CN109738095A - 柔性可穿戴传感器及其相应的可穿戴设备以及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种尺寸小巧、柔性程度高且输出能力高的柔性可穿戴传感器以及相应的可穿戴设备和制备方法，其中的柔性可穿戴传感器，包括：依次设置的第一电极层、压电层、第二电极层、间隔层、摩擦层以及第三电极层，压电层中含有至少由压电材料与硅橡胶组成的柔性混合材料，且该压电层经过极化处理能产生压电信号，摩擦层中含有至少由硅橡胶组成的柔性混合材料，压电层的内表面和摩擦层的内表面相对应的区域上都形成有由多个凸起结构阵列排布而成的凸起部分，且该两个内表面相对设置，第一电极层和第二电极层分别覆盖在压电层的外表面和内表面上，间隔层具有与压电层的内表面上的凸起部分对应的中空部分，第三电极层覆盖在摩擦层的外表面上。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性可穿戴传感器柔性可穿戴传感器及其相应的可穿戴设备以及制备方法，特别是涉及一种尺寸小巧、柔性程度高且输出能力高的柔性可穿戴传感器以及相应的可穿戴设备和制备方法。
背景技术
随着科学技术的发展，融合了通信技术、交互技术等能够进行信息采集与传输的可穿戴电子产品和人造电子皮肤越来越受到人们的关注，能够监测人体的运动、各项生理指标等。
为此，目前，上述电子产品中的柔性传感器中常用的力电耦合机理有摩擦电式、压电式、压阻式以及电容式。压阻式和电容式的传感器由于需要外部电源供能，从而限制了传感器与人体的贴合进而影响了稳定性。
因此，自供电传感器这种不需要外部电源供电，自身就能够产生电学激励信号的传感器件，为有效解决刚性电池困扰的途径之一。
然而，目前的这类传感器，柔性或者采集灵敏度等方面还存在一定的缺陷。
比如，测量压力的可穿戴设备大多采用小型光学电路或者力电敏感元件加橡胶腕带的形式。专利【CN103582451A】采用光学方法测量脉搏信号，但是无法直接测量脉搏跳动的压力信号。专利【CN203619542U】所设计基于压电效应的脉搏传感器虽然在厚度上取得了明显的减小，但是整体器件的厚度仍然较大并且并非完全柔性化。专利【CN107994803A】和【CN205195598U】等设计的器件虽然利用摩擦电压电效应，但是其结构尺寸大并且应用方向为纳米发电机。专利【CN103107737】设计压电摩擦复合纳米发电机结构上与本发明类似，但是其结构设计复杂并无法检测微弱压力，只适合作为力电转换装置。
总体来说，这些传感器具有尺寸大、无法完全柔性化、输出能力低等缺陷，而使得无法更好应用在柔性穿戴设备，特别是在医学传感系统领域，由于输出能力低，灵敏度不够，对于脉搏等这些轻微的跳动，无法感知。
发明内容
本发明是为了解决上述问题而进行的，目的在于提供一种尺寸小巧、柔性程度高且输出能力高的柔性可穿戴传感器以及相应的可穿戴设备和制备方法。
本发明为了实现上述目的，采用了以下方案：
本发明提供了一种柔性可穿戴传感器，其特征在于，包括：依次设置的第一电极层、压电层、第二电极层、间隔层、摩擦层以及第三电极层，其中，压电层中含有至少由压电材料与硅橡胶组成的柔性混合材料，且该压电层经过极化处理能产生压电信号，摩擦层中含有至少由硅橡胶组成的柔性混合材料，间隔层采用柔性材料制备而成，压电层的内表面和摩擦层的内表面相对应的区域上都形成有由多个凸起结构阵列排布而成的凸起部分，且该两个内表面相对设置，第一电极层和第二电极层分别覆盖在压电层的外表面和内表面上，间隔层具有与压电层的内表面上的凸起部分对应的中空部分，第三电极层覆盖在摩擦层的外表面上。
本发明提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，摩擦层中含有的柔性混合材料的硅橡胶中还均匀混合有颗粒或纤维物质。
本发明提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，凸起结构为金字塔结构、立方体结构、条状结构、锥台结构以及球状结构中的任意一种。
