CN107898463A - 一种柔性电子压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种柔性电子压力传感器及其制备方法，其中，柔性电子压力传感器包括若干个压力传感单元；压力传感单元由两片基板、相对设置于两片基板之间的两片电极，以及设置于两片电极之间的复合压力传感膜组成；基板的表面采用微图案处理设有荷叶微图案，且基板具有柔性、可伸缩特性；复合压力传感膜由若干聚苯胺中空纳米球和用于连接相邻聚苯胺中空纳米球的多壁碳纳米管组成；各压力传感单元利用等离子体处理机并采用电极像素处理以形成呈设定面积的传感器阵列，本发明的复合压力传感膜具有突出的弹性能力和超低的弹性模量，可对各种外界刺激进行有效的放大和转换，对压力感应强且温度分辨率高；另外，单个压力传感单元可以很容易地集成传感器阵列。

Description

一种柔性电子压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及皮肤触觉传感器技术领域，具体涉及一种柔性电子压力传感器及其制备方法。

背景技术

触觉是人与外界环境直接接触时的重要感觉功能，柔性触觉传感器是实现电子皮肤技术的关键技术，其目的是模拟人类的感知能力，拥有卓越的发展前景。

目前，随着微电子技术的发展和各种有机材料的出现，已经提出了多种多样的柔性触觉传感器的研制方案，但目前大都属于实验室阶段，达到产品化的不多。且部分已达到产品化的柔性触觉传感器所采用的材料虽然可以承受高应力，但灵敏度低，检测能力受限，无法很好地应用于实际生活中，如采用柔性触觉传感器监测人体信号、检查呼吸疾病等。

因此，利用新型微结构的电子材料以实现高性能的触觉传感器是目前非常有意义，以及亟待解决的课题。

发明内容

本发明为了解决现有技术存在的上述问题，提供了一种柔性电子压力传感器及其制备方法，以解决现有柔性触觉传感器灵敏度低，检测能力受限的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种柔性电子压力传感器，包括若干个压力传感单元；所述基板的表面采用微图案处理设有荷叶微图案，且基板具有柔性、可伸缩特性；所述压力传感单元由两片基板、相对设置于两片基板之间的两片电极，以及设置于两片电极之间的复合压力传感膜组成；所述基板的表面采用微图案处理设有荷叶微图案，且基板具有柔性、可伸缩特性；所述复合压力传感膜由若干聚苯胺中空纳米球和用于连接相邻聚苯胺中空纳米球的多壁碳纳米管组成；各压力传感单元利用等离子体处理机并采用电极像素处理以形成呈设定面积的传感器阵列。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述基板的厚度为30um。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述电极为黄金材质的金电极，所述金电极的厚度为50um。

本发明还提供了一种柔性电子压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤S1，制备聚苯胺中空纳米球；

步骤S2，将聚苯胺中空纳米球与多壁碳纳米管按预设质量比混合分散到二甲基甲酰胺溶液中以得到第一混合物，干燥并去除所述步骤S2中的第一混合物中的二甲基甲酰胺得到第二混合物，旋涂所述第二混合物以形成复合压力传感膜；

步骤S3，将复合压力传感膜夹设于两片电极之间以组装成压力传感单元；

步骤S4，制造柔性且可伸缩的具有微型图案的基板；

步骤S5，将若干个由步骤S3制得的压力传感单元夹设于两片基板之间，利用等离子体处理机并采用电极像素处理以形成呈设定面积的传感器阵列。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述步骤S1中制备聚苯胺中空纳米球的具体步骤包括：

步骤S11，制备磺化聚苯乙烯纳米球粉末；

步骤S12，将苯胺单体吸附到磺化聚苯乙烯纳米球粉末上以制得第一混合溶液；

步骤S13，第一混合溶液经盐酸和过硫酸铵处理得到第二混合溶液，所述第二混合溶液采用冰浴和离心处理以获得深绿色聚苯胺包覆的聚苯乙烯纳米球粉末。

步骤S14，采用四氢呋喃溶解所述聚苯乙烯纳米球粉末以去除聚苯乙烯核，并通过离心处理以得到聚苯胺中空纳米球。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述步骤S2中的预设质量比为5∶1。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述步骤S2中的第一混合物中还加入有聚偏氟乙烯混合溶液，以使得用于制备复合压力传感膜的膜具有良好的成膜性能。

