CN109668580A - 压力敏感薄膜、传感器、传感器阵列及各自的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种压力敏感薄膜、传感器和传感器阵列及各自的制备方法，上述压力敏感薄膜内至少具有两种不同尺寸的多个闭孔，所述闭孔内具有气体，自所述压力敏感薄膜底部向上，沿垂直所述压力敏感薄膜的厚度方向，所述闭孔的尺寸逐渐增大。上述压力敏感薄膜的传感灵敏度提高。

Description

压力敏感薄膜、传感器、传感器阵列及各自的制备方法

技术领域

本发明涉及压力传感器技术领域，尤其涉及一种压力敏感薄膜、压力传感器、传感器阵列及各自的制备方法。

背景技术

近年来，随着可穿戴产品的迅速发展，柔性传感器组件成为研究人员探索的热点课题之一。其中，柔性压力传感器尤其收到广泛的关注，在包括人工电子皮肤、柔性触屏、智能机器人及医疗健康领域具有非常广阔的市场前景。

目前，对柔性压力传感器的研究可基于多种工作原理，主要包括电容式、电阻式、压电式和薄膜晶体管式。作为可穿戴设备中重要组成部件的压力传感器，提出了高的要求：包括可弯曲性、可拉伸性、高灵敏度、快速响应以及与人体的兼容性。为提高传感器的灵敏性，目前的技术是采用微结构的硅片为模板，在硅片上形成薄膜后再剥离的方法得到表面具有微结构的敏感层。

但这种方法存在以下弊端：(1)模板的使用增加了工艺的成本；(2)薄膜表面形成的微结构极容易形变，只能在微小的压强范围内有较高的灵敏度。

因此，如何提高敏感层微小的压强范围内的灵敏性，并能够在较大的压强范围保持足够的灵敏度是目前急需解决的问题。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种压力敏感薄膜、传感器和传感器阵列及各自的制备方法，提高压力传感器的灵敏度。

为了解决上述问题，本发明提供了一种压力敏感薄膜，所述压力敏感薄膜内至少具有两种不同尺寸的多个闭孔，所述闭孔内具有气体，自所述压力敏感薄膜底部向上，沿垂直所述压力敏感薄膜的厚度方向，所述闭孔的尺寸逐渐增大。

可选的，所述闭孔的尺寸范围为0.01mm～1.5mm。

本发明的技术方案还提供一种压力敏感薄膜的制备方法，包括：提供第一底板和第二底板；在所述第一和第二底板上涂布分离层；在所述第一和第二底板分离层的边缘形成支撑条；在所述第一底板表面涂布混合均匀的薄膜制备材料，所述薄膜制备材料的厚度和支撑条厚度相同，所述薄膜制备材料包括发泡材料和热固化弹性材料；在所述薄膜制备材料上方覆盖第二底板，将两个底板上的支撑条对齐并贴合，使得所述薄膜制备材料位于所述第一底板和第二底板之间，且所述薄膜制备材料与所述第二底板之间有间隙；对所述薄膜制备材料进行加热形成压力敏感薄膜，加热过程中，发泡材料产生气体随着热固化弹性材料的固化，在所述压力敏感薄膜内形成至少具有两种不同尺寸的多个闭孔；将压力敏感薄膜从第一底板和第二底板之间分离。

可选的，所述发泡材料和热固化弹性材料的质量比为1:10～3:10。

可选的，所述薄膜制备材料还包括导电材料，所述导电材料和所述热固化弹性材料的质量比为1:20～2:5。

可选的，所述导电材料包括导电聚合物、碳基导电物、金属、金属氧化物、金属纳米线、金属以及金属氧化物纳米颗粒中的至少一种；其中，所述导电聚合物包括pH值酸性或中性的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺、聚噻吩以及聚吡咯中的至少一种，所述碳基导电物包括单层或多层石墨烯、石墨、炭黑、单壁以及多壁碳纳米管中的至少一种，所述金属包括金、银、铜、铝以及镍中的至少一种，所述金属氧化物包括氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物中的至少一种。

可选的，所述分离层材料为含氟聚合物或是易溶解聚合物，所述含氟聚合物包括聚四氟乙烯、全氟辛基三氯硅烷以及全氟已基三氯硅烷中的至少一种，所述易溶解聚合物包含水、醇类、酯类或酮类溶剂可溶解的聚合物。

本发明的技术方案还提供一种压力传感器，包括：包括上衬底、下衬底、以及位于所述上衬底表面的上电极、下衬底表面的下电极、以及位于所述上电极和下电极之间的压力敏感薄膜。

本发明的技术方案还提供一种压力传感器的制备方法，包括：提供上电极和下电极；在上电极和下电极中的任一电极表面涂布压力敏感薄膜制备材料，所述压力敏感薄膜制备材料包括发泡材料和热固化弹性材料；将另一电极覆盖于所述压力敏感薄膜制备材料上方，所述压力敏感薄膜制备材料与所述另一电极之间有空隙；对所述压力敏感薄膜制备材料进行加热形成压力敏感薄膜，加热过程中，发泡材料产生气体随着热固化弹性材料的固化，在所述压力敏感薄膜内形成至少具有两种不同尺寸的多个闭孔。

