CN109883583A - 一种弹性体薄膜及其制备方法与包含该弹性体薄膜的柔性压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种弹性体薄膜及其制备方法与包含该弹性体薄膜的柔性压力传感器，属于压力传感器技术领域。解决了现有技术中柔性压力传感器的线性响应范围窄及柔性压力传感器制备方法重复性不佳，很难实现大规模的产业化生产的技术问题。本发明的弹性体薄膜的制备方法，先通过三维建模软件建立具有凹槽结构的浇筑模具的三维模型，然后采用选择性激光烧结技术加工出步骤一的浇筑模具，最后向步骤二得到的浇筑模具的凹槽中倒入弹性体流体，固化后，将薄膜从模具中剥离，得到具有表面微结构的弹性体薄膜。该弹性体薄膜的接触面积与压强在高达200kPa的范围内呈现出良好的线性关系，能够实现柔性压力传感器的宽线性响应范围和高灵敏度。

Description

一种弹性体薄膜及其制备方法与包含该弹性体薄膜的柔性压 力传感器

技术领域

本发明属于压力传感器技术领域，具体涉及一种弹性体薄膜及其制备方法与包含该弹性体薄膜的柔性压力传感器。

背景技术

可穿戴柔性压力传感器能够灵敏响应人体活动所产生的压力，在人体健康监测、疾病预诊断、运动监测、人机交互等方面均有着广泛的应用前景，因此近年来发展十分迅速。压阻型传感器具有结构和制备方法简单、灵敏度高、检测范围广、信号易读取和能量消耗低等特点，具有很好的应用前景。通过在柔性薄膜表面构建表面微结构，是获得高性能柔性传感器十分有效的途径。在以往的报道中，研究者们采用硅模板(Adv.Mater.2014,26,3451-3458)获得金字塔型阵列的微结构表面，并获得了具有较高灵敏度(4.88kPa^-1,响应范围<5.9kPa) 的柔性压力传感器件。但是，硅模板的制备工艺复杂，成本较高，并且制备面积有限，不适合产业化发展。针对这一问题，研究者们利用较为廉价的树叶(Adv.Funct.Mater.2017,27,1606066),织物(Adv.Mater.2014,26,1336-1342)，砂纸 (ACS Nano2018,12,2346-2354)等具有天然微结构的物品作为模板制备弹性体薄膜，同样也构建了性能优异的传感器件。

尽管目前利用表面微结构制备的柔性压力传感器可以达到较高的灵敏度，但其线性响应范围一般较窄，通常只能在几个千帕或者几十千帕的范围内具有较高的灵敏度。此外，树叶等天然物体的宏观形态不规则，面积有限，个体之间的重复性也不佳，很难实现大规模的产业化生产。对于柔性压力传感器，除了灵敏度之外，其响应范围和线性度也是影响传感器实际应用的重要参数；除此之外，其制备方法是否具有规模化的潜质也决定了柔性压力传感器的产业化生产和商业化应用。因此，通过低成本和可规模化的制备方法构建弹性体表面微结构，并实现具有宽线性响应范围和高灵敏度的柔性压力传感器件，是该领域需要解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的是解决现有技术中柔性压力传感器的线性响应范围窄及柔性压力传感器制备方法重复性不佳，很难实现大规模的产业化生产的技术问题，提供一种弹性体薄膜及其制备方法与包含该弹性体薄膜的柔性压力传感器。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下。

本发明提供一种弹性体薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、通过三维建模软件建立具有凹槽结构的浇筑模具的三维模型；

步骤二、采用选择性激光烧结技术加工出步骤一的浇筑模具；

步骤三、向步骤二得到的浇筑模具的凹槽中倒入弹性体流体，固化后，将薄膜从模具中剥离，得到具有表面微结构的弹性体薄膜。

进一步的，所述步骤一中，浇筑模具的外轮廓的形状为长方体、立方体或圆柱体；浇筑模具的外轮廓的形状为长方体或立方体时，长度为50-400mm，宽度为50-400mm，高度为2-40mm；浇筑模具的外轮廓的形状为圆柱体时，直径为50-400mm，高度为2-40mm；

所述步骤一中，凹槽结构的形状为长方体、立方体或圆柱体；凹槽结构的形状为长方形或正方形时，凹槽结构底面的长度为45-390mm，凹槽结构底面的宽度为45-390mm，凹槽结构的深度为0.2-30mm，凹槽结构的壁厚为1-10mm；凹槽结构的形状为圆形时，凹槽结构底面的直径为45-390mm，凹槽结构的深度为0.2-30mm，凹槽结构的壁厚为1-10mm。

