切力、摩擦力等多种模式力的高选择性、高灵敏感知；其制作方法采用柔性印刷电子技术一体化制备，相比于传统的光刻、刻蚀模板法等制备工艺，具有低成本、环保、易于批量制备等优势。备等优势。备等优势。

【技术实现步骤摘要】
具有多模式力感知的柔性传感器阵列及其制作方法


[0001]本专利技术涉及力敏材料与器件
，尤其涉及一种具有多模式力感知的柔性传感器阵列及其制作方法。

技术介绍

[0002]随着柔性传感器技术的快速发展，柔性力学传感器逐渐朝着超薄化、微型化、集成化、多功能、智能化的方向发展，面对集成化、多功能的应用需求，目前实现对多模式力感知的方法主要有采用interlock结构、air gap及Hill等结构的计算解耦型以及通过集成多个具有单一模式的柔性力学传感器来实现，但interlock结构对于多种类型的力都有响应，但其选择性不高；计算解耦型利用理论模型计算区分xyz三维方向的力的大小，但理论计算方法多样，不同理论之间存在误差，且计算复杂，运算量大；集成多个具有单一模式的柔性力学传感器的方法存在集成度不高、器件体积大、信号处理复杂等问题。
[0003]因此，如何通过对传感器结构及力敏材料结构设计，实现对压力、剪切力、摩擦力等多种模式力的高选择性、高灵敏感知成为了摆在研究者面前的一道难题。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术的目的在于提供一种具有多模式力感知的柔性传感器阵列及其制作方法。
[0005]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0006]第一方面，本专利技术提供一种具有多模式力感知的柔性传感器阵列，电极层，包括阵列排布的多个电极，所述电极具有三维微结构，且所述电极的高度与宽度之比＞2；
[0007]柔性力敏材料，覆设于所述电极表面和/或填充于多个所述电极之间，且所述柔性力敏材料具有微纳多孔结构。
[0008]第二方面，本专利技术还提供一种具有多模式力感知的传感器的制作方法，包括：
[0009]在柔性基底上形成高度与宽度比值大于2的电极的步骤；
[0010]在所述电极表面和/或电极之间形成柔性力敏材料的步骤；
[0011]在所述柔性力敏材料表面形成保护层的步骤。
[0012]基于上述技术方案，与现有技术相比，本专利技术的有益效果至少包括：
[0013]本专利技术提供了一种具有多模式力感知功能的柔性传感器阵列及传感器，通过对传感器结构及力敏材料的结构设计，能够实现对压力、剪切力、摩擦力等多种模式力的高选择性、高灵敏感知。本专利技术提供的上述传感器的制作方法采用柔性印刷电子技术一体化制备，相比于传统的光刻、刻蚀模板法等制备工艺，具有低成本、环保、易于批量制备等优势。
[0014]上述说明仅是本专利技术技术方案的概述，为了能够使本领域技术人员能够更清楚地了解本申请的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本专利技术的较佳实施例并配合详细附图说明如后。
附图说明
[0015]图1是本专利技术一典型实施案例提供的具有多模式力感知的传感器的结构示意图；
[0016]图2是本专利技术一典型实施案例提供的具有多模式力感知的传感器的压力感知测试结果图；
[0017]图3是本专利技术一典型实施案例提供的具有多模式力感知的传感器的摩擦感知测试结果图。
具体实施方式
[0018]鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
[0019]在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本专利技术，但是，本专利技术还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施，因此，本专利技术的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0020]而且，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个与另一个具有相同名称的部件或方法步骤区分开来，而不一定要求或者暗示这些部件或方法步骤之间存在任何这种实际的关系或者顺序。
[0021]参见图1，本专利技术实施例提供一种具有多模式力感知的柔性传感器阵列，包括电极层，该电极层包括阵列排布的多个电极，所述电极具有三维微结构，且所述电极的高度与宽度之比＞2；柔性力敏材料，覆设于所述电极表面和/或填充于多个所述电极之间，且所述柔性力敏材料具有微纳多孔结构。优选为：包括电接触的电极以及柔性力敏材料，所述电极镶嵌进入柔性力敏材料内部；所述电极垂直于所述柔性力敏材料方向的高度与平行于所述柔性力敏材料方向的宽度的比值在2以上；所述柔性力敏材料至少由具有微纳尺度的孔洞结构的柔性力敏材料形成，且当所述柔性力敏材料发生压缩形变以及弯曲形变时，其电特性均发生改变。