可选的，还包括：提供第一底板和第二底板，所述上电极形成于第一衬底表面，所述下电极形成于第二衬底表面；将所述第一衬底背面贴于第一底板表面，将所述第二衬底背面贴于第二底板表面；在上电极边缘和下电极边缘均形成支撑条；在所述上电极和下电极中的任一电极表面涂布薄膜制备材料之后，将两个底板上的支撑条对齐并贴合，使得压力敏感薄膜制备材料位于所述上电极和下电极之间；所述压力敏感薄膜形成后将传感器从第一底板和第二底板之间分离。

本发明的技术方案还提供一种压力传感器阵列，包括：多个压力传感器，所述压力传感器按阵列排列；位于同一行的所述压力传感器的上电极相互连接为上电极线；位于同一列的所述压力传感器的下电极相互连接为下电极线。

本发明的技术方案还提供一种压力传感器阵列的制备方法，包括：提供第一底板和第二底板，所述第一底板上具有第一衬底，所述第一衬底表面形成有多个平行排列的上电极线，所述第二底板上具有第二衬底，所述第二衬底表面形成有多个平行排列的下电极线，所述上电极线和下电极线呈90度交叉排列；在所述传感器阵列区域边缘的所述上电极线和下电极线的外侧边缘形成支撑条；在任一电极线表面涂布压力敏感薄膜制备材料；将两个底板上的支撑条对齐并贴合，使得压力敏感薄膜制备材料位于所述上电极线和下电极线之间，所述压力敏感薄膜制备材料与所述另一电极之间有空隙；对所述压力敏感薄膜制备材料进行加热形成压力敏感薄膜，加热过程中，发泡材料产生气体随着热固化弹性材料的固化，在所述压力敏感薄膜内形成至少具有两种不同尺寸的多个闭孔，所述压力敏感薄膜形成后将传感阵列从第一底板和第二底板之间分离。

本发明的压力传感器的压力敏感薄膜中存在不同尺寸的闭孔并且大尺寸闭孔位于压力敏感薄膜上层，靠近传感器的受力面，传感器受力时上层大尺寸的闭孔易发生形变，增大了传感器在微小压力下的灵敏性，并对于受力点周围具有较小的串扰，增强传感阵列对受力点的分辨能力；由于压力敏感薄膜底层存在较小尺寸闭孔，传感器具有大压强范围内较高的灵敏度；压力敏感薄膜受力时闭孔发生形变，内部的气体收到挤压，在撤销压力时闭孔内的气体膨胀使闭孔快速恢复原有的形状，减少了压力敏感薄膜的形变恢复时间。相比于分别制备不同尺寸闭孔的压力敏感薄膜再进行组合的方式，一步法直接形成具有不同尺寸的闭孔的压力敏感薄膜的工艺方法简单；将压力敏感薄膜直接制备在电极之间，免除了压力敏感薄膜分离以及和电极贴合的工艺步骤，进一步降低了压力传感器和传感阵列的工艺复杂程度。

附图说明

图1为本发明一具体实施方式的压力传感器的结构示意图；

图2至图8为本发明一具体实施方式的压力传感器的形成过程的结构示意图；

图9为本发明一具体实施方式的压力传感器阵列的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明提供的压力敏感薄膜、传感器和传感器阵列及各自的制备方法的具体实施方式做详细说明。

请参考图1，为本发明一具体实施方式提供的压力敏感薄膜以及具有所述压力敏感薄膜的压力传感器的结构示意图。

所述压力敏感薄膜102内至少具有两种不同尺寸的多个闭孔1021，所述闭孔1021内具有气体，自所述压力敏感薄膜底部向上，沿垂直所述压力敏感薄膜的厚度方向，所述闭孔1021的尺寸逐渐增大。

所述闭孔1021的尺寸在0.01mm～1.5mm之间分布，可以根据压力传感器的尺寸大小，对所述闭孔1021的尺寸分布进行调整。所述闭孔1021可以为椭球形、球形或其他中空结构。所述尺寸为闭孔1021壁上两点之间的最大长度。例如，当所述闭孔1021形状为球形时，所述闭孔1021的尺寸为直径；当所述闭孔1021为椭球形时，所述闭孔1021的尺寸为长轴直径。

该具体实施方式中，所述压力敏感薄膜102中的闭孔1021分布于所述压力敏感薄膜内的上下两层空间内，上层空间a内的闭孔1021a尺寸范围为0.5mm～1.5mm，下层空间b内闭孔1021b尺寸范围为0.01mm～0.4mm。所述上层空间a的厚度小于下层空间b的厚度。

所述压力敏感薄膜102可以由热固化弹性材料和发泡材料均匀混合后经加热固化后形成。所述的热固化弹性材料可以包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨基甲酸酯(PU)以及铂催化硅胶(Ecoflex)中的至少一种。所述的发泡材料可以包括偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、甲苯磺酰肼、氧化双(苯磺酷)肋、碳酸钠、碳酸氢钠以及碳酸氢铵中的至少一种，所述的发泡材料在受热后在混合材料内部产生气体，从而形成充满气体的闭孔。上述具体实施方式中，所述压力敏感薄膜102为介电绝缘材料。