进一步的，所述步骤二中，选择性激光烧结技术采用的粉末材料为尼龙、聚酰胺或聚苯乙烯；激光烧结的预加热温度为140-200℃，激光束的功率为10-80 W，激光路径的间距为0.05-0.5mm；浇筑模具的表面粗糙度为0.5-50μm；浇筑模具的表面微结构的水平尺寸为1-500μm，高度尺寸为1-200μm。

进一步的，所述步骤三中，弹性体薄膜的材料为有机硅橡胶、聚氨酯或环氧树脂；弹性体流体为预聚体/固化剂体系、高分子水溶液、高分子/有机溶剂溶液或高分子熔体。

本发明还提供上述弹性体薄膜的制备方法制备的弹性体薄膜。

本发明还提供含有上述弹性体薄膜的柔性压力传感器。

进一步的，所述柔性压力传感器，包括弹性体薄膜、导电层、叉指电极和连接导线，所述导电层的一侧覆盖在弹性体薄膜具有微结构的表面上，导电层的另一侧与叉指电极的电极面接触，连接导线的两端分别与叉指电极的两个电极连接。

进一步的，所述柔性压力传感器，包括两个弹性体薄膜、两个导电层和两个连接导线，一个导电层的一侧覆盖在一个弹性体薄膜具有微结构的表面上，另一个导电层的一侧覆盖在另一个弹性体薄膜具有微结构的表面上，两个导电层的另一侧错位接触，两个连接导线分别与两个导电层相互不接触的位置连接。

进一步的，所述柔性压力传感器，包括弹性体薄膜、阵列导电层、叉指阵列电极和多个连接导线，阵列导电层由多个导电层组成，多个导电层呈阵列排布在弹性体薄膜具有微结构的表面上，叉指阵列电极包括多个叉指电极，多个叉指电极的基底一体成型，多个叉指电极的导电电极呈阵列排布，阵列导电层的另一侧与叉指阵列电极的电极面接触；每个叉指电极对应两根连接导线，两根连接导线分别与叉指电极的两个电极连接。

进一步的，所述导电层的厚度为10nm-20μm；导电层的材料为导电材料或弹性体材料与导电材料的复合材料，导电材料为导电金属、导电聚合物、金属纳米线或导电碳材料，弹性体材料为聚氨酯、硅橡胶或环氧树脂；

所述叉指电极为指状叉指电极，每指的宽度为5μm-2mm，指间距为5μm-2 mm；

所述连接导线为铜导线或铜箔，连接方式为接触连接、焊锡连接或导电银浆连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明提供的弹性体薄膜，利用激光烧结技术制备，表面具有微结构，其接触面积与压强在高达200kPa的范围内呈现出良好的线性关系。

2、本发明提供的弹性体薄膜的制备方法，采用浇筑模具，相比硅模板和花瓣、树叶、织物、砂纸等天然转印模板，通过激光烧结技术更容易实现弹性体浇筑模具的形状大小设计以及规模化生产，且激光烧结技术在工业上较为成熟，从而实现弹性体薄膜产业化制备。

3、本发明基于弹性体薄膜的柔性压力传感器能够获得宽线性响应范围(50 Pa-100kPa)和高灵敏度(>40kPa^-1)；不仅能够对人体脉搏，手指触摸等小压力进行检测，同时可以对人体体重等较大的压力进行检测，应用范围十分广泛。

附图说明

图1为本发明的柔性压力传感器的浇筑模具的三维模型。

图2中，a为本发明的单侧柔性压力传感器的结构示意图(俯视图)，b为 a的主视图。

图3，a为本发明的面对面型柔性压力传感器的结构示意图(俯视图)，b 为a的主视图。

图4中，a-c为本发明实施例1的弹性体薄膜表面微结构的图像，a为光学显微镜照片，b为扫描电镜照片，c为截面扫描电镜照片。

图5为本发明实施例8的柔性压力传感器的压力-电流变化曲线的示意图，a 为0-400kPa范围内的曲线，b为0-140kPa范围内的曲线，c为0-15kPa范围内的曲线，d为0-1kPa范围内的曲线。

图6中，a为本发明实施例8的柔性压力传感器系在人手腕上的照片，b为本发明实施例8的柔性压力传感器测量的人体脉搏与时间的关系图，c为b中A 区域的局部放大图，d为实施例8的柔性压力传感器件加载和卸载的响应时间图。

图7中，a为本发明实施例10的柔性压力传感器的叉指阵列电极的结构示意图，b为本发明实施例10的柔性压力传感器的阵列导电层覆盖在弹性体薄膜具有微结构的表面结构示意图。

图8中，a为本发明实施例10中将10g的标准砝码放置在柔性压力传感阵列上的示意图，b为a的柔性压力传感器的压力分布图像，c为本发明实施例10 中将2,5,10g的标准砝码放置在柔性压力传感阵列上的示意图，d为c的柔性压力传感器的压力分布图像。

