CN110082012B - 一种柔性压力传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
一种柔性压力传感器及其制作方法，该柔性压力传感器包括多孔材料层、设置在所述多孔材料层两侧的一对电极层以及设置在各电极层外侧的聚合物衬底，所述多孔材料层包括具有多孔结构的聚合物材料、吸附于所述多孔结构的孔隙内壁的具有压阻特性的导电聚合物、以及填充在所述多孔结构的孔隙内用于扩大所述压力传感器量程的填充材料。该柔性压力传感器在保持较高灵敏度的情况下获得较大的量程，且器件稳定性好。该制作方法方便根据应用调控传感器量程。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器，尤其是一种柔性压力传感器及其制作方法。
背景技术
随着智能制造的全面推进，人工智能已经无处不在，其中柔性器件得到了大力发展。而作为柔性器件的重要组成部分，柔性触觉识别是与外界环境信息交互的重要途径。在过去的几十年中，越来越多研究关于利用与人体皮肤或器官接触进行生命体征的检测值得关注。在过去的四十年中，各种形式的薄膜电子产品已经成为显示器，成为传感器和能量转换领域的大部分技术创新的基础，柔性器件是柔性电子产业的关键。柔性电子产业在诸多领域有着广泛的应用，例如柔性薄膜显示与照明、柔性键盘、智能医疗、智能家居、移动可穿戴设备、人机交互等诸多领域。柔性器件也是实现柔性触觉识别的有效方式，柔性压力传感器具有大的弹性拉伸应变，优异的导电性以及较好的重复性和耐久性，所以分别应用在人体运动检测、健康诊断、智能服装、电子皮肤、汽车行业、人机界面、移动通信以及特定于市场的应用程序等多个领域。
压力传感器依其工作原理，可以分为电容式、压阻式和压电式等。但是针对触觉识别，需要对器件完成压力阵列的设计，为提高灵敏度，需要设计微结构。因此导电复合材料容易设计成大阵列柔性压力传感器。但往往传感器的量程与灵敏度成一定的负相关性。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种柔性压力传感器及其制作方法，以使柔性压力传感器在保持较高灵敏度的情况下获得较大的量程，且器件稳定性好。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种柔性压力传感器，包括多孔材料层、设置在所述多孔材料层两侧的一对电极层以及设置在各电极层外侧的聚合物衬底，所述多孔材料层包括具有多孔结构的聚合物材料、吸附于所述多孔结构的孔隙内壁的具有压阻特性的导电聚合物、以及填充在所述多孔结构的孔隙内用于扩大所述压力传感器量程的填充材料。
进一步地：
所述聚合物衬底为PDMS、TPU、PET、PI、硅橡胶或聚氨酯橡胶。
所述电极层的厚度为10nm–8μm。
所述多孔结构的孔隙包括球形孔隙、方形孔隙或者编织结构孔隙中的至少一种。
所述多孔结构的孔隙率为50％-93％。
所述多孔材料层的厚度为50-500μm。
所述多孔材料层为多孔聚丙烯(PP)。
所述导电聚合物为在碳管表面合成的导电聚合物，优选为在羧基化碳管表面合成的聚苯胺导电复合材料。
所述填充材料为PDMS、Ecoflex和聚乙烯醇(PVA)中的至少一种。
一种柔性压力传感器的制作方法，包括以下步骤：
准备具有压阻特性的导电聚合物；
将具有多孔结构的聚合物材料浸泡在所述导电聚合物的溶液中，使压阻材料吸附在所述多孔结构的孔隙内壁；
通过抽滤的方式，在所述多孔结构的孔隙内填充用于扩大所述压力传感器量程的填充材料；
在所述具有多孔结构的聚合物材料两侧设置一对电极层以及在各电极层外侧设置聚合物衬底，并完成键合封装工艺。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供的柔性压力传感器包括多孔材料层、设置在所述多孔材料层两侧的一对电极层以及设置在各电极层外侧的聚合物衬底，所述多孔材料层包括具有多孔结构的聚合物材料、吸附于所述多孔结构的孔隙内壁的具有压阻特性的导电聚合物、以及填充在所述多孔结构的孔隙内用于扩大所述压力传感器量程的填充材料，使用时，可通过多孔结构的形变来引起电阻的变化。多孔材料层的杨氏模量越小，材料的灵敏度就会越高，但通常量程也就越小，而通过填充在多孔结构孔隙内的填充材料，本发明在保持压力传感器较高灵敏度的情况下扩大了压力传感器的量程。制作时，可以通过控制填充材料在孔隙中的附着厚度来调控压力传感器的量程。本发明的压力传感器将外界压力信号转化为电信号，具有良好的可重复性，器件稳定性好，柔韧性好，易于阵列化等优点。
