CN106531733A - 一种柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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张莹莹
蹇木强
夏凯伦
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Abstract

本发明提供一种柔性压力传感器及其制备方法。所述柔性压力传感器包括相对平行设置的上柔性基底和下柔性基底，保形附着于所述上柔性基底下表面的上敏感层和保形附着于所述下柔性基底上表面的下敏感层；所述上敏感层上设有上电极，所述下敏感层上设有下电极，所述上电极和所述下电极相互不交叉，所述上敏感层和所述下敏感层之间形成可接触区域；所述上柔性基底的下表面和所述下柔性基底的上表面均含有多个多级凸起；所述多级凸起的平均长度为50‑100μm，平均高度为1‑10μm。本发明的柔性压力传感器含有通过印模得到含有特定凸起微结构的柔性基底，增加了表面粗糙度，极大的提高了传感器的灵敏度。

Description

一种柔性压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及压力检测技术领域，更具体地，涉及一种柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
近年来，随着智能可穿戴电子的发展，柔性电子器件在医疗(人体生理信号检测和运动检测等)、能源、信息、军事等领域表现出巨大的应用前景。其中，压力传感器是将外界感受到的压力转变为电学等信号的一种电子器件，广泛应用到可穿戴电子设备中。为了实现人体生理信号等实时监测，压力传感器需要满足高柔性、高灵敏度、高稳定性、低检测限等高性能指标。然而，传统的大体积机械电子难以满足要求。因此，开发高性能柔性压力传感器成为柔性电子领域的重要前沿课题之一。
为获得高灵敏性的压力传感器件，研究者通常利用光刻等技术得到有微结构的硅模板，通过柔性聚合物的印模得到具有微结构的基底，在基底上覆盖导电活性物质，得到柔性压力传感器。韩国研究者通过聚二甲基硅氧烷印模硅模板得到金字塔状微结构，覆盖导电聚合物组装成压力传感器，灵敏度为4.88kPa-1(0.27～5.9kPa)，最低检测限为23Pa(Adv.Mater.2014,26,3451-3458)。微结构赋予传感器比较高的灵敏度，但模板制备过程复杂，价格较高且耗时长。另外，最低检测的压力还有待进一步优化。
压力传感器中的敏感层一般以金属薄膜、金属纳米线、纳米碳材料、导电聚合物材料为主，纳米碳材料因其良好的柔性、化学稳定性、高导电性等优异性能得到广泛应用。澳大利亚莫纳什大学的研究者在具有微结构的基底上沉积纳米厚度的金箔用作压力传感器，但未用于人体相关生理信号的检测(Small 2015,11,1886-1891)。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的张珽课题组利用碳纳米管薄膜作为传感器的敏感层，得到灵敏度为1.8kPa-1(<0.3kPa)、高稳定性的柔性压力传感器(Adv.Mater.2014,26,1336-1342)。该传感器的灵敏度有待提高，且敏感层与基底的结合需要退火处理。
因此，如何通过工艺简单、价格低廉、可大面积制备的方法得到具有微结构的基底，利用高导电、高比表面的活性材料实现与基底的良好接触，制备高柔性、高灵敏度、低检测限、高稳定性的压力传感器且用于人体生理信号检测是目前研究的重要课题。
发明内容
本发明提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的柔性压力传感器。
