CN108225625A - 柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

一种柔性压力传感器的制备方法，包括：制备圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜；对碳纳米管粉末进行预处理；制备预制碳纳米管薄膜；从所述预制碳纳米管薄膜剥离出碳纳米管薄膜；将所述碳纳米管薄膜风干；将所述碳纳米管薄膜置于所述圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜上，并在180‑220℃温度下加热20‑40分钟；制备半固化平滑PDMS薄膜；将所述半固化平滑PDMS薄膜贴合在所述碳纳米管薄膜和圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜上，并在70‑90℃温度下加热20‑30分钟，得到柔性压力传感器。还提供一种柔性压力传感器。上述柔性压力传感器精度较高、响应时间较短且不易受干扰。

Description

柔性压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于柔性压力传感器技术领域，特别涉及一种柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
近些年来，随着机器人领域的不断发展，越来越多的人开始关注机器人手的触觉感应的研究和开发。柔性压力传感器不仅是促进诸如医疗装置精确力反馈系统和人形机器人发展的必要装置，也是下一代可穿戴电子器件用于监测人体生理信号的重要部件。在实际使用过程中要求传感器透明、柔韧、延展、高灵敏度等特点，特别是工作环境在人体复杂不规则的皮肤表面。随着柔性基质材料的发展，满足上述特点的柔性压力传感器在此基础上应运而生。
随着信息时代的应用需求越来越高，对被测量信息的范围、精度和稳定情况等各性能参数的期望值和理想化要求逐步提高。可穿戴设备的传感器系统在一些运用上逐渐表现出其局限性，包括目前的传感器柔性不足，精度不高，感测范围小，响应滞后以及容易受到人体生理信号噪声的干扰等，造成穿戴不舒适、信号采集模糊和不完整、不精确等。
目前的柔性压力传感器制备方法主要有以下几种：
将聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)涂覆在丝绸上，PDMS得到与丝绸纹路相反的图案；通过渗漏的方法得到碳纳米管薄膜；将碳纳米管薄膜与图案化的PDMS贴合之后加热；在碳纳米管薄膜另一侧贴合一层光滑的PDMS薄膜；最后在薄膜两侧加上电极组成传感器，此压力传感器最小可以感测到0.1的压力，响应恢复时间在毫秒范围之内。
碳纳米管加入N-甲基吡咯烷酮中超声30分钟，离心30分钟；然后在200摄氏度下将其喷涂在硅片表面形成电极，将聚氨酯弹性体溶液旋涂在此电极上，之后将此电极转印到聚氨酯基底上；碳纳米管粉末和氯仿溶液超声20分钟后，加入聚-3-己基噻吩超声60分钟，离心20分钟，将处理后的碳纳米管混合聚氨酯后加入氯仿溶液中，将其旋涂到具有金字塔结构的PDMS模具上形成压阻聚合物；将碳纳米管电极层压在压阻金字塔的顶部，并在60℃下加热5分钟以确保良好的结合，然后将碳纳米管电极/压阻聚合物从模具中取出，在嵌入的PDMS中喷涂银纳米线形成压力传感器。由于金字塔的结构降低了有效模量并且集中了电场，从而提高了相对于非结构化膜的压阻特性，提高了传感器的灵敏度。
将EcoFlex的A与B以1:1的比例混合、脱泡，旋涂在3D打印或光刻制备的的三维模具上，静置4小时使EcoFlex完全晾干，撕下薄膜；另将EcoFlex在1100rpm转速下旋涂在一片光滑的基底上，得到厚度为1mm的Ecoflex薄膜，在60度的干燥箱中加热40秒；将已准备好的有图案的另一层薄膜覆盖在上面，在室温下干燥数小时到其完全干燥；用注射器将镓铟合金注入两层膜的通道中，通道的两端用EcoFlex密封。此方法可以得到在0-100KPa范围内，分辨率达到1KPa的柔性压力传感器。
将包含基础预聚物和交联剂(重量比10：1)的PDMS溶液涂覆在玻璃片上之后脱泡，将PDMS置于120度下加热1小时；用氧等离子体处理PDMS表面以形成亲水表层；将用化学气相沉积法得到的石墨烯转印到PDMS表面；使用光刻和反应离子蚀刻进行图案化；然后在对准器标记的引导下将两个通道垂直地层压。此方法得到的柔性压力传感器的感测范围为0-450KPa，最小可以感测到0.5KPa的压力，响应时间小于0.2s。
