CN110556472B - 一种基于pdms材料的包覆型压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明一种基于PDMS材料的包覆型压力传感器及其制备方法，属于柔性压力传感器技术领域；所要解决的技术问题为：提供一种基于PDMS材料的包覆型压力传感器结构及其制备方法的改进；解决该技术问题采用的技术方案为：包括作为三维多孔框架的海绵复合骨架，所述海绵复合骨架的三维多孔结构表面包覆有PDMS材料，所述海绵复合骨架的内部还充填有导电纳米材料；所述海绵复合骨架的两侧分别设置有电极，所述电极通过PDMS薄膜键合在海绵复合骨架的表面；所述电极具体为表面涂覆有导电银浆的导电胶带；本发明应用于制作柔性触觉传感器。
Description
技术领域
本发明一种基于PDMS材料的包覆型压力传感器及其制备方法，属于柔性压力传感器技术领域。
背景技术
电子皮肤是智能材料与传感器研究的最前沿方向之一，也是当代电子信息产业发展的新兴领域，在人工智能，通信娱乐，医疗健康等领域具有重要的应用价值；柔性触觉传感器作为电子皮肤研究中的重要组成部分，是机器人感知外界环境信息仅此于视觉的一种重要途径，是机器人实现与外界环境或目标直接交互的必须媒体之一，发展具有触觉感知功能的电子皮肤对未来机器人探索物理世界具有重要的科学意义和应用价值。
随着科学技术的发展以及生产制备工艺的不断改进，在功能结构、外观特征等方面对机器人触觉传感器提出了更高的需求，具有柔性、穿戴舒适性、高灵敏度、高稳定性以及可大面积触觉感知等特点的柔性触觉传感器成为电子皮肤的研究热点；传统硅基、金属应变片式的触觉传感器不能满足柔性、延展性及穿戴舒适性等功能需求，因此将纳米导电材料填充在柔性基体中制备力敏导电复合材料被广泛应用于柔性触觉传感器设计中。
依据工作原理不同，柔性触觉传感器可大致分为光电式、压电式、电阻式、电容式等几类，其中电容式柔性触觉传感器因具有高灵敏度、高精度、响应速率快、迟滞小、易于集成等优点，被广泛应用于智能机器人电子皮肤研究中；传统基于复合材料的柔性触觉传感器在低压区的灵敏度较低，为了提高柔性触觉传感器的传感性能，通过在触觉敏感层设置微结构是提升机器人电子皮肤触觉检测灵敏度一种常用的方法，常见的微结构主要有金字塔、触须状、凹凸状、微针结构等，通常在敏感层设计微结构时其制备过程中往往需要复杂的工艺流程，如光刻、溅 射、蒸镀、刻蚀等，且存在不易大规模生产等弊端。
常见的三维多孔微结构复合导电材料制备方法有：真空冷冻干燥法和化学气相沉积法；其中真空冷冻干燥法也称升华干燥，其原理是将湿物料或溶液在较低温度(-50℃～-10℃)下冷冻成固态，然后在真空(1.3～12Pa)下使其中的水分不经液态直接升华成气态以达到干燥的目的，使用该方法制备出的柔性触觉传感器，可实现较高检测灵敏度(～0.8kPa-1)、低检测下限(～ 0.24Pa)、 快速响应(～100ms)等；但真空冷冻干燥法存在设备昂贵、能源消耗及材料制备成本高等弊端；
化学气相沉积(CVD)通常以三维泡沫镍材料为模板，在三维骨架上化学气相沉积石墨烯等导电材料，再通过化学刻蚀去除泡沫镍骨架便可获得三维多孔微结构的石墨烯导电泡棉，使用该方法制备出的柔性触觉传感器，可实现高灵敏度(应变系数GF＝35)、快速响应(～30ms)，良好稳定性(循环次数>5000)触觉感知功能；但化学气相沉积一般存在沉积速率不高、沉积过程容易对薄膜表面、环境造成污染等，对设备往往还有耐腐蚀的要求。
发明内容