图中，1、弹性体薄膜，2、导电层，3、叉指电极，4、连接导线，5、封装层。

具体实施方式

为了进一步了解本发明，下面结合具体实施方式对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明权利要求的限制。

本发明的弹性体薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、通过三维建模软件建立具有凹槽结构的浇筑模具的三维模型，如图1所示。

浇筑模具的外轮廓的形状和尺寸没有特殊限制，可以为长方体、立方体、圆柱体等。通常，浇筑模具的外轮廓的形状为长方体或立方体时，长度为50-400 mm，宽度为50-400mm，高度为2-40mm；浇筑模具的外轮廓的形状为圆柱体时，直径为50-400mm，高度为2-40mm。优选为长方体，长度优选为40mm，宽度优选为20mm，高度优选为5mm。

浇筑模具上设置的凹槽结构的形状也没有特殊限制，可以为长方体、立方体、圆柱体等，具体根据弹性体薄膜所需形状选择。浇筑模具的凹槽结构的形状与浇筑模具的外轮廓的形状可以相同也可以不同。通常，凹槽结构的形状为长方形或正方形时，凹槽结构底面的长度为45-390mm，凹槽结构底面的宽度为 45-390mm，凹槽结构的深度为0.2-30mm，凹槽结构的壁厚为1-10mm；凹槽结构的形状为圆形时，凹槽结构底面的直径为45-390mm，凹槽结构的深度为 0.2-30mm，凹槽结构的壁厚为1-10mm。凹槽深度优选为1-2mm，凹槽壁厚优选为2-5mm。

步骤二、采用选择性激光烧结技术加工出步骤一的浇筑模具。

激光烧结技术是三维打印的一种，在其加工过程中，通过铺粉滚筒在工作平台上铺一层粉末材料，对整体粉末材料进行预加热，然后使用激光束依照三维实体的截面轮廓对选定区域的粉末材料进行烧结形成打印层，之后逐层打印并形成三维实体，在此过程中，浇筑模具表面的粉末会部分熔融并粘附在浇筑模具上，形成凸起的无规表面微结构。

激光烧结采用的粉末材料为尼龙、聚酰胺、聚苯乙烯或其他商业化的三维打印粉末材料，或者自制的可用于选择性烧结三维打印的粉末材料；优选为尼龙。

激光烧结的预加热温度为140-200℃，具体预加热温度由所加工的粉末材料决定；优选为170-175℃。激光束的功率为10-80W，具体功率根据三维打印设备和粉末材料决定；优选为40-56W。激光路径的间距为0.05-0.5mm，具体间距与三维打印设备相关；优选为0.1-0.5mm。

采用激光烧结技术加工出的浇筑模具表面具有无规微结构，浇筑模具的表面微结构的水平尺寸为1-500μm，高度尺寸为1-200μm；水平尺寸优选为80-200 μm，高度尺寸优选为50-100μm；浇筑模具的表面粗糙度为0.5-50μm，优选为 10-40μm；具体尺寸受粉末材料和工艺参数的选择的影响。

步骤三、向步骤二得到的浇筑模具中倒入弹性体流体，固化后，将薄膜从模具中剥离，得到具有表面微结构的弹性体薄膜。

弹性体薄膜的材料为有机硅橡胶、聚氨酯、环氧树脂等；优选为有机硅橡胶。弹性体流体为预聚体/固化剂共混体系、高分子水溶液、高分子/有机溶剂溶液、高分子熔体等，具体受到弹性体薄膜的材料的限制，本领域技术人员也能够根据弹性体薄膜的材料进行选择。如弹性体薄膜的材料为聚二甲基硅氧烷，则弹性体流体为预聚体/固化剂体系，型号为道康宁Sylgard 184；如弹性体薄膜的材料为聚氨酯，则弹性体流体为聚氨酯的N,N-二甲基甲酰胺溶液。固化时间根据弹性体流体的不同而不同，没有特定限制，以成膜为准。

本发明还提供上述弹性体薄膜的制备方法制备的弹性体薄膜。

弹性体薄膜的表面微结构基本由浇筑模具的表面微结构决定，与浇筑模具的表面微结构形状相反，同时也会受到转印过程的影响。弹性体薄膜的表面微结构的水平尺寸为1-500μm，高度尺寸为1-200μm，表面微结构的水平尺寸优选为80-200μm，高度尺寸优选为50-100μm；弹性体薄膜的表面粗糙度为0.5-50 μm，优选为10-40μm。

弹性体薄膜的形状和尺寸基本由浇筑模具的凹槽结构的形状和尺寸决定，其厚度由浇筑弹性体流体的体积的决定。弹性体薄膜的形状为长方体、立方体、圆柱体等。弹性体薄膜的形状为长方体或立方体时，弹性体薄膜的长度为45-390 mm，宽度为45-390mm，厚度为0.2-20mm，长度优选为40mm，宽度优选为20mm，厚度优选为2mm；弹性体薄膜的形状为圆柱体时，弹性体薄膜的直径为45-390mm，厚度为0.2-20mm；直径优选为20mm，厚度优选为2mm。