本发明提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，凸起结构为金字塔结构、立方体结构、条状结构以及锥台结构中的任意一种时，每个凸起结构的六视图包括的所有边长中最长的一个边长的范围为5um-500um，凸起结构为球状结构时，其直径的范围为5um-500um。
本发明提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，最长的一个边长的范围为100um-300um，直径的范围为100um-300um。
本发明提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，压电层的厚度范围为90um-200um。
本发明提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，压电层的厚度范围为100um-150um。
本发明提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，摩擦层的厚度范围为90um-200um。
本发明提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，摩擦层的厚度范围为100um-150um。
本发明提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，间隔层的厚度范围为2um-500um。
本发明提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，间隔层的厚度范围为100um-300um。
本发明提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，第一电极层、第二电极层以及第三电极层的材质为导电金属以及导电纳米线中的任意一种或两种。
本发明提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，间隔层的材料为高分子有机材料。
本发明提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，第一电极层、第二电极层以及第三电极层引出的导线选用铜导线、导电纤维布、铝胶带中的任意一种。
本发明提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，第一电极层、第二电极层以及第三电极层的厚度范围均为50-500nm。
本发明提供的柔性可穿戴传感器，还具有这样的特征，其中，压电层为尺寸范围为1-5cm的正方形；间隔层为尺寸范围为1-5cm的正方形；摩擦层为尺寸范围为1-10cm的正方形。
本发明还提供了一种可穿戴传感器设备，其中，采用上述的柔性可穿戴传感器作为传感器。
本发明还提供了一种柔性可穿戴传感器的制备方法，其特征在于，包括：步骤1，以具有氧化层的晶圆为基底并在该基底的一面形成多个阵列排布的凹陷结构以用于分别形成与各个凹陷结构分别一一对应的凸起结构的硅片模板；步骤2，将准备好的柔性混合材料与固化剂按质量比为的范围为10:1-100:1加入固化剂后置于真空泵中抽真空去除气泡得到薄膜用材料；步骤3，在步骤1得到的硅片模板的具有凹陷结构的一面涂覆薄膜用材料形成混合物薄膜后再脱离硅片模板得到具有多个凸起结构的混合物薄膜；步骤4，将混合物薄膜进行极化处理后得到极化后混合物薄膜；步骤5，采用步骤4得到的极化后混合物薄膜剪切得到压电层，并在该压电层的光滑表面和具有凸起结构的表面分别溅射或喷涂得到第一电极层和第二电极层，采用步骤3得到的混合物薄膜剪切得到摩擦电层，并在该摩擦电层的光滑表面溅射得到第三电极层，并以弹性材料剪切得到具有中空部分的间隔层，按第一电极层、压电层、第二电极层、摩擦层以及第三电极层的顺序贴合得到柔性可穿戴传感器，其中，用于剪切得到的压电层的极化后混合物薄膜，其相应的柔性混合材料中至少包括压电材料和硅橡胶，用于剪切得到摩擦层的极化后混合物薄膜，其相应的柔性混合材料中至少包括硅橡胶。
