CN110174195A

CN110174195A - 一种仿生柔性压力传感器

Info

Publication number: CN110174195A
Application number: CN201910294235.9A
Authority: CN
Inventors: 李衎; 章立诚; 朱宁宁; 刘逸博
Original assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Current assignee: Zhejiang University of Technology ZJUT
Priority date: 2019-04-12
Filing date: 2019-04-12
Publication date: 2019-08-27

Abstract

本发明公开了一种仿生柔性压力传感器，包括相对布置的两电极，所述两电极均包括柔性基底和覆盖在柔性基底上的金属薄膜导电层，所述两电极的两个相对面中的任一表面向外凸起形成花瓣仿生结构，另一表面为平面结构；或包括相对布置的两电极，所述两电极的两个相对面中任一表面向外凸起形成花瓣仿生结构，另一个表面为平面结构，并在另一个表面设置绝缘层。本发明提供的仿生柔性压力传感器具有高灵敏度、高精确度、加工简易和成本低廉的优点。

Description

一种仿生柔性压力传感器

技术领域

本发明涉及压力检测技术领域，特别是柔性传感器领域，具体为一种仿生柔性压力传感器。

背景技术

压力传感器是能感受压力信号，并能将压力信号转换成可用的其他电信号的器件或装置。压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，应用广泛，主要应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

压力传感器通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。常用的压力传感器分类主要有电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。其中，应用最广泛的是压阻式压力传感器，具有较低的价格和较高的精度以及较好的线性特性。

现有的压力传感器大多以硬性材料制作，不适用于不规则表面的压力测试或者生物运动兼容的应用，传统柔性压力传感器有精确度不够、加工成本高、流程复杂等缺陷。

近年来，随着柔性电子学的发展，应用于假肢的触觉传感器、智能机器人以及健康监测方面的柔性传感器因其优异的性能而被广泛关注。柔性传感器因其柔软、富有弹性，能贴附于物体表面，且灵敏度较高，将在智能机器人、手持式电子消费产品、柔性显示器、医疗健康检测设备等方面具有巨大的潜在应用价值。目前，柔性传感器仍存在灵敏度有待提高、监测范围有限、制作工艺复杂、成本高等问题。所以，如何在维持相对简单的结构设计、保证器件轻薄和柔弹性的前提下，提高传感器的灵敏度已成为研究的热点之一。

发明内容

本发明的目的是提供一种仿生柔性压力传感器，具有高灵敏度、高精确度、加工简易和成本低廉的优点。

本发明是采用如下技术方案实现的：

本发明提供一种仿生柔性压力传感器，所述仿生柔性压力传感器包括相对布置的两电极，所述两电极均包括柔性基底和覆盖在柔性基底上的金属薄膜导电层，所述两电极的两个相对面中的任一表面向外凸起形成花瓣仿生结构，另一表面为平面结构。

上述结构的仿生柔性压力传感器为电阻型仿生压力传感器，金属薄膜导电层相对布置。其中，一电极作为阳极，另一电极作为零电位点，第一金属薄膜导电层和第二金属薄膜导电层接触时有电流通过；两电极分别接入灵敏电阻表的正极和负极，构成一个压力传感器。

在本发明中，电阻型压力传感器的工作原理为：当压力产生时，一电极上的玫瑰花瓣突起结构与另一电极互相挤压发生形变，两个金属薄膜导电层的接触面积发生改变，因此电阻会随压力大小依照一定规律发生变化，定标后即可作为压力传感器。

所述仿生柔性压力传感器包括相对布置的两电极，所述两电极的两个相对面中任一表面向外凸起形成花瓣仿生结构，另一个表面为平面结构，并在另一个表面设置绝缘层。

上述结构的仿生柔性压力传感器为电容型仿生压力传感器，其中，一电极作为零电位点，外接电压时两电极将构成一个电容；两电极分别接入灵敏电阻表的正极和负极，构成一个压力传感器。