本发明还提供含有上述弹性体薄膜的柔性压力传感器。该柔性压力传感器的核心部件为弹性体薄膜，还包括其他构建柔性压力传感器的必要部件，如导电层、叉指电极、连接导线和封装层等，也可以选择其他类型的器件结构来构建柔性压力传感器，具体结构依据柔性压力传感器的类型的不同而不同。

对于不同的器件结构的柔性压力传感器，其工作机理基本一致，故而本发明的弹性体薄膜都适用。本发明的柔性压力传感器的基本原理如下：通过外部连接的导线测试传感器时，传感器整体的电阻包括：导电层的接触电阻和串联电阻。具有微结构的弹性体薄膜表面包含高度和大小不同的凹凸结构。在不施加外力时，表面上只有部分凸起结构相互接触，且接触部分的面积较小，因此整体器件的接触电阻较大；在传感器上施加压力时，弹性体被挤压靠近，使得接触部分的面积增大，因此触感器的电阻会减小。基于传感器接触电阻的变化，可以测试其整体电阻的变化；或者恒定电压/电流下，电流/电压值的变化，进而得到施加的压力值大小。

本发明提供几种常见类型的柔性传感器，但不限于此。

如图2所示，单侧柔性压力传感器，包括弹性体薄膜1、导电层2、叉指电极3、连接导线4和封装层5，导电层2的一侧覆盖在弹性体薄膜1具有微结构的表面上，导电层2的另一侧与叉指电极3的电极面接触，连接导线4的两端分别与叉指电极3的两个电极连接。

如图3所示，面对面型柔性压力传感器，包括两个弹性体薄膜1、两个导电层2和两个连接导线4，一个导电层2的一侧覆盖在一个弹性体薄膜1具有微结构的表面上，另一个导电层2的一侧覆盖在另一个弹性体薄膜1具有微结构的表面上，两个导电层2的另一侧错位接触，两个连接导线4分别与两个导电层2 相互不接触的位置连接。

进一步的，所述阵列型柔性压力传感器，包括弹性体薄膜、阵列导电层、叉指阵列电极和多个连接导线4，阵列导电层由多个导电层2组成，多个导电层 2呈阵列排布在弹性体薄膜1具有微结构的表面上，叉指阵列电极包括多个叉指电极3，多个叉指电极3的基底一体成型，多个叉指电极3的导电电极呈阵列排布，阵列导电层的另一侧与叉指阵列电极的电极面接触；每个叉指电极3对应两根连接导线4，两根连接导线4分别与叉指电极3的两个电极连接。

上述几种柔性传感器中，一般通过封装层5固定弹性体薄膜1、叉指电极3、连接导线4的相对位置，并保护这些部件不受外部环境的影响。封装层5的材料为聚丙烯酸酯、硅橡胶、环氧乙烷、聚氨酯等；优选为硅橡胶。

上述柔性传感器中，导电层2的厚度为10nm-20μm；优选为1-5μm。导电层2的材料为导电材料或弹性体材料与导电材料的复合材料；导电材料为导电金属、导电聚合物、金属纳米线、导电碳材料等；导电金属为金、银、铜、铝、镍等；导电聚合物为聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐聚3、4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、聚苯胺等；金属纳米线为金纳米线、银纳米线、铜纳米线等；导电碳材料为碳纳米管、石墨烯、石墨片等；弹性体材料为聚氨酯、硅橡胶、环氧树脂等。导电层2采用沉积的方式设置在弹性体薄膜的表面，沉积方法为真空蒸镀、磁控溅射、旋涂、喷涂、滴涂、浸渍、淋涂等，具体使用方法会受到导电层2材料的影响。

上述柔性传感器中，叉指电极3由基底和导电电极组成，导电电极设置在基底的上表面上，设置方法可以将导电电极材料按照所需图案直接沉积在基底表面上，也可以嵌入基底的表面。导电电极由两个相互不连通的指状、梳状的周期性导电图案，或者阿基米德罗线图案构成，使得两个导电图案之间具有5 μm-2mm的间距。本发明中，叉指电极3优选为指状叉指电极，每指的宽度为 5μm-2mm，指间距为5μm-2mm；优选每指的宽度为100μm-1mm，指间距为 100μm-1mm。基底的材料为硅橡胶、聚对苯二甲酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺等；优选硅橡胶；基底的厚度为1μm-2mm。导电电极的材料为导电材料或弹性体材料与导电材料的复合材料；导电材料为导电金属、导电聚合物、金属纳米线、导电碳材料等；导电金属为金、银、铜、铝、镍等；导电聚合物为聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐聚3、4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐 (PEDOT:PSS)、聚苯胺等；金属纳米线为金纳米线、银纳米线、铜纳米线等；导电碳材料为碳纳米管、石墨烯、石墨片等；导电材料优选为银纳米线；弹性体材料为聚氨酯、硅橡胶、环氧树脂等。