本发明提供的柔性压力传感器，可以在保持较高灵敏度的情况下获得较大的量程，且器件稳定性好。
本发明提供了一种可调控量程、器件稳定性好的压阻式柔性压力传感器制备方法，方便根据应用调控传感器量程。
附图说明
图1是本发明实施例的压阻式柔性压力传感器的微结构示意图；
图2是本发明实施例的压阻式柔性压力传感器阵列的结构示意图；
图3是本发明实施例中的多孔材料的电镜观察图；
图4是本发明实施例中的压阻材料吸附在多孔结构内壁示意图；
图5是本发明实施例中的抽滤后多孔结构内壁的变化图；
图6是本发明实施例的压阻式压力传感器制作方法的流程示意图；
图7是本发明实施例中的抽滤PVA材料前后传感器的量程变化对比图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。
参阅图1至图2，在一种实施例中，一种柔性压力传感器，包括多孔材料层3、设置在所述多孔材料层3两侧的一对电极层2以及设置在各电极层2外侧的聚合物衬底1，所述多孔材料层3包括具有多孔结构的聚合物材料、吸附于所述多孔结构的孔隙内壁的具有压阻特性的导电聚合物、以及填充在所述多孔结构的孔隙内用于扩大所述压力传感器量程的填充材料。所述聚合物衬底1提供柔性压力传感器的柔性衬底，所述电极层2为在柔性衬底表面形成的电极图形。
工作时，本发明的压阻式压力传感器在受到外界压力的作用情况下，多孔材料层发生形变，导致两层聚合物弹性体电极之间的距离发生变化，即压阻式压力传感器的阻值发生变化。在向两电极施加电压后，电阻值的变化转化为电压的变化，从而感知外界压力的变化。压阻材料的杨氏模量越小，材料的灵敏度就会越高，但通常量程也就越小，而通过填充在多孔结构孔隙内的填充材料，本发明在保持压力传感器较高灵敏度的情况下扩大了压力传感器的量程。制作本发明的压力传感器时，可以通过控制填充材料在孔隙中的附着厚度来调控压力传感器的量程。本发明的压力传感器将外界压力信号转化为电信号，具有良好的可重复性，器件稳定性好，柔韧性好，易于阵列化等优点。
在优选的实施例中，所述聚合物衬底为PDMS、TPU、PET、PI、硅橡胶或聚氨酯橡胶。
在优选的实施例中，所述电极层的厚度为10nm–8μm。
在不同的实施例中，所述多孔结构的孔隙包括球形孔隙、方形孔隙或者编织结构孔隙中的至少一种。例如，可将球形孔洞的多孔结构与电极层接触，并键合，形成良好的导电层。
在优选的实施例中，所述多孔结构的孔隙率为50％-93％。
在优选的实施例中，所述多孔材料层的厚度为50-500μm。
在优选的实施例中，所述多孔材料层为多孔聚丙烯(PP)。
在优选的实施例中，所述导电聚合物为在碳管表面合成的导电聚合物，特别优选为在羧基化碳管表面合成的聚苯胺导电复合材料。
在优选的实施例中，所述填充材料为为PDMS、Ecoflex和聚乙烯醇(PVA)中的至少一种。
一种柔性压力传感器的制作方法，包括以下步骤：
准备具有压阻特性的导电聚合物；
将具有多孔结构的聚合物材料浸泡在所述导电聚合物的溶液中，使压阻材料吸附在所述多孔结构的孔隙内壁；
通过抽滤的方式，在所述多孔结构的孔隙内填充用于扩大所述压力传感器量程的填充材料；其中抽滤的填充材料覆盖在压阻材料表面，不改变多孔结构；
在所述具有多孔结构的聚合物材料两侧设置一对电极层以及在各电极层外侧设置聚合物衬底，并完成键合封装工艺。
以下结合附图进一步描述本发明具体实施例的特征和优点。
参阅图1至图2，在具体实施例中，一种压阻式柔性压力传感器，包括聚合物衬底1、电极层2、以及多孔材料层3。多孔材料层3可以为多孔球形孔洞的多孔结构，与电极层2接触，并键合，形成良好的导电层。在优选的实施例中，所述多孔材料的厚度为100μm。在优选的实施例中，所述多孔结构孔隙率为70％。所述电极层2材料可以是金、银、铜、碳纳米管、银纳米线等。优选地，所述电极层2的膜厚为8μm。在优选的实施例中，弹性体的聚合物衬底1的厚度为6-100μm。图3所示多孔材料层为多孔聚丙烯(PP)材料，厚度为100μm。
制作例
制备实例的压阻材料为聚苯胺导电复合材料，在羧基化碳管表面合成(PP_PANI/MWCNTs)，最后制备1％PP_PANI/MWCNTs水溶液。压阻材料制备过程包括：
