CN107525613B - 可拉伸的柔性压力传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种可拉伸的柔性压力传感器，其包括层叠的四层柔性透明层以及位于每相邻的两层柔性透明层之间的电极层；其中，位于第一层柔性透明层与第二层柔性透明层之间的电极层以及位于第三层柔性透明层与第四层柔性透明层之间的电极层具有的电荷极性与位于第二层柔性透明层与第三层柔性透明层之间的电极层具有的电荷极性相反。本发明还提供了一种可拉伸的柔性压力传感器的制造方法。本发明的可拉伸的柔性压力传感器及其制造方法，制造工艺简单且能够大面积制备，且很容易实现高灵敏性和宽测量范围的统一。
Description
技术领域
本发明属于传感器制造技术领域，具体地讲，涉及一种可拉伸的柔性压力传感器及其制造方法。
背景技术
压力传感器是一种能感测到外界压力改变的传感器，广泛应用于可穿戴、可贴附式电子器件中。近年来，随着柔性电子学的发展，可拉伸的柔性透明贴附式电子器件在消费电子市场、医疗健康、军事等产业领域表现出了极大的应用潜力。因此，对压力传感器的柔性、精确性、可靠性、灵敏性等性能指标的要求越来越高，而传统的弱功能传感器往往很难满足上述要求。利用不同材料来制备具有结构简单、响应范围宽、灵敏度高、稳定性好的新型可拉伸的柔性透明贴附式压力传感器的研究备受国内外研究者广泛关注，并逐渐成为当前重要的前沿研究领域之一。
目前，一种现有的柔性透明贴附式压力传感器是通过对聚合物柔性基底施加预应力后再旋涂功能层，预应力除去后，功能层同样在柔性基底表面起皱形成褶皱形貌。该结构聚合物在多次较大弯曲或拉伸形变量后，聚合物性能基本不变，说明具有褶皱形貌功能层的具有较好的稳定性。
另外一种现有的柔性透明贴附式压力传感器是先用紫外固化的方式制备了聚氨酯丙烯酸酯纳米纤维，再将铂(Pt)沉积在纳米纤维上，有机硅作为柔性衬底，两层纳米纤维阵列通过范德华力互锁在一起，从而表现出了不同的电阻率。
然而，现有的各种柔性压力传感器在电极制作及微结构设计中大都依赖硅基刻蚀、等离子处理和金属沉积都复杂工艺，很难实现大面积制备，并且很难实现高灵敏性和宽测量范围的统一。
发明内容
为了解决上述问题，本发明的目的在于提供一种制造工艺简单且能够大面积制备的可拉伸的柔性压力传感器及其制造方法。
根据本发明的一方面，提供了一种可拉伸的柔性压力传感器其包括层叠的四层柔性透明层以及位于每相邻的两层柔性透明层之间的电极层；其中，位于第一层柔性透明层与第二层柔性透明层之间的电极层以及位于第三层柔性透明层与第四层柔性透明层之间的电极层具有的电荷极性与位于第二层柔性透明层与第三层柔性透明层之间的电极层具有的电荷极性相反。
进一步地，所述柔性透明层和/或所述电极层具有褶皱状形状。
根据本发明的另一方面，提供了一种可拉伸的柔性压力传感器的制造方法，其包括：在经预拉伸的第一柔性透明层上涂覆导电混合溶液，使导电混合溶液中的溶剂挥发，以形成第一电极层；利用经预拉伸的第二柔性透明层覆盖在第一电极层上；在经预拉伸的第二柔性透明层上涂覆导电混合溶液，使导电混合溶液中的溶剂挥发，以形成第二电极层；利用经预拉伸的第三柔性透明层覆盖在第二电极层上；在经预拉伸的第三柔性透明层上涂覆导电混合溶液，使导电混合溶液中的溶剂挥发，以形成第三电极层；利用经预拉伸的第四柔性透明层覆盖在第三电极层上；其中，第一电极层和第三电极层具有正电荷，第二电极层具有负电荷；或者，第一电极层和第三电极层具有负电荷，第二电极层具有正电荷。
根据本发明的又一方面，提供了一种可拉伸的柔性压力传感器的制造方法，其包括：分别在经预拉伸的第一柔性透明层、经预拉伸的第二柔性透明层及经预拉伸的第三柔性透明层上涂覆导电混合溶液，使导电混合溶液中的溶剂挥发，以在所述第一柔性透明层上形成第一电极层、在所述第二柔性透明层上形成第二电极层及在所述第三柔性透明层上形成第三电极层；将具有第一电极层的第一柔性透明层、具有第二电极层的第二柔性透明层以及具有第三电极层的第三柔性透明层同向层叠；利用经预拉伸的第四柔性透明层覆盖在第三电极层上；其中，第一电极层和第三电极层具有正电荷，第二电极层具有负电荷；或者，第一电极层和第三电极层具有负电荷，第二电极层具有正电荷。
