CN108917995A - 一种柔性压阻传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明基于一种极其灵敏的金字塔式互锁结构的柔性压阻传感器，包括两个膜组件，所述膜组件由PDMS和涂覆在PDMS表面的rGO层构成，该膜组件正面具有金字塔阵列；两个膜组件正面相对，其表面的金字塔阵列相互嵌合，相互接触而导通的电路电阻。由于中间导电通路是由金字塔塔尖接触而导通的，因此即使受到非常微小的力，也会改变金字塔塔尖所形成的导电通路，因此，具有极高的灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性压阻传感器，属于电子器件领域。
背景技术
随着科技的发展，柔性压阻传感器在现代工业和民用领域发挥着越来越重要的作用，比如：大型国防设备狭小曲面层间压力测量、机器人指端触觉和电子皮肤研制等领域。导电高分子复合材料具有压阻特性和柔性，故而可用于制备柔性压阻传感器。但是，目前基于这种复合材料的传感器大多采用基于片状金属电极的三明治结构，金属电极占据了大部分压敏区域，降低了传感探头的柔性，使其无法应用于弯曲程度较大的场合。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足，提供一种柔性压阻传感器。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的：一种柔性压阻传感器，包括两个膜组件，所述膜组件由PDMS和涂覆在PDMS表面的rGO层构成，该膜组件正面具有金字塔阵列；两个膜组件正面相对，其表面的金字塔阵列相互嵌合。
进一步地，传感器的信号输出是通过两个铜电极实现的，铜电极通过银胶粘贴于rGO层，两个铜电极关于膜组件中心对称。
进一步地，两个膜组件封装在PDMS内。
进一步地，所述膜组件通过以下步骤制备得到：
(1)将正庚烷，乙酸乙酯，十八烷基三甲氧基硅氧烷按照体积比1000:50:20配置成溶液，将硅模板浸泡在该溶液中两小时，进行疏水处理。所述硅模板正面带有金字塔阵列结构；
(2)将PDMS与交联剂按质量比10:1比例混合均匀后，反复真空除气泡，旋涂在疏水处理后的硅模板表面。将涂有PDMS的硅模板放在鼓风干燥机中，60℃加热2小时。固化后，与硅模板水中剥离。
(3)对表面具有金字塔微结构的PDMS表面进行氧等离子处理，增加其表面亲水性。
(4)将具有金字塔微结构的PDMS反复涂抹rGO溶液。待溶液干燥后即可进行组装，以获得柔性压阻传感器。
进一步地，所述rGO溶液的浓度为1mg/ml。
进一步地，所述rGO层的厚度大约在500μm左右。
本发明的有益效果在于：本发明采用两个互锁的膜组件，且中间导电通路是由金字塔塔尖接触而导通的，因此即使受到非常微小的力，也会改变金字塔塔尖所形成的导电通路。而不同弯曲角度，不同按压力度都会形成不同的电阻变化，相比于现有的传感器，本发明在灵敏性方面有大大的提高。
附图说明
图1为本发明的结构展开图。
图2为金字塔微结构示意图；
图3为金字塔微结构示意图；
图4为本发明灵敏度测试图。
具体实施方式
如图1所示，一种柔性压阻传感器，包括两个膜组件，所述膜组件由PDMS和涂覆在PDMS表面的rGO层构成，该膜组件正面具有金字塔阵列；两个膜组件正面相对，其表面的金字塔阵列相互嵌合。上层rGo层电阻为R1,，下层rGO电阻层为R2，两者之间由金字塔微结构相互接触而导通的电路电阻为R3。由于中间导电通路是由金字塔塔尖接触而导通的，因此即使受到非常微小的力，也会改变金字塔塔尖所形成的导电通路。其具体过程如下，由于传感器受力而导致塔尖与相对rGO层相互接触的形状改变，塔尖形状改变导致导电通路的面积改变，继而改变R3电阻。这就是传感器高灵敏度的具体原理。而不同弯曲角度，不同按压力度都会形成不同的电阻变化，且具有较高的灵敏度，这就给传感器具体应用提供了可行性。
