CN110440957A - 柔性电介质体、柔性压力传感器及其各自的制备方法 - Google Patents

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CN110440957A
CN110440957A CN201910648852.4A CN201910648852A CN110440957A CN 110440957 A CN110440957 A CN 110440957A CN 201910648852 A CN201910648852 A CN 201910648852A CN 110440957 A CN110440957 A CN 110440957A
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pore forming
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冯雪
杜琦峰
陈颖
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Tsinghua University
Institute of Flexible Electronics Technology of THU Zhejiang
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Tsinghua University
Institute of Flexible Electronics Technology of THU Zhejiang
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Abstract

本申请涉及一种柔性电介质体，所述柔性电介质体的一侧表面具有微结构图案，所述柔性电介质体的内部具有微孔结构。将所述柔性电介质体作为柔性压力传感器的介电层使用时，在受力过程中，柔性电介质体表面的微结构图案先发生变形，提高柔性压力传感器的灵敏度，随着压力增大，柔性电介质体内部的微孔结构发生变形，增大柔性压力传感器的压力测试范围。

Description

柔性电介质体、柔性压力传感器及其各自的制备方法
技术领域
本申请涉及传感器技术领域，具体涉及一种柔性电介质体、柔性压力传感器及其各自的制备方法。
背景技术
近年来，柔性压力传感器逐渐成为智能机器人电子皮肤和人体生理信号监测领域的重要研究对象。
在各种类型的柔性压力传感器中，电容式的柔性压力传感器具有制备简单、信号易采集、成本低等优点，应用较为广泛，其依据受压过程中，上、下电极板之间有效面积、距离或者介电常数发生变化，导致电容值改变而得到压力测试数据。目前，越来越多的研究通过对电容式的柔性压力传感器的介电层微结构进行优化来提高柔性压力传感器的性能，但相关技术仍很难做到使柔性压力传感器在保持高灵敏度的同时拥有宽泛的检测范围，并且，目前制备介电层微结构的工艺还存在步骤繁琐、用料多且工艺参数难以控制的问题。
发明内容
针对上述技术问题，本申请提供一种柔性电介质体、柔性压力传感器及其各自的制备方法，能够使柔性压力传感器的压力检测范围以及灵敏度同时得到提高，工艺简单、成本低廉。
为解决上述技术问题，本申请提供的一种柔性电介质体，所述柔性电介质体的一侧表面具有微结构图案，所述柔性电介质体的内部具有微孔结构。
其中，所述微结构图案包括微凸结构图案。
其中，所述微结构图案为锥体阵列，所述锥体的高度为1～200μm，相邻锥体间隔10～500μm。
其中，所述微孔结构包括直径为10～300μm的孔，所述微孔结构中的每个孔均与外部连通。
本申请还提供一种柔性电介质体的制备方法，包括：
提供一侧表面刻蚀微结构图案的模板；
将电介质材料与造孔颗粒、固化剂混合均匀，得到混合物；
将所述混合物涂覆在所述模板的微结构图案侧并固化成型；
去除所述模板及所述造孔颗粒，得到表面具有微结构图案和内部具有微孔结构的柔性电介质体。
其中，所述模板为水溶性高分子模板，所述提供一侧表面刻蚀微结构图案的模板的步骤，包括：
采用激光在所述水溶性高分子模板的一侧表面刻蚀微结构图案。
其中，所述造孔颗粒为水溶性颗粒，所述去除所述模板及所述造孔颗粒，得到表面具有微结构和内部具有微孔结构的柔性电介质体的步骤，包括：
采用超声清洗溶解去除所述模板及所述造孔颗粒。
其中，所述激光的单脉冲能量范围为20～300μJ，所述激光的扫描速度范围为100～3000mm/s。
其中，所述造孔颗粒的质量占所述电介质材料与所述造孔颗粒的总质量的比例大于或等于60％且小于或等于90％。
本申请还提供一种柔性电介质体的制备方法，包括：
将电介质材料与造孔颗粒、固化剂混合均匀，得到混合物；
将所述混合物固化成型；
在固化成型后的混合物的一侧表面刻蚀微结构图案；