所述柔性压力传感器包括相对平行设置的上柔性基底和下柔性基底，保形附着于所述上柔性基底下表面的上敏感层和保形附着于所述下柔性基底上表面的下敏感层；所述上敏感层上设有上电极，所述下敏感层上设有下电极，所述上电极和所述下电极相互不交叉，所述上敏感层和所述下敏感层之间形成可接触区域；所述上柔性基底的下表面和所述下柔性基底的上表面均含有多个多级凸起。
含有上述凸起微结构的柔性表面处于本发明特定的柔性压力传感器，极大地提高了表面粗糙度，使柔性压力传感器具有高灵敏度。
在本发明中，“保形”是指敏感层附着于凸起微结构的柔性基底表面时，凸起微结构的形状并未被掩盖而保持原来的凸起状态。
本发明中的“多个”指2个或2个以上。
本发明中的“多级”指在上柔性基底的下表面和下柔性基底的上表面的凸起有多个尺寸级别。本发明中，在所述表面含有多个高度为微米级的凸起，在所述微米级的凸起的表面还含有多个高度为纳米级的凸起。
在本发明中，优选地，多级凸起的平均长度为50-100μm，平均高度为1-10μm，更优选地是，平均长度为50-70μm，平均高度为2-5μm。含有该多级凸起的柔性表面所制备得到的柔性压力传感器在低压力下具有很高的灵敏度。
在本发明中，为了得到上述结构的凸起，可以使用本领域中常用的方法来制备。为了更好地提高柔性压力传感器的灵敏度，所述凸起通过在所述表面印模表面积为1～30cm2的植物叶片或砂粒尺寸为0.5～20μm的砂纸制备得到。优选地，所述凸起通过在所述表面印模表面积为2～10cm2的植物叶片或砂粒尺寸为1～5μm的砂纸制备得到。
其中，植物叶片较优选为绿萝叶片。
本发明中的上下柔性基底可以采用本领域中常用的柔性材料制得，如聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺中的一种或多种。其中上下柔性基底材料可以不同，也可以相同。为了防止柔性压力传感器与皮肤接触后发生过敏、炎症，本发明的上下柔性基底均优选采用聚二甲基硅氧烷制得。
为了使柔性压力传感器具备优异的柔性和稳定性，上柔性基底和下柔性基底的厚度相同，均为30～3000μm，优选为100～500μm，更优选为200～300μm，最优选为250μm。
本发明上下柔性基底表面的凸起微结构可以用印模制得，具体步骤为：
将上柔性基底和下柔性基底的前驱体溶液分别滴加在产生所述凸起的结构的器件表面，印模，固化后分别得到含有所述凸起的上柔性基底和含有所述凸起的下柔性基底。
即将柔性基底的前驱体溶液滴加在产生所述凸起微结构的器件表面，滴在植物叶片或砂粒尺寸为0.5～20μm的砂纸的表面，印模固化即得。
为了使含有凸起的器体的结构能够完整地被印制下来，增加柔性基底表面的粗糙度，在印模过程中，温度通常为20～150℃，时间为10min～24h，优选地，温度为70～80℃，时间为2h～3h。
本发明中的上下敏感层可以为石墨烯薄膜或碳纳米管/石墨烯复合薄膜。本发明的上下敏感层可以为同一种物质所形成的膜，也可以为不同物质所形成的膜。为了提高柔性压力传感器在低压力下的灵敏度，上下敏感层为同一种物质，优选均为石墨烯薄膜或碳纳米管/石墨烯复合薄膜。
其中，本发明敏感层为石墨烯薄膜或碳纳米管/石墨烯复合薄膜时，石墨烯可以为单层或多层。
当上下敏感层均为碳纳米管/石墨烯复合薄膜时，得到的柔性压力传感器可以在较低压力下也具有较高的灵敏度。更优选地是，上敏感层中碳纳米管和下敏感层中碳纳米管阵列相互平行或垂直。最优选地是，上敏感层中碳纳米管阵列和下敏感层中碳纳米管阵列相互垂直。此时，得到的柔性压力传感器在小于0.3kPa的压力范围内，该传感器具有至少19.8kPa-1的灵敏度。
当上下敏感层均为石墨烯薄膜时，得到的柔性压力传感器可以在较低压力下具有较高的灵敏度，得到的柔性压力传感器在小于0.3kPa的压力范围内，该传感器具有至少40kPa-1的灵敏度。