本发明提供的制备方法，还具有这样的特征，其中，步骤1具体为：步骤1.1，将晶圆上的覆盖光刻胶后的氧化层通过光刻技术并显影后形成去除光刻胶而显露出氧化层的多个用以形成各个凹陷结构的图案；步骤1.2，步骤1.1处理后的基底浸没在缓冲氧化物刻蚀溶液中8分钟，使图案的表面的氧化层被腐蚀掉；步骤1.3，将步骤1.2 处理后的基底放入丙酮溶液中以去除光刻胶；步骤1.4，将步骤1.3 处理后的基底放入四甲基氢氧化铵TMAH溶液中并在70-90℃的水浴加热环境中反应30-90分钟得到具有凹陷结构的硅片模板。
本发明提供的制备方法，还具有这样的特征，其中，当柔性材料至少包括压电材料和硅橡胶时，压电材料与硅橡胶的质量比的范围为10:100-80:100。
本发明提供的制备方法，还具有这样的特征，其中，步骤3具体为：步骤3.1，在步骤1得到的硅胶模板的具有凹陷结构的一面溅射一层厚度范围为50-300nm的金属薄膜；步骤3.2，在该金属薄膜的具有凹陷结构的表面均匀旋涂薄膜用材料得到一层厚度范围为 90-200um的混合膜层，并进行加热固化；步骤3.3，将加热固化后的硅胶模板浸泡在酸溶液中，待金属薄膜与酸反应后，混合薄膜自动脱离硅片模板得到具有由多个凸起结构阵列排布而成的凸起部分的混合物薄膜。
本发明提供的制备方法，还具有这样的特征，其中，极化处理的极化强度的范围为40KV/mm-60KV/mm，极化时间为1小时。
本发明提供的制备方法，还具有这样的特征，其中，当采用油浴极化时，油浴的温度大于等于100℃。
发明作用与效果
本发明提供的柔性可穿戴传感器以及相应的可穿戴设备和制备方法，由于得到的柔性可穿戴传感器包括依次设置的第一电极层、压电层、第二电极层、间隔层、摩擦层以及第三电极层，并且被极化的压电层中含有至少由压电材料与硅橡胶组成的柔性混合材料，而摩擦层中含有至少由硅橡胶组成的柔性混合材料，而且压电层的内表面和摩擦层的内表面相对设置，且该两个内表面相对应的区域上都形成有由多个凸起结构阵列排布而成的凸起部分，同时，由于采用柔性材料制备而成的间隔层具有与压电层的内表面上的凸起部分对应的中空部分，所以通过间隔层的中空部分，在外力作用下能够产生变形时，能将压电层和摩擦层的凸起部分进行接触，并在接触过程中通过挤压而产生压电，同时通过摩擦而产生摩擦电，所以大大提高了柔性可穿戴传感器的输出性能，而由于各个凸起结构增加了接触摩擦的面积，所以进一步地提高了柔性可穿戴传感器的输出性能，所以使得柔性可穿戴传感器的采集灵敏度高，能应用到诸如进行脉搏跳动采集的医学传感系统领域；并且，由于压电层和摩擦层都是在作为柔性基质的同时，还分别具有起电的功能，也即将柔性基质和起电合为一体，所以能极大地减小柔性可穿戴传感器的整体厚度和质量，使得其尺寸能尽可能小巧，并且柔性程度高。
相应地，采用本发明提供的柔性可穿戴传感器作为传感器的可穿戴设备，能在保证性能的前提下，大大优化相应结构和尺寸大小，并且能提高可穿戴设备的整体的柔性，从而更易与人体皮肤集成。
附图说明
图1为实施例所涉及的柔性可穿戴传感器的分解结构示意图；
图2为图1的实施例所涉及的柔性可穿戴传感器的侧视图；
图3为对实施例提供的柔性可穿戴传感器进行柔性测试和大小对比的结果示意图；
图4为对实施例提供的柔性可穿戴传感器进行间隔层厚度不同时的输出性能测试的结果示意图。
具体实施方式
以下结合具体实施例进一步阐述本发明。对于实施例中所用到的具体方法或材料，本领域技术人员可以在本发明技术思路的基础上，根据已有的技术进行常规的替换选择，而不仅限于本发明实施例的具体记载。
实施例
本实施例提供的可穿戴设备，采用柔性可穿戴传感器作为传感器。
图1为实施例所涉及的柔性可穿戴传感器的分解结构示意图；
图2为图1的实施例所涉及的柔性可穿戴传感器的侧视图。
