CN106959176A - 一种柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供的一种柔性压力传感器及其制备方法，包括上电极、下电极和介电层，所述上电极、下电极为金纳米棒嵌入PDMS的多尺度电极，所述介电层为聚氨酯和去离子水形成的多孔弹性体薄膜。本发明公开的一种柔性压力传感器及其制备方法，测量压强范围广，大大提高低压强状态下的灵敏度，模具制备简单，成本低。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
检测人类的生理信息是疾病诊断和健康评估的一个重要指标，而传统的医疗设备都是刚性的压力传感器，不易于穿戴和携带。近年来，随着微电子技术、新材料制备工艺的发展，柔性压力传感器越来越多的被应用到了电子皮肤、可穿戴电子设备等领域。然而，柔性压力传感器的制备方法比较复杂，成本高，灵敏度低和传感器阵列的制作也是一个挑战。
发明内容
本发明所要解决的是现有柔性压力传感器制备复杂、成本高、灵敏度低的技术问题，提供一种柔性压力传感器及其制备方法，所述传感器的制备方法简单、成本低、灵敏度高、响应时间短，而且很容易制作成阵列型传感器。
为了解决本发明的技术问题，本发明是通过以下技术方案实现的：一种柔性压力传感器，包括上电极、下电极和介电层，所述上电极、下电极为金纳米棒嵌入PDMS的多尺度电极，所述介电层为聚氨酯和去离子水形成的多孔弹性体薄膜。
优选地，所述金纳米棒嵌入PDMS的多尺度电极的厚度为10μm～30μm。
优选地，所述金纳米棒嵌入PDMS的多尺度电极采用的模具是由紫外线处理预聚物PDMS自发形成的带扣结构。
优选地，所述去离子水和聚氨酯的重量比为3∶10。
一种柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
第一步：上电极和下电极的制备
S1：将模具PDMS拉伸至35％，用紫外线照射预聚物PDMS，在PDMS表面会自发形成siox带扣形状，作为传感器的模板；
S2：将金纳米棒溶液通过使用棒式涂布机涂布到模具PDMS上，获得金纳米棒(AuNR)膜；
S3：获得AuNR膜之后，将模具PDMS释放至其初始长度，获得翘曲的AuNR膜；
S4：将混合有重量比10∶1固化剂的液体PDMS倾倒在翘曲的AuNR膜上，固化12小时；
S5：由于液体PDMS渗透到AuNR中，AuNR膜紧密嵌入固化的PDMS中，通过剥离模具PDMS，获得AuNR嵌入PDMS的多尺度电极。
第二步：介电层的制备
S1：弹性体聚氨酯由于化学和热稳定性高以及杨氏模量低来作为传感器的介电层。利用它具有疏水的特性，将聚氨酯预聚物与固化剂以重量比10∶1的混合溶液和去离子水在容器中搅拌，所述混合溶液与去离子水的重量比为10∶3混合搅拌；
S2：由于水不溶于聚氨酯中，微滴的去离子水均匀地分散在聚氨酯溶液中，将含有微滴的聚氨酯溶液放置在玻璃衬底上；
S3：因为亲水性的玻璃衬底不能实现聚氨酯溶液中去离子水的均匀分散，所以先对亲水性的玻璃衬底进行疏水处理，然后在聚氨酯预聚物的固化温度下加热组装的样品，以实现PU的热交联和实现PU中的水的蒸发。玻璃衬底经过疏水处理，所有具有微孔的聚氨酯薄膜从玻璃衬底上剥离下来，形成多孔弹性体薄膜。
第三步：电容式传感器的制作
S1：将介电层和上电极、下电极进行层压，形成柔性压力传感器。
与现有技术相比，本发明获得的有益效果是：
本发明提供的一种柔性压力传感器及其制备方法，采用聚氨酯和去离子水形成的多孔弹性体薄膜作为介电层，增大了电容的可变形性，使得压强的可检测范围变得非常宽，大大提高了传感器的灵敏度。采用金纳米棒嵌入PDMS的多尺度电极，增加了电极的导电性和可变性，大大提高传感器的灵敏度。
本发明提供的一种柔性压力传感器及其制备方法，测量压强范围广，大大提高低压强状态下的灵敏度，模具制备简单，成本低。
本发明提供的一种柔性压力传感器及其制备方法，使用的材料具有很好的生物兼容性，很好的与人体皮肤融为一体，便于制作成可穿戴器件，有效解决现有技术中模具制备成本高、灵敏度低、不易携带的技术问题。
本发明提供的一种柔性压力传感器及其制备方法，同时改变电极之间的距离和有效面积，灵敏度更高、稳定性更好。
具体实施方式
对实施例进行详细说明。
一种柔性压力传感器，包括上电极、下电极和介电层，所述上电极、下电极为金纳米棒嵌入PDMS的多尺度电极，所述介电层为聚氨酯和去离子水形成的多孔弹性体薄膜。