本发明中的上敏感层和下敏感层的厚度可以相同或不同，优选地将两者的厚度设为相同，均为0.34～100nm，优选地，当敏感层均为碳纳米管/石墨烯复合薄膜时，厚度优选为30～50nm；当敏感层均为石墨烯薄膜时，厚度优选为0.34～10nm。在本发明中，也可以使用宽度均为0.1～10cm的敏感层。本发明的上下敏感层分别完全保形附着于所述上下柔性基底表面，其宽度与柔性基底的宽度相对应。
本发明的上下敏感层可以用本领域中常用的方法制备得到。当敏感层为碳纳米管/石墨烯薄膜时，可以使用化学气相沉积法制得。为了得到与柔性基底保形接触的敏感层，本发明的化学气相沉积法的步骤如下：
将由碳纳米管阵列抽出的碳纳米管薄膜纺在铜箔或镍箔表面，再在其表面生长石墨烯，碳源的进气速率为1～50mL/min，石墨烯的生长时间为5-120min，生长温度为900～1060℃。优选地，进气速率为15～30mL/min，石墨烯的生长时间为30～60min，生长温度为1000～1050℃。碳源优选使用甲烷。
当敏感层为碳纳米管薄膜时，可以直接从碳纳米管垂直阵列中抽出得到。
当敏感层为石墨烯薄膜时，可以使用化学气相沉积法制得。具体步骤如下：
将铜箔或镍箔的表面生长石墨烯，碳源的进气速率为1～50mL/min，石墨烯的生长时间为5-120min，生长温度为900～1060℃。优选地，进气速率为5～15mL/min，石墨烯的生长时间为60～90min，生长温度为1000～1050℃。
将上述方法所生成的石墨稀薄膜敏感层转移至柔性基底上时，有额外的褶皱生成，使得得到的柔性压力传感器的灵敏度得到更大幅度的提升。
在保证不交叉的前提下，本发明的上下电极可以分别设在上下敏感层的中部或是边部。优选地，将本发明的上电极设在上敏感层的边部，下电极设在下敏感层的边部，其中，上下电极不交叉，较优选地是，上电极设在上敏感层的边缘处，下电极设在下敏感层的远离上电极的一边的边缘处。其中，上下电极均优选为一个。
通常将上柔性基底和下柔性基底面对面设置，使上敏感层和下敏层之间通过凸起微结构而接触，实现导通。
本发明的上下电极可以采用同样厚度的同样材料制得，也可以采用不同厚度的不同材料制得，本发明优选采用同样厚度电极层。上下电极可以采用厚度为0.25～3mm的导电无纺布、0.25～3mm的碳化纺织品、厚度为1～500μm的铜箔或直径为10～1000μm的铜丝制得。本发明中优选采用厚度为25～50μm和宽度为1～2mm的铜箔或直径为50～150μm的铜丝制得。其中，铜丝较优选为100μm。
可以使用本领域中常见的方法将电极设在敏感层的边部，通常使用导电银胶粘接在敏感层的边缘处。
为了得到在较低压力下也具有高灵敏度的柔性压力传感器，本发明的柔性压力传感器优选为：
包括相对平行设置的聚二甲基硅氧烷上柔性基底和聚二甲基硅氧烷下柔性基底，保形附着于所述上柔性基底下表面的碳纳米管/石墨烯复合薄膜上敏感层和保形附着于所述下柔性基底上表面的碳纳米管/石墨烯复合薄膜下敏感层；所述上敏感层和所述下敏感层上分别设有上电极和下电极，所述上电极和所述下电极相互不交叉，所述上敏感层和所述下敏感层之间形成可接触区域；所述上柔性表面的下表面和所述下柔性基底的上表面均含有多个多级凸起；所述上柔性基底和所述下柔性基底的厚度均为200～300μm；所述上敏感层中碳纳米管和所述下敏感层中碳纳米管的阵列相互平行或垂直；所述上敏感层和所述下敏感层的厚度均为30～50nm。该柔性压力传感器在小于0.3kPa的压力范围内，该传感器具有至少12.7kPa-1的灵敏度。
为了进一步地提高柔性压力传感器的灵敏度，本发明的柔性压力传感器优选为：
包括相对平行设置的聚二甲基硅氧烷上柔性基底和聚二甲基硅氧烷下柔性基底，保形附着于所述上柔性基底下表面的石墨烯薄膜上敏感层和保形附着于所述下柔性基底上表面的石墨烯薄膜下敏感层；所述上敏感层和所述下敏感层上分别设有上电极和下电极，所述上电极和所述下电极相互不交叉，所述上敏感层和所述下敏感层之间形成可接触区域；所述上柔性表面的下表面和所述下柔性基底的上表面均含有多个多级凸起；所述上柔性基底和所述下柔性基底的厚度均为200～300μm；所述上敏感层和所述下敏感层的厚度均为0.34～10nm。该柔性压力传感器在小于0.3kPa的压力范围内，该传感器具有至少40kPa-1的灵敏度。