进一步地，以形变方向为单轴向、双轴向、三轴向及多轴向中的任一种对所述第一柔性透明层和/或所述第二柔性透明层和/或所述第三柔性透明层和/或所述第四柔性透明层进行预拉伸。
进一步地，以5％至500％的拉伸形变量对所述第一柔性透明层和/或所述第二柔性透明层和/或所述第三柔性透明层和/或所述第四柔性透明层进行预拉伸。
进一步地，以100％至500％的拉伸形变量对所述第一柔性透明层和/或所述第二柔性透明层和/或所述第三柔性透明层和/或所述第四柔性透明层进行预拉伸。
本发明的有益效果：本发明的柔性压力传感器具有层状褶皱状结构，所以具有外界压力对材料形变的线性范围宽、高灵敏度、压力与传感器电信号变化的线性区域较大等优势。此外，可以通过调节电极层的材料、柔性高分子聚合物和施加的电荷数量等来调控柔性压力传感器的灵敏度，从而获得灵敏度最高的柔性压力传感器。进一步地，所述柔性透明层和所述电极层具有很好的稳定性，再结合所述柔性透明层的保护，形成了稳定的且具有最佳性能的柔性压力传感器。本发明的可拉伸的柔性压力传感器的制造方法，其操作方便，并且适合大规模工业化生产。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1示出了根据本发明的实施例的可拉伸的柔性压力传感器的结构示意图；
图2示出了根据本发明的可拉伸的柔性压力传感器的制造方法的流程图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度。相同的标号在附图中始终表示相同的元件。
将理解的是，尽管在这里可使用术语“第一”、“第二”等来描述各种元件，但是这些元件不应受这些术语的限制。这些术语仅用于将一个元件与另一个元件区分开来。
图1示出了根据本发明的实施例的可拉伸的柔性压力传感器的结构示意图。
参照图1，根据本发明的实施例的可拉伸的柔性压力传感器包括四层柔性透明层和三层电极层。
具体地，这四层柔性透明层层叠设置。作为一示例，按从下至上的顺序将这四层柔性透明层分别定义为第一柔性透明层110、第二柔性透明层120、第三柔性透明层130、第四柔性透明层140。优选地，所述柔性透明层具有褶皱状(或称波浪状)结构，但本发明并不限制于此。
在相邻的两层柔性透明层之间夹设一电极层。作为一示例，按从下至上的顺序将三层电极层分别定义为第一电极层210、第二电极层220、第三电极层230。即，第一柔性透明层110和第二柔性透明层120之间夹设第一电极层210，第二柔性透明层120和第三柔性透明层130之间夹设第二电极层220，第三柔性透明层130和第四柔性透明层140之间夹设第三电极层230。由于在制造过程中，通过将导电混合溶液涂覆在所述柔性透明层上来形成所述电极层，因此所述电极层具有与所述柔性透明层相同的形状结构。即，所述电极层优选具有褶皱状结构。
作为一种实施方式，第一电极层210和第三电极层230具有正电荷，而第二电极层220具有负电荷。作为另一种实施方式，第一电极层210和第三电极层230具有负电荷，而第二电极层220具有正电荷。也就是说，第一电极层210和第三电极层230具有的电荷的极性相同，而这二者具有的电荷的极性与第二电极层220具有的电荷的极性相反。
可选地，所述柔性透明层由柔性透明绝缘材料制成。其中，该柔性透明绝缘材料包括聚酯、有机硅、硅橡胶、聚乙烯醇、聚丙烯酸、橡胶树脂、聚乙二醇、聚碳酸酯、聚氨酯中的至少一种，但本发明并不限制于此。进一步地，所述柔性透明层的厚度介于10μm至5000μm之间。
可选地，所述电极层由导电材料制成。其中，该导电材料包括石墨、石墨烯、富勒烯、炭黑、碳纳米管、碳纤维、金、铂、镍、银、铜、铟、金纳米线、银纳米线中的至少一种。进一步地，所述电极层的厚度介于0.334nm至200μm之间。