如图1和图2所示，本实施例提供的柔性可穿戴传感器100包括依次贴合设置的第一电极层10、压电层20、第二电极层30、间隔层 40、摩擦层50以及第三电极层60。
为了适宜穿戴，能跟人体皮肤更好接触，所以压电层20、间隔层40以及摩擦层50均需具有柔性。
另外，压电层20中含有至少由压电材料与硅橡胶组成的柔性混合材料，其中的硅橡胶是为了让压电层20具有上述柔性，压电材料是为了提供压电产生电需要的材料。另外，压电层20需要经过极化处理，这样才能产生压电。
而摩擦层50中含有至少由硅橡胶组成的柔性混合材料，这里的硅橡胶也是为了让摩擦层50具有上述柔性。另外，本发明的发明人还发现，当硅橡胶中均匀混合颗粒状材料或纤维物质时，能增加柔性可穿戴传感器100电流的整体输出性能。
压电层20的内表面和摩擦层50的内表面相对设置，且该两个内表面相对应的区域上都形成有由多个凸起结构1阵列排布而成的凸起部分2。
这样，通过这些凸起结构1阵列排布而成的凸起部分2，当通过外力发生振动或者弯曲作用，使得压电层20与摩擦层50接触时，能够使压电层20发生形变，从而产生压电信号；同时，在外力产生振动或者弯曲的作用下，由于能使得压电层20和摩擦层50均发生形变而产生相对滑动与挤压，从而产生摩擦信号，同时，凸起结构1的存在能提高压电层20和摩擦层50之间接触的表面积，从而能够产生更多的摩擦起电。这样使得柔性可穿戴压力传感器100能够克服有源器件外部电源供电的问题，以及压电纳米器件输出电压低和摩擦纳米器件输出电流低的缺陷，从而达到高输出性能并实现对轻微信号的高灵敏感知。
另外，凸起结构1为金字塔结构、立方体结构、条状结构、锥台结构以及球状结构中的任意一种，能增加最后的输出性能，本发明人发现，当凸起结构1为锥台结构时，特别如图1中的正四棱锥台结构时，摩擦产电效果更好，能显著增加最后的输出性能。
另外，本发明人还发现，如果凸起结构1太大，反而影响第一摩影响压电层20和摩擦层20的摩擦效果，继而降低电流输出，所以凸起结构1的尺寸不能太大，为此，本实施例中，每个凸起结构1的六视图包括的所有边长中最长的一个边长的范围为5um-500um，优先为 100um-300um；凸起结构1为球状结构时，其直径的范围为 5um-500um，优先为100um-300um。这里的六视图，即指工程图中通常的正视图、后视图、左视图、右视图、仰视图和俯视图；六视图包括的所有边长，即指将各个视图的边长之间做的集合，比如各个视图均为三角形，那么每个视图都是三个边长，六个视图的所有边长即总共18个边长；所有边长中最长的一个边长，即指所有这些边长的集合中，长度最长的边长。当然，可以理解地是，长度最长的边长，不是意指一个，有时可能只有一个，有时可能几个，有时如果左右边长都一样长，那就是所有的都是最长的。
间隔层40采用柔性材料制备而成，从而具备一定柔性。本实施例中，间隔层40采用高分子有机材料制成。
间隔层40被设置在压电层20与摩擦层40之间，具有与压电层20的内表面上的凸起部分2对应的中空部分41。间隔层40通过在压电层与摩擦层40之间，并通过其具有的柔性产生的形变，起到将压电层20和摩擦层40之间进行接触和分离的作用：能在外力作用下时显露出压电层20的凸起部分2，以能跟摩擦层40的凸起部分2之间进行接触，从而相互之间进行摩擦产电，而去除外力后，又回复原样，将压电层20和摩擦层40之间分离或间隔开来。
第一电极层10覆盖在压电层20的外表面上，而第二电极层30 覆盖在分别覆盖在压电层20的内表面上。第三电极层60覆盖在摩擦层50的外表面上。压电层20产生的电通过第一电极层10传递到第二电极层30，摩擦层50产生的电通过第三电极层60传递到第二电极层30，这样，压电电流和摩擦电流汇总，增加了输出性能。第一电极层10、第二电极层30以及第三电极层60产生的电通过导线引出，本实施例中，导线选用铜导线、导电纤维布、铝胶带中的任意一种。