本发明为了克服现有技术中存在的不足，所要解决的技术问题为：提供一种基于PDMS材料的包覆型压力传感器结构及其制备方法的改进。
为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：一种基于PDMS材料的包覆型压力传感器，包括作为三维多孔框架的海绵复合骨架，所述海绵复合骨架的三维多孔结构表面包覆有PDMS材料，所述海绵复合骨架的内部还充填有导电纳米材料；
所述海绵复合骨架的两侧分别设置有电极，所述电极通过PDMS薄膜键合在海绵复合骨架的表面；
所述电极具体为表面涂覆有导电银浆的导电胶带。
所述海绵复合骨架具体通过注射泵、点胶机或3D打印机将PDMS材料注射到海绵内部。
所述导电纳米材料具体为石墨烯、碳纳米管或MXene材料。
一种基于PDMS材料的包覆型压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：制备PDMS材料：
配置PDMS溶液：取PDMS预聚物与固化剂质量比为10:1置于试管中混合均匀，取一部分放入培养皿中进行PDMS薄膜的制备，将其余PDMS放入冰箱中待用；
制备PDMS薄膜：将制备好的PDMS放入培养皿中，厚度控制在1mm左右，放入烘干箱以70℃温度中干燥1h；
步骤二：制备三维多孔结构框架的海绵复合骨架：
将海绵用去离子水进行清洗2-3遍，放入烘干箱中进行干燥，并将干燥后的海绵裁剪成所需要传感器的尺寸；
将制备好的PDMS溶液吸入注射器内，通过注射器将PDMS溶液注射入预处理好的海绵内部，注射PDMS溶液容量与所裁剪海绵块的大小相适应；
注射完毕后，根据制备传感器感应方向的需求，对海绵采用不同大小力挤压，将挤压出来的PDMS溶液清除后将海绵块取出，并轻微按压使PDMS溶液在海绵块内部分散均匀；
步骤三：制备导电纳米材料的溶液：
将所需要的导电纳米材料放入无水乙醇中进行分散，进行超声处理1h，获得均匀分散的导电纳米材料的悬浮液；
步骤四：制备柔性压力传感器：
将由PDMS溶液包覆的海绵复合骨架放入导电纳米材料的悬浮液中，使海绵充分吸收悬浮液后，将海绵放入烘干箱中以70℃温度烘干4h；
将导电胶带裁剪成与传感器相适应的尺寸，在导电胶带上涂敷导电银浆，将烘干后的海绵块与导电胶带通过导电银浆粘附，使导电胶带粘贴在海绵块的上下面；
将制备好的PDMS薄膜裁剪成与传感器相适应的尺寸，粘贴在导电胶带表面；
将制备好的传感器器件放入烘干箱中以70℃温度干燥3h后取出，完成制备。
本发明相对于现有技术具备以下的有益效果：
一、本发明提供的三维多孔柔性触觉传感器，以三维结构框架为骨架，通过PDMS粘附导电纳米材料，能够通过控制PDMS含量来控制柔性压力传感器的检测范围，同时三维结构具有良好的机械特性，能够提供良好的稳定性以及动态响应；
二、本发明采用海绵以及PDMS材料，以粘附导电纳米材料的形式制备触觉压力传感器，具有成本低廉，工艺流程简单，利于宏量制备的优势；
三、本发明以市售海绵为基材，PDMS与导电纳米材料相结合，使用材料价格低廉，能够很好满足电子皮肤对柔性、可穿戴、大面积触觉感知的要求；
四、本发明提供的传感器制备方法相比于真空冷冻干燥法和化学气相沉积法，通过浸渍包裹法的自组装方式在三维骨架结构表面直接形成三维多孔微结构复合导电材料，降低了制备成本、简化了工艺流程，具有方法制备简单，利于宏量制备等优势。
附图说明
下面结合附图对本发明做进一步说明：