此外，在本实施例中，所述柔性透明层是经预拉伸处理的柔性透明层。其中，可以以形变方向为单轴向、双轴向、三轴向及多轴向中的任一种对所述柔性透明层进行拉伸，但本发明并不限制于列举出的形变方向。
而且，在所述柔性透明层的预拉伸处理过程中，可以以5％至500％的拉伸形变量对所述柔性透明层进行拉伸。优选地，可以以100％至500％的拉伸形变量对所述柔性透明层进行拉伸。
由于根据本发明的实施例的柔性压力传感器具有层状褶皱状结构，所以具有外界压力对材料形变的线性范围宽、高灵敏度、压力与传感器电信号变化的线性区域较大等优势。此外，可以通过调节电极层的材料、柔性高分子聚合物和施加的电荷数量等来调控柔性压力传感器的灵敏度，从而获得灵敏度最高的柔性压力传感器。进一步地，所述柔性透明层和所述电极层具有很好的稳定性，再结合所述柔性透明层的保护，形成了稳定的且具有最佳性能的柔性压力传感器。
需要说明的是，可以将根据本发明的实施例的可拉伸的柔性压力传感器层叠设置多个，以将多个可拉伸的柔性压力传感器串联起来。或者，可以将根据本发明的实施例的可拉伸的柔性压力传感器并排设置多个，以将多个可拉伸的柔性压力传感器并联起来。
以下将对根据本发明的实施例的可拉伸的柔性压力传感器的制造方法进行说明描述。图2示出了根据本发明的可拉伸的柔性压力传感器的制造方法的流程图。
参照图1和图2，在步骤S210中，在经预拉伸的第一柔性透明层110上涂覆导电混合溶液，并使导电混合溶液中的溶剂挥发，以在经预拉伸的第一柔性透明层110上形成第一电极层210。
具体地，将拉伸形变量为100％的第一柔性透明层110固定在旋转涂覆装置上，取制作好的导电混合溶液10ml，在旋转涂覆装置以1000rpm转速进行转动的情况下，将10ml导电混合溶液涂覆在第一柔性透明层110上；然后在室温下静置1小时，待导电混合溶液中的溶剂(例如乙醇)自然挥发，则导电混合溶液中剩余的物质在第一柔性透明层110上形成第一电极层210。
作为本发明的另一实施例，将拉伸形变量为200％的第一柔性透明层110固定在旋转涂覆装置上，取制作好的导电混合溶液10ml，在旋转涂覆装置以1000rpm转速进行转动的情况下，将10ml导电混合溶液涂覆在第一柔性透明层110上；然后在室温下静置1小时，待导电混合溶液中的溶剂(例如乙醇)自然挥发，则导电混合溶液中剩余的物质在第一柔性透明层110上形成第一电极层210。
作为本发明的又一实施例，将拉伸形变量为500％的第一柔性透明层110固定在旋转涂覆装置上，取制作好的导电混合溶液10ml，在旋转涂覆装置以1000rpm转速进行转动的情况下，将10ml导电混合溶液涂覆在第一柔性透明层110上；然后在室温下静置1小时，待导电混合溶液中的溶剂(例如乙醇)自然挥发，则导电混合溶液中剩余的物质在第一柔性透明层110上形成第一电极层210。
在步骤S220中，利用经预拉伸的第二柔性透明层120覆盖在第一电极层210上。
具体地，利用拉伸形变量为100％的第二柔性透明层120直接覆盖在第一柔性透明层110上，从而覆盖第一电极层210。
作为本发明的另一实施例，利用拉伸形变量为200％的第二柔性透明层120直接覆盖在第一柔性透明层110上，从而覆盖第一电极层210。
作为本发明的又一实施例，利用拉伸形变量为500％的第二柔性透明层120直接覆盖在第一柔性透明层110上，从而覆盖第一电极层210。
在步骤S230中，在经预拉伸的第二柔性透明层120上涂覆导电混合溶液，并使导电混合溶液中的溶剂挥发，以在经预拉伸的第二柔性透明层120上形成第二电极层220。