同时，本发明的柔性压力传感器在100Pa以上的压力下，传感器经过30000次循环后仍然保持良好的稳定性。更优选地，在150Pa恒定压力下，传感器经过35000次循环后仍然保持良好的稳定性。
本发明的柔性压力传感器还可以包括封装层，可以采用本领域中常用的材料，优选地，封装层采用聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、环氧树脂中的一种或多种制得。为了防止柔性压力传感器与皮肤接触后发生过敏、炎症，封装层优选采用聚二甲基硅氧烷制得。
根据本发明的一个方面，提供了柔性压力传感器的制备方法，所述方法包括：
1)将所述上柔性基底和所述下柔性基底的前驱体溶液分别滴加在含有所述凸起的器件的表面上，印模，固化后分别得到含有所述凸起的上柔性基底和含有所述凸起的下柔性基底；其中，所述印模过程中温度为20～150℃，时间为10min～24h；
2)将所述上敏感层和所述下敏感层分别转移至步骤1)中含有所述凸起的上柔性基底的下表面和含有所述凸起的下柔性基底上表面，在所述上敏感层和所述下敏感层上分别设置所述上电极和所述下电极；
3)将步骤2)中上柔性基底和下柔性基底相对平行设置，使得所述上敏感层和所述下敏感层形成可接触区域。
其中，对于步骤1)，所述器件为植物叶片或砂粒尺寸为0.5～20μm的砂纸，即将上柔性基底和所述下柔性基底的前驱体溶液分别滴加在植物叶片或砂粒尺寸为0.5～20μm的砂纸的表面上，印模，固化，分别得到含有所述凸起的上柔性基底和含有所述凸起的下柔性基底。
当未施加压力时，上敏感层和下敏感层通过凸起接触，当施加一定压力时，上敏感层和下敏感层接触面积增大，从而使电流变大，实现压力的检测。
优选地，还包括有封装材料，具体步骤为使用封装材料将上述器件封装。
本发明的柔性压力传感器中上柔性基底和下柔性基底优选相同，微结构优选相同，上敏感层和下敏感层优选相同，上电极与下电极相同，即在制备过程中，可以先制备含有微结构的上柔性基底和含有上电极的上敏感层，将两者结合在一起成一个传感单元，再使用上述同样的方法制备含有微结构的下柔性基底和含有下电极的下敏感层，将其结合在一起成另一个传感单元，再将两个传感单元按需要放置，即使得上柔性基底和下柔性基底彼此平行相对设置，从而使得上敏感层和下敏感层之间形成可接触区域。
本发明的另一个方面，还提供了柔性压力传感器用于制备检测微小机械力、声音振动和/或脉搏的监测器的制备中。
本发明的柔性压力传感器具有较高的灵敏度和低检测限，当压力小于0.3kPa的压力范围内，该传感器具有至少12.7kPa-1的灵敏度，优选具有19.8kPa-1的灵敏度，更优选具有40.7kPa-1的灵敏度。本发明的柔性压力传感器可以检测不大于0.6Pa的压力。
本发明的柔性压力传感器因其良好的灵敏度和稳定性，可以用于检测弯曲力、扭转力等微小机械力，可以用于检测声音振动引起的微小压力，也可以将其贴附在人体脉搏处，用于检测人体脉搏对血管壁的压力，实现人体脉搏的检测。
本申请提出的柔性压力传感器含有通过印模得到含有特定多级凸起微结构的柔性基底，极大地增加了表面粗糙度，较大的提高了传感器的灵敏度；本发明使用了高导电性、高比表面积的石墨烯薄膜或碳纳米管/石墨烯薄膜作为敏感层，很好地实现了和具有凸起微结构的柔性基底的保形接触，提高了压力传感器的灵敏度和稳定性，实现了微小压力的检测，可用于微小机械力、声音振动、脉搏的监测。
附图说明
图1为根据本发明一个优选实施例中柔性压力传感器的结构示意图；
图2为根据本发明实施例1中具有凸起微结构的柔性基底扫描电子显微镜照片；
图3为根据本发明实施例1具有凸起微结构的柔性基底中多级凸起结构的光学显微镜照片(a)、扫描电子显微镜照片(b)和原子力显微镜照片(c,d)；