另外，本实施例中，第一电极层10、第二电极层30以及第三电极层60的材质为导电金属以及导电纳米线中的任意一种或两种。
另外，压电层20、间隔层40以及摩擦层50的厚度均不能太厚，这样才能保持整体柔性，但又不能太薄，太薄影响效果，本实施例中，压电层20和摩擦层50层的厚度范围均为100um-150um，优选为 90um-200um；间隔层40的厚度范围为2um-500um，优先为 100um-300um，并且，本发明人经研究发现，在该范围内，间隔层40 的厚度越大，输出性能越好。
另外，本实施例中，同样地，为了能保持整体柔性，并能保证产电效果，第一电极层10、第二电极层30以及第三电极层60的厚度尽可能的小，优先为小于等于500nm。
本实施例提供的柔性可穿戴传感器100，其制备方法包括以下：
步骤1，硅片模板的制备，以具有氧化层的晶圆为基底并在该基底的一面形成多个阵列排布的凹陷结构以用于分别形成与各个凹陷结构分别一一对应的凸起结构1的硅片模板，晶圆的尺寸一般为2寸或4寸，氧化层即氧化硅，该步骤具体为：
步骤1.1，将晶圆上的覆盖光刻胶后的氧化层通过光刻技术并显影后形成去除光刻胶而显露出氧化层的多个用以形成各个凹陷结构的图案；
步骤1.2，步骤1.1处理后的基底浸没在BOE溶液缓冲氧化物刻蚀液中8分钟，使图案的表面的氧化层被腐蚀掉。
其中，BOE溶液(缓冲氧化物刻蚀液)：49％HF水溶液：40％NH4F 水溶液＝1：6(体积比)的成分混合而成。
步骤1.3，将步骤1.2处理后的基底放入丙酮溶液中以去除光刻胶；
步骤1.4，将步骤1.3处理后的基底放入TMAH(四甲基氢氧化铵)溶液中并在70-90℃的水浴加热环境中反应30-90分钟得到具有凹陷结构的硅片模板。该步骤中，可以根据需要，通过控制在水浴加热环境中反应时间，来达到控制成型的凹陷结构的结构类型，从而最后控制形成的凸起结构1的具体结构类型。
步骤2，薄膜用材料的制备，将准备好的柔性混合材料与固化剂按质量比为的范围为10：1-100：1加入固化剂后置于真空泵中抽真空去除气泡得到薄膜用材料。
固化剂例如缩聚型双组份硅橡胶(RTV-2)交联剂。
根据后续步骤中，是制备得到压电层还是摩擦层，这里的柔性混合材料分两种：
一种是至少包括压电材料和硅橡胶，在这种柔性混合材料里，其中的压电材料可以用于压电产生电，硅橡胶则起到柔性支撑，这样步骤2得到的薄膜用材料，后续中去制备得到压电层。此时，为了既能保证制备得到的压电层具有充分的柔性，又能保证产生一定强度的电流，压电材料与硅橡胶的质量比需要满足一定条件，本实施例中，两者质量比的范围优选为10:100-80:100；
另一种在后续步骤中是去制备得到摩擦层，由于摩擦层的原理主要是靠摩擦起电，所以只要具有柔性即可，所以可以只包括硅橡胶，当然，也可以既包括诸如压电材料的颗粒状材料或纤维物质，也包括硅橡胶，当包括颗粒状材料或纤物质时，实验证明，能增加摩擦层摩擦起电的效果。同样地，此时，当包括颗粒状材料或纤维物质时，颗粒状材料或纤维物质与硅橡胶的质量的范围也优选为10:100-80:100。
步骤3，薄膜的制备，在步骤1得到的硅片模板的具有凹陷结构的一面涂覆薄膜用材料形成混合物薄膜后再脱离硅片模板得到具有多个凸起结构的混合物薄膜，具体为：
步骤3.1，在硅胶模板的具有凹陷结构的表面溅射一层厚度范围为50-300nm的金属薄膜；
步骤3.2，在该金属薄膜的具有凹陷结构的表面均匀旋涂(也即旋转涂覆)步骤2制备得到的薄膜用材料，得到一层厚度范围为 90-200um的混合膜层，并进行加热固化。理论上，混合膜层的厚度也可以再厚一些，但是厚度越大，整个器件的柔韧性会越低。，为了得到该厚度范围的混合膜层，所以：采用匀胶机进行旋涂薄膜用材料，并且旋涂的转速设置为500-1000r，旋涂的时间为10-30s。另外，加热固化为：置于50℃烘台进行上3-8小时的加热固化。
步骤3.3，将加热固化后的硅胶模板浸泡在酸溶液中，待金属薄膜与酸反应后，金属薄膜被腐蚀掉，则混合薄膜自动脱离硅片模板得到具有凸起部分的混合物薄膜，凸起部分其实就是凹陷结构脱离倒模后，得到的与各个凹陷结构一一对应的凸起结构阵列而成。