去除所述造孔颗粒，得到表面具有微结构图案和内部具有微孔结构的柔性电介质体。
其中，所述在固化成型后的混合物的一侧表面刻蚀微结构图案的步骤，包括：
采用激光在固化成型后的混合物的一侧表面刻蚀微结构图案。
其中，所述激光的单脉冲能量范围为20～300μJ，所述激光的扫描速度范围为100～3000mm/s。
其中，所述造孔颗粒的质量占所述电介质材料与所述造孔颗粒的总质量的比例大于或等于60％且小于或等于90％。
其中，所述造孔颗粒为水溶性颗粒，所述去除所述造孔颗粒，得到表面具有微结构图案和内部具有微孔结构的柔性电介质体的步骤，包括：
采用超声清洗溶解去除所述造孔颗粒。
本申请还提供一种柔性电介质体，采用如上所述的第一种柔性电介质体的制备方法制备得到，或采用如上所述的第二种柔性电介质体的制备方法制备得到。
本申请还提供一种柔性压力传感器，包括上基板、下基板及介电层，所述上基板的一侧形成有上导电层，所述下基板的一侧形成有下导电层，所述介电层由至少两片如上所述的柔性电介质体层叠而成，所述介电层相对的两侧具有微结构图案，所述微结构图案分别与所述上导电层和所述下导电层接触。
本申请还提供一种柔性压力传感器的制备方法，包括：
提供如上所述的柔性电介质体，将所述柔性电介质体层叠形成介电层，使得所述介电层相对的两侧具有微结构图案；
提供上基板与下基板；
在所述上基板与所述下基板上分别形成导电层；
将所述下基板、所述介电层及所述上基板依次叠放，使位于所述介电层一侧的微结构图案与所述下基板的导电层接触，位于所述介电层另一侧的微结构图案与所述上基板的导电层接触，得到柔性压力传感器。
其中，所述提供上基板与下基板的步骤，包括：
将基板材料与固化剂混合均匀，得到混合液；
在载板上涂覆所述混合液并固化成型；
剥离所述载板，得到固化成型的上基板和下基板。
其中，在所述上基板与所述下基板上分别形成导电层的步骤，包括：
分别在所述上基板及所述下基板的一侧表面旋涂碳纳米管或者石墨烯，干燥得到导电层；或，
分别在所述上基板及所述下基板的一侧表面喷涂银纳米线，干燥得到导电层；
或，
分别在所述上基板及所述下基板的一侧表面蒸镀钛薄膜作为粘附层，再在所述粘附层上蒸镀金薄膜，得到导电层。
其中，柔性压力传感器的制备方法，还包括：
分别在所述上基板和所述下基板的导电层上形成银导电胶，形成上导电极与下导电极。
本申请的柔性电介质体的一侧表面具有微结构图案，柔性电介质体的内部具有微孔结构，在受力过程中，表面的微结构图案先发生变形，实现高灵敏度，随着压力增大，内部的微孔结构发生变形，增大压力测试范围。本申请的柔性压力传感器使用所述柔性电介质体作为介电层。此外，本申请通过在模板上刻蚀微结构图案的方式在柔性电介质体的表面形成对应的微结构图案，并直接去除模板与造孔颗粒，或者，通过在柔性电介质体的表面刻蚀微结构图案，并直接去除造孔颗粒，制备具有微结构图案和微孔结构的柔性电介质体，工艺简单、成本低廉。本申请还使用所述柔性电介质体制备柔性传感器。通过上述方式，本申请能够提供具有更宽的压力检测范围以及更高的灵敏度的柔性传感器，并且工艺简单、成本低廉。
附图说明
图1是根据本申请第一实施例示出的柔性电介质体的结构示意图；
图2是根据本申请第二实施例示出的柔性电介质体的制备方法的流程示意图；
图3是根据本申请第二实施例示出的柔性电介质体的制备方法的工艺示意图；
图4是根据本申请第三实施例示出的柔性电介质体的制备方法的流程示意图；
图5是根据本申请第三实施例示出的柔性电介质体的制备方法的工艺示意图；
图6是根据本申请第四实施例示出的柔性压力传感器的结构示意图；
图7是根据本申请第五实施例示出的柔性压力传感器的制备方法的流程示意图。
具体实施方式
以下由特定的具体实施例说明本申请的实施方式，熟悉此技术的人士可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点及功效。
在下述描述中，参考附图，附图描述了本申请的若干实施例。应当理解，还可使用其他实施例，并且可以在不背离本申请的精神和范围的情况下进行机械组成、结构、电气以及操作上的改变。下面的详细描述不应该被认为是限制性的，并且本申请的实施例的范围仅由公布的专利的权利要求书所限定。这里使用的术语仅是为了描述特定实施例，而并非旨在限制本申请。
虽然在一些实例中术语第一、第二等在本文中用来描述各种元件，但是这些元件不应当被这些术语限制。这些术语仅用来将一个元件与另一个元件进行区分。
再者，如同在本文中所使用的，单数形式“一”、“一个”和“该”旨在也包括复数形式，除非上下文中有相反的指示。应当进一步理解，术语“包含”、“包括”表明存在所述的特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组，但不排除一个或多个其他特征、步骤、操作、元件、组件、项目、种类、和/或组的存在、出现或添加。此处使用的术语“或”和“和/或”被解释为包括性的，或意味着任一个或任何组合。因此，“A、B或C”或者“A、B和/或C”意味着“以下任一个：A；B；C；A和B；A和C；B和C；A、B和C”。仅当元件、功能、步骤或操作的组合在某些方式下内在地互相排斥时，才会出现该定义的例外。