所述压力敏感薄膜102还可以由热固化弹性材料、发泡材料和导电材料均匀混合后经加热固化后形成。所述的导电材料可以是导电聚合物、碳基导电物、金属、金属氧化物、金属纳米线、金属或者金属氧化物纳米颗粒等导电材料。其中，所述导电聚合物可以包括pH值为酸性或中性的聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺、聚噻吩以及聚吡咯等，所述碳基导电物可以为单层或多层石墨烯、石墨、炭黑、单壁或多壁碳纳米管等，所述金属可以为金、银、铜、铝或镍等，所述金属氧化物可以为氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物等。所述导电材料可以与压力传感器的上下电极材料相同。

所述压力敏感薄膜102内的导电材料能够增加压力敏感薄膜102的有效介电常数，在相同压强下能够增加传感器的电容变化量，从而提高传感器的灵敏性。并且，当导电材料的比例增加到一定程度，所述压力敏感薄膜102由绝缘材料变成导电材料，若所述导电材料具有压阻效应，此时传感器由电容型转变成电阻型。

该具体实施方式的压力传感器包括所述压力敏感薄膜102，以及下电极101、上电极103，所述压力敏感薄膜102位于所述上电极103和所述下电极101之间。所述压力敏感薄膜102内的闭孔1021沿所述下电极101至上电极103的方向，尺寸逐渐增大。较大尺寸的闭孔1021a靠近上电极103，较小尺寸的闭孔1021b靠近下电极101。

所述下电极101和上电极103的材料可以为导电聚合物、碳基导电物、金属、金属氧化物、金属纳米线、金属纳米颗粒或者金属氧化物纳米颗粒等导电材料。其中，所述导电聚合物可以包括pH值为酸性或中性的聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺、聚噻吩以及聚吡咯等，所述碳基导电物可以为单层或多层石墨烯、石墨、炭黑、单壁或多壁碳纳米管等，所述金属可以为金、银、铜、铝或镍等，所述金属氧化物可以为氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物等。在该具体实施方式中，所述下电极101和上电极103的材料相同；在本发明的其他具体实施方式中，所述下电极101和上电极103也可以分别采用不同的材料。

该具体实施方式中，所述上电极103形成于第一衬底104表面，所述下电极101形成于第二衬底100表面。所述第一衬底104和第二衬底100作为所述压力传感器的承载底板。所述第二衬底100和第一衬底104的材料可以包括玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)以及聚氨基甲酸酯(PU)中的至少一种。

以上具体实施方式中的第一衬底作为传感器的受力面，由于压力敏感薄膜内靠近上电极处的闭孔尺寸较大，传感器受力时上层大尺寸的闭孔易发生形变，增大了传感器在微小压力下的灵敏性；进一步的，由于压力敏感薄膜底层存在较小尺寸闭孔，使得传感器在大压强范围内依旧具有较高的灵敏度；压力敏感薄膜受力时闭孔发生形变，内部的气体收到挤压，在撤销压力时闭孔内的气体膨胀使闭孔快速恢复原有的形状，减少了弹性薄膜的形变恢复时间，从而提高了压力传感器的灵敏度和可靠性。

请参考图2，为本发明一具体实施方式的压力传感器的形成过程的流程示意图，包括步骤S201～S204。

步骤S201：提供上电极103和下电极101(请参考图3和图4)。

所述上电极402形成于第一衬底401表面，所述下电极302形成于第二衬底301表面。

所述第一衬底401和第二衬底301作为所述压力传感器的承载底板。所述第二衬底301和第一衬底401的材料可以包括玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)以及聚氨基甲酸酯(PU)中的至少一种。

所述下电极302和上电极402的材料可以为导电聚合物、碳基导电物、金属、金属氧化物、金属纳米线、金属纳米颗粒或者金属氧化物纳米颗粒等导电材料。其中，所述导电聚合物可以包括pH值为酸性或中性的聚(3，4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺、聚噻吩以及聚吡咯等，所述碳基导电物可以为单层或多层石墨烯、石墨、炭黑、单壁或多壁碳纳米管等，所述金属可以为金、银、铜、铝或镍等，所述金属氧化物可以为氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物等。在该具体实施方式中，所述下电极302和上电极402的材料相同；在本发明的其他具体实施方式中，所述下电极302和上电极402也可以分别采用不同的材料。

可以通过在第一衬底401和第二衬底301表面分别沉积电极材料层后，对所述电极材料层进行图形化，形成位于第一衬底401表面的上电极402，以及形成位于第二衬底301表面的下电极302。

在本发明的具体实施方式中，利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对第一衬底401和第二衬底301进行超声清洗，清洗后干燥，采用氧等离子体或紫外光/臭氧处理衬底表面；然后采用真空蒸镀、磁控溅射、旋涂、喷涂、刮涂或凹版印刷等方式在第一衬底401和第二衬底301上分别制备所述上电极402和下电极302。