图4为根据本发明实施例1中柔性压力传感器的敏感层材料碳纳米管/石墨烯薄膜的扫描电子显微镜照片、透射电子显微镜照片和拉曼表征图；
图5为根据本发明实施例1中柔性压力传感器中敏感层材料碳纳米管/石墨烯薄膜的透光度和导电性图；
图6为根据本发明实施例1中柔性压力传感器中敏感层材料碳纳米管/石墨烯薄膜与所述含有微结构的柔性基底完全贴合的扫描电子显微镜照片；
图7为根据本发明实施例1中柔性压力传感器灵敏度与压力的关系曲线图；
图8为根据本发明实施例1中柔性压力传感器的低检测限测试图；
图9为根据本发明实施例1中柔性压力传感器的长时间的稳定性测试图；
图10为根据本发明实施例2中柔性压力传感器用于微小机械力检测的测试图；
图11为根据本发明实施例2中柔性压力传感器用于声音振动和脉搏的监测图；
图12为根据本发明实施例3中柔性压力传感器的灵敏度与压力的关系曲线图；
图13为根据本发明实施例4中柔性压力传感器的灵敏度与压力的关系曲线图；
图14为根据本发明实施例5中敏感层石墨烯在含有微结构的柔性基底的扫描电子显微镜照片；
图15为根据本发明实施例5中柔性压力传感器的灵敏度与压力的关系曲线。
具体实施方式
下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
本实施例提供了一种柔性压力传感器，包括相对平行设置的上柔性基底和下柔性基底，保形附着于上柔性基底下表面的上敏感层和保形附着于所述下柔性基底上表面的下敏感层；所述上敏感层上设有上电极，所述下敏感层上设有下电极，所述上电极和所述下电极分别设在所述上敏感层的边部和所述下敏感层的边部，上电极和下电极相互不交叉；所述上敏感层和所述下敏感层之间形成可接触区域。在上柔性基底和下柔性基底外含有封装层4，如图1所示。其中，上柔性基底和下柔性基底相同，均为含有新鲜绿萝叶片凸起微结构的聚二甲基硅氧烷薄膜，见图1中柔性基底层1，上敏感层和下敏感层相同，均为碳纳米管/石墨烯薄膜，见图1中敏感层2，其中，上敏感层和下敏感层中碳纳米管方向保持垂直，上电极与下电极相同，均采用厚度为25μm和宽度为1mm的铜箔制得，见图1中电极3。
本实施例同时还提供了上述柔性压力传感器的制备方法，具体步骤如下：
步骤1、将聚二甲基硅氧烷的前驱体和固化剂按照10:1的比例混合均匀，滴涂在清洗、吹干的新鲜绿萝叶片表面；
步骤2、待聚二甲基硅氧烷在叶片表面基本平整后，置于70℃烘箱中固化3h，固化完成，取下聚二甲基硅氧烷薄膜，得到具有微结构的基底，其中，柔性基底的厚度为250μm；
步骤3、碳纳米管薄膜由垂直碳纳米管阵列直接抽出，宽度为2cm，放置在铜箔表面，滴加乙醇，待乙醇挥发使碳纳米管薄膜与铜箔表面结合牢固；
步骤4、将碳纳米管薄膜/铜箔放置在石英管中，1050℃生长石墨烯，碳源为甲烷，进气速率为15mL/min，生长时间为30min；
步骤5、液相刻蚀铜箔基底，得到碳纳米管/石墨烯薄膜，厚度为30nm；
步骤6、转移碳纳米管/石墨烯薄膜到柔性基底；
步骤7、在所述敏感层边缘处制备电极，所述电极3为铜箔，厚度为25μm，宽度为1mm，通过导电银胶粘接在敏感层2的边缘位置；
步骤8、将两片覆盖有敏感层、电极的柔性基底面对面放置，两个电极不发生接触，两敏感层中碳纳米管的方向保持垂直；
步骤9、封装材料聚二甲基硅氧烷将器件封装。
含有绿萝叶片凸起微结构的聚二甲基硅氧烷柔性基底的扫描电子显微镜照片见图2。该柔性基底表面的凸起为多级，有微米级和纳米级的凸起，其中，纳米级凸起存在微米级凸起的表面，多级凸起的平均长度为50-70μm，平均高度为2-5μm，见图3。本实施中的敏感层通过复合碳纳米管和石墨烯得到，如图4所示，碳纳米管与石墨烯融合在一起，石墨烯主要是少层结构。如图5和图6所示，复合薄膜具有高导电性、柔性和透明性，高比面积使其与柔性基底保形接触，使传感器具有高灵敏度和高稳定性。本实施例中的压力传感器具有高灵敏度特性，如图7所示，在小于0.3kPa的压力范围内，该传感器具有19.8kPa-1的灵敏度；本实施例中的压力传感器具有低检测限，如图8所示，该传感器可检测0.6Pa的压力；本实施例中的压力传感器具有高稳定性的特点，如图9所示，在150Pa恒定压力下，传感器经过35000次循环后仍然保持良好的稳定性。