其中，步骤3.1中溅射的金属薄膜厚度范围之所以为50-300nm，是因为在步骤3.3中，该金属薄膜会通过酸溶液被腐蚀掉，所以厚度太厚会浪费掉，但也不能太薄，因为太薄不能完全覆盖凹陷结构。
步骤4，混合物薄膜的极化，将混合物薄膜进行极化处理后得到极化后混合物薄膜。
其中，极化处理的极化强度的范围为40KV/mm-60KV/mm，极化时间为1小时。
并且，当采用油浴极化时，油浴的温度大于等于100℃，并小于所用压电材料的居里温度。
步骤5，剪切贴合，采用步骤4得到的极化后混合物薄膜剪切得到压电层，并在该压电层的光滑表面和具有凸起结构的表面分别溅射得到第一电极层和第二电极层，采用步骤3得到的混合物薄膜剪切得到摩擦电层，并在该摩擦电层的光滑表面溅射得到第三电极层，并以弹性材料剪切得到具有中空部分的间隔层，按第一电极层、压电层、第二电极层、间隔层、摩擦层以及第三电极层的顺序贴合得到柔性可穿戴传感器。其中，光滑表面即指不具有凸起结构的表面。
另外，本实施例中，剪切得到的压电层为尺寸范围为1-5cm的正方形薄层，相应地，间隔层也为尺寸范围为1-5cm的正方形薄膜，且其中空部分的大小要能显露出压电层和摩擦层各自内表面上的凸起部分。另外，剪切得到的第二摩擦层为尺寸范围为1-10cm的正方形薄膜，一般大于第一摩擦层和间隔层的尺寸，这样便于最后的封装。
图3为对实施例提供的柔性可穿戴传感器进行柔性测试和大小对比的结果示意图。
对上述的柔性可穿戴传感器进行柔性测试，具体为：a，将上述的柔性可穿戴传感器进行弯曲；b，将上述的柔性可穿戴传感器与五角硬币大小比较，结果如图3所示。
从图3中可以看出，柔性可穿戴传感器已能够实现近乎180°弯曲，所以本实施例提供的柔性可穿戴传感器具有良好的柔韧性；通过与该硬币比较大小，显示出本实施例提供的柔性可穿戴传感器的尺寸非常小。
图4为对实施例提供的柔性可穿戴传感器进行间隔层厚度不同时的输出性能测试的结果示意图。
对上述的柔性可穿戴传感器进行间隔层厚度输出性能测试；
将间隔层30设置为不同厚度，进行测试：间隔层分别设置为 10um、20um、30um、40um和50um，然后均在相同力后产生电势进行的仿真图。
结果如图4，图4中，顶上方标出了对应的间隔层的厚度尺寸，例如间隔层厚度为30um时，图中的3E-5m，表示厚度为3e-5m，也即 30um；图中的右边最下和最上的电势相加，也即11.8+22.4＝34.2，即为电势峰峰值。从图4中可以看出，随着间隔层的厚度尺寸依次增加，所产生的电势峰峰值也依次增加，由此可知，柔性可穿戴传感器的输出电压与间隔层厚度呈正相关关系。
实施例作用与效果
本实施例提供的柔性可穿戴传感器以及相应的可穿戴设备和制备方法，由于得到的柔性可穿戴传感器包括依次设置的第一电极层、压电层、第二电极层、间隔层、摩擦层以及第三电极层，并且被极化的压电层中含有至少由压电材料与硅橡胶组成的柔性混合材料，而摩擦层中含有至少由硅橡胶组成的柔性混合材料，而且压电层的内表面和摩擦层的内表面相对设置，且该两个内表面相对应的区域上都形成有由多个凸起结构阵列排布而成的凸起部分，同时，由于采用柔性材料制备而成的间隔层具有与压电层的内表面上的凸起部分对应的中空部分，所以通过间隔层的中空部分，在外力作用下能够产生变形时，能将压电层和摩擦层的凸起部分进行接触，并在接触过程中通过挤压而产生压电，同时通过摩擦而产生摩擦电，所以大大提高了柔性可穿戴传感器的输出性能，而由于各个凸起结构增加了接触摩擦的面积，所以进一步地提高了柔性可穿戴传感器的输出性能，所以使得柔性可穿戴传感器的采集灵敏度高，能应用到诸如进行脉搏跳动采集的医学传感系统领域；并且，由于压电层和摩擦层都是在作为柔性基质的同时，还分别具有起电的功能，也即将柔性基质和起电合为一体，所以能极大地减小柔性可穿戴传感器的整体厚度和质量，使得其尺寸能尽可能小巧，并且柔性程度高。