为了便于在后续形成压力传感器的过程中，对所述压力传感器进行固定和操作，还可以准备两块大小一致、表面平整的底板，分别为第一底板400和第二底板300；将制备好电极的第一衬底401和第二衬底301分别贴合到所述第一底板400和第二底板300表面，并分别在下电极302边缘形成下支撑条303，在上电极402周围形成高度一致的上支撑条403。所述下支撑条303和上支撑条403可以是窄条形状的玻璃、PMMA或其他硬质材料，通过粘胶粘贴方式贴于电极边缘。该具体实施方式中，所述下支撑条303和上支撑条403分别形成与下电极302和上电极402表面，在其他具体实施方式中，也可以在电极两侧的衬底上形成支撑条。所述上支撑条403和所述下支撑条402的高度范围可以为0.5mm～1.2mm。

步骤S202：在上电极402和下电极302中的任一电极表面涂布薄膜制备材料500(请参考图5)，所述薄膜制备材料包括发泡材料和热固化弹性材料。

该具体实施方式中，在下电极302上涂布薄膜制备材料500。

分别称取热固化弹性材料和发泡材料并混合均匀，或是称取热固化弹性材料、发泡材料和导电材料，将三者混合并搅拌均匀，形成薄膜制备材料。

将混合后的薄膜制备材料倾倒到第二底板300上的下电极302表面，并固定到刮涂设备上，刮刀和下电极302边缘的下支撑条303接触，利用刮涂的方式将薄膜制备材料500均匀涂布到所述下电极302表面。通过所述下支撑条303可以限制刮刀的涂布范围，将薄膜制备材料500限制在下电极302表面，通过所述下支撑条303的高度，控制所述薄膜制备材料500的涂布厚度，涂布后的薄膜制备材料500表面与下支撑条303的顶部齐平。在其他具体实施方式中，也可以不设置所述下支撑条303，直接采用刮刀进行涂布。刮涂速率可以为2mm/s～40mm/s。

所述发泡材料用于在后续的加热固化过程中产生气体，从而形成闭孔。为了控制后续形成的压力敏感薄膜内的闭孔数量和尺寸，需要对所述发泡材料的比例进行控制。在一个具体实施方式中，所述发泡材料和热固化弹性材料的质量比为1:10～3:10。

所述薄膜制备材料还可以进一步包括导电材料，所述热固化弹性材料和导电材料的质量比为20:1～5:2。

步骤S203：将另一电极覆盖于所述薄膜制备材料500上方(请参考图6)。

将所述第一底板400上的上支撑条403与所述第二底板300上的下支撑条303对齐并贴合，使得薄膜制备材料500位于所述上电极402和下电极302之间。

由于所述第一底板400的上电极402边缘也形成有上支撑条403，使得所述薄膜制备材料500与所述上电极402之间具有一定的空隙。由于所述薄膜制备材料500包括发泡材料，在后续加热过程中，会发生膨胀，填充满与上电极402之间的空隙。可以通过所述上支撑条403的高度设置，调整所述上电极402与所述薄膜制备材料500之间的空隙高度。

步骤S204：对所述薄膜制备材料500(请参考图6)进行加热形成压力敏感薄膜700(请参考图7)，加热过程中，发泡材料产生气体随着热固化弹性材料的固化，在所述压力敏感薄膜700内形成至少具有两种不同尺寸的多个闭孔701(请参考图7)。

固定所述第一底板400和第二底板300间的相对位置和高度，并将其整体转移至加热台上加热，薄膜制备材料500和上电极402间的空隙利用固化弹性材料包裹发泡材料受热膨胀进行填充。所述薄膜制备材料500加热发泡会向上顶上所述第一底板400，因此需要固定，可以使用夹具固定两个底板，或是在第一底板400表面均匀施加大的压力进行固定。

发泡材料受热产生气体到达压力敏感薄膜700顶部，形成大尺寸的闭孔701；而随着弹性材料受热固化的加剧，剩余产生气体在固化弹性材料中产生尺寸较小的气泡，主要分布在压力敏感薄膜700的下层，最终形成具有沿压力敏感薄膜700底部至顶部尺寸逐渐增大的多个闭孔701的压力敏感薄膜700。

在本发明的具体实施方式中，既要避免温度过高导致固化速率过快，产生的气体来不及形成较大气泡而无法形成较大尺寸的闭孔；也要避免温度过低导致固化速率过低，导致产生的气体均发生融合产生较大气泡而无法形成尺寸较小的闭孔。在一个具体实施方式中，所述加热的温度可以控制为80～120℃。

请参考图8，所述压力敏感薄膜700形成之后，去除所述第一底板400和所述第二底板300(请参考图7)。

通过对传感器四周边沿进行裁剪，去除支撑条和多余的衬底及电极。

该具体实施方式中，通过一步法直接形成具有不同尺寸闭孔的压力敏感薄膜的工艺方法简单，将所述压力敏感薄膜直接制备在上下电极之间，免除了压力敏感薄膜分离以及电极贴合的工艺步骤，可以进一步降低压力传感器和传感阵列的工艺复杂程度。