虽然上述传感器基本可以感测到外界施加的压力，但仍在存在以下一些不足：基于丝绸纹路微结构的压阻式压力传感器感测范围小，只适用于感测微小压力；基于小尺寸的金字塔微阵列结构的压力传感器的动态监测范围小，只适用于感测静态压力；基于微通道式的压力传感器传感精度不高，空间分辨率低，且会出现响应滞后的现象；基于PDMS的电容式压力传感器容易受到噪声干扰，需要更加复杂的电路来补偿或消除噪声干扰。
发明内容
基于此，有必要提供一种精度较高、响应时间较短且不易受干扰的柔性压力传感器及其制备方法。
一种柔性压力传感器的制备方法，包括：
将含有PDMS和交联剂的PDMS溶液涂覆在有圆锥形凹槽结构阵列的模具上，在70-90℃温度下加热30-60分钟，静置冷却至室温，将PDMS薄膜从模具上分离，得到圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜；
将碳纳米管粉末加入至氯化氢和过氧化氢的混合溶液中，并在55-65℃温度下加热3.5-4.5小时进行预处理；
将经过预处理后的碳纳米管粉末加入至二甲基甲酰胺溶液中，采用微孔过滤膜抽真空渗漏，在所述微孔过滤膜上形成预制碳纳米管薄膜；
将形成有所述预制碳纳米管薄膜的微孔过滤膜倾斜插入去离子水中，从所述预制碳纳米管薄膜剥离出碳纳米管薄膜；
将所述碳纳米管薄膜风干后，将所述碳纳米管薄膜置于所述圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜上，并在180-220℃温度下加热20-40分钟；
将含有PDMS和交联剂的PDMS溶液涂覆在旋涂在硅片上，并在70-90℃温度下加热20-30分钟，静置冷却到室温后，得到半固化平滑PDMS薄膜；
将所述半固化平滑PDMS薄膜贴合在所述碳纳米管薄膜和圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜上，并在70-90℃温度下加热20-30分钟，得到三明治结构的柔性压力传感器。
在其中一个实施例中，还包括：从所述柔性压力传感器的三明治结构的中间层两侧分别引出电极。
在其中一个实施例中，所述PDMS和交联剂的重量比为8：1～10：1。
在其中一个实施例中，所述圆锥形凹槽的深度为30～60μm，所述圆锥面的直径为30～60μm。
在其中一个实施例中，所述PDMS薄膜的厚度为150～250μm。
在其中一个实施例中，所述氯化氢和过氧化氢的体积比为2:1～3:1。
在其中一个实施例中，所述预制碳纳米管薄膜的厚度为100～300μm，所述碳纳米管薄膜的厚度为40-60nm。
一种如上所述的方法获得的柔性压力传感器，所述柔性压力传感器包括：
圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜；
碳纳米管薄膜，所述碳纳米管薄膜与所述PDMS薄膜表面贴合；及
置于所述碳纳米管层上的平滑PDMS薄膜。
在其中一个实施例中，所述PDMS薄膜的厚度为150～250μm，所述碳纳米管薄膜的厚度为40-60nm。
在其中一个实施例中，所述柔性压力传感器的三明治结构中间层的两侧分别设有电极。
在上述柔性压力传感器及方法中，圆锥形阵列微结构将不仅会使传感器对外界压力的响应时间缩短到100μs左右，还提升了传感器的线性度，并且最小可以感测到的压力达到1mN，基于锥形微阵列结构PDMS基底的柔性压力传感器具有良好的柔软性，生物相容性，无毒等特性，对人体或其他生物体皮肤表面无任何副作用，且具有较好与皮肤的贴服性。基于碳纳米管的传感部分，具有较高的空间分辨率、高灵敏和较强的抗噪声干扰能力等。同时，上述柔性压力传感器还具有低功耗的特点。上述的柔性压力传感器在柔性可穿戴设备、人造电子皮肤，介入式医疗机器人双向力反馈、柔体机器人等多领域应用中具有很大的应用前景。
附图说明
图1为一实施方式的柔性压力传感器的制备方法流程示意图；
图2为一实施方式的有圆锥形凹槽结构阵列的模具剖视结构示意图；
图3为一实施方式的有圆锥形凹槽结构阵列的模具结构示意图；
图4为一实施方试的柔性压力传感器结构示意图。
具体实施方式
下面结合实施方式及附图，对一种柔性压力传感器及其制备方法作进一步的详细说明。