传感器的信号输出是通过两个铜电极实现的，铜电极通过银胶粘贴于rGO层，两个铜电极关于膜组件中心对称，有利于提高电信号的准确性
根据权利要求1所述的柔性压阻传感器，其特征在于，两个膜组件封装在PDMS内，保证两个膜组件紧密贴合，且避免rGO长期暴露空气中。
所述膜组件通过以下步骤制备得到：
(1)将正庚烷，乙酸乙酯，十八烷基三甲氧基硅氧烷按照体积比1000:50:20配置成溶液，将硅模板浸泡在该溶液中两小时，进行疏水处理。所述硅模板正面带有金字塔阵列结构；
(2)将PDMS与交联剂按质量比10:1比例混合均匀后，反复真空除气泡，旋涂在疏水处理后的硅模板表面。将涂有PDMS的硅模板放在鼓风干燥机中，60℃加热2小时。固化后，与硅模板水中剥离。
(3)对表面具有金字塔微结构的PDMS表面进行氧等离子处理，增加其表面亲水性。
(4)将具有金字塔微结构的PDMS反复涂抹rGO溶液。待溶液干燥后即可进行组装，以获得柔性压阻传感器。
作为优选的技术方案，所述rGO溶液的浓度为1mg/ml。所述rGO层的厚度大约500μm，有利于提高传感器的精度和灵敏度。
传感器的总电阻为：
R＝R1+R2+R3 (1)
式中R为传感器的总电阻，其中R1为上层rGO电阻，R2为接触面的电阻，R3为金字塔微结构电阻。详细示意如图2所示。
根据电阻定律将公式(1)改写为：
其中ρ2是接触面的电阻率，L2为接触面的长度，A2为接触面面积，ρ3为金字塔微结构表面电阻率，L3为金字塔微结构长度，D3为金字塔微结构表面涂层厚度，W3为金字塔微结构周长。详细示意如图3所示。
将公式(2)改写成：
传感器的电阻改变公式为：
R-R0＝ΔR (4)
其中R0为初始电阻，R为变形后电阻，ΔR为改变的电阻值。
因为
所以将公式(4)改写成：
将公式(5)化简得：
由公式(5)可见电阻值改变的量与接触面积，涂层厚度和金字塔微结构周长的改变量有关，而金字塔微结构的接触面积，涂层厚度和金字塔微结构周长可以成倍的改变，这也就解释了该传感器灵敏高的根本原因。
Claims (6)
1.一种柔性压阻传感器，其特征在于，包括两个膜组件，所述膜组件由PDMS和涂覆在PDMS表面的rGO层构成，该膜组件正面具有金字塔阵列；两个膜组件正面相对，其表面的金字塔阵列相互嵌合。
2.根据权利要求1所述的柔性压阻传感器，其特征在于，传感器的信号输出是通过两个铜电极实现的，铜电极通过银胶粘贴于rGO层，两个铜电极关于膜组件中心对称。
3.根据权利要求1所述的柔性压阻传感器，其特征在于，两个膜组件封装在PDMS内。
4.根据权利要求1所述的柔性压阻传感器，其特征在于，所述膜组件通过以下步骤制备得到：
(1)将正庚烷，乙酸乙酯，十八烷基三甲氧基硅氧烷按照体积比1000:50:20配置成溶液，将硅模板浸泡在该溶液中两小时，进行疏水处理。所述硅模板正面带有金字塔阵列结构；
(2)将PDMS与交联剂按质量比10:1比例混合均匀后，反复真空除气泡，旋涂在疏水处理后的硅模板表面。将涂有PDMS的硅模板放在鼓风干燥机中，60℃加热2小时。固化后，与硅模板水中剥离。
(3)对表面具有金字塔微结构的PDMS表面进行氧等离子处理，增加其表面亲水性。
(4)将具有金字塔微结构的PDMS反复涂抹rGO溶液。待溶液干燥后即可进行组装，以获得柔性压阻传感器。
5.根据权利要求4所述的柔性压阻传感器，其特征在于，所述rGO溶液的浓度为1mg/ml。
6.根据权利要求1所述的柔性压阻传感器，其特征在于，所述rGO层的厚度大约在500μm左右。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |
Application publication date: 20181130 |
|
| RJ01 | Rejection of invention patent application after publication |