第一实施例
图1是根据本申请第一实施例示出的柔性电介质体的结构示意图。如图1所示，本实施例的柔性电介质体10为片状结构，柔性电介质体10的一侧表面具有微结构图案11，柔性电介质体10的内部具有微孔结构12，将柔性电介质体10与上、下基板组装成柔性压力传感器时，具有微结构图案11的一侧与其中一个基板上的导电层相接触。
微结构图案11包括微凸结构图案，例如可以为锥体阵列、凸纹阵列或方块阵列等微结构，其中，在锥体阵列中，锥体底部直径为10～500μm，高度为1～200μm，锥体间隔10～500μm，在凸纹阵列中，凸纹高度1～200μm，宽度1～500μm，凸纹间距宽度1～500μm，其中，凸纹可以是直条纹、波形条纹或其他形状的纹路，在方块阵列中，单个方块的边长为10～500μm，高度为1～200μm，方块间隔10～500μm。当将柔性电介质体10与上、下基板组装成柔性压力传感器时，由于锥体阵列结构与对应基板的接触面积小，在受力过程中形变灵敏，因而优选微结构图案11为锥体阵列。
微孔结构12中的孔的直径在10～300μm之间，每个孔均与外部连通。也就是说，微孔结构12中的孔的孔径在一个特定的范围内分布，孔与孔之间可以相互连通并与外部连通，使得柔性电介质体10在受力过程中的形变更加充分。需要说明的是，图1中微孔结构仅为示意性说明，并不限定微孔结构为闭孔。
柔性电介质体10选择生物相容性好的材料制成，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯弹性体(TPU)、聚三亚甲基碳酸酯(PTMC)等，由于PDMS具有最好的生物相容性和热稳定性，因而优选采用PDMS。
本申请的柔性电介质体10的一侧表面具有微结构图案11，内部具有微孔结构12，在受力过程中，表面的微结构图案11先发生变形，实现高灵敏度，随着压力增大，内部的微孔结构12发生变形，增大压力测试范围。
通过将本申请的柔性电介质体作为柔性压力传感器的介电层使用，可以使柔性压力传感器具有更宽的压力检测范围以及更高的灵敏度。
第二实施例
图2是根据本申请第二实施例示出的柔性电介质体的制备方法的流程示意图。如图2所示，本实施例的柔性电介质体的制备方法，包括：
步骤210，提供一侧表面刻蚀微结构图案的模板。
请结合图3(a)，模板31可以是水溶性高分子模板、金属、硅片等能够用于刻蚀图案且具备一定抗变形能力的载板，水溶性高分子模板例如为具备一定厚度的聚乙烯醇薄膜、羧甲基纤维素薄膜以及聚丙烯酰胺薄膜等。
在模板31上刻蚀的微结构图案312与最终得到的柔性电介质体的微结构图案互补，为使得到柔性电介质体的微结构图案为锥体阵列、凸纹阵列或方块阵列，在模板31上刻蚀的微结构图案312可以是锥孔阵列、沟槽阵列或凹坑阵列，其中，在刻蚀锥孔阵列时，单个锥孔的直径为10～500μm，深度为1～200μm，锥孔间隔10～500μm，在刻蚀沟槽阵列时，沟槽深度1～200μm，宽度1～500μm，沟槽间距宽度1～500μm，在刻蚀方形凹坑阵列时，单个凹坑的边长为10～500μm，高度为1～200μm，凹坑间隔10～500μm。由于刻蚀锥孔阵列结构312得到的柔性电介质体与基板的接触面积小，灵敏度高，所以优选刻蚀锥孔阵列结构。
在本实施例中，模板31为水溶性高分子模板，并采用激光在水溶性高分子模板的一侧表面刻蚀微结构图案312。
实际实现时，由于超快激光(脉宽≤10ps)具有明显的非线性吸收效应，刻蚀的微结构边缘热影响区域小，质量好，所以优选超快激光刻蚀水溶性高分子模板。另外，随着激光波长的增加，光热作用越明显，为了减小热效应，激光波长优选355nm，激光单脉冲能量范围为20～300μJ，当单脉冲能量小于20μJ时，刻蚀时间长，效率低，当单脉冲能量大于300μJ时，热影响增加，薄膜表面熔融膨胀，刻蚀质量较差。激光扫描速度范围为100～3000mm/s，当扫描速度小于100mm/s时，在累积热作用同样会影响刻蚀质量，当扫描速度大于3000mm/s时，激光光斑搭接率较低，刻蚀边缘呈锯齿状，质量同样较差。
目前制备电容式柔性压力传感器都是基于光刻和蒸镀工艺，其工艺复杂、设备昂贵且涉及高温处理过程，本申请通过将柔性化程度高的激光技术引入柔性压力传感器制造中，不仅可以在材料表面制备多样化的微结构，还可以大幅简化制备工艺，降低成本。
步骤220，将电介质材料与造孔颗粒、固化剂混合均匀，得到混合物。
其中，选择生物相容性好的材料作为电介质材料，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯弹性体(TPU)、聚三亚甲基碳酸酯(PTMC)等，由于PDMS具有最好的生物相容性和热稳定性，因而优选PDMS作为电介质材料。