已知电容公式为：

ε为介质介电常数；S为电容极板的正对面积；k为静电力常量,k＝9.0×10⁹N·m/C；d为极板间的距离。

当压力产生时，花瓣仿生结构与平面状的绝缘层互相挤压发生形变，上电极和下电极的正对面积发生改变，因此电容发生变化，在绝缘薄层不被击穿的前提下，电容和压力大小按一定规律发生改变，定标后即可作为压力传感器。

在本发明中，两电极的两个相对面中至少一个具有花瓣仿生结构是指此电极的柔性基底和金属薄膜导电层均为花瓣仿生结构。

在本发明中，花瓣仿生结构直接从花瓣上进行复制。单元结构类似于六方密堆积结构和抛物线圆锥体，当外力在垂直方向施加在该结构上时，抛物线圆锥体顶部截面积小，所受压强较大，因此对外力引起的形变将非常敏感。

所述花瓣仿生结构的底面直径为10-40微米，高度为10-30微米。

优选的，所述柔性基底的材料为可拉伸聚合物材料。优选的，所述可拉伸聚合物材料为聚二甲基硅氧烷。

所述金属薄膜导电层的材料为导电性良好的金属材料。

优选的，所述金属薄膜导电层的材料选自金、银或铜中的一种。

优选的，所述金属薄膜导电层的厚度为50-200nm。

所述绝缘层的材料为为绝缘聚合物材料，厚度为1-10μm。优选的，所述绝缘聚合物材料为聚二甲基硅氧烷。

优选的，在本发明中，所述花瓣仿生结构为玫瑰花瓣仿生结构。

本发明提供的仿生柔性压力传感器的制备方法为：

(1)玫瑰花瓣仿生结构柔性基底的制备：聚二甲基硅氧烷制备时以一定的比例混合预聚物和固化剂并浇筑在玫瑰花瓣仿生结构基底上，得到玫瑰花瓣仿生结构柔性基底。

(2)金属薄膜导电层的制备：聚二甲基硅氧烷衬底首先通过表面氧等离子体轰击处理产生大量悬空的羟基(-OH)，硅烷偶联剂于羟基接合成聚合物分子刷，通过和带有季铵盐的单体(METAC)共聚形成聚合物网络，通过丝网印刷或喷墨打印等印刷方法在特定区域内引入钯催化剂，并被季铵盐铆合，最后将样品浸泡于无电沉积溶液中还原出金属薄膜；最后用去离子水清洗表面，烘干；得到一电极。

(3)如步骤(1)和(2)，将基底换为平面基底，得到另一电极。

(4)组装步骤(2)得到的电极和步骤(3)得到的下极，构成电阻型仿生柔性压力传感器。

(5)在步骤(3)制备的电极上的金属导电薄膜层镀一层绝缘层，厚度为1-10um之间；或直接利用聚二甲基硅氧烷材料在步骤(2)得到的电极和步骤(3)得到的电极之间冷却固化，形成一个类似三明治的结构，构成电容型仿生柔性压力传感器。

在本发明中，柔性基底使用柔性可拉伸的聚合物材料；金属薄膜导电层通过聚合物辅助金属沉积技术生长，它能在金属和基底之间形成一层聚合物层，杨氏模量较低，能够有效降低形变应力对金属薄膜层的破坏，从而实现电极的抗弯曲拉伸特征。远远优于真空沉积的金属材料，因此在柔性可穿戴传感器中有其优势，同时，金属的导电性要优于碳纳米管有机导电材料，对传感器的响应性上有较大优势。

