一种柔性压力传感器及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种柔性压力传感器及其制备方法与应用，属于柔性传感器技术领域。该柔性压力传感器从上至下依次包括基底层、敏感层、封装层和电极层；所述基底层与所述敏感层紧密接触；所述敏感层和所述电极层形成可接触区域；所述敏感层和所述电极层的外周连接有封装层；所述基底层设有微结构；所述敏感层为水性导电浆料制成。本发明专利技术通过选择特定的微结构粗糙度，同时结合水性导电填料制成的敏感层以及高模量的基底层，能够获得量程高达40MPa的柔性压力传感器；所得柔性压力传感器在0

【技术实现步骤摘要】
一种柔性压力传感器及其制备方法与应用


[0001]本专利技术属于柔性传感器
，具体涉及一种柔性压力传感器及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]柔性传感器具有轻薄柔等特点，在界面应力测试领域独具优势，是智慧医疗、智能制造等新兴产业的核心部件，在可穿戴设备、医疗健康、人机交互等领域有着广阔的应用前景。然而，现有的柔性压力传感器的量程基本小于1MPa，在触控交互、人体压力信号等领域尚可满足使用条件。但是，在一些工业检测、汽车机械等应用场景往往需要会出现大于10MPa的压力，因此需要更大量程的柔性压力传感器，现有的技术一般很难满足。
[0003]现有的制备大量程的柔性压力传感器的技术主要包括加入支撑层(CN202220737896.1)，构建不同模量基材(CN202111485245.4)等方式。但基于这些技术的柔性传感器的量程也最高只能达到1000N(约5MPa)。这些技术往往还是基于弹性体材料作为支撑层或者敏感层，在大压力值作用下很容易达到饱和，导致传感器量程不足。鉴于此，为了满足柔性压力传感器在工业检测、汽车机械等领域的应用，急需开发具有更大量程的传感器。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的在于克服现有技术的不足，提供用一种柔性压力传感器及其制备方法与应，该柔性传感器在0
‑
40MPa的压力范围内具有较高的线性度，半量程工作100万次后，柔性传感器的信号变化量小于10％。
[0005]为实现上述目的，本专利技术采取的技术方案为：
[0006]一种柔性压力传感器，从上至下依次包括基底层、敏感层、封装层和电极层；所述基底层与所述敏感层紧密接触；所述敏感层和所述电极层形成可接触区域；所述敏感层和所述电极层的外周连接有封装层；
[0007]所述基底层设有微结构，所述微结构的轮廓算数平均偏差Ra为20
‑
200um，轮廓单元的平均宽度Rsm为20
‑
200um；
[0008]所述敏感层为水性导电浆料制成，所述水性导电浆料的制备方法为：先将导电填料、分散剂和溶剂混合均匀，然后再加入连接剂混合均匀，得到水性导电浆料。
[0009]作为柔性压力传感器的优选实施方式，所述微结构的轮廓算数平均偏差Ra为50
‑
150um，轮廓单元的平均宽度Rsm为50
‑
150um。
[0010]本专利技术通过选择特定的微结构粗糙度，同时结合水性导电填料制成的敏感层以及高模量的基底层，能够获得量程高达40MPa的柔性压力传感器。
[0011]其中，微结构的粗糙度是影响柔性压力传感器性能的关键因素之一，当微结构的轮廓算数平均偏差和/或轮廓单元的平均宽度过高或过低，所得柔性压力传感器的量程显著降低。
[0012]本专利技术通过调整水性导电浆料的组成，以获得面电阻为100
‑
5000kΩ/方的敏感层；在制备水性导电浆料的过程中，分散剂和导电填料必须先进行混合，之后在加入连接剂进行混合；若是直接将分散剂、导电填料和分散剂直接共同混合；或者将导电填料和连接剂先进行混合，再加入分散剂进行混合；会严重影响分散剂的分散效果，导致导电填料出现聚沉现象，从而导致敏感层的面电阻过大，所得柔性压力传感器不能进行测试。
[0013]进一步的，所述微结构为球状、圆柱状、圆锥状或其他任意形状；所述基底层的模量为GPa级别。
[0014]作为柔性压力传感器的优选实施方式，所述基底层为PET薄膜、PC薄膜、PP薄膜、PMMA薄膜、PI薄膜中的一种；所述基底层的厚度为0.05
‑
0.3mm。
[0015]本专利技术中，基底层的厚度同样会影响，柔性压力传感器的性能，基底层的厚度过低或过高，导致柔性压力传感器的性能下降；本专利技术优选基底层的厚度为0.1mm，以获得性能较好的柔性压力传感器。
[0016]作为柔性压力传感器的优选实施方式，所述敏感层的面电阻为100
‑
5000kΩ/方。
[0017]作为柔性压力传感器的优选实施方式，如下(a)
‑
(g)中的至少一项：