造孔颗粒为可溶解颗粒，在本实施例中，造孔颗粒为水溶性颗粒，水溶性颗粒可以为NaCl、KCl、Na2CO3、糖等颗粒，优选最常用的NaCl颗粒，采用筛网选取粒径为10～300μm的NaCl颗粒，造孔颗粒的直径与最终得到的微孔结构的孔径相同。
混合时，先向PDMS单体中加入造孔颗粒，将PDMS单体与水溶性颗粒混合均匀。其中，选用NaCl颗粒作为造孔颗粒时，造孔颗粒的质量占总质量分数的大于或等于60％而小于或等于90％，当造孔颗粒的质量分数小于60％时，后续步骤中部分造孔颗粒被PDMS全部包覆，难以完全除去，当造孔颗粒的质量分数大于90％时，PDMS与造孔颗粒的混合物难以成型。
然后，向混合均匀的PDMS单体和造孔颗粒中加入固化剂再次搅拌混合均匀。其中，PDMS单体与固化剂按10：1混合均匀，当固化剂浓度变化不超过10％时，对PDMS固化时间以及固化后的性能几乎没有影响，当固化剂浓度下降超过10％时，PDMS变软，拉伸性能下降，当固化剂浓度增加超过10％时，PDMS变硬，拉伸性能同样下降。
步骤230，将混合物涂覆在模板的微结构图案侧并固化成型。
请结合图3(b)，在将混合物涂覆在模板31上之前，先将得到的混合物真空除气10～30min，再将除气后的混合物涂覆在模板31的微结构图案一侧，此时，由于混合物具有流动性，可以充分填充并覆盖模板31的微结构图案312。涂覆的方式可以是旋涂、将混合物倒在模板31的表面再用刮片刮平、将混合物倒在模板31的表面再用玻片压平，在此不做限定。
接着，将混合物在25～150℃条件下固化0.25～24h，使混合物固化成型，得到固化混合物32，固化混合物32的厚度为10～500μm。固化混合物32的下表面形成与模板31上的微结构图案312相应的图案，同时，造孔颗粒321均匀分布在固化混合物32中。
步骤240，去除模板及造孔颗粒，得到表面具有微结构图案和内部具有微孔结构的柔性电介质体。
请结合图3(c)，在本实施例中，模板31为水溶性高分子模板，造孔颗粒321为水溶性颗粒，因此，将模板31与固化成型后的固化混合物32共同放入去离子水中进行超声清洗，使模板31及造孔颗粒321溶解以得到表面具有微结构图案331和内部具有微孔结构332的柔性电介质体33，其中，柔性电介质体33表面的微结构图案331的尺寸与模板31的微结构图案312尺寸相同，内部的微孔结构332的尺寸与造孔颗粒321的尺寸相同。之后，将柔性电介质体33放入干燥箱中放置2～24h，温度为50～100℃，烘干后备用。
由于采用的模板31为水溶性高分子模板，造孔颗粒321为水溶性颗粒，可以直接在去离子水中进行超声清洗除去模板31和造孔颗粒321，相对于使用金属或硅片等作为模板31，并在去除时直接剥离模板31，柔性电介质体33表面的微结构图案331更加完整，相对其他造孔方式而言，更容易除去造孔颗粒321，柔性电介质体33内部的微孔结构332连续、开放，从而具有更大的变形空间。
以下为基于上述步骤210-240的另一实施方式。
a.采用激光在聚乙烯醇(PVA)薄膜表面刻蚀锥孔阵列图案，激光波长为355nm，脉宽为10ps，单脉冲能量为50μJ，扫描速度为800mm/s，刻蚀完成后，PVA薄膜表面形成锥孔阵列，锥孔的直径为50μm，深度为20μm，锥孔间距均为50μm；
b.将聚二甲基硅氧烷(PDMS)单体和NaCl颗粒按照质量比1：3混合，机械搅拌10min，超声分散10min，充分混合均匀后加入固化剂，PDMS和固化剂的质量比为10：1，再次搅拌、超声分散均匀；
c.将均匀的液态混合物涂于带有锥孔阵列的PVA薄膜表面，常温下抽真空10min，使混合物中的气泡能够排出；
d.将涂抹均匀的液态混合物连同PVA模板一起放到烘箱内50℃条件下固化5h；
e.将固化成型的混合物连同PVA模板一起浸入去离子水中超声30min，除去PVA模板和NaCl颗粒；
f.清洗完成后得到表面带有锥体阵列，内部带有微孔结构的PDMS柔性电介质体，烘干备用。
实际实现时，基于上述步骤a-f可以做以下参数的变化：
(1)激光脉宽为500fs，激光脉宽减小，非线性吸收作用越强，热影响区域越小，刻蚀图形平整度高、残渣少；
(2)激光脉宽为100fs，激光脉宽减小，非线性吸收作用越强，热影响区域越小，刻蚀图形平整度高、残渣少；
(3)单脉冲能量为100μJ，单脉冲能量增加，刻蚀深度越大，效率更高；
(4)单脉冲能量为150μJ，单脉冲能量增加，刻蚀深度越大，效率更高；
(5)扫描速度为1000mm/s，扫描速度增加，累积的热作用越小，刻蚀图形平整度高、残渣少；
(6)扫描速度为1500mm/s，扫描速度增加，累积的热作用越小，刻蚀图形平整度高、残渣少；
(7)固化温度80℃，固化温度增加，固化时间减小为4h，效率提高；
(8)固化温度100℃，固化温度增加，固化时间减小为3h，效率提高；