在其他具体实施方式中，也可以通过上述固化加热的方式在两个底板之间单独形成压力敏感薄膜之后，再将压力敏感薄膜剥离，进行电极贴合，形成压力传感器。具体的，单独形成压力敏感薄膜的方法包括：提供第一底板和第二底板；在所述第一和第二底板上涂布分离层；在所述第一和第二底板上的分离层边缘形成支撑条；在所述第一底板表面涂布混合均匀的薄膜制备材料，所述薄膜制备材料的厚度和支撑条厚度相同，所述薄膜制备材料包括发泡材料和热固化弹性材料；在所述薄膜制备材料上方覆盖第二底板，将两个底板上的支撑条对齐并贴合，使得所述薄膜制备材料位于所述第一底板和第二底板之间，且所述薄膜制备材料与所述第二底板之间有间隙；对所述薄膜制备材料进行加热形成压力敏感薄膜，加热过程中，发泡材料产生气体随着热固化弹性材料的固化，在所述压力敏感薄膜内形成至少具有两种不同尺寸的多个闭孔；将压力敏感薄膜从第一底板和第二底板之间分离。所述分离层材料为含氟聚合物或是易溶解聚合物，所述含氟聚合物包括聚四氟乙烯、全氟辛基三氯硅烷以及全氟已基三氯硅烷中的至少一种，所述易溶解聚合物包含水、醇类、酯类或酮类溶剂可溶解的聚合物。通过溶解所述分离层将压力敏感薄膜从第一底板和第二底板之间分离。

本发明的具体实施方式还提供一种包括多个上述压力传感器的传感器阵列。

请参考图9，为本发明一具体实施方式的传感器阵列的结构示意图。

所述传感器阵列包括多个如上述具体实施方式中所述的压力传感器900，所述压力传感器900按阵列排列，具体的沿相互垂直的行、列分布。位于同一行的所述压力传感器900的上电极相互连接为上电极线901；位于同一列的所述压力传感器900的下电极相互连接为下电极线902。

所述上电极线901和下电极线902之间的压力敏感薄膜903为整体膜层，位于各个压力传感器900的上电极和下电极之间。

所述上电极线901形成于第一衬底904表面，所述下电极线902形成于第二衬底905表面。所述上电极线901与所述下电极线902的长度方向相互垂直，呈90度交叉排列。

本发明的具体实施方式还提供一种上述压力传感器阵列的制备方法，包括：

提供第一底板和第二底板，所述第一底板上具有第一衬底，所述第一衬底表面形成有多个平行排列的上电极线，所述第二底板上具有第二衬底，所述第二衬底表面形成有多个平行排列的下电极线。所述上电极线之间尺寸一致、间距一致，所述下电极线之间尺寸一致、间距一致。

在所述传感器阵列区域边缘的上电极线和下电极线的外侧边缘形成支撑条，在另一电极线的宽度反向的两侧形成支撑条。所述支撑条位于阵列区域边缘，便于后续通过裁切方式去除。在本发明的具体实施方式中，其中一底板上的支撑条沿电极线的长度方向设置，另一底板上的支撑条沿宽度方向设置。

在任一电极线表面涂布薄膜制备材料；将两个底板上的支撑条对齐并贴合，使得薄膜制备材料位于所述上电极线和下电极线之间；对所述薄膜制备材料进行加热形成压力敏感薄膜，加热过程中，发泡材料产生气体随着热固化弹性材料的固化，在所述压力敏感薄膜内形成至少具有两种不同尺寸的多个闭孔；去除所述第一底板和第二底板，得到压力传感器阵列。所述压力敏感薄膜形成后将传感阵列从第一底板和第二底板之间分离。

由于所述压力传感器阵列的压力敏感薄膜顶部的闭孔尺寸较大，在受力时易发生形变，增大了传感器阵列在微小压力下的灵敏性，且对于受力点周围具有较小的串扰，从而可以增强所述传感器阵列对受力点的分辨能力。

以下为几个实施例，进一步说明压力传感器的形成过程。

实施例1

通过下列具体步骤完成所述压力传感器：

(1)利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对苯二甲酸乙二醇酯(PET)衬底进行超声清洗，清洗后干燥，采用氧等离子体或紫外光/臭氧处理衬底表面；(2)采用真空蒸镀的方式在衬底上制备铝电极；

(3)准备两块大小一致、表面平整的底板，将制备好电极的衬底分别贴合到底板表面，并分别在电极两侧贴上高度为1.1mm的玻璃支撑条；

(4)称取聚二甲基硅氧烷的预聚物，按与聚二甲基硅氧烷的预聚物质量比为10:2称取发泡材料并混合均匀，按与聚二甲基硅氧烷的预聚物质量比为10:1称取二甲基硅氧烷固化剂并混合均匀；

(5)将混合材料倾倒到其中一个底板上的电极表面，并固定到刮涂设备上，刮刀和电极两侧的支撑条接触，采用速度为2mm/s的刮涂方式将混合材料均匀涂布到电极表面；

(6)将另一个底板上的支撑条与第一个底板表面的支撑条对齐并贴合，使混合材料处在两个衬底上的电极之间。

(7)固定两个底板间的相对位置和高度，并将其整体转移至加热台上100度加热，混合材料和上电极间的空隙利用弹性材料包裹发泡材料受热产生的气体形成的气泡进行填充，形成大尺寸的闭孔结构，而随着弹性材料受热固化的加剧，剩余少量的空隙由产生气体在弹性材料中产生的尺寸较小的气泡填充并主要分布在敏感层的下层，最终形成双层不同尺寸的闭孔的敏感层。