连接导线4为铜导线、铜箔等；优选为铜箔。连接导线4的连接方式为接触连接、焊锡连接、导电银浆连接等。

本发明的柔性压力传感器应用广泛，如阵列型柔性压力传感器能够检测力值分布，单侧柔性压力传感器能够检测人体脉搏。

以下结合实施例进一步说明本发明。

实施例1

步骤一、通过三维建模软件建立具有凹槽结构的浇筑模具的三维模型，浇筑模具的外轮廓为长方体形，长度为40mm，宽度为20mm，高度为5mm；凹槽结构为长方体形，凹槽结构底面长度为36mm，凹槽结构底面宽度为16mm，凹槽结构深度为1mm，凹槽结构壁厚为2mm。

步骤二、采用选择性激光烧结技术加工出步骤一的浇筑模具：先将尼龙粉末预热至172℃，之后使用功率为56W，路径间距为0.2mm的激光束逐层打印形成浇筑模具。浇筑模具表面微结构的水平尺寸为80-200μm，高度尺寸为 50-100μm，浇筑模具的表面粗糙度为10-40μm。

步骤三、向步骤二加工得到的浇筑模具中倒入弹性体流体(弹性体薄膜的材料为聚二甲基硅氧烷，对应采用的弹性体流体牌号为道康宁Sylgard 184(质量比10:1的预聚体和固化剂)，在60℃下加热固化8h，剥离，得到具有表面微结构的弹性体薄膜。弹性体薄膜为长方体形，长度为36mm，宽度为16mm，厚度为0.5mm；弹性体薄膜的表面微结构的水平尺寸为80-200μm，高度尺寸为50-100μm，弹性体薄膜的表面粗糙度为10-40μm。

图4为本发明实施例1的弹性体薄膜表面微结构的图像。

实施例2

步骤一、通过三维建模软件建立具有凹槽结构的浇筑模具的三维模型，浇筑模具的外轮廓为立方体形，长度为50mm，宽度为50mm，高度为5mm；凹槽结构为立方体形，凹槽结构底面长度为46mm，凹槽结构底面宽度为46mm，凹槽结构的深度为1mm，凹槽结构的壁厚为2mm。

步骤二、采用选择性激光烧结技术加工出步骤一的浇筑模具：先将尼龙粉末预热至172℃，之后使用功率为48W，路径间距为0.25mm的激光束逐层打印形成浇筑模具。浇筑模具表面微结构的水平尺寸为60-150μm，高度尺寸为 60-120μm，浇筑模具的表面粗糙度为10-20μm。

步骤三、向步骤二加工得到的浇筑模具中倒入弹性体流体(弹性体薄膜的材料为聚二甲基硅氧烷，对应采用的弹性体流体牌号为道康宁Sylgard 184(质量比10:1的预聚体和固化剂)，在60℃下加热固化5h，剥离，得到具有表面微结构的弹性体薄膜。弹性体薄膜为立方体形，长度为46mm，宽度为46mm，厚度为0.5mm；弹性体薄膜的表面微结构的水平尺寸为60-150μm，高度尺寸为60-120μm，弹性体薄膜的表面粗糙度为10-20μm。

实施例3

步骤一、通过三维建模软件建立具有凹槽结构的浇筑模具的三维模型，浇筑模具的外轮廓为立方体形，长度为50mm，宽度为50mm，高度为5mm；凹槽结构为立方体形，凹槽结构底面长度为46mm，凹槽结构底面宽度为46mm，凹槽结构的深度为1mm，凹槽结构的壁厚为2mm。

步骤二、采用选择性激光烧结技术加工出步骤一的浇筑模具：先将尼龙粉末预热至170℃，之后使用功率为64W，路径间距为0.15mm的激光束逐层打印形成浇筑模具。浇筑模具表面微结构的水平尺寸为100-250μm，高度尺寸为 80-160μm，弹性体薄膜的表面粗糙度为20-40μm。

步骤三、向步骤二加工得到的浇筑模具中倒入弹性体流体(弹性体薄膜的材料为聚氨酯，弹性体流体为溶于二甲基甲酰胺的聚氨酯溶液，聚氨酯采用德国巴斯夫TPU S60)，在60℃下加热使得溶剂挥发得到聚氨酯薄膜，剥离，得到具有表面微结构的弹性体薄膜。弹性体薄膜为立方体形，长度为46mm，宽度为46mm，厚度为0.6mm；弹性体薄膜表面微结构的水平尺寸为100-250μm，高度尺寸为80-160μm，浇筑模具的表面粗糙度为20-40μm。