(9)聚二甲基硅氧烷(PDMS)单体和NaCl颗粒按照质量比1：4混合，NaCl质量分数越大，PDMS柔性电介质体形成更多的微孔结构；
(11)聚二甲基硅氧烷(PDMS)单体和NaCl颗粒按照质量比1：5混合，NaCl质量分数越大，PDMS柔性电介质体形成更多的微孔结构。
基于上述步骤a-f做以下参数的变化进行比对：
(1)采用波长为1064nm的激光，激光刻蚀PVA以光热作用为主，刻蚀质量差；
(2)采用脉宽为500ns的激光，激光刻蚀PVA光热作用大，刻蚀质量差；
(3)扫描速度为50mm/s，扫描速率太低导致累积热效应大，刻蚀微结构质量差；
(4)扫描速度为5000mm/s，扫描速度太高，光斑搭接率低，刻蚀微结构质量差；
(5)固化温度10℃，固化温度太低，固化需要时间大于24h，成型效率低；
(6)聚二甲基硅氧烷(PDMS)单体和NaCl颗粒按照质量比2：1混合，NaCl颗粒含量太低，NaCl颗粒无法除去，PDMS柔性电介质体不会形成多孔结构；
(7)聚二甲基硅氧烷(PDMS)单体和NaCl颗粒按照质量比1：1混合，NaCl颗粒含量低，NaCl颗粒无法除去，PDMS柔性电介质体不会形成多孔结构。
本实施例的柔性电介质体的制备方法，通过在模板上刻蚀微结构图案的方式在柔性电介质体的表面形成对应的微结构图案，并直接去除模板与造孔颗粒，工艺简单、成本低廉。由于采用的模板为水溶性高分子模板，造孔颗粒为水溶性颗粒，可以直接在去离子水中进行超声清洗除去模板和造孔颗粒，保证了微结构图案与微孔结构的完整性，无环境污染、工艺流程简单、生产成本低。
第三实施例
图4是根据本申请第三实施例示出的柔性电介质体的制备方法的流程示意图。如图4所示，本实施例的柔性电介质体的制备方法，包括：
步骤410，将电介质材料与造孔颗粒、固化剂混合均匀，得到混合物。
其中，选择生物相容性好的材料作为电介质材料，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯弹性体(TPU)、聚三亚甲基碳酸酯(PTMC)等，由于PDMS具有最好的生物相容性和热稳定性，因而优选PDMS作为电介质材料。
造孔颗粒为水溶性颗粒，在本实施例中，造孔颗粒为水溶性无机盐颗粒，水溶性无机盐颗粒可以为NaCl、KCl、Na2CO3等颗粒，优选最常用的NaCl颗粒，采用筛网选取粒径为10～300μm的NaCl颗粒，造孔颗粒的直径与最终得到的微孔结构的孔径相同。
混合时，先向PDMS单体中加入造孔颗粒，将PDMS单体与水溶性无机盐颗粒混合均匀。其中，选用NaCl颗粒作为造孔颗粒时，造孔颗粒的质量占总质量分数的大于或等于60％而小于或等于90％，当造孔颗粒的质量分数小于60％时，后续步骤中部分造孔颗粒被PDMS全部包覆，难以完全除去，当造孔颗粒的质量分数大于90％时，PDMS与造孔颗粒的混合物难以成型。
然后，向混合均匀的PDMS单体和造孔颗粒中加入固化剂再次搅拌混合均匀。其中，PDMS单体与固化剂按10：1混合均匀，当固化剂浓度变化不超过10％时，对PDMS固化时间以及固化后的性能几乎没有影响，当固化剂浓度下降超过10％时，PDMS变软，拉伸性能下降，当固化剂浓度增加超过10％时，PDMS变硬，拉伸性能同样下降。
步骤420，将混合物固化成型。
请结合图5(a)，将得到的混合物真空除气10～30min后倒在玻璃基板51上均匀涂抹，在25～150℃条件下固化0.25～24h，得到固化混合物52，同时，造孔颗粒521均匀分布在固化混合物52中。
固化完成后将固化混合物52从玻璃基板51上剥离，固化混合物52的厚度为10～500μm。实际实现时，也可以不将固化混合物52从玻璃基板51上剥离而进入下一工序。
步骤430，在固化成型后的混合物的一侧表面刻蚀微结构图案。
请结合图5(b)，在固化成型后的固化混合物52上刻蚀的微结构图案522可以是锥体阵列、凸纹阵列或方块阵列，在锥体阵列中，锥体底部直径为10～500μm，高度为1～200μm，锥体间隔10～500μm，在凸纹阵列中，凸纹高度1～200μm，宽度1～500μm，凸纹间距宽度1～500μm，其中，凸纹可以是直条纹、波形条纹或其他形状的纹路，在方块阵列中，单个方块的边长为10～500μm，高度为1～200μm，方块间隔10～500μm。由于锥体阵列结构与基板接触面积小，灵敏度高，所以优选激光刻蚀锥体阵列结构。
在本实施例中，采用激光在固化混合物52的一侧表面刻蚀微结构图案522。实际实现时，由于超快激光(脉宽≤10ps)具有明显的非线性吸收效应，刻蚀微结构边缘热影响区域小，质量好，所以优选超快激光刻蚀固化混合物52。另外，随着激光波长的增加，光热作用越明显，为了减小热效应，激光波长优选355nm，激光单脉冲能量范围为20～300μJ，当单脉冲能量小于20μJ时，刻蚀时间长，效率低，当单脉冲能量大于300μJ时，热影响增加，薄膜表面熔融膨胀，刻蚀质量较差。激光扫描速度范围为100～3000mm/s，当扫描速度小于100mm/s时，在累积热作用同样会影响刻蚀质量，当扫描速度大于3000mm/s时，激光光斑搭接率较低，刻蚀边缘呈锯齿状，质量同样较差。