(8)剥离上下两层底板，得到所需的压力传感器。

实施例2

通过下列具体步骤完成所述压力传感器：

(1)利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对苯二甲酸乙二醇酯(PET)衬底进行超声清洗，清洗后干燥，采用氧等离子体或紫外光/臭氧处理衬底表面；(2)采用磁控溅射的方式在衬底上制备氧化铟锡电极；

(3)准备两块大小一致、表面平整的底板，将制备好电极的衬底分别贴合到底板表面，并分别在电极两侧贴上高度为1.1mm的玻璃支撑条；

(4)称取聚二甲基硅氧烷预聚物，按与聚二甲基硅氧烷预聚物的质量比为10:2称取发泡材料并混合均匀，按与聚二甲基硅氧烷预聚物的质量比为10:1称取二甲基硅氧烷固化剂并混合均匀，按与预聚物的质量比为10:1称取炭黑并混合均匀；

(5)将混合材料倾倒到其中一个底板上的电极表面，并固定到刮涂设备上，刮刀和电极两侧的支撑条接触，采用速度为20mm/s的刮涂方式将混合材料均匀涂布到电极表面；

(6)将另一个底板上的支撑条与第一个底板表面的支撑条对齐并贴合，使混合材料处在两个衬底上的电极之间。

(7)固定两个底板间的相对位置和高度，并将其整体转移至加热台上100度加热，混合材料和上电极间的空隙利用弹性材料包裹发泡材料受热产生的气体形成的气泡进行填充，形成大尺寸的闭孔结构，而随着弹性材料受热固化的加剧，剩余少量的空隙由产生气体在弹性材料中产生的尺寸较小的气泡填充并主要分布在敏感层的下层，最终形成双层不同尺寸的闭孔的敏感层。

(8)剥离上下两层底板，得到所需的压力传感器。

实施例3

通过下列具体步骤完成所述压力传感器：

(1)利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对苯二甲酸乙二醇酯(PET)衬底进行超声清洗，清洗后干燥，采用氧等离子体或紫外光/臭氧处理衬底表面；(2)采用磁控溅射的方式在衬底上制备氧化铟锡电极；

(3)准备两个大小一致、表面平整的底板，将制备好电极的衬底分别贴合到底板表面，其中一个沿条状电极的长度方向在两侧贴上高度为0.7mm的支撑条，另一个沿条状电极的宽度方向在两侧贴上0.7mm的支撑条；

(4)称取Ecoflex的A组分，按与Ecoflex的A组分质量比为5:1称取发泡材料并混合均匀，按与Ecoflex的A组分的质量比为1:1称取Ecoflex的B组分并混合均匀，按与预聚物的质量比为10:1称取碳纳米管并混合均匀；

(5)将混合材料倾倒到其中一个底板上的电极表面，并固定到刮涂设备上，刮刀和电极两侧的支撑条接触，采用速度为10mm/s的刮涂方式将混合材料均匀涂布到电极表面；

(6)将另一个底板上的支撑条与第一个底板表面的支撑条对齐并贴合，使混合材料处在两个衬底上的电极之间。

(7)固定两个底板间的相对位置和高度，并将其整体转移至加热台上100度加热，混合材料和上电极间的空隙利用弹性材料包裹发泡材料受热产生的气体形成的气泡进行填充，形成大尺寸的闭孔结构，而随着弹性材料受热固化的加剧，剩余少量的空隙由产生气体在弹性材料中产生的尺寸较小的气泡填充并主要分布在敏感层的下层，最终形成双层不同尺寸的闭孔的敏感层。

(8)剥离上下两层底板，得到所需的压力传感器。

实施例4

通过下列具体步骤完成所述压力传感阵列：

(1)利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对聚二甲基硅氧烷衬底进行超声清洗，清洗后干燥，采用氧等离子体或紫外光/臭氧处理衬底表面；

(2)采用磁控溅射的方式在衬底上制备尺寸一致、间距一致的氧化铟锡电极；

(3)准备两个大小一致、表面平整的底板，将制备好电极的衬底分别贴合到底板表面，其中一个沿条状电极的长度方向在两侧贴上高度为0.7mm的支撑条，另一个沿条状电极的宽度方向在两侧贴上0.7mm的支撑条；

(4)称取Ecoflex的A组分，按与Ecoflex的A组分质量比为5:1称取发泡材料并混合均匀，按与Ecoflex的A组分的质量比为1:1称取Ecoflex的B组分并混合均匀，按与预聚物的质量比为10:1称取碳纳米管并混合均匀；

(5)将混合材料倾倒到其中一个底板上的电极表面，并固定到刮涂设备上，刮刀和电极两侧的支撑条接触，采用速度为40mm/s的刮涂方式将混合材料均匀涂布到电极表面；

(6)将另一个底板上的支撑条与第一个底板表面的支撑条对齐并贴合，使混合材料处在两个衬底上的电极之间。

(7)固定两个底板间的相对位置和高度，并将其整体转移至加热台上100度加热，混合材料和上电极间的空隙利用弹性材料包裹发泡材料受热产生的气体形成的气泡进行填充，形成大尺寸的闭孔结构，而随着弹性材料受热固化的加剧，剩余少量的空隙由产生气体在弹性材料中产生的尺寸较小的气泡填充并主要分布在敏感层的下层，最终形成双层不同尺寸的闭孔的敏感层。