实施例4

步骤一、通过三维建模软件建立具有凹槽结构的浇筑模具的三维模型，浇筑模具的外轮廓为立方体形，长度为30mm，宽度为30mm，高度为4mm；凹槽结构为立方体形，凹槽结构底面的长度为26mm，凹槽结构底面的宽度为26 mm，凹槽结构的深度为1mm，凹槽结构的壁厚为2mm。

步骤二、采用选性激光烧结技术加工出步骤一的浇筑模具：先将尼龙粉末首先预热至172℃，之后使用功率为40W，路径间距为0.2mm的激光束逐层打印形成浇筑模具。浇筑模具表面微结构的水平尺寸为80-150μm，高度尺寸为 40-100μm，浇筑模具的表面粗糙度为10-20μm。

步骤三、向步骤二加工得到的浇筑模具中倒入弹性体流体(弹性体薄膜的材料为聚二甲基硅氧烷，对应采用的弹性体流体牌号为道康宁Sylgard 184(质量比10:1的预聚体和固化剂)，在60℃下加热固化8h，剥离，得到具有表面微结构的弹性体薄膜。弹性体薄膜为立方体形，长度为26mm，宽度为26mm，厚度为0.4mm。弹性体薄膜表面微结构的水平尺寸为80-150μm，高度尺寸为 40-100μm，弹性体薄膜的表面粗糙度为10-20μm。

实施例5

步骤一、通过三维建模软件建立具有凹槽结构的浇筑模具的三维模型，浇筑模具的外轮廓为立方体形，长度为50mm，宽度为50mm，高度为4mm；凹槽结构为立方体形，凹槽结构底面的长度为46mm，凹槽结构底面的宽度为46 mm，凹槽结构的深度为1mm，凹槽结构的壁厚为2mm。

步骤二、采用选性激光烧结技术加工出步骤一的浇筑模具：先将尼龙粉末预热至172℃，之后使用功率为40W，路径间距为0.2mm的激光束逐层打印形成浇筑模具。浇筑模具表面微结构的水平尺寸为80-150μm，高度尺寸为40-100 μm，浇筑模具的表面粗糙度为10-20μm。

步骤三、向步骤二加工得到的浇筑模具中倒入弹性体流体(弹性体薄膜的材料为聚二甲基硅氧烷，对应采用的弹性体流体牌号为道康宁Sylgard 184(质量比10:1的预聚体和固化剂)，在60℃下加热固化5h，剥离，得到具有表面微结构的弹性体薄膜。弹性体薄膜为立方体形，长度为46mm，宽度为46mm，厚度为0.6mm。弹性体薄膜表面微结构的水平尺寸为80-150μm，高度尺寸为 40-100μm，弹性体薄膜的表面粗糙度为10-20μm。

实施例6

步骤一、通过滴涂法在实施例1制备的弹性体薄膜具有微结构的表面上沉积碳纳米管分散液(溶剂为N,N二甲基甲酰胺，碳纳米管的浓度为1mg/mL)，形成约2μm厚的导电层。

步骤二、将弹性体薄膜涂有导电层的一侧放置在叉指电极上，之后，通过连接导线连接叉指电极的两个电极，并采用封装层封装固定，形成柔性压力传感器件。其中，叉指电极为指状叉指电极，基底的材料为聚酰亚胺，导电电极材料分别为金属铜和金属铬，导电电极设置在基底表面，指电极宽度为200μm，指间距离为300μm。

通过数字源表测量单元(SMU)在引出的连接导线的两端施加0.2V的电压，测量柔性压力传感器在不同压力下电流的大小以及电流的变化规律，可以得到柔性压力传感器件的电流变化-压力曲线，并得到不同测量范围内的敏感度大小。经检测，该柔性压力传感器件在100Pa-180kPa范围内，传感器的敏感度为20 kPa^-1，且线性度良好。

实施例7

步骤一、通过喷涂法在实施例2制备的弹性体薄膜具有微结构的表面沉积氧化石墨烯分散液(溶剂为质量比为1:1的水和乙醇的混合溶剂，氧化石墨烯的浓度为2mg/mL)，之后，在200℃的热台上加热3h，使得氧化石墨烯还原形成导电的还原氧化石墨烯，形成约1μm厚的导电层。其中，喷涂使用的气压为 0.4MPa，喷涂流量为0.2mL/min，超声功率为3.5W。

步骤二、将弹性体薄膜涂有导电层的一侧放置在叉指电极上，之后，通过连接导线连接叉指电极的两个电极，并采用封装层封装固定，形成柔性压力传感器件。其中，叉指电极为指状叉指电极，基底的材料为聚酰亚胺，导电电极材料分别为金属铜和金属铬，导电电极设置在基底表面，指电极宽度为100μm，指间距离为400μm。