相应地，采用本发明提供的柔性可穿戴传感器作为传感器的可穿戴设备，能在保证性能的前提下，大大优化相应结构和尺寸大小，并且能提高可穿戴设备的整体的柔性，从而更易与人体皮肤集成。
另外，由于制备方法中，金属薄膜作为将柔性复合薄膜脱模的中间层，从而完美的得到具有凸起结构的混合物薄膜。
Claims (23)
1.一种柔性可穿戴传感器，其特征在于，包括：
依次设置的第一电极层、压电层、第二电极层、间隔层、摩擦层以及第三电极层，
其中，所述压电层中含有至少由压电材料与硅橡胶组成的柔性混合材料，且该压电层经过极化处理能产生压电信号，
所述摩擦层中含有至少由硅橡胶组成的柔性混合材料，
所述间隔层采用柔性材料制备而成，
所述压电层的内表面和所述摩擦层的内表面相对应的区域上都形成有由多个凸起结构阵列排布而成的凸起部分，且该两个内表面相对设置，
所述第一电极层和所述第二电极层分别覆盖在所述压电层的外表面和内表面上，
所述间隔层具有与所述压电层的内表面上的所述凸起部分对应的中空部分，
所述第三电极层覆盖在所述摩擦层的外表面上。
2.根据权利要求1所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：
其中，所述摩擦层中含有的柔性混合材料的所述硅橡胶中还均匀混合有颗粒或纤维物质。
3.根据权利要求1所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：
其中，所述凸起结构为金字塔结构、立方体结构、条状结构、锥台结构以及球状结构中的任意一种。
4.根据权利要求1-3任意一项所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：
其中，所述凸起结构为金字塔结构、立方体结构、条状结构以及锥台结构中的任意一种时，每个所述凸起结构的六视图包括的所有边长中最长的一个边长的范围为5um-500um，
所述凸起结构为球状结构时，其直径的范围为5um-500um。
5.根据权利要求4所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：
其中，所述最长的一个边长的范围为100um-300um，
所述直径的范围为100um-300um。
6.根据权利要求1所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：
其中，所述压电层的厚度范围为90um-200um。
7.根据权利要求6所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：
其中，所述压电层的厚度范围为100um-150um。
8.根据权利要求1所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：
其中，所述摩擦层的厚度范围为90um-200um。
9.根据权利要求8所述的柔性可穿戴压力传感器，奇特在于：
其中，所述摩擦层的厚度范围为100um-150um。
10.根据权利要求1所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：
其中，所述间隔层的厚度范围为2um-500um。
11.根据权利要求10所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：
其中，所述间隔层的厚度范围为100um-300um。
12.根据权利要求1所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：
其中，所述第一电极层、所述第二电极层以及所述第三电极层的材质为导电金属以及导电纳米线中的任意一种或两种。
13.根据权利要求1所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：
其中，所述间隔层的材料为高分子有机材料。