作为本发明的进一步优选技术方案，所述步骤S4中制造柔性且可伸缩的具有微型图案的基板的具体步骤包括：

步骤S41，将固化剂与碱基单体充分混合，以制备聚二甲硅氧烷的预聚体，其中固化剂与碱基单体的重量比为10∶1；

步骤S42，将预聚体在室温下真空中脱气10分钟去除气泡，以得到聚二甲硅氧烷的混合溶液；

步骤S43，将混合溶液旋涂到荷叶叶面上，并在70℃下固化2小时以制得柔性且可伸缩的具有微型图案的基板，其中旋涂转速为400转/分钟。

本发明的柔性电子压力传感器及其制备方法可以达到如下有益效果：

本发明的柔性电子压力传感器，通过包括若干个压力传感单元；所述基板的表面采用微图案处理设有荷叶微图案，且基板具有柔性、可伸缩特性；所述压力传感单元由两片基板、相对设置于两片基板之间的两片电极，以及设置于两片电极之间的复合压力传感膜组成；所述基板的表面采用微图案处理设有荷叶微图案，且基板具有柔性、可伸缩特性；所述复合压力传感膜由若干聚苯胺中空纳米球和用于连接相邻聚苯胺中空纳米球的多壁碳纳米管组成；各压力传感单元利用等离子体处理机并采用电极像素处理以形成呈设定面积的传感器阵列，使得本发明采用中空结构的复合压力传感膜，具有突出的弹性能力和超低的弹性模量，以使压力传感单元可对各种外界刺激进行有效的放大和转换，对压力感应强且温度分辨率高；另外，单个压力传感单元可以很容易地集成传感器阵列，具有良好的传感性能，以使得柔性电子压力传感器可用于监测人体信号、检查呼吸疾病和进行语音识别等有益效果。

本发明的柔性电子压力传感器的制备方法，通过包括步骤：步骤S1，制备聚苯胺中空纳米球31；步骤S2，将聚苯胺中空纳米球31与多壁碳纳米管32按预设质量比混合分散到二甲基甲酰胺溶液中以得到第一混合物，干燥并去除所述步骤S2中的第一混合物中的二甲基甲酰胺得到第二混合物，旋涂所述第二混合物以形成复合压力传感膜3；步骤S3，将复合压力传感膜3夹设于两片电极2之间以组装成压力传感单元；步骤S4，制造柔性且可伸缩的具有微型图案的基板；步骤S5，将若干个由步骤S3制得的压力传感单元夹设于两片基板之间，利用等离子体处理机并采用电极像素处理以形成呈设定面积的传感器阵列。使得本发明采用中空结构的复合压力传感膜，具有突出的弹性能力和超低的弹性模量，以使压力传感单元可对各种外界刺激进行有效的放大和转换，对压力感应强且温度分辨率高；另外，单个压力传感单元可以很容易地集成传感器阵列，具有良好的传感性能，以使得柔性电子压力传感器可用于监测人体信号、检查呼吸疾病和进行语音识别等有益效果。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。

图1为本发明柔性电子压力传感器提供的一实例的结构示意图；

图2为本发明柔性电子压力传感器的制备方法提供的一实例的方法流程图。

图中：1、基板，2、电极，3、复合压力传感膜，31、聚苯胺中空纳米球，32、多壁碳纳米管。

本发明目的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施方式，对本发明做进一步描述。较佳实施例中所引用的如“上”、“下”、“左”、“右”、“中间”及“一”等用语，仅为便于叙述的明了，而非用以限定本发明可实施的范围，其相对关系的改变或调整，在无实质变更技术内容下，当亦视为本发明可实施的范畴。

图1为本发明柔性电子压力传感器提供的一实例的结构示意图，如图1所示，柔性电子压力传感器包括若干个压力传感单元；所述压力传感单元由两片基板1、相对设置于两片基板1之间的两片电极2，以及设置于两片电极2之间的复合压力传感膜3组成；所述基板2的表面采用微图案处理设有荷叶微图案，且基板2具有柔性、可伸缩特性；所述复合压力传感膜3由若干聚苯胺中空纳米球31和用于连接相邻聚苯胺中空纳米球31的多壁碳纳米管32组成；各压力传感单元利用等离子体处理机并采用电极2像素处理以形成呈设定面积的传感器阵列。

具体实施中，所述基板1的厚度为30um，当然，其可根据设计具体需求采用其它具体厚度值。所述电极2为黄金材质的金电极，所述金电极的厚度为50um，同理，所述金电极的厚度还可根据设计具体需求采用其它具体厚度值。

图2为本发明柔性电子压力传感器的制备方法提供的一实例的方法流程图，如图2所示，柔性电子压力传感器的制备方法包括以下步骤：

步骤S1，制备聚苯胺中空纳米球31；

步骤S2，将聚苯胺中空纳米球31与多壁碳纳米管32按预设质量比混合分散到二甲基甲酰胺溶液中以得到第一混合物，干燥并去除所述步骤S2中的第一混合物中的二甲基甲酰胺得到第二混合物，旋涂所述第二混合物以形成复合压力传感膜3；