具体地，将贴合的第二柔性透明层120(其拉伸形变量可以为100％、200％或500％)和第一柔性透明层110(其拉伸形变量可以为100％、200％或500％)固定在旋转涂覆装置上，取制作好的导电混合溶液10ml，在旋转涂覆装置以1000rpm转速进行转动的情况下，将10ml导电混合溶液涂覆在第二柔性透明层120上；然后在室温下静置1小时，待导电混合溶液中的溶剂(例如乙醇)自然挥发，则导电混合溶液中剩余的物质在第二柔性透明层120上形成第二电极层220。
在步骤S240中，利用经预拉伸的第三柔性透明层130覆盖在第二电极层220上。
具体地，利用拉伸形变量为100％的第三柔性透明层130直接覆盖在第二柔性透明层120上，从而覆盖第二电极层220。
作为本发明的另一实施例，利用拉伸形变量为200％的第三柔性透明层130直接覆盖在第二柔性透明层120上，从而覆盖第二电极层220。
作为本发明的又一实施例，利用拉伸形变量为500％的第三柔性透明层130直接覆盖在第二柔性透明层120上，从而覆盖第二电极层220。
在步骤S250中，在经预拉伸的第三柔性透明层130上涂覆导电混合溶液，并使导电混合溶液中的溶剂挥发，以在经预拉伸的第三柔性透明层130上形成第三电极层230。
具体地，将贴合的第三柔性透明层130(其拉伸形变量可以为100％、200％或500％)、第二柔性透明层120(其拉伸形变量可以为100％、200％或500％)和第一柔性透明层110(其拉伸形变量可以为100％、200％或500％)固定在旋转涂覆装置上，取制作好的导电混合溶液10ml，在旋转涂覆装置以1000rpm转速进行转动的情况下，将10ml导电混合溶液涂覆在第三柔性透明层130上；然后在室温下静置1小时，待导电混合溶液中的溶剂(例如乙醇)自然挥发，则导电混合溶液中剩余的物质在第三柔性透明层130上形成第三电极层230。
在步骤S260中，利用经预拉伸的第四柔性透明层140覆盖在第三电极层230上。
具体地，利用拉伸形变量为100％的第四柔性透明层140直接覆盖在第三柔性透明层130上，从而覆盖第三电极层230。
作为本发明的另一实施例，利用拉伸形变量为200％的第四柔性透明层140直接覆盖在第三柔性透明层130上，从而覆盖第三电极层230。
作为本发明的又一实施例，利用拉伸形变量为200％的第四柔性透明层140直接覆盖在第三柔性透明层130上，从而覆盖第三电极层230。
需要说明的是，第一电极层210和第三电极层230可以具有正电荷，而第二电极层220可以具有负电荷。作为另一种实施方式，第一电极层210和第三电极层230可以具有负电荷，而第二电极层220可以具有正电荷。也就是说，第一电极层210和第三电极层230具有的电荷的极性相同，而这二者具有的电荷的极性与第二电极层220具有的电荷的极性相反。
另外，作为本发明的一实施例，将0.5g石墨烯和0.5g碳纳米管分别分散在50ml乙醇中，强烈搅拌和超声30min后，将两种溶液混合，继续超声30min，即得到了具有石墨烯-碳纳米管的导电混合溶液。
作为本发明的另一实施例，将0.5g石墨烯和0.1g金纳米线分别分散在50ml乙醇中，强烈搅拌和超声30min后，将两种溶液混合，继续超声30分钟，即得到了具有石墨烯-金纳米线的导电混合溶液。
作为本发明的又一实施例，将0.5g石墨烯和0.5g炭黑分别分散在50ml乙醇中，强烈搅拌和超声30min后，将两种溶液混合，继续超声30min，即得到了具有石墨烯-炭黑的导电混合溶液。
作为本发明的可拉伸的柔性压力传感器的制造方法的另一实施例，可省去步骤S220和步骤S240。
具体地，首先，同时进行步骤S210、步骤S230和步骤S250。
接着，将步骤S210制得的涂覆有第一电极层210的第一柔性透明层110、步骤S230制得的涂覆有第二电极层220的第二柔性透明层120以及步骤S250制得的涂覆有第三电极层230的第三柔性透明层130同方向层叠设置，即各柔性透明层的具有电极层的表面朝向同一方向。
最后，进行步骤S260。
这样，通过以上制造方法获得的压力传感器，其厚度为5mm，压力响应速度小于1μs，并在弯曲180°或拉伸(形变量小于200％)条件下重复10000次。