目前制备电容式柔性压力传感器都是基于光刻和蒸镀工艺，其工艺复杂、设备昂贵且涉及高温处理过程，本申请通过将柔性化程度高的激光技术引入柔性压力传感器制造中，不仅可以在材料表面制备多样化的微结构，还可以大幅简化制备工艺，降低成本。
在本实施例中，在完成微结构图案522刻蚀后，再将固化混合物52从玻璃基板51上剥离，从而可以使固化混合物52在刻蚀时具备一定的刚性，提高刻蚀的精度。
步骤440，去除造孔颗粒，得到表面具有微结构图案和内部具有微孔结构的柔性电介质体。
请结合图5(c)，在本实施例中，造孔颗粒521为水溶性颗粒，因此，将固化混合物52放入去离子水中进行超声清洗，使造孔颗粒521溶解以得到表面具有微结构图案522和内部具有微孔结构531的柔性电介质体53，其中，柔性电介质体53内部的微孔结构531的尺寸与造孔颗粒521的尺寸相同。之后，将柔性电介质体53放入干燥箱中放置2～24h，温度为50～100℃，烘干后备用。
由于采用的造孔颗粒521为水溶性颗粒，可以直接在去离子水中进行超声清洗除去造孔颗粒521，相对其他造孔方式而言，更容易除去造孔颗粒521，柔性电介质体53内部的微孔结构531连续、开放，从而具有更大的变形空间。
本实施例的柔性电介质体的制备方法，通过在柔性电介质体的表面刻蚀微结构图案，并直接去除造孔颗粒，工艺简单、成本低廉，保证了微结构图案与微孔结构的完整性。此外，由于采用的造孔颗粒为水溶性颗粒，可以直接在去离子水中进行超声清洗除去造孔颗粒，工艺流程简单、生产成本低。
第四实施例
图6是根据本申请第四实施例示出的柔性压力传感器的结构示意图。如图6所示，本实施例的柔性压力传感器包括上基板61、下基板62、介电层65。
介电层65包括第一柔性电介质体63与第二柔性电介质体64。第一柔性电介质体63与第二柔性电介质体64为第一实施例所示的柔性电介质体，或为采用第二实施例的制备方法制备得到的柔性电介质体，或为采用第三实施例的制备方法制备得到的柔性电介质体。其中，第一柔性电介质体63的一侧表面具有第一微结构图案631，第一柔性电介质体63的内部具有第一微孔结构632，第二柔性电介质体64的一侧表面具有第二微结构图案641，第二柔性电介质体64的内部具有第二微孔结构642。
在本实施例中，第一微结构图案631与第二微结构图案641为锥体阵列结构，单个锥体的直径为10～500μm，高度为1～200μm，锥体间隔10～500μm，第一微孔结构632与第二微孔结构642的微孔直径均为10～300μm。
第一柔性电介质体63与第二柔性电介质体64之间以微结构图案一侧相背的方式层叠设置形成介电层65，也即，第一微结构图案631与第二微结构图案641分别位于介电层65的两侧。可以理解，介电层65还可以由多片柔性电介质体叠放、组装形成，只需在两侧具有微结构图案即可。
在本实施例中，上基板61、下基板62第一柔性电介质体63与第二柔性电介质体64均采用聚二甲基硅氧烷制成，上基板61、下基板62的厚度均为10～500μm。上基板61的一侧形成有上导电层611，下基板62的一侧形成有下导电层621，上导电层611与下导电层621为碳纳米管层、石墨烯层、银纳米线层或金属薄膜等。实际实现时，上导电层611与下导电层621上还形成有银导电胶，从而形成对应的上导电极与下导电极，用于传感器性能测试。
上基板61、第一柔性电介质体63、第二柔性电介质体64、下基板62依次层叠设置，第一柔性电介质体63的第一微结构图案631与上导电层611接触，第二柔性电介质体64的第二微结构图案641与下导电层621接触。在受力过程中，第一柔性电介质体63与第二柔性电介质体64表面的微结构图案先发生变形，随着压力增大，第一柔性电介质体63与第二柔性电介质体64内部的微孔结构发生变形。
本实施例的柔性压力传感器包括上基板、下基板、第一柔性电介质体与第二柔性电介质体，第一柔性电介质体与第二柔性电介质体的一侧表面具有微结构图案，内部具有微孔结构，在受力过程中，第一柔性电介质体与第二柔性电介质体表面的微结构图案先发生变形，实现高灵敏度，随着压力增大，第一柔性电介质体与第二柔性电介质体内部的微孔结构发生变形，增大压力测试范围。因此，本实施例的柔性压力传感器具有更宽的压力检测范围以及更高的灵敏度。
第五实施例
图7是根据本申请第五实施例示出的柔性压力传感器的制备方法的流程示意图。如图7所示，本实施例的柔性压力传感器的制备方法，包括：
步骤710，提供柔性电介质体，将柔性电介质体层叠形成介电层，使得介电层相对的两侧具有微结构图案。