通过数字源表测量单元(SMU)在引出的连接导线的两端施加0.5V的电压，测量柔性压力传感器在不同压力下电流的大小以及电流的变化规律。经检测，该柔性压力传感器件在20Pa-60kPa范围内，传感器的敏感度大于50kPa^-1，线性度良好。

实施例8

步骤一、通过喷涂法在实施例3制备的弹性体薄膜具有微结构的表面沉积氧化石墨烯分散液(溶剂为质量比为1:1的水和乙醇的混合溶剂，氧化石墨烯的浓度为1mg/mL)，之后，在200℃的热台上加热3h，使得氧化石墨烯还原形成导电的还原氧化石墨烯，形成约0.6μm厚的导电层。其中，喷涂使用的气压为0.4MPa，喷涂流量为0.15mL/min，超声功率为3.5W。

步骤二、将弹性体薄膜涂有导电层的一侧放置在叉指电极上，之后，通过连接导线连接叉指电极的两个电极，并采用封装层封装固定，形成柔性压力传感器件。其中，叉指电极为指状叉指电极，基底的材料为硅橡胶，导电电极材料均为银纳米线，导电电极嵌入基底的表面，指电极宽度为500μm，指间距离为1.5mm。

通过数字源表测量单元(SMU)在引出的连接导线的两端施加0.2V-5V的电压(优选为1V)，测量柔性压力传感器在不同压力下电流的大小以及电流的变化规律，可以得到柔性压力传感器件的电流变化-压力曲线，并得到不同测量范围内的敏感度大小，结果如图5所示，从图5可以看出，该柔性压力传感器件在50Pa-100kPa范围内，传感器的敏感度大于40kPa^-1，且线性度良好。

将柔性压力传感器系在人手腕上，如图6a所示。从电信号中能够获得脉搏的频率(图6b)和脉搏的波形图(图6c)。通过统计图6b中每一次起伏信号之间的时间间隔，或者1分钟内起伏信号的个数，就可以得到每分钟人体脉搏的次数。图6b中，每次起伏信号的间隔约为1秒，说明测试对象的脉搏数约为 60次/分，在正常人脉搏的频率之内。另外，测试得到的每次起伏的图像和正常人体脉搏的图像也是类似的。这说明本发明的柔性压力传感器能够检测人体脉搏。从图6d可以看出，该柔性压力传感器件加载和卸载的响应时间为40ms。

实施例9

步骤一、通过喷涂法在实施例4的弹性体薄膜具有微结构的表面沉积氧化石墨烯分散液(溶剂为质量比为1:1的水和乙醇的混合溶剂，氧化石墨烯的浓度为2mg/mL)，之后，在200℃的热台上加热3h，使得氧化石墨烯还原形成导电的还原氧化石墨烯，形成约1μm厚的导电层。其中，喷涂使用的气压为0.4 MPa，喷涂流量为0.2mL/min，超声功率为3.5W。

步骤二、在弹性体薄膜上沉积的导电层的边缘连接铜导线作为连接导线，将两张弹性体薄膜沉积有导电层的一侧面对面交错封装，两个连接导线分别位于两个导电层相互不接触的位置，形成柔性压力传感器件。

通过数字源表测量单元(SMU)在引出的连接导线的两端施加2V的电压，测量柔性压力传感器在不同压力下电流的大小以及电流的变化规律。经检测，该柔性压力传感器件在10Pa-40kPa范围内，传感器的敏感度大于10kPa^-1，线性度良好。

实施例10

步骤一、通过喷涂法在实施例5制备的弹性体薄膜具有微结构的表面沉积氧化石墨烯分散液(溶剂为质量比为1:1的水和乙醇的混合溶剂，氧化石墨烯的浓度为2mg/mL)，之后，在200℃的热台上加热3h，使得氧化石墨烯还原形成导电的还原氧化石墨烯，形成约1μm厚的导电层。其中，喷涂使用的气压为 0.4MPa，喷涂流量为0.2mL/min，超声功率为3.5W。

步骤二、通过激光刻蚀工艺对弹性体薄膜表面的导电层进行图案化处理，形成阵列导电层(由多个导电层组成，多个导电层均为矩形，呈阵列排布在弹性体薄膜具有微结构的表面上)，叉指阵列电极包括多个叉指电极，多个叉指电极的基底一体成型，多个叉指电极的导电电极呈阵列排布，阵列导电层的另一侧与叉指阵列电极的电极面接触；每个叉指电极对应两根连接导线，两根连接导线分别与叉指电极的两个电极连接，封装固定，形成柔性压力传感器阵列。叉指电极为指状叉指电极，基底的材料为硅橡胶，导电电极材料均为银纳米线，导电电极嵌入基底的表面。