请参阅图1，一实施方式的柔性压力传感器的制备方法，包括：
S110、将含有PDMS和交联剂的PDMS溶液涂覆在有圆锥形凹槽结构阵列的模具(如图2、3所示)上，在70-90℃温度下加热30-60分钟，静置冷却至室温，将PDMS薄膜从模具上分离，得到圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜。
采用圆锥形凹槽结构阵列的模具获得的圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜，在受到外界压力时，相比没有该形状结构或者其他形状的阵列，圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜变形非常均匀，线性度良好。
在一实施方式中，PDMS和交联剂的重量比为8：1～10：1。优选地，PDMS和交联剂的重量比为10：1。采用的交联剂使得PDMS可以固化即可。
在一实施方式中，圆锥形凹槽的深度为30～60μm，所述圆锥面的直径为30～60μm。优选地，圆锥形凹槽的深度为50μm，所述圆锥面的直径为50μm。
在一实施方式中，PDMS薄膜的厚度为150～250μm。优选地，PDMS薄膜的厚度为200μm。
S120、将碳纳米管粉末加入至氯化氢和过氧化氢的混合溶液中，并在55-65℃温度下加热3.5-4.5小时进行预处理。
通过上述预处理使碳纳米管粉末更加分散，这样在下一步骤的抽真空渗漏得到的碳纳米管薄膜更均匀。
在一实施方式中，氯化氢和过氧化氢的体积比为2:1～3:1。优选地，氯化氢和过氧化氢的体积比为3:1。
S130、将经过预处理后的碳纳米管粉末加入至二甲基甲酰胺溶液中，采用微孔过滤膜抽真空渗漏，在所述微孔过滤膜上形成预制碳纳米管薄膜。
在一实施方式中，预制碳纳米管薄膜的厚度为100～300μm。
S140、将形成有所述预制碳纳米管薄膜的微孔过滤膜倾斜插入去离子水中，从所述预制碳纳米管薄膜剥离出碳纳米管薄膜；
在一实施方式中，碳纳米管薄膜的厚度为40-60nm。优选地，碳纳米管薄膜的厚度为50nm。
S150、将所述碳纳米管薄膜风干后，将所述碳纳米管薄膜置于所述圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜上，并在180-220℃温度下加热20-40分钟；
S160、将含有PDMS和交联剂的PDMS溶液涂覆在旋涂在硅片上，并在70-90℃温度下加热20-30分钟，静置冷却到室温后，得到半固化平滑PDMS薄膜。
未固化后的PDMS薄膜具有粘性，可以更好地与为了与碳纳米管薄膜和圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜粘合到一起。
S170、将所述半固化平滑PDMS薄膜贴合在所述碳纳米管薄膜上，并在70-90℃温度下加热20-30分钟形成三明治结构，即柔性压力传感器。
在一实施方式中，还包括柔性压力传感器的三明治结构中间层的两侧引出电极。
上述的步骤并不用于限定本申请的柔性压力传感器制备方法的先后顺序，在本实施例中，先制备圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜、然后制备碳纳米管薄膜，再制备平滑PDMS薄膜，再将三者层叠得到柔性压力传感器。在其他实施例中，也可以调换三者的制备顺序，最后将三者层叠得到柔性压力传感器。
请参阅图4，一实施方式的柔性压力传感器，包括：依次层叠的圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜、碳纳米管薄膜，平滑PDMS薄膜。碳纳米管薄膜与PDMS薄膜表面贴合；平滑PDMS薄膜置于碳纳米管层上。该柔性压力传感器采用上述制备方法获得。具体方法已经详述，不再赘述。
在一实施方式中，PDMS薄膜的厚度为150～250μm。
在一实施方式中，碳纳米管薄膜的厚度为40-60nm。
在一实施方式中，柔性压力传感器三明治结构中间层的碳纳米管薄膜两侧分别设有电极。