进一步地，所述金纳米棒嵌入PDMS的多尺度电极的厚度为10μm～30μm。
进一步地，所述金纳米棒嵌入PDMS的多尺度电极采用的模具是由紫外线处理预聚物PDMS自发形成的带扣结构。
进一步地，所述去离子水和聚氨酯的重量比为3∶10。
一种柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
第一步：上电极和下电极的制备；
S1：将模具PDMS拉伸至35％，用紫外线照射预聚物PDMS，在PDMS表面会自发形成siox带扣形状，作为传感器的模板；
S2：将金纳米棒溶液通过使用棒式涂布机涂布到模具PDMS上，获得金纳米棒(AuNR)膜；
S3：获得AuNR膜之后，将模具PDMS释放至其初始长度，获得翘曲的AuNR膜；
S4：将混合有重量比10∶1固化剂的液体PDMS倾倒在翘曲的AuNR膜上，固化12小时；
S5：由于液体PDMS渗透到AuNR中，AuNR膜紧密嵌入固化的PDMS中，通过剥离模具PDMS，获得AuNR嵌入PDMS的多尺度电极。
第二步：介电层的制备
S1：弹性体聚氨酯由于化学和热稳定性高以及杨氏模量低来作为传感器的介电层。利用它具有疏水的特性，将聚氨酯预聚物与固化剂以重量比10∶1的混合溶液和去离子水在容器中搅拌，所述混合溶液与去离子水的重量比为10∶3混合搅拌；
S2：由于水不溶于聚氨酯中，微滴的去离子水均匀地分散在聚氨酯溶液中，将含有微滴的聚氨酯溶液放置在玻璃衬底上；
S3：因为亲水性的玻璃衬底不能实现聚氨酯溶液中去离子水的均匀分散，所以先对亲水性的玻璃衬底进行疏水处理，然后聚氨酯预聚物在70摄氏度下加热24小时，以实现PU的热交联和实现PU中的水的蒸发。玻璃衬底经过疏水处理，所有具有微孔的聚氨酯薄膜从玻璃衬底上剥离下来，形成多孔弹性体薄膜。
第三步：电容式传感器的制作
S1：将介电层和上电极、下电极进行层压，形成柔性压力传感器。
以上列举的仅是本发明的具体实施例之一。显然，本发明不限于以上实施例，还可以有许多类似的改形。本领域的普通技术人员能从本发明公开的内容直接导出或联想到的所有变形，均应认为是本发明所要保护的范围。
Claims (5)
1.一种柔性压力传感器，包括上电极、下电极和介电层，其特征在于：所述上电极、下电极为金纳米棒嵌入PDMS的多尺度电极，所述介电层为聚氨酯和去离子水形成的多孔弹性体薄膜。
2.如权利要求1所述的一种柔性压力传感器，其特征在于：所述金纳米棒嵌入PDMS的多尺度电极的厚度为10μm～30μm。
3.如权利要求1所述的一种柔性压力传感器，其特征在于：所述金纳米棒嵌入PDMS的多尺度电极采用的模具是由紫外线处理预聚物PDMS自发形成的带扣结构。
4.如权利要求1所述的一种柔性压力传感器，其特征在于：所述去离子水和聚氨酯的重量比为3：10。
5.如权利要求1至权利要求4所述的一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：
第一步：上电极和下电极的制备
S1：将模具PDMS拉伸至35％，用紫外线照射预聚物PDMS，在PDMS表面会自发形成siox带扣形状，作为传感器的模板；
S2：将金纳米棒溶液通过使用棒式涂布机涂布到模具PDMS上，获得金纳米棒膜；
S3：获得金纳米棒膜之后，将模具PDMS释放至其初始长度，获得翘曲的金纳米棒膜；
S4：将混合有重量比10：1固化剂的液体PDMS倾倒在翘曲的金纳米棒膜上，固化12小时；
S5：由于液体PDMS渗透到金纳米棒中，金纳米棒膜紧密嵌入固化的PDMS中，剥离模具PDMS，获得金纳米棒嵌入PDMS的多尺度电极；
第二步：介电层的制备
S1：将聚氨酯预聚物与固化剂以重量比10：1的混合溶液和去离子水在容器中搅拌，所述混合溶液与去离子水的重量比为10：3混合搅拌；
S2：由于水不溶于聚氨酯中，微滴的去离子水均匀地分散在聚氨酯溶液中，将含有微滴的聚氨酯溶液放置在玻璃衬底上；
S3：对亲水性的玻璃衬底进行疏水处理，然后在聚氨酯预聚物的固化温度下加热组装样品，玻璃衬底经过疏水处理，聚氨酯薄膜从玻璃衬底上剥离下来，形成多孔弹性体薄膜；第三步：电容式传感器的制作
S1：将介电层和上电极、下电极进行层压，形成柔性压力传感器。
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