通过数据采集器测试柔性压力传感器阵列中各传感器单元在不同压力下电流的变化规律，可以得到其阵列上不同位置对应的力值大小，即压力的分布情况。图8a中为将10g的标准砝码放置在柔性压力传感阵列上的示意图。图8b 与图8a对应，是通过柔性压力传感阵列测试得到的砝码放置在柔性压力传感器上后，施加给柔性压力传感器的压力分布图像。图8c为将2g，10g和50g的标准砝码放置在柔性压力传感器阵列上的示意图。图8d与图8c对应，分别对应这三个砝码的压力分布。在图b和图d中，横纵坐标对应着柔性压力传感阵列上不同测试单元的位置，图像的颜色表示该区域所受的压强的相对大小，颜色对应的压强大小由图像右侧的颜色标尺给出。从图8可以看出，本发明的阵列型压力传感器能够测量力值分布。

以上只通过说明的方式描述了本发明的实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.弹性体薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过三维建模软件建立具有凹槽结构的浇筑模具的三维模型；

步骤二、采用选择性激光烧结技术加工出步骤一的浇筑模具；

步骤三、向步骤二得到的浇筑模具的凹槽中倒入弹性体流体，固化后，将薄膜从模具中剥离，得到具有表面微结构的弹性体薄膜。

2.根据权利要求1所述的弹性体薄膜的制备方法，其特征在于，

所述步骤一中，浇筑模具的外轮廓的形状为长方体、立方体或圆柱体；浇筑模具的外轮廓的形状为长方体或立方体时，长度为50-400mm，宽度为50-400mm，高度为2-40mm；浇筑模具的外轮廓的形状为圆柱体时，直径为50-400mm，高度为2-40mm；

所述步骤一中，凹槽结构的形状为长方体、立方体或圆柱体；凹槽结构的形状为长方形或正方形时，凹槽结构底面的长度为45-390mm，凹槽结构底面的宽度为45-390mm，凹槽结构的深度为0.2-30mm，凹槽结构的壁厚为1-10mm；凹槽结构的形状为圆形时，凹槽结构底面的直径为45-390mm，凹槽结构的深度为0.2-30mm，凹槽结构的壁厚为1-10mm。

3.根据权利要求1所述的弹性体薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，选择性激光烧结技术采用的粉末材料为尼龙、聚酰胺或聚苯乙烯；激光烧结的预加热温度为140-200℃，激光束的功率为10-80 W，激光路径的间距为0.05-0.5mm；浇筑模具的表面粗糙度为0.5-50μm；浇筑模具的表面微结构的水平尺寸为1-500μm，高度尺寸为1-200μm。

4.根据权利要求1所述的弹性体薄膜的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，弹性体薄膜的材料为有机硅橡胶、聚氨酯或环氧树脂；弹性体流体为预聚体/固化剂共混体系、高分子水溶液、高分子/有机溶剂溶液或高分子熔体。

5.权利要求1-4任何一项所述的弹性体薄膜的制备方法制备的弹性体薄膜。

6.含有权利要求5所述的弹性体薄膜的柔性压力传感器。

7.根据权利要求6所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性压力传感器，包括弹性体薄膜、导电层、叉指电极和连接导线，所述导电层的一侧覆盖在弹性体薄膜具有微结构的表面上，导电层的另一侧与叉指电极的电极面接触，连接导线的两端分别与叉指电极的两个电极连接。

8.根据权利要求6所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性压力传感器，包括两个弹性体薄膜、两个导电层和两个连接导线，一个导电层的一侧覆盖在一个弹性体薄膜具有微结构的表面上，另一个导电层的一侧覆盖在另一个弹性体薄膜具有微结构的表面上，两个导电层的另一侧错位接触，两个连接导线分别与两个导电层相互不接触的位置连接。

9.根据权利要求6所述的柔性压力传感器，其特征在于，包括弹性体薄膜、阵列导电层、叉指阵列电极和多个连接导线，阵列导电层由多个导电层组成，多个导电层呈阵列排布在弹性体薄膜具有微结构的表面上，叉指阵列电极包括多个叉指电极，多个叉指电极的基底一体成型，多个叉指电极的导电电极呈阵列排布，阵列导电层的另一侧与叉指阵列电极的电极面接触；每个叉指电极对应两根连接导线，两根连接导线分别与叉指电极的两个电极连接。

10.根据权利要求7-9任何一项所述的柔性压力传感器，其特征在于，

所述导电层的厚度为10nm-20μm；导电层的材料为导电材料或弹性体材料与导电材料的复合材料，导电材料为导电金属、导电聚合物、金属纳米线或导电碳材料，弹性体材料为聚氨酯、硅橡胶或环氧树脂；

所述叉指电极每指的宽度为5μm-2mm，指间距为5μm-2mm；

所述连接导线为铜导线或铜箔，连接方式为接触连接、焊锡连接或导电银浆连接。