在本发明中，通过使两电极的任一相对面中至少一个具有玫瑰花瓣仿生结构使两电极在受到压力时接触面积的改变来改变电阻或电容，由于玫瑰花瓣仿生结构特殊的高密度六方密堆分布以及抛物线圆锥体单元结构使得传感器具有高灵敏度、高精确度的优点。并且由于直接从玫瑰花瓣上进行复制的制作方法以及所用材料的选择，使得传感器具有加工简易和成本低廉的优点。同时，聚合物辅助金属沉积技术所制备的金属层，在柔性衬底上具有优良的附着性和抗弯曲特性，能够应对传感器工作时金属层发生形变所带来的应力影响，而传统的真空沉积金属在柔性衬底上易剥落，开裂，衬底形变时导电性受到严重破坏。

附图说明

图1为本发明提供的仿生柔性压力传感器的制备方法的流程图；

图2为本发明提供的电阻型仿生柔性压力传感器的结构示意图；

图3为本发明提供的电容型仿生柔性压力传感器的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明的具体实施例进行详细说明。

本发明提供两种仿生柔性压力传感器，分别为电阻型仿生柔性压力传感器和电容型仿生柔性压力传感器。两电极分别用上电极和下电极表示。

本发明提供的电阻型仿生柔性压力传感器如图2所示，包括上电极1和下电极2，下电极2的相对面上具有玫瑰花瓣放生结构。其中，上电极1包括柔性基底11和覆盖在柔性基底上的第二金属薄膜导电层12，上电极1为平面结构；下电极2包括柔性基底21和覆盖在柔性基底上的第一金属薄膜导电层12，柔性基底21和第一金属薄膜导电层22均为玫瑰花瓣仿生结构；第二金属薄膜导电层12和第一金属薄膜导电层22相对布置。

本发明提供的电容型仿生柔性压力传感器如图3所示，包括上电极1和下电极2，下电极2的相对面上具有玫瑰花瓣放生结构。其中，上电极1包括柔性基底11、覆盖在柔性基底上的第二金属薄膜导电层12和覆盖在第二金属薄膜导电层上的绝缘层13，上电极1为平面结构；下电极2包括柔性基底21和覆盖在柔性基底上的第一金属薄膜导电层22，柔性基底21和第一金属薄膜导电层22均为玫瑰花瓣仿生结构；第二金属薄膜导电层12和第一金属薄膜导电层22相对布置。

在本实施例中，电阻型仿生柔性压力传感器中的柔性基底11和柔性基底21的材料均为聚二甲基硅氧烷。

在本实施例中，电容型仿生柔性压力传感器中的柔性基底11、绝缘层13和柔性基底21的材料均为聚二甲基硅氧烷。

在本实施例中，两种仿生柔性压力传感器中下电极2上柔性基底21和第一金属薄膜导电层22上玫瑰花瓣的突起结构的高度为0.2～1mm。平面柔性基底11的厚度1mm。

当压力产生时，下电极2上的玫瑰花瓣突起结构(玫瑰花瓣仿生结构)与上电极1互相挤压发生形变，第一金属薄膜导电薄膜层22与上电极1的接触面积发生改变，因此电阻会随压力大小改变依照一定规律发生变化。或第一金属薄膜导电薄膜层22与上电极1的正对面积发生改变，因此电容发生变化，在绝缘薄层不被击穿的前提下，电容和压力大小按一定规律发生改变，通过变化的电阻值或电容值确定作用的压力值。

电阻型和电容型仿生柔性压力传感器的具体制备方法如图1所示。

具体地：

(1)下电极的制备：

第一步，制作柔性基底，选择了延展性良好的聚二甲基硅氧烷材料，因为其制备简易过程且无毒环保。通过将预聚物和预聚物和固化剂按照10:1的质量比混合，然后将混合好的聚二甲基硅氧烷液体充分搅拌均匀，常温静置30min，放在真空干燥箱中让其抽真空，直到气泡被抽完为止，此过程需20min。