(8)剥离上下两层底板，得到所需的压力传感阵列。

实施例5

通过下列具体步骤完成所述压力传感阵列：

(1)利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对苯二甲酸乙二醇酯(PET)衬底进行超声清洗，清洗后干燥，采用氧等离子体或紫外光/臭氧处理衬底表面；

(2)采用凹版印刷的方式在衬底上制备尺寸一致、间距一致的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)电极；

(3)准备两个大小一致、表面平整的底板，将制备好电极的衬底分别贴合到底板表面，其中一个沿条状电极的长度方向在两侧贴上高度为0.7mm的支撑条，另一个沿条状电极的宽度方向在两侧贴上0.7mm的支撑条；

(4)称取聚二甲基硅氧烷预聚物，按与聚二甲基硅氧烷预聚物的质量比为10:2称取发泡材料并混合均匀，按与聚二甲基硅氧烷预聚物的质量比为10:1称取二甲基硅氧烷固化剂并混合均匀，按与聚二甲基硅氧烷预聚物的质量比为10:1称取炭黑并混合均匀；

(5)将混合材料倾倒到其中一个底板上的电极表面，并固定到刮涂设备上，刮刀和电极两侧的支撑条接触，采用速度为20mm/s的刮涂方式将混合材料均匀涂布到电极表面；

(6)将另一个底板上的支撑条与第一个底板表面的支撑条对齐并贴合，使混合材料处在两个衬底上的电极之间。

(7)固定两个底板间的相对位置和高度，并将其整体转移至加热台上100度加热，混合材料和上电极间的空隙利用弹性材料包裹发泡材料受热产生的气体形成的气泡进行填充，形成大尺寸的闭孔结构，而随着弹性材料受热固化的加剧，剩余少量的空隙由产生气体在弹性材料中产生的尺寸较小的气泡填充并主要分布在敏感层的下层，最终形成双层不同尺寸的闭孔的敏感层。

(8)剥离上下两层底板，得到所需的压力传感阵列。

实施例6

通过下列具体步骤完成所述压力传感阵列：

(1)利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)衬底进行超声清洗，清洗后干燥，采用氧等离子体或紫外光/臭氧处理衬底表面；

(2)采用凹版印刷的方式在衬底上制备尺寸一致、间距一致的银纳米线电极；

(3)准备两个大小一致、表面平整的底板，将制备好电极的衬底分别贴合到底板表面，其中一个沿条状电极的长度方向在两侧贴上高度为1.1mm的支撑条，另一个沿条状电极的宽度方向在两侧贴上0.7mm的支撑条；

(4)称取聚二甲基硅氧烷预聚物，按与聚二甲基硅氧烷预聚物的质量比为10:1称取发泡材料并混合均匀，按与聚二甲基硅氧烷预聚物的质量比为10:1称取二甲基硅氧烷固化剂并混合均匀，按与聚二甲基硅氧烷预聚物的质量比为10:1称取多壁碳纳米管并混合均匀；

(5)将混合材料倾倒到其中一个底板上的电极表面，并固定到刮涂设备上，刮刀和电极两侧的支撑条接触，采用速度为10mm/s的刮涂方式将混合材料均匀涂布到电极表面；

(6)将另一个底板上的支撑条与第一个底板表面的支撑条对齐并贴合，使混合材料处在两个衬底上的电极之间。

(7)固定两个底板间的相对位置和高度，并将其整体转移至加热台上100度加热，混合材料和上电极间的空隙利用弹性材料包裹发泡材料受热产生的气体形成的气泡进行填充，形成大尺寸的闭孔结构，而随着弹性材料受热固化的加剧，剩余少量的空隙由产生气体在弹性材料中产生的尺寸较小的气泡填充并主要分布在敏感层的下层，最终形成双层不同尺寸的闭孔的敏感层。

(8)剥离上下两层底板，得到所需的压力传感阵列。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (14)

1.一种压力敏感薄膜，其特征在于，所述压力敏感薄膜内至少具有两种不同尺寸的多个闭孔，所述闭孔内具有气体，自所述压力敏感薄膜底部向上，沿垂直所述压力敏感薄膜的厚度方向，所述闭孔的尺寸逐渐增大。

2.根据权利要求1所述的压力敏感薄膜，其特征在于，所述闭孔的尺寸范围为0.01mm～1.5mm。

3.一种如权利要求1～2中任一项所述的压力敏感薄膜的制备方法，其特征在于，包括：

提供第一底板和第二底板；

在所述第一和第二底板上涂布分离层；

在所述第一和第二底板上的分离层边缘形成支撑条；

在所述第一底板表面涂布混合均匀的薄膜制备材料，所述薄膜制备材料的厚度和支撑条厚度相同，所述薄膜制备材料包括发泡材料和热固化弹性材料；

在所述薄膜制备材料上方覆盖第二底板，将两个底板上的支撑条对齐并贴合，使得所述薄膜制备材料位于所述第一底板和第二底板之间，且所述薄膜制备材料与所述第二底板之间有间隙；