14.根据权利要求1所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：
其中，所述第一电极层、所述第二电极层以及所述第三电极层引出的导线选用铜导线、导电纤维布、铝胶带中的任意一种。
15.根据权利要求1所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：
其中，所述第一电极层、第二电极层以及所述第三电极层的厚度范围均为50-500nm。
16.根据权利要求1所述的柔性可穿戴传感器，其特征在于：
其中，所述压电层为尺寸范围为1-5cm的正方形；
所述间隔层为尺寸范围为1-5cm的正方形；
所述摩擦层为尺寸范围为1-10cm的正方形。
17.一种可穿戴设备，其特征在于：
其中，采用权利要求1-16任意一项所述的柔性可穿戴传感器作为传感器。
18.一种柔性可穿戴传感器的制备方法，其特征在于，包括：
步骤1，以具有氧化层的晶圆为基底并在该基底的一面形成多个阵列排布的凹陷结构以用于分别形成与各个所述凹陷结构分别一一对应的凸起结构的硅片模板；
步骤2，将准备好的柔性混合材料与固化剂按质量比为的范围为10:1-100:1加入固化剂后置于真空泵中抽真空去除气泡得到薄膜用材料；
步骤3，在步骤1得到的所述硅片模板的具有所述凹陷结构的一面涂覆所述薄膜用材料形成混合物薄膜后再脱离所述硅片模板得到具有由多个所述凸起结构阵列排布而成的凸起部分混合物薄膜；
步骤4，将所述混合物薄膜进行极化处理后得到极化后混合物薄膜；
步骤5，采用步骤4得到的极化后混合物薄膜剪切得到压电层，并在该压电层的光滑表面和具有凸起结构的表面分别溅射或喷涂得到第一电极层和第二电极层，采用步骤3得到的混合物薄膜剪切得到摩擦电层，并在该摩擦电层的光滑表面溅射得到第三电极层，并以弹性材料剪切得到具有中空部分的间隔层，按第一电极层、压电层、第二电极层、摩擦层以及第三电极层的顺序贴合得到柔性可穿戴传感器，
其中，用于剪切得到的所述压电层的极化后混合物薄膜，其相应的所述柔性混合材料中至少包括压电材料和硅橡胶，
用于剪切得到所述摩擦层的极化后混合物薄膜，其相应的所述柔性混合材料中至少包括硅橡胶。
19.根据权利要求18所述的制备方法，其特征在于：
其中，步骤1具体为：
步骤1.1，将晶圆上的覆盖光刻胶后的氧化层通过光刻技术并显影后形成去除光刻胶而显露出所述氧化层的多个用以形成各个凹陷结构的图案；
步骤1.2，步骤1.1处理后的所述基底浸没在缓冲氧化物刻蚀溶液中8分钟，使图案的表面的氧化层被腐蚀掉；
步骤1.3，将步骤1.2处理后的基底放入丙酮溶液中以去除所述光刻胶；
步骤1.4，将步骤1.3处理后的基底放入四甲基氢氧化铵溶液中并在70-90℃的水浴加热环境中反应30-90分钟得到具有所述凹陷结构的所述硅片模板。
20.根据权利要求18所述的制备方法，其特征在于：
其中，当所述柔性材料至少包括所述压电材料和所述硅橡胶时，所述压电材料与所述硅橡胶的质量比的范围为10:100-80:100。
21.根据权利要求18所述的制备方法，其特征在于：
其中，步骤3具体为：
步骤3.1，在步骤1得到的所述硅胶模板的具有凹陷结构的一面溅射一层厚度范围为50-300nm的金属薄膜；
步骤3.2，在该金属薄膜的具有凹陷结构的表面均匀旋涂所述薄膜用材料得到一层厚度范围为90-200um的混合膜层，并进行加热固化；
步骤3.3，将加热固化后的所述硅胶模板浸泡在酸溶液中，待金属薄膜与酸反应后，所述混合薄膜自动脱离所述硅片模板得到具有所述凸起部分的混合物薄膜。
22.根据权利要求18所述的制备方法，其特征在于：
其中，所述极化处理的极化强度的范围为40KV/mm-60KV/mm，极化时间为1小时。
23.根据权利要求18或22所述的制备方法，其特征在于：
其中，当采用油浴极化时，所述油浴的温度大于等于100℃。并小于所用压电材料的居里温度。
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