其中，在本实施例中，介电层由两个柔性电介质体层叠形成，两个柔性电介质体为第一实施例所示的柔性电介质体，或为采用第二实施例的制备方法制备得到的柔性电介质体，或为采用第三实施例的制备方法制备得到的柔性电介质体。在本实施例中，两个柔性电介质体的微结构图案均为锥体阵列结构，单个锥体的直径为10～500μm，高度为1～200μm，锥体间隔10～500μm，两个柔性电介质体的微孔结构的微孔直径均为10～300μm。两个柔性电介质体之间以微结构图案一侧相背的方式层叠设置形成介电层，也即，介电层的两侧均具有微结构图案。在其他实施例中，还可以由多片柔性电介质体叠放、组装形成介电层，只需在两侧均具有微结构图案即可。
步骤720，提供上基板与下基板。
在本实施例中，提供上基板与下基板的步骤，包括：
将基板材料与固化剂混合均匀，得到混合液；
在载板上旋涂混合液并固化成型；
剥离载板，得到固化成型的上基板和下基板。
其中，上、下基板选择生物相容性好的材料，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯弹性体(TPU)、聚三亚甲基碳酸酯(PTMC)等，由于PDMS具有最好的生物相容性和热稳定性，所以优选PDMS作为基板材料。
首先，准备一玻璃片作为载板，将玻璃片依次在丙酮、乙醇、去离子水中超声清洗5～10min，氮气吹干备用。接着，将PDMS单体与固化剂按10：1混合均匀，在1～0.1Torr真空条件下放置10～30min除去气泡。在除去气泡后，在玻璃片上旋涂混合液，转速为200～1000rpm，再次真空除去气10～30min后，置于40～100℃温度下干燥1～5h，剥离后得到厚度为10～500μm的PDMS基板。重复该过程制得上基板与下基板，当然，也可以对PDMS基板进行裁剪得到上基板与下基板。
步骤730，在上基板与下基板上分别形成导电层。
在本实施例中，在上基板与下基板上分别形成导电层的步骤，包括：
分别在上基板及下基板的一侧表面旋涂碳纳米管或者石墨烯，干燥得到导电层，其中，干燥温度50～100℃，干燥时间10～30min；或，
分别在上基板及下基板的一侧表面喷涂银纳米线，干燥得到导电层，其中，干燥温度50～100℃，干燥时间10～30min；或，
分别在上基板及下基板的一侧表面蒸镀钛薄膜作为粘附层，厚度为10～20nm，再在粘附层上蒸镀金薄膜，厚度为50～100nm，得到导电层。
进一步的，本实施的制备方法，还包括：
分别在上基板和下基板的导电层上形成银导电胶，形成上导电极与下导电极。
步骤740，将下基板、介电层及上基板依次叠放，使位于介电层一侧的微结构图案与下基板的导电层接触，位于介电层另一侧的微结构图案与上基板的导电层接触，得到柔性压力传感器。
其中，使位于介电层一侧的微结构图案与下基板的导电层接触，位于介电层另一侧的微结构图案与上基板的导电层接触，例如使其中一个柔性电介质体的微结构图案一侧与上基板的导电层接触，另一个柔性电介质体的微结构图案一侧与下基板的导电层接触。在受力过程中，上基板与下基板挤压介电层，柔性电介质体表面的微结构图案先发生变形，随着压力增大，柔性电介质体内部的微孔结构发生变形。
本实施例的柔性压力传感器的制备方法制得的柔性压力传感器，包括上基板、下基板、柔性电介质体，柔性电介质体的一侧表面具有微结构图案并分别与上基板、下基板的导电层接触，柔性电介质体的内部具有微孔结构，在受力过程中，柔性电介质体表面的微结构图案先发生变形，实现高灵敏度，随着压力增大，柔性电介质体内部的微孔结构发生变形，增大压力测试范围。因此，本实施例制得的柔性压力传感器具有更宽的压力检测范围以及更高的灵敏度。
在本申请中，采用激光刻蚀技术制备模板或者直接在柔性电介质体的表面刻蚀微结构图案，不仅工艺简单、成本低廉、环保无污染、还可以大规模大面积制造，满足工业化应用要求。
并且，本申请所制备的柔性电介质体包含多级微结构，即柔性电介质体表面的微结构图案和柔性电介质体内部的微孔结构，将这两种微结构相结合制备的柔性压力传感器不仅具有极高的灵敏度，还具有较大的检测范围和可靠性，具有广阔的应用前景。
上述实施例仅例示性说明本申请的原理及其功效，而非用于限制本申请。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本申请的精神及范畴下，对上述实施例进行修饰或改变。因此，举凡所属技术领域中具有通常知识者在未脱离本申请所揭示的精神与技术思想下所完成的一切等效修饰或改变，仍应由本申请的权利要求所涵盖。

Claims (20)

1.一种柔性电介质体，其特征在于，所述柔性电介质体的一侧表面具有微结构图案，所述柔性电介质体的内部具有微孔结构。
2.根据权利要求1所述的柔性电介质体，其特征在于，所述微结构图案包括微凸结构图案。
3.根据权利要求2所述的柔性电介质体，其特征在于，所述微结构图案为锥体阵列，所述锥体的高度为1～200μm，相邻锥体间隔10～500μm。