实施例2
本实施例提供了一种柔性压力传感器。该柔性压力传感器的结构与实施例1中相同。
本实施例同时还提供了上述柔性压力传感器的制备方法，具体步骤如下：
步骤1、将聚二甲基硅氧烷的前驱体和固化剂按照10:1的比例混合均匀，滴涂在清洗、吹干的新鲜绿萝叶片表面；
步骤2、待聚二甲基硅氧烷在叶片表面基本平整后，置于80℃烘箱中固化3h，固化完成，取下聚二甲基硅氧烷薄膜，得到具有微结构的基底；
步骤3、碳纳米管薄膜由垂直碳纳米管阵列直接抽出，宽为2cm，放置在铜箔表面，滴加乙醇，待乙醇挥发使碳纳米管薄膜与铜箔表面结合牢固；
步骤4、将碳纳米管薄膜/铜箔放置在石英管中，1050℃生长石墨烯，碳源为甲烷，进气速率为15mL/min，生长时间为30min；
步骤5、液相刻蚀铜箔基底，得到碳纳米管/石墨烯薄膜，厚度为30nm；
步骤6、转移碳纳米管/石墨烯薄膜到柔性基底；
步骤7、在所述敏感层边缘处制备电极，所述电极3为铜箔，厚度为25μm，宽度为1mm，通过导电银胶粘接在敏感层2的边缘位置；
步骤8、将两片覆盖有敏感层、电极的柔性基底面对面放置，两个电极不发生接触，两敏感层中碳纳米管的方向保持垂直；
步骤9、封装材料聚二甲基硅氧烷将器件封装。
本实施例中的压力传感器具有高灵敏度、高稳定性、低检测限的特性，如图10所示，所述压力传感器可用于检测弯曲力、扭转力等微小机械力；如图11所示，所述压力传感器可以检测声音振动引起的微小压力，所述的压力传感器贴附在人体脉搏处的皮肤上，检测人体脉搏对血管壁的压力，实现人体脉搏的监测。
实施例3
本实施例提供了一种柔性压力传感器。本实施例提供了一种柔性压力传感器。该柔性压力传感器的结构与实施例1中相同。
本实施例同时还提供了上述柔性压力传感器的制备方法，具体步骤如下：
步骤1、将聚二甲基硅氧烷的前驱体和固化剂按照10:1的比例混合均匀，滴涂在清洗、吹干的新鲜绿萝叶片表面；
步骤2、待聚二甲基硅氧烷在叶片表面基本平整后，置于70℃烘箱中固化3h，固化完成，取下聚二甲基硅氧烷薄膜，得到具有微结构的基底，所述柔性基底的厚度为250μm；
步骤3、碳纳米管薄膜由垂直碳纳米管阵列直接抽出，放置在铜箔表面，滴加乙醇，待乙醇挥发使碳纳米管薄膜与铜箔表面结合牢固；
步骤4、将碳纳米管薄膜/铜箔放置在石英管中，1050℃生长石墨烯，碳源为甲烷，进气速率为15mL/min，生长时间为30min；
步骤5、液相刻蚀铜箔基底，得到碳纳米管/石墨烯薄膜，厚度为30nm；
步骤6、转移碳纳米管/石墨烯薄膜到柔性基底；
步骤7、在所述敏感层边缘处制备电极，所述电极3为铜箔，厚度为25μm，宽度为1mm，通过导电银胶粘接在敏感层2的边缘位置；
步骤8、将两片覆盖有敏感层、电极的柔性基底面对面放置，两电极不发生接触，两敏感层中碳纳米管的方向保持平行；
步骤9、封装材料聚二甲基硅氧烷将器件封装。
本实施例中的压力传感器具有较高灵敏度、高稳定性的特性，如图12所示，所述传感器在较低压力范围内(<0.3kPa)具有12.7kPa-1的灵敏度。
实施例4
本实施例提供了一种柔性压力传感器。该柔性压力传感器的结构与实施例1中相同。
本实施例同时还提供了上述柔性压力传感器的制备方法，具体步骤如下：
步骤1、将聚二甲基硅氧烷的前驱体和固化剂按照10:1的比例混合均匀，滴涂在清洗、吹干的新鲜绿萝叶片表面；
步骤2、待聚二甲基硅氧烷在叶片表面基本平整后，置于20℃环境中固化24h，固化完成，取下聚二甲基硅氧烷薄膜，得到具有微结构的基底，厚度为100μm；
步骤3、碳纳米管薄膜由垂直碳纳米管阵列直接抽出，直接转移到柔性基底；