步骤S3，将复合压力传感膜3夹设于两片电极2之间以组装成压力传感单元；

步骤S4，制造柔性且可伸缩的具有微型图案的基板1；

步骤S5，将若干个由步骤S3制得的压力传感单元夹设于两片基板之间，利用等离子体处理机，并采用电极像素处理以形成呈设定面积的传感器阵列。

具体实施中，所述步骤S1中制备聚苯胺中空纳米球31的具体步骤包括：

步骤S11，制备磺化聚苯乙烯纳米球粉末；

该步骤S11中，首先，将聚苯乙烯纳米球(溶液中聚苯乙烯纳米球的占比2.5wt％)悬浮液2毫升，在9000rpm转速下离心6分钟，并用移液管除去上清液。

然后，用2毫升的浓硫酸逐滴添加到上述聚苯乙纳米球的离心管内，采用超声分散1h后，使其具良好的分散效果，并将该离心管保存在硅油中，在40℃环境下加热，搅拌6小时。

其次，将上述加热并搅拌后的离心管再次用离心法在10000rpm的转速下离心分离5分钟，采用吸管移除下清液得到磺化聚苯乙烯纳米球的沉淀物；

最后，该沉淀物用3毫升乙醇冲洗3次后得到磺化聚苯乙烯纳米球粉末。

步骤S12，将苯胺单体吸附到磺化聚苯乙烯纳米球粉末上以制得第一混合溶液；

该步骤S12中，首先，将50毫克磺化聚苯乙烯纳米球粉末分散于3毫升去离子水中。

然后，添加0.4毫升苯胺单体到上述去离子水中，以吸附于磺化聚苯乙烯纳米球粉末的表面，其中，上述苯胺单体占乙醇的含量为0.22摩尔/升。

步骤S13，第一混合溶液经盐酸和过硫酸铵处理得到第二混合溶液，所述第二混合溶液采用冰浴和离心处理以获得深绿色聚苯胺包覆的聚苯乙烯纳米球粉末。

该步骤S13中，首先，采用0.4毫升盐酸溶液添加到上述第一混合溶液中，并在冰水中搅拌6小时，其中，该盐酸溶液占去离子水的含量为2摩尔/升；

然后，将0.5毫升过硫酸铵溶液加入上述第一混合溶液中，并采用冰浴反应24h，其中，过硫酸铵溶液占去离子水的含量为0.18mol/L；

最后，上述第一混合溶液在3毫升盐酸溶液(该盐酸溶液占去离子水的含量为1mol/L)下以9000rpm离心5分钟，并洗3次后，通过聚合反应获得深绿色聚苯胺包覆的聚苯乙烯纳米球粉末。

步骤S14，采用四氢呋喃溶解所述聚苯乙烯纳米球粉末以去除聚苯乙烯核，并通过离心处理以得到聚苯胺中空纳米球31。

该步骤S14中，首先，采用5毫升四氢呋喃(THF)溶解上述聚苯胺中空纳米球3112小时，以去除PS核；

然后，再采用3毫升四氢呋喃在6000rpm离心5分钟即可得到聚苯胺中空纳米球31。

具体实施中，所述步骤S2中的预设质量比为5∶1。

具体实施中，所述步骤S2中的第一混合物中还加入有聚偏氟乙烯混合溶液，以使得用于制备复合压力传感膜3的膜具有良好的成膜性能，第一混合物在加入聚偏氟乙烯混合溶液，第一混合物在室温下搅拌12h，并在80℃下干燥处理，去除二甲基甲酰胺并得到第二混合物，第二混合物采用旋涂法即可制备成复合压力传感膜3。

具体实施中，所述步骤S4中制造柔性且可伸缩的具有微型图案的基板的具体步骤包括：

步骤S41，将固化剂与碱基单体充分混合，以制备聚二甲硅氧烷的预聚体，其中固化剂与碱基单体的重量比为10∶1；

步骤S42，将预聚体在室温下真空中脱气10分钟去除气泡，以得到聚二甲硅氧烷的混合溶液；

步骤S43，将混合溶液旋涂到荷叶叶面上，并在70℃下固化2小时以制得柔性且可伸缩的具有微型图案的基板1，其中旋涂转速为400转/分钟。

为了让本领域的技术人员更好地理解并实现本发明的技术方案，下面详述本实施例的结构特性。

1、比较几种传感器

对柔性电子压力传感器的灵敏度进行测试，结果表明，表面越粗糙，接触点越有效。中空球可以变形这一特点为传感器提供了大量的电气通道，并且在连接位置连接有多壁碳纳米管32，使得柔性电子压力传感器在有外力刺激下灵敏度更高。所制备的柔性电子压力传感器在很广的压力范围内灵敏度都高于传统的电阻式传感器。