S1、制备1％的羧基化碳管溶液，利用细胞粉碎机超声30min，使碳管充分分散。
S2、取100ml均匀分散的，浓度为1％的碳管水溶液，在此溶液中配制3M的HCL，营造酸性环境，提高合成的PANI的导电性。
S3、溶液充分混合后，再加入0.6g苯胺单体和60g酒精溶液，常温下磁力搅拌1h，酒精可以降低聚合反应速度，苯胺单体可充分吸附在MWNT-COOH表面；
S4、令0.91g APS在47ml的1M HCL中溶解后，加入碳管苯胺溶液中，利用超声清洗机超声20min；
S5、将反应的溶液放置于-14℃的冰箱中18h后取出，利用酒精和DI水清洗反复清洗溶液，使其停止反应。
图4所示为多孔聚丙烯(PP)材料表面吸附压阻材料。
实例中合成的聚苯胺压阻材料，制备1％的水溶液，在将泡棉P浸泡在溶液中，浸泡后烘干，反复重复上述操作直至多孔材料具有良好的导电性。
图5所示为通过抽滤可固化聚合物材料的方式，调控量程，抽滤材料只覆盖在压阻材料表面，并没有改变多孔结构。
实例中利用PVA溶液进行抽滤，利用布氏漏斗抽滤PVA材料1min，最后烘干。
图6所示为上述柔性压力传感的制备工艺流程，分别完成压敏层的制备和电极阵列的制备，最后完成键合封装。
图7所示为上述柔性压力传感器抽滤前后的测试结果，灵敏度从0.192kPa-1减小到0.141kPa-1，但是量程扩大。
以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。
Claims (9)
1.一种柔性压力传感器的制作方法，其特征在于,所述柔性压力传感器包括多孔材料层、设置在所述多孔材料层两侧的一对电极层以及设置在各电极层外侧的聚合物衬底，所述多孔材料层包括具有多孔结构的聚合物材料、吸附于所述多孔结构的孔隙内壁的具有压阻特性的导电聚合物、以及填充在所述多孔结构的孔隙内用于扩大所述压力传感器量程的填充材料；所述方法包括以下步骤：
准备具有压阻特性的导电聚合物；
将具有多孔结构的聚合物材料浸泡在所述导电聚合物的溶液中，使压阻材料吸附在所述多孔结构的孔隙内壁；
通过抽滤的方式，在所述多孔结构的孔隙内填充用于扩大所述压力传感器量程的填充材料；所述填充材料为PDMS、Ecoflex和聚乙烯醇PVA中的至少一种；
在所述具有多孔结构的聚合物材料两侧设置一对电极层以及在各电极层外侧设置聚合物衬底，并完成键合封装工艺。
2.如权利要求1所述的柔性压力传感器的制作方法，其特征在于,所述聚合物衬底为PDMS、TPU、PET、PI、硅橡胶或聚氨酯橡胶。
3.如权利要求1所述的柔性压力传感器的制作方法，其特征在于, 所述电极层的厚度为10 nm – 8μm。
4.如权利要求1至3任一项所述的柔性压力传感器的制作方法，其特征在于, 所述多孔结构的孔隙包括球形孔隙、方形孔隙或者编织结构孔隙中的至少一种。
5.如权利要求1至3任一项所述的柔性压力传感器的制作方法，其特征在于, 所述多孔结构的孔隙率为50% - 93%。
6.如权利要求1至3任一项所述的柔性压力传感器的制作方法，其特征在于, 所述多孔材料层的厚度为50 - 500 μm。
7.如权利要求1至3任一项所述的柔性压力传感器的制作方法，其特征在于, 所述多孔材料层为多孔聚丙烯PP。
8.如权利要求1至3任一项所述的柔性压力传感器的制作方法，其特征在于,所述导电聚合物为在碳管表面合成的导电聚合物。
9.如权利要求8所述的柔性压力传感器的制作方法，其特征在于, 所述导电聚合物为在羧基化碳管表面合成的聚苯胺导电复合材料。
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2019
- 2019-05-24 CN CN201910440156.4A patent/CN110082012B/zh active Active
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| 基于多孔PDMS的柔性压力传感器设计及制备;段田田;《中国优秀硕士学位论文全文数据库》;全文 * |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN110082012A (zh) | 2019-08-02 |
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