[0018](a)所述连接剂为水性环氧树脂、水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯树脂中的至少一种；
[0019](b)所述分散剂为直链烷基苯磺酸钠、直链烷基硫酸钠、直链烷基苯磺酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸钠、脂肪醇聚氧乙烯醚硫酸铵、壬基酚聚氧乙烯醚、硬脂酸甘油单酯、木质素磺酸盐、重烷基苯磺酸盐、烷基磺酸盐、烷基聚醚、脂肪醇聚氧乙烯醚中的至少一种；
[0020](c)所述导电填料为石墨烯、碳纳米管、炭黑、石墨中的至少一种；
[0021](d)所述连接剂的质量浓度为2
‑
20mg/mL；
[0022](e)所述分散剂的质量浓度为2
‑
20mg/mL；
[0023](f)所述导电填料的质量浓度为2
‑
20mg/mL；
[0024](g)所述溶剂为水。
[0025]本专利技术通过选择连接剂、分散剂和导电填料的种类，连接剂、分散剂和导电填料的质量浓度，获得分散效果好的水性导电浆料，能够提高柔性压力传感器的量程以及线性度。
[0026]作为柔性压力传感器的优选实施方式，所述封装层为双面胶、液态胶水或热熔胶；所述封装层的厚度为0.03
‑
0.1mm。
[0027]封装层的厚度可以将敏感层和电极层形成可接触区域分离开，若是封装层的厚度过低，导致敏感层和电极层在不工作时，直接接触，降低柔性压力传感器的量程；若是封装层的厚度过高，会导致敏感层和电极层的间隙过大，降低柔性压力传感器的灵敏度。
[0028]作为柔性压力传感器的优选实施方式，所述电极层为柔性FPC或丝网印刷的导电线路。
[0029]第二方面，本专利技术提供了一种所述的柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0030]S1：先将导电填料、分散剂和溶剂混合均匀，然后再加入连接剂混合均匀，得到水性导电浆料；
[0031]S2：用等离子体技术对基底层微结构进行处理，然后将水性导电填料涂敷在微结构表面，烘干，从而在基底层上形成敏感层；
[0032]S3：将电极层和步骤S2所得敏感层通过封装层粘合，得到柔性压力传感器。
[0033]进一步的，步骤S1中，混合的转速为10000
‑
18000r/min，时间为0.5
‑
1h，温度为冰水浴。
[0034]进一步的，步骤S2中，所述等离子体技术对基底层微结构进行处理的参数为：气体种类为空气、氧气、氮气、二氧化碳中的一种；气体压力为50
‑
150Pa；处理功率为100
‑
200W，处理时间为40
‑
200s。
[0035]通过等离子体技术对微结构进行处理，可以清除微结构表面的杂质，同时提高敏感层的附着力，避免敏感层和基底层分离。<本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性压力传感器，其特征在于，从上至下依次包括基底层、敏感层、封装层和电极层；所述基底层与所述敏感层紧密接触；所述敏感层和所述电极层形成可接触区域；所述敏感层和所述电极层的外周连接有封装层；所述基底层设有微结构，所述微结构的轮廓算数平均偏差Ra为20
‑
200um，轮廓单元的平均宽度Rsm为20
‑
200um；所述敏感层为水性导电浆料制成，所述水性导电浆料的制备方法为：先将导电填料、分散剂和溶剂混合均匀，然后再加入连接剂混合均匀，得到水性导电浆料。2.如权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述微结构的轮廓算数平均偏差Ra为50
‑
150um，轮廓单元的平均宽度Rsm为50
‑
150um。3.如权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述基底层为PET薄膜、PC薄膜、PP薄膜、PMMA薄膜、PI薄膜中的一种；所述基底层的厚度为0.05
‑
0.3mm。4.如权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述敏感层的面电阻为100
‑
5000KΩ/方。5.如权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，如下(a)
‑
(g)中的至少一项：(a)所述连接剂为水性环氧树脂、水性丙烯酸树脂、水性聚氨酯树脂中的至少一种；(b)所述分散剂为直链烷基苯磺酸钠、直链烷基硫酸钠、...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦泽昭，张通，叶焕青，杨小牛，
申请(专利权)人：广东粤港澳大湾区黄埔材料研究院，
类型：发明
国别省市：