根据本发明的各实施例的可拉伸的柔性压力传感器的制造方法，其操作方便，并且适合大规模工业化生产。
虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。
Claims (10)
1.一种可拉伸的柔性压力传感器，其特征在于，包括层叠的四层柔性透明层以及位于每相邻的两层柔性透明层之间的电极层；位于第一层柔性透明层与第二层柔性透明层之间的电极层以及位于第三层柔性透明层与第四层柔性透明层之间的电极层具有的电荷极性与位于第二层柔性透明层与第三层柔性透明层之间的电极层具有的电荷极性相反；
其中，所述柔性透明层经过预拉伸处理，所述预拉伸处理是指经5％至500％的拉伸变量进行拉伸。
2.根据权利要求1所述的可拉伸的柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性透明层和/或所述电极层具有褶皱状形状。
3.一种权利要求1或2所述的可拉伸的柔性压力传感器的制造方法，其特征在于，包括：
在经预拉伸的第一柔性透明层上涂覆导电混合溶液，使导电混合溶液中的溶剂挥发，以形成第一电极层；
利用经预拉伸的第二柔性透明层覆盖在第一电极层上；
在经预拉伸的第二柔性透明层上涂覆导电混合溶液，使导电混合溶液中的溶剂挥发，以形成第二电极层；
利用经预拉伸的第三柔性透明层覆盖在第二电极层上；
在经预拉伸的第三柔性透明层上涂覆导电混合溶液，使导电混合溶液中的溶剂挥发，以形成第三电极层；
利用经预拉伸的第四柔性透明层覆盖在第三电极层上；
其中，第一电极层和第三电极层具有的电荷极性与第二电极层具有的电荷极性相反。
4.根据权利要求3所述的柔性压力传感器的制造方法，其特征在于，以形变方向为单轴向、双轴向、三轴向及多轴向中的任一种对所述第一柔性透明层和/或所述第二柔性透明层和/或所述第三柔性透明层和/或所述第四柔性透明层进行预拉伸。
5.根据权利要求3或4所述的柔性压力传感器的制造方法，其特征在于，以5％至500％的拉伸形变量对所述第一柔性透明层和/或所述第二柔性透明层和/或所述第三柔性透明层和/或所述第四柔性透明层进行预拉伸。
6.根据权利要求5所述的柔性压力传感器的制造方法，其特征在于，以100％至500％的拉伸形变量对所述第一柔性透明层和/或所述第二柔性透明层和/或所述第三柔性透明层和/或所述第四柔性透明层进行预拉伸。
7.一种权利要求1或2所述的可拉伸的柔性压力传感器的制造方法，其特征在于，包括：
分别在经预拉伸的第一柔性透明层、经预拉伸的第二柔性透明层及经预拉伸的第三柔性透明层上涂覆导电混合溶液，使导电混合溶液中的溶剂挥发，以在所述第一柔性透明层上形成第一电极层、在所述第二柔性透明层上形成第二电极层及在所述第三柔性透明层上形成第三电极层，其中，第一电极层和第三电极层具有的电荷极性与第二电极层具有的电荷极性相反；
将具有第一电极层的第一柔性透明层、具有第二电极层的第二柔性透明层以及具有第三电极层的第三柔性透明层同向层叠；
利用经预拉伸的第四柔性透明层覆盖在第三电极层上。
8.根据权利要求7所述的柔性压力传感器的制造方法，其特征在于，以形变方向为单轴向、双轴向、三轴向及多轴向中的任一种对所述第一柔性透明层和/或所述第二柔性透明层和/或所述第三柔性透明层和/或所述第四柔性透明层进行预拉伸。
9.根据权利要求7或8所述的柔性压力传感器的制造方法，其特征在于，以5％至500％的拉伸形变量对所述第一柔性透明层和/或所述第二柔性透明层和/或所述第三柔性透明层和/或所述第四柔性透明层进行预拉伸。
10.根据权利要求9所述的柔性压力传感器的制造方法，其特征在于，以100％至500％的拉伸形变量对所述第一柔性透明层和/或所述第二柔性透明层和/或所述第三柔性透明层和/或所述第四柔性透明层进行预拉伸。
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