在上述柔性压力传感器及方法中，圆锥形阵列微结构将不仅会使传感器对外界压力的响应时间缩短到100μs左右，还提升了传感器的线性度，并且最小可以感测到的压力达到1mN，基于锥形微阵列结构PDMS基底的柔性压力传感器具有良好的柔软性，生物相容性，无毒等特性，对人体或其他生物体皮肤表面无任何副作用，且具有较好与皮肤的贴服性。基于碳纳米管的传感部分，具有较高的空间分辨率、高灵敏和较强的抗噪声干扰能力等。同时，上述柔性压力传感器还具有低功耗的特点。上述的柔性压力传感器在柔性可穿戴设备、人造电子皮肤，介入式医疗机器人双向力反馈、柔体机器人等多领域应用中具有很大的应用前景。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。

Claims (10)

1.一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：
将含有PDMS和交联剂的PDMS溶液涂覆在有圆锥形凹槽结构阵列的模具上，在70-90℃温度下加热30-60分钟，静置冷却至室温，将PDMS薄膜从模具上分离，得到圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜；
将碳纳米管粉末加入至氯化氢和过氧化氢的混合溶液中，并在55-65℃温度下加热3.5-4.5小时进行预处理；
将经过预处理后的碳纳米管粉末加入至二甲基甲酰胺溶液中，采用微孔过滤膜抽真空渗漏，在所述微孔过滤膜上形成预制碳纳米管薄膜；
将形成有所述预制碳纳米管薄膜的微孔过滤膜倾斜插入去离子水中，从所述预制碳纳米管薄膜剥离出碳纳米管薄膜；
将所述碳纳米管薄膜风干后，将所述碳纳米管薄膜置于所述圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜上，并在180-220℃温度下加热20-40分钟；
将含有PDMS和交联剂的PDMS溶液涂覆在旋涂在硅片上，并在70-90℃温度下加热20-30分钟，静置冷却到室温后，得到半固化平滑PDMS薄膜；
将所述半固化平滑PDMS薄膜贴合在所述碳纳米管薄膜和圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜上，并在70-90℃温度下加热20-30分钟，得到三明治结构的柔性压力传感器。
2.根据权利要求1所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，还包括：从所述柔性压力传感器的三明治结构的中间层两侧分别引出电极。
3.根据权利要求1所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述PDMS和交联剂的重量比为8：1～10：1。
4.根据权利要求1所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述圆锥形凹槽的深度为30～60μm，所述圆锥面的直径为30～60μm。
5.根据权利要求1所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述PDMS薄膜的厚度为150～250μm。
6.根据权利要求1所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述氯化氢和过氧化氢的体积比为2:1～3:1。
7.根据权利要求1所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述预制碳纳米管薄膜的厚度为100～300μm，所述碳纳米管薄膜的厚度为40-60nm。
8.一种根据权利要求1所述的方法获得的柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性压力传感器包括：
圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜；
碳纳米管薄膜，所述碳纳米管薄膜与所述PDMS薄膜表面贴合；及
置于所述碳纳米管层上的平滑PDMS薄膜。
9.根据权利要求8所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述PDMS薄膜的厚度为150～250μm，所述碳纳米管薄膜的厚度为40-60nm。
10.根据权利要求8所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性压力传感器的三明治结构中间层的两侧分别设有电极。
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