步骤4、在所述敏感层边缘处制备电极，所述电极为铜线，直径为100μm，通过导电银胶粘接在敏感层的边缘位置；
步骤5、将两片覆盖有敏感层、电极的柔性基底面对面放置，两个电极不发生接触，两敏感层中碳纳米管的方向保持垂直；
步骤6、封装材料聚二甲基硅氧烷将器件封装。
本发明的敏感层通过碳纳米管薄膜得到，具有高导电性、高柔性，高比面积使其与柔性基底保形接触，使传感器具有高灵敏度和高稳定性。如图13所示，本实施例中的柔性压力传感器具有较高灵敏度的特性。本实施例的柔性压力传感器在小于0.3kPa的压力范围内，该传感器具有0.85kPa-1的灵敏度。
实施例5
本实施例提供了一种柔性压力传感器。该柔性压力传感器的结构与实施例1中相同。
本实施例同时还提供了上述柔性压力传感器的制备方法，具体步骤如下：
步骤1、将聚二甲基硅氧烷的前驱体和固化剂按照10:1的比例混合均匀，滴涂在清洗、吹干的新鲜绿萝叶片表面；
步骤2、待聚二甲基硅氧烷在叶片表面基本平整后，置于70℃烘箱中固化3h，固化完成，取下聚二甲基硅氧烷薄膜，得到具有微结构的基底，所述柔性基底的厚度为200μm；
步骤3、将铜箔放置在石英管中，1050℃生长石墨烯，碳源为甲烷，进气速率为5mL/min，生长时间为60min；
步骤4、旋涂聚甲基丙烯酸酯，液相刻蚀铜箔基底，转移至柔性基底；
步骤5、丙酮去除聚甲基丙烯酸酯，得到石墨烯薄膜；
步骤6、在所述敏感层边缘处制备电极，所述电极为铜箔，厚度为25μm，宽度为1mm，通过导电银胶粘接在敏感层的边缘位置；
步骤7、将两片覆盖有敏感层、电极的柔性基底面对面放置，两个电极不发生接触；
步骤8、封装材料聚二甲基硅氧烷将器件封装。
本实施例中的敏感层通过石墨烯得到，如图14所示，石墨烯薄膜可以与微结构基底保形接触，产生的褶皱可以有效增大传感器的灵敏度，使传感器具有高灵敏度和高稳定性。
如图15所示，本实施例中的压力传感器具有高灵敏度、高稳定性的特性。本实施例的柔性压力传感器在小于0.3kPa的压力范围内，该传感器具有40.7kPa-1的灵敏度。
最后，本申请的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性压力传感器，包括：相对平行设置的上柔性基底和下柔性基底，保形附着于所述上柔性基底下表面的上敏感层和保形附着于所述下柔性基底上表面的下敏感层；所述上敏感层上设有上电极，所述下敏感层上设有下电极，所述上电极和所述下电极相互不交叉，所述上敏感层和所述下敏感层之间形成可接触区域；其特征在于，所述上柔性基底的下表面和所述下柔性基底的上表面均含有多个多级凸起，所述多级凸起的平均长度为50-100μm，平均高度为1-10μm。
2.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述多级凸起通过在所述表面印模表面积为1～30cm2的植物叶片或砂粒尺寸为0.5～20μm的砂纸制备得到；优选地，所述多级凸起通过在所述表面印模表面积为2～10cm2的植物叶片或砂粒尺寸为1～5μm的砂纸制备得到。
3.根据权利要求1-2中任一项所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述上柔性基底和所述下柔性基底均采用聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺制得，优选均采用聚二甲基硅氧烷制得；
和/或，所述上敏感层和所述下敏感层均为石墨烯薄膜或碳纳米管/石墨烯复合薄膜；
当所述上敏感层和所述下敏感层均为碳纳米管/石墨烯复合薄膜时，所述上敏感层中碳纳米管和所述下敏感层中碳纳米管的阵列相互平行或垂直。
4.根据权利要求1-3中任一项所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述上柔性基底和所述下柔性基底的厚度均为30～3000μm，优选为100～500μm，更优选为200～300μm；