第二步，将光固化胶液体缓慢地倾倒在玫瑰花瓣表面的仿生基底上，表面待无气泡后，使用紫外光进行固化，过程需10min。待固化完成，剥离光固化胶薄膜，得到结构倒模。

第三步，将聚二甲基硅氧烷液体缓慢地倾倒在玫瑰花瓣表面的仿生基底上，表面待无气泡后，在100℃的烘盘上加热固化1h，取下并冷却后，将聚二甲基硅氧烷薄膜从玫瑰花瓣表面基底上剥下来备用。此时聚二甲基硅氧烷薄膜上内嵌有玫瑰花瓣的突起结构，薄膜厚度约为0.2～1mm。

(2)上电极的制备：聚二甲基硅氧烷液体缓慢地浇筑在平面基底上，表面待无气泡后，在100℃的烘盘上加热固化1h，取下并冷却后，将聚二甲基硅氧烷薄膜从平面基底上剥下来备用。薄膜厚度约为1mm。

通过沉积金属材料(金，银和铜为主)于有机材料表面使其能够与平面导体通过电流或形成电容。衬底经过等离子体表面处理，产生大量悬空的羟基，硅烷偶联剂于羟基接合成聚合物分子刷，通过和带有季铵盐的单体共聚形成聚合物网络，通过丝网印刷，喷墨打印等印刷方法在特定区域内引入钯催化剂，并被季铵盐铆合，最后将样品浸泡于无电沉积溶液中还原出特定金属薄膜。通过控制沉积时间和温度获得不同厚度的金属薄膜，最后用去离子水清洗表面剩余溶液并干燥表面。

(3)制备电阻型仿生柔性压力传感器：

制备电阻型仿生柔性压力传感器需将上平面导体与有机材料接触，以便检测由于压力引起的电阻变化。将有机材料表面电极与平面导体面面对应接触后，利用夹持器件固定材料的边缘使两平面不会因为受到侧向的力而发生脱离。器件置于60-120℃温度范围的真空干燥箱中加热10-60min，随后封装。

(4)制备电容型仿生柔性压力传感器：

与电阻型仿生柔性压力传感器不同的是，电容式需要在平面导体上形成一层绝缘层以在两个表面形成有一定距离的电容结构。或利用气相沉积法在表面镀一层绝缘层。将有机材料表面电极与绝缘处理的平面导体面面对应接触后，利用夹持器件固定材料的边缘使两平面不会因为受到侧向的力而发生脱离。或是直接利用聚二甲基硅氧烷材料在两面之间冷却固化，形成一个类似三明治的结构，封装器件。

器件完成之后，需进行封装测试工作，加工的器件可应用于不规则表面压力检测特定场景。

对本发明公开的柔性压力传感器结构及其制作方法，文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的方法及其核心思想；所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims

1.一种仿生柔性压力传感器，其特征在于，所述仿生柔性压力传感器包括相对布置的两电极，所述两电极均包括柔性基底和覆盖在柔性基底上的金属薄膜导电层，所述两电极的两个相对面中的任一表面向外凸起形成花瓣仿生结构，另一表面为平面结构。

2.根据权利要求1所述的仿生柔性压力传感器，其特征在于，所述仿生柔性压力传感器包括相对布置的两电极，所述两电极的两个相对面中任一表面向外凸起形成花瓣仿生结构，另一个表面为平面结构，并在另一个表面设置绝缘层。

3.根据权利要求1或2所述的仿生柔性压力传感器，其特征在于，所述花瓣仿生结构的底面直径为10-40微米，高度为10-30微米。

4.根据权利要求1或2所述的仿生柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性基底的材料为可拉伸聚合物材料。

5.根据权利要求1或2所述的仿生柔性压力传感器，其特征在于，所述金属薄膜导电层的材料选自金、银或铜中的一种。

6.根据权利要求5所述的仿生柔性压力传感器，其特征在于，所述金属薄膜导电层的厚度为50-200nm。

7.根据权利要求1或2所述的仿生柔性压力传感器，其特征在于，所述绝缘层的材料为绝缘聚合物材料，厚度为1-10μm。