2、灵敏度测试

检测小的物体，如一张纸，一根羽毛和大米的压力对传感器灵敏度的影响，小物体被放置在由聚苯胺中空纳米球31制作柔性电子压力传感器的表面，结果表明即使在一个很小的外力作用下该传感器也具有超高灵敏度和快速的响应时间，表明本发明的柔性电子压力传感器具有极低的检测范围。

3、稳定性测试

在压力分别为100，500和1000Pa的情况下，传感器连续三次响应/恢复测试。结果表明传感器的灵敏度相近，无明显下降，表明该柔性电子压力传感器具有良好的稳定性。

4、温度检测的测试

当温度从100℃降至25℃时，观察柔性电子压力传感器的电流，作为判断对温度检测的依据，结果表明有良好的线性归一化电流变化温度关系，温度检测的灵敏度在0.08℃-1，优于传统的温度传感器。

本发明的聚苯胺中空纳米球31具有中空结构，而中空结构是一种典型的结构层次，其本质上是脆性的纳米结构材料，在能源领域上有着广泛的应用前景。

聚苯胺中空纳米球31为活性组分，它制成的复合压力传感膜3具有较低的弹性模量，拥有灵敏度高，且响应快、检测下限低等特点。另外，除压力响应外，该复合压力传感膜3对温度变化也有很好的响应。

这些优良的传感性能使得柔性电子压力传感器可以应用于监测人体信号、检查呼吸疾病和进行语音识别等等。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域熟练技术人员应当理解，这些仅是举例说明，可以对本实施方式做出多种变更或修改，而不背离本发明的原理和实质，本发明的保护范围仅由所附权利要求书限定。

Claims (8)

1.一种柔性电子压力传感器，其特征在于，包括若干个压力传感单元；所述压力传感单元由两片基板、相对设置于两片基板之间的两片电极，以及设置于两片电极之间的复合压力传感膜组成；所述基板的表面采用微图案处理设有荷叶微图案，且基板具有柔性、可伸缩特性；所述复合压力传感膜由若干聚苯胺中空纳米球和用于连接相邻聚苯胺中空纳米球的多壁碳纳米管组成；各压力传感单元利用等离子体处理机并采用电极像素处理以形成呈设定面积的传感器阵列。

2.根据权利要求1所述的柔性电子压力传感器，其特征在于，所述基板的厚度为30um。

3.根据权利要求1或2所述的柔性电子压力传感器，其特征在于，所述电极为黄金材质的金电极，所述金电极的厚度为50um。

4.一种权利要求1至3任一项所述柔性电子压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤S1，制备聚苯胺中空纳米球；

步骤S2，将聚苯胺中空纳米球与多壁碳纳米管按预设质量比混合分散到二甲基甲酰胺溶液中以得到第一混合物，干燥并去除所述步骤S2中的第一混合物中的二甲基甲酰胺得到第二混合物，旋涂所述第二混合物以形成复合压力传感膜；

步骤S3，将复合压力传感膜夹设于两片电极之间以组装成压力传感单元；

步骤S4，制造柔性且可伸缩的具有微型图案的基板；

步骤S5，将若干个由步骤S3制得的压力传感单元夹设于两片基板之间，利用等离子体处理机并采用电极像素处理以形成呈设定面积的传感器阵列。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中制备聚苯胺中空纳米球的具体步骤包括：

步骤S11，制备磺化聚苯乙烯纳米球粉末；

步骤S12，将苯胺单体吸附到磺化聚苯乙烯纳米球粉末上以制得第一混合溶液；

步骤S13，第一混合溶液经盐酸和过硫酸铵处理得到第二混合溶液，所述第二混合溶液采用冰浴和离心处理以获得深绿色聚苯胺包覆的聚苯乙烯纳米球粉末。

步骤S14，采用四氢呋喃溶解所述聚苯乙烯纳米球粉末以去除聚苯乙烯核，并通过离心处理以得到聚苯胺中空纳米球。

6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的预设质量比为5∶1。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S2中的第一混合物中还加入有聚偏氟乙烯混合溶液，以使得用于制备复合压力传感膜的膜具有良好的成膜性能。

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S4中制造柔性且可伸缩的具有微型图案的基板的具体步骤包括：

步骤S41，将固化剂与碱基单体充分混合，以制备聚二甲硅氧烷的预聚体，其中固化剂与碱基单体的重量比为10∶1；

步骤S42，将预聚体在室温下真空中脱气10分钟去除气泡，以得到聚二甲硅氧烷的混合溶液；

步骤S43，将混合溶液旋涂到荷叶叶面上，并在70℃下固化2小时以制得柔性且可伸缩的具有微型图案的基板，其中旋涂转速为400转/分钟。