和/或，所述上敏感层和所述下敏感层的厚度均为0.34～100nm，优选地，厚度均为0.34～10nm。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述上电极和所述下电极分别设在所述上敏感层的边部和所述下敏感层的边部，所述上电极和所述下电极均采用厚度为0.25～3mm的导电无纺布、0.25～3mm的碳化纺织品、厚度为1～500μm的铜箔或直径为10～1000μm的铜丝制得。
6.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述压力传感器包括相对平行设置的聚二甲基硅氧烷上柔性基底和聚二甲基硅氧烷下柔性基底，保形附着于所述上柔性基底下表面的碳纳米管/石墨烯复合薄膜上敏感层和保形附着于所述下柔性基底上表面的碳纳米管/石墨烯复合薄膜下敏感层；所述上敏感层和所述下敏感层上分别设有上电极和下电极，所述上电极和所述下电极相互不交叉，所述上敏感层和所述下敏感层之间形成可接触区域；所述上柔性表面的下表面和所述下柔性基底的上表面均含有多个多级凸起；所述上柔性基底和所述下柔性基底的厚度均为200～300μm；所述上敏感层中碳纳米管和所述下敏感层中碳纳米管的阵列相互平行或垂直；所述上敏感层和所述下敏感层的厚度均为30～50nm；
或，所述压力传感器包括相对平行设置的聚二甲基硅氧烷上柔性基底和聚二甲基硅氧烷下柔性基底，保形附着于所述上柔性基底下表面的石墨烯薄膜上敏感层和保形附着于所述下柔性基底上表面的石墨烯薄膜下敏感层；所述上敏感层和所述下敏感层上分别设有上电极和下电极，所述上电极和所述下电极相互不交叉，所述上敏感层和所述下敏感层之间形成可接触区域；所述上柔性表面的下表面和所述下柔性基底的上表面均含有多个多级凸起；所述上柔性基底和所述下柔性基底的厚度均为200～300μm；所述上敏感层和所述下敏感层的厚度均为0.34～10nm。
7.根据权利要求1-6中任一项所述的柔性压力传感器，其特征在于，还包括封装层，所述封装层采用聚二甲基硅氧烷、聚丙烯、聚乙烯、环氧树脂中的一种或多种制得。
8.权利要求1-7中任一项所述的柔性压力传感器的制备方法，所述方法包括：
1)将所述上柔性基底和所述下柔性基底的前驱体溶液分别滴加在产生所述凸起的器件的表面，印模，固化后分别得到含有所述凸起的上柔性基底和含有所述凸起的下柔性基底；其中，所述印模过程中温度为20～150℃，时间为10min～24h；
2)将所述上敏感层和所述下敏感层分别转移至步骤1)中含有所述凸起的上柔性基底的下表面和含有所述凸起的下柔性基底上表面，在所述上敏感层和所述下敏感层分别设置所述上电极和所述下电极；
3)将步骤2)中上柔性基底和下柔性基底相对平行设置，使得所述上敏感层和所述下敏感层形成可接触区域。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述上敏感层和所述下敏感层均为碳纳米管/石墨烯复合薄膜；
所述碳纳米管/石墨烯复合薄膜的制备方法如下：
将由碳纳米管阵列抽出的碳纳米管薄膜纺在金属表面，再在其表面生长石墨烯，碳源的进气速率为1～50mL/min，石墨烯的生长时间为5-120min，生长温度为900～1060℃；
优选地，所述上敏感层和所述下敏感层中碳纳米管的阵列相互平行或垂直。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述上敏感层和所述下敏感层均为石墨烯薄膜；
所述石墨烯薄膜的制备方法如下：
在金属表面生长石墨烯，碳源的进气速率为1～50mL/min，石墨烯的生长时间为5-120min，生长温度为900～1060℃。
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