[0022]其中，所述的电特性可以是指柔性力敏材料的电阻，或由其构成的电容器或等效电容器的电容变化(例如由柔性力敏材料的介电常数或微观结构的变化所导致)或是以上两者的组合，最好的情况是，当所述柔性力敏材料发生压缩形变以及弯曲形变时，其电特性发生改变的方向不同，例如一个是与压缩性变正相关，而与弯曲形变负相关。
[0023]在一些实施方案中，所述电极的材质可以包括碳纳米导电材料、金属纳米线以及导电高分子材料中的任意一种或两种以上的组合。
[0024]在一些实施方案中，所述电极的高度可以为100
‑
999μm，宽度可以为45
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500μm，间距可以为100
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999μm。
[0025]在一些实施方案中，所述柔性力敏材料具有多个孔洞结构，，厚度为100
‑
1000um所述孔洞结构的尺寸可以为15
‑
100um。
[0026]其中，本专利技术实施例所采用的柔性力敏材料的孔洞结构优选可以是柔性力敏材料形成时，挥发性溶剂在力敏材料喷涂过程中挥发所产生的微纳孔洞结构，这个微纳孔洞结构的尺寸比现有技术中的海绵结构要小很多(小100倍到1个数量级)，且是可调控的；而一些现有技术中的复合海绵层的空洞是海绵自身具有的宏观结构，而不是制备过程中形成的，也不是可调控的。
[0027]在一些实施方案中，所述柔性力敏材料可以包括掺杂电感应组分的复合材料或聚合物薄膜。
[0028]在一些实施方案中，所述电感应组分可以包括Ecoflex、石墨烯以及碳纳米管中的任意一种或两种以上的组合。
[0029]其中，所述的电感应组分是指在柔性力敏材料中产生电特性变化的特殊组分，例如，掺杂Ecoflex构成多孔纳米复合材料中，Ecoflex会使柔性力敏材料的电容(或介电常数)发生变化，而聚二甲硅氧烷和石墨烯或碳纳米管复合形成的具有孔状结构的导电复合材料中，石墨烯或碳纳米管配合聚二甲硅氧烷会发生电阻的变化。
[0030]在一些实施方案中，所述电感应组分与基材的质量比为1∶10
‑
1∶60。
[0031]在一些实施方案中，所述复合材料的基材可以包括聚二甲基硅氧烷。
[0032]在一些实施方案中，所述聚合物薄膜可以包括聚偏氟乙烯复合薄膜。
[0033]在一些实施方案中，继续参见图1，本专利技术实施例提供的传感器阵列还包括依次层叠设置的柔性基底、电极层、柔性力敏材料以及保护层。
[0034]在一些实施方案中，所述柔性基底的材质本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有多模式力感知的柔性传感器阵列，其特征在于，包括：电极层，包括阵列排布的多个电极，所述电极具有三维微结构，且所述电极的高度与宽度之比＞2；柔性力敏材料，覆设于所述电极表面和/或填充于多个所述电极之间，且所述柔性力敏材料具有微纳多孔结构。2.根据权利要求1所述的柔性传感器阵列，其特征在于，所述电极的材质包括碳纳米导电材料、金属纳米线以及导电高分子材料中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述电极的高度为100
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999μm，宽度为45
‑
500μm，间距为100
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999μm。3.根据权利要求1所述的柔性传感器阵列，其特征在于，所述柔性力敏材料具有多个孔洞结构，厚度为100
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1000um，所述孔洞结构的尺寸为15
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100um；优选的，所述柔性力敏材料包括掺杂电感应组分的复合材料或聚合物薄膜；优选的，所述电感应组分包括Ecoflex、石墨烯以及碳纳米管中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述电感应组分与基材的质量比为1∶10
‑
1∶60；优选的，所述复合材料的基材包括聚二甲基硅氧烷；优选的，所述聚合物薄膜包括聚偏氟乙烯复合薄膜。4.根据权利要求1所述的柔性传感器阵列其特征在于，还包括柔性基底以及保护层，所述柔性基底、电极层、柔性力敏材料以及保护层依次层叠设置。5.根据权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述柔性基底的材质包括聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺以及热塑性聚氨酯中的任意一种或两种以上的组...

【专利技术属性】
技术研发人员：熊作平，张珽，李铁，李玥，李丽丽，丁海燕，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：