4.根据权利要求1所述的柔性电介质体，其特征在于，所述微孔结构包括直径为10～300μm的孔，所述微孔结构中的每个孔均与外部连通。
5.一种柔性电介质体的制备方法，其特征在于，包括：
提供一侧表面刻蚀微结构图案的模板；
将电介质材料与造孔颗粒、固化剂混合均匀，得到混合物；
将所述混合物涂覆在所述模板的微结构图案侧并固化成型；
去除所述模板及所述造孔颗粒，得到表面具有微结构图案和内部具有微孔结构的柔性电介质体。
6.根据权利要求5所述的柔性电介质体的制备方法，其特征在于，所述模板为水溶性高分子模板，所述提供一侧表面刻蚀微结构图案的模板的步骤，包括：
采用激光在所述水溶性高分子模板的一侧表面刻蚀微结构图案。
7.根据权利要求6所述的柔性电介质体的制备方法，其特征在于，所述造孔颗粒为水溶性颗粒，所述去除所述模板及所述造孔颗粒，得到表面具有微结构和内部具有微孔结构的柔性电介质体的步骤，包括：
采用超声清洗溶解去除所述模板及所述造孔颗粒。
8.根据权利要求6所述的柔性电介质体的制备方法，其特征在于，所述激光的单脉冲能量范围为20～300μJ，所述激光的扫描速度范围为100～3000mm/s。
9.根据权利要求5所述的柔性电介质体的制备方法，其特征在于，所述造孔颗粒的质量占所述电介质材料与所述造孔颗粒的总质量的比例大于或等于60％且小于或等于90％。
10.一种柔性电介质体的制备方法，其特征在于，包括：
将电介质材料与造孔颗粒、固化剂混合均匀，得到混合物；
将所述混合物固化成型；
在固化成型后的混合物的一侧表面刻蚀微结构图案；
去除所述造孔颗粒，得到表面具有微结构图案和内部具有微孔结构的柔性电介质体。
11.根据权利要求10所述的柔性电介质体的制备方法，其特征在于，所述在固化成型后的混合物的一侧表面刻蚀微结构图案的步骤，包括：
采用激光在固化成型后的混合物的一侧表面刻蚀微结构图案。
12.根据权利要求11所述的柔性电介质体的制备方法，其特征在于，所述激光的单脉冲能量范围为20～300μJ，所述激光的扫描速度范围为100～3000mm/s。
13.根据权利要求10所述的柔性电介质体的制备方法，其特征在于，所述造孔颗粒的质量占所述电介质材料与所述造孔颗粒的总质量的比例大于或等于60％且小于或等于90％。
14.根据权利要求10所述的柔性电介质体的制备方法，其特征在于，所述造孔颗粒为水溶性颗粒，所述去除所述造孔颗粒，得到表面具有微结构图案和内部具有微孔结构的柔性电介质体的步骤，包括：
采用超声清洗溶解去除所述造孔颗粒。
15.一种柔性电介质体，其特征在于，采用如权利要求5至9中任一项所述的柔性电介质体的制备方法制备得到，或采用如权利要求10至14中任一项所述的柔性电介质体的制备方法制备得到。
16.一种柔性压力传感器，其特征在于，包括上基板、下基板及介电层，所述上基板的一侧形成有上导电层，所述下基板的一侧形成有下导电层，所述介电层由至少两片如权利要求1至4、15中任一项所述的柔性电介质体层叠而成，所述介电层相对的两侧具有微结构图案，所述微结构图案分别与所述上导电层和所述下导电层接触。
17.一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：
提供如权利要求1至4、15中任一项所述的柔性电介质体，将所述柔性电介质体层叠形成介电层，使得所述介电层相对的两侧具有微结构图案；
提供上基板与下基板；
在所述上基板与所述下基板上分别形成导电层；
将所述下基板、所述介电层及所述上基板依次叠放，使位于所述介电层一侧的微结构图案与所述下基板的导电层接触，位于所述介电层另一侧的微结构图案与所述上基板的导电层接触，得到柔性压力传感器。
18.根据权利要求17所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述提供上基板与下基板的步骤，包括：
将基板材料与固化剂混合均匀，得到混合液；
在载板上涂覆所述混合液并固化成型；
剥离所述载板，得到固化成型的上基板和下基板。
19.根据权利要求17所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，在所述上基板与所述下基板上分别形成导电层的步骤，包括：
分别在所述上基板及所述下基板的一侧表面旋涂碳纳米管或者石墨烯，干燥得到导电层；或，
分别在所述上基板及所述下基板的一侧表面喷涂银纳米线，干燥得到导电层；
或，
分别在所述上基板及所述下基板的一侧表面蒸镀钛薄膜作为粘附层，再在所述粘附层上蒸镀金薄膜，得到导电层。
20.根据权利要求17所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，还包括：
分别在所述上基板和所述下基板的导电层上形成银导电胶，形成上导电极与下导电极。
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