对所述薄膜制备材料进行加热形成压力敏感薄膜，加热过程中，发泡材料产生气体随着热固化弹性材料的固化，在所述压力敏感薄膜内形成至少具有两种不同尺寸的多个闭孔；

将压力敏感薄膜从第一底板和第二底板之间分离。

4.根据权利要求3所述的压力敏感薄膜的制备方法，其特征在于，所述热固化弹性材料包括聚二甲基硅氧烷、聚氨酯以及铂催化硅胶中的至少一种。

5.根据权利要求3所述的压力敏感薄膜的制备方法，其特征在于，所述发泡材料包括偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、甲苯磺酰肼、氧化双肋、碳酸钠、碳酸氢钠以及碳酸氢铵中的至少一种。

6.根据权利要求3所述的压力敏感薄膜的制备方法，其特征在于，所述发泡材料和热固化弹性材料的质量比为1:10～3:10。

7.根据权利要求3所述的压力敏感薄膜的制备方法，其特征在于，所述薄膜制备材料还包括导电材料，所述导电材料和所述热固化弹性材料的质量比为1:20～2:5。

8.根据权利要求7所述的压力敏感薄膜的制备方法，其特征在于，所述导电材料包括导电聚合物、碳基导电物、金属、金属氧化物、金属纳米线、金属纳米颗粒以及金属氧化物纳米颗粒中的至少一种；其中，所述导电聚合物包括pH值酸性或中性的聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)、聚苯乙烯磺酸、聚苯胺、聚噻吩以及聚吡咯中的至少一种，所述碳基导电物包括单层或多层石墨烯、石墨、炭黑、单壁以及多壁碳纳米管中的至少一种，所述金属包括金、银、铜、铝以及镍中的至少一种，所述金属氧化物包括氧化铟锡或氟掺杂锡氧化物中的至少一种。

9.根据权利要求3所述的压力敏感薄膜的制备方法，其特征在于，所述分离层材料为含氟聚合物或是易溶解聚合物，所述含氟聚合物包括聚四氟乙烯、全氟辛基三氯硅烷以及全氟已基三氯硅烷中的至少一种，所述易溶解聚合物包含水、醇类、酯类或酮类溶剂可溶解的聚合物。

10.一种压力传感器，其特征在于，包括：

包括上衬底、下衬底、以及位于所述上衬底表面的上电极、下衬底表面的下电极、以及位于所述上电极和下电极之间如权利要求1-2中任一项所述的压力敏感薄膜。

11.一种压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：

提供上电极和下电极；

在上电极和下电极中的任一电极表面涂布压力敏感薄膜制备材料；

将另一电极覆盖于所述压力敏感薄膜制备材料上方，所述压力敏感薄膜制备材料与所述另一电极之间有空隙；

对所述压力敏感薄膜制备材料进行加热形成压力敏感薄膜，加热过程中，发泡材料产生气体随着热固化弹性材料的固化，在所述压力敏感薄膜内形成至少具有两种不同尺寸的多个闭孔。

12.根据权利要求11所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，还包括：提供第一底板和第二底板，所述上电极形成于第一衬底表面，所述下电极形成于第二衬底表面；将所述第一衬底背面贴于第一底板表面，将所述第二衬底背面贴于第二底板表面；在上电极边缘和下电极边缘均形成支撑条；

在所述上电极和下电极中的任一电极表面涂布压力敏感薄膜制备材料之后，将两个底板上的支撑条对齐并贴合，使得压力敏感薄膜制备材料位于所述上电极和下电极之间；所述压力敏感薄膜形成后将传感器从第一底板和第二底板之间分离。

13.一种压力传感器阵列，其特征在于，包括：

多个如权利要求10所述的压力传感器，所述压力传感器按阵列排列；

位于同一行的所述压力传感器的上电极相互连接为上电极线；

位于同一列的所述压力传感器的下电极相互连接为下电极线。

14.一种如权利要求13所述的压力传感器阵列的制备方法，其特征在于，包括：提供第一底板和第二底板，所述第一底板上具有第一衬底，所述第一衬底表面形成有多个平行排列的上电极线，所述第二底板上具有第二衬底，所述第二衬底表面形成有多个平行排列的下电极线，所述上电极线和下电极线呈90度交叉排列；

在所述传感器阵列区域边缘的所述上电极线和下电极线的外侧边缘形成支撑条；

在任一电极线表面涂布压力敏感薄膜制备材料；

将两个底板上的支撑条对齐并贴合，使得压力敏感薄膜制备材料位于所述上电极线和下电极线之间，所述压力敏感薄膜制备材料与所述另一电极之间有空隙；

对所述压力敏感薄膜制备材料进行加热形成压力敏感薄膜，加热过程中，发泡材料产生气体随着热固化弹性材料的固化，在所述压力敏感薄膜内形成至少具有两种不同尺寸的多个闭孔；

所述压力敏感薄膜形成后将传感阵列从第一底板和第二底板之间分离。