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明制备方法的流程示意图；
图3为压力触觉传感器扫描电镜图；
图4为压力下压力触觉传感器灵敏度对比图；
图5为压力触觉传感器循环测试图。
具体实施方式
如图1和图2所示，本发明属于柔性触觉传感器领域，具体涉及一种基于PDMS包覆三维结构高灵敏度柔性压力传感器及其制备方法，能够应用于电子皮肤领域触觉感知。
为提高传感器的机械性能，本发明采用海绵的三维骨架为框架，通过PDMS包覆三维多孔结构，利用PDMS特性进行导电纳米材料的填充，在三维结构上下通过导电银浆粘附电极自组装成为柔性压力传感器，具有操作简单，稳定性好，该类型传感器可以通过调控PDMS浓度，为适应不同应用场景下电子皮肤的触觉感知提供一种可行的方案。
所述三维多孔压力传感器主要是以海绵（但不仅限于此）作为三维多孔框架，利用注射器进行PDMS的包覆，之后进行导电纳米材料（例石墨烯，碳纳米管，MXene，导电纳米金属颗粒等）填充，通过在PDMS包覆的三维多孔结构表面浸渍导电纳米材料，自组装获得。
所述PDMS包覆海绵是通过注射器（注射泵，点胶机，3D打印机等）将PDMS注射到海绵内部，经过一定力的挤压，使PDMS均匀包覆在三维多孔结构上，将多余PDMS进行去除。
将PDMS包覆的三维多孔结构放入到导电纳米材料的分散液中进行充分的吸附，之后放入烘干行中进行烘干。
通过导电银浆与导电胶带进行电极的连接，再通过PDMS薄膜(也可以是医用胶带，SEBS热塑性橡胶等)进行传感器的组装。
本发明提供的触觉压力传感器主要是以海绵为骨架，通过PDMS粘附导电纳米材料，粘贴电极自组装获得，制备方法如下：
1、PDMS制备：
配置PDMS溶液：取PDMS预聚物与固化剂质量比为10:1置于试管中混合均匀，取一部分放入培养皿中进行PDMS薄膜的制备将其余PDMS放入冰箱中待用；
PDMS薄膜制备：将制备好的PDMS放入培养皿中，厚度控制在1mm左右，放入烘干箱70℃中干燥1h。
2、三维多孔结构框架：
将市售密胺发泡海绵用去离子水进行清洗2-3遍，放入烘干箱中进行干燥，并将其裁剪成1立方厘米方块。
取注射器其将制备好的PDMS吸入注射器内8ml，将预处理好的海绵拿出，将注射器针头伸入海绵内部，将PDMS注入海绵内部，通过800KPa，500KPa，250KP的压力分别按压海绵块，将挤出的PDMS处理掉，将海绵块取出轻微按压使PDMS在海绵块内部分散均匀。
3、制备石墨烯溶液：
将0.2mg的石墨烯放入20ml无水乙醇中进行分散，进行超声处理1h，获得均匀分散的石墨烯悬浮液。
4、三维多孔柔性压力传感器制备：
将PDMS包覆的海绵取出后放入石墨烯悬浮液中，充分吸收后将其放入烘干箱中70℃中烘干4h，待烘干后取出将导电胶带裁剪成1cm宽的长条，在导电胶带上涂敷导电银浆将海绵块与导电胶带通过导电银浆粘附，导电胶带位于海绵块的上下两层。然后将制备好的PDMS薄膜裁剪成1立方厘米的方块，粘在导电胶带上下两层。将制备好的器件放入烘干箱中70℃干燥3h后取出，三维多孔柔性触觉传感器制备完成。
相对于没有PDMS包覆海绵的柔性压力传感器，有PDMS包覆海绵的柔性压力传感器能有效的使导电纳米材料粘附在海绵上，增加传感器的稳定性和一致性。
如图3所示，具体为本发明制备出压力触觉传感器的扫描电镜图，从Graphene @PDMS @ MF传感器的扫描电子显微镜（SEM）图像中可知：交联骨架之间距离约60-80μm，在高放大倍数下可以看出海绵骨架表面光滑，骨架宽约5-10μm，Graphene @ PDMS @ MF传感器中石墨烯薄片均匀分散在海绵骨架上且稳定粘附在骨架上，并且骨架之间的空隙有利于提高传感器的测量范围。
如图4所示，具体为本发明制备出的压力触觉传感器在不同压力值下灵敏度对比图，通过制备方法中对海绵采用不同压力值挤压实现不同测量范围，不同的灵敏度，可以根据需要制备相应测量范围及灵敏度传感器，实现在不同场合中的应用。
如图5所示，具体为本发明制备出的压力触觉传感器循环测试图，由于海绵具有良好的回弹性，作为三维多孔微结构复合介质层的模板，对提升压力触觉传感器动态特性具有重要意义，图中对本实施例所得柔性压力触觉传感器进行循环加卸载，观察其稳定性和重复性，测试结果如图所示，经过约2000s的加卸载实验，本发明制备的柔性压力触觉传感器仍能稳定输出，确保使用过程中的稳定性能。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。
Claims (3)
1.一种基于PDMS材料的包覆型压力传感器，其特征在于：包括作为三维多孔框架的海绵复合骨架，所述海绵复合骨架的三维多孔结构表面包覆有PDMS材料，所述海绵复合骨架的内部还充填有导电纳米材料；
所述海绵复合骨架的两侧分别设置有电极，所述电极通过PDMS薄膜键合在海绵复合骨架的表面；
所述电极具体为表面涂覆有导电银浆的导电胶带；
基于PDMS材料的包覆型压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：制备PDMS材料：
配置PDMS溶液：取PDMS预聚物与固化剂质量比为10:1置于试管中混合均匀，取一部分放入培养皿中进行PDMS薄膜的制备，将其余PDMS放入冰箱中待用；
制备PDMS薄膜：将制备好的PDMS放入培养皿中，放入烘干箱以70℃温度中干燥1h；
步骤二：制备三维多孔结构框架的海绵复合骨架：
将海绵用去离子水进行清洗2-3遍，放入烘干箱中进行干燥，并将干燥后的海绵裁剪成所需要传感器的尺寸；
将制备好的PDMS溶液吸入注射器内，通过注射器将PDMS溶液注射入预处理好的海绵内部，注射PDMS溶液容量与所裁剪海绵块的大小相适应；
注射完毕后，根据制备传感器感应方向的需求，对海绵采用不同大小力挤压，将挤压出来的PDMS溶液清除后将海绵块取出，并轻微按压使PDMS溶液在海绵块内部分散均匀；
步骤三：制备导电纳米材料的溶液：
将所需要的导电纳米材料放入无水乙醇中进行分散，进行超声处理1h，获得均匀分散的导电纳米材料的悬浮液；
步骤四：制备柔性压力传感器：
将由PDMS溶液包覆的海绵复合骨架放入导电纳米材料的悬浮液中，使海绵充分吸收悬浮液后，将海绵放入烘干箱中以70℃温度烘干4h；
将导电胶带裁剪成与传感器相适应的尺寸，在导电胶带上涂敷导电银浆，将烘干后的海绵块与导电胶带通过导电银浆粘附，使导电胶带粘贴在海绵块的上下面；
将制备好的PDMS薄膜裁剪成与传感器相适应的尺寸，粘贴在导电胶带表面；
将制备好的传感器器件放入烘干箱中以70℃温度干燥3h后取出，完成制备。
2.根据权利要求1所述的一种基于PDMS材料的包覆型压力传感器，其特征在于：所述海绵复合骨架具体通过注射泵、点胶机或3D打印机将PDMS材料注射到海绵内部。
3.根据权利要求2所述的一种基于PDMS材料的包覆型压力传感器，其特征在于：所述导电纳米材料具体为石墨烯、碳纳米管或MXene材料。
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