CN110595647B - 一种多功能柔性应变-压力传感器及制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种多功能柔性应变‑压力传感器及制备方法，包括第一基板、第二基板以及夹设并贴合于第一基板和第二基板之间的介电质层；第一基板与介电质层之间设有第一电阻传感器组，所述介电质层与所述第二基板之间设有第二电阻传感器组，所述第一电阻传感器组与第二电阻传感器组在任一基板平面内的投影呈角度相交；使得所述第一电阻传感器组、介电质层以及第二电阻传感器在每个相交点处的垂向空间内形成电容传感器单元以感应所述相交点处所受的压力，使得所述第一电阻传感器组以及第二电阻传感器用于感应电阻传感器单元处所受的拉伸应力。相比现有技术而言，能在不同载荷环境中同时采集到不同的荷载信号，大大拓展柔性压力传感器应用范围。

Description

一种多功能柔性应变-压力传感器及制备方法
技术领域
本发明涉及柔性压力传感器的制备领域，尤其涉及一种多功能柔性应变-压力传感器及制备方法。
背景技术
电子器件对人类社会向信息化、智能化发展具有重要意义，除了现在大规模应用的小型化、高集成密度和高性能的刚性电子器件，软体电子器件（包括柔性电子器件和可拉伸电子器件）在实现特定功能的同时具有弯曲的能力，而且能够实现拉伸和扭转等特性，使其能够与自然界普遍存在的复杂曲面（如复杂形状的物体、运动的生物体）无缝衔接，有望显著扩展传统刚性电子器件在传感、监测、人机交互等功能方面的能力。
从现有文献报道分析，可拉伸柔性传感器朝着高拉伸率、高灵敏度、多功能、小型化、生物适应性和高可靠性等方向发展，目前的工作主要集中在通过新材料的应用和新结构的设计，实现传感器单一信号采集性能的提升，或者通过多种传感器（包括刚性器件）的平面或立体集成实现多源信号的分别测量与分析（即一种传感器对应一种信号测量），缺乏对传感器采集多源信号的研究，导致现有的压力传感器一般不能采集多源信号，只能采集的一种信号，要么只能采集拉伸载荷信号，要么只能采集压力载荷信号，从而限制了小型化和低成本的多功能可延展柔性传感器件的发展和应用。
因此，如何解决现有的压力传感器不能同时采集压力荷载信号和拉伸荷载信号已成为本领域的技术人员亟待解决的技术问题。
发明内容
本发明提供了一种多功能柔性应变-压力传感器及制备方法，通过将电感性传感器整合至电容性传感器中，制备得到能同时采集压力荷载信号和拉伸荷载信号的多功能柔性应变-压力传感器，从而解决现有的压力传感器不能同时采集到压力荷载信号和拉伸荷载信号的技术问题。
为解决上述技术问题，本发明提出的技术方案为：
一种多功能柔性应变-压力传感器，包括第一基板、第二基板以及夹设并贴合于第一基板和第二基板之间的介电质层；所述第一基板与介电质层之间设有第一电阻传感器组，所述介电质层与所述第二基板之间设有第二电阻传感器组，所述第一电阻传感器组与第二电阻传感器组在任一基板平面内的投影呈角度相交；所述第一电阻传感器组以及第二电阻传感器组均包括一条以上的电阻传感器单元；所述第一电阻传感器组、介电质层以及第二电阻传感器在每个相交点处的垂向空间内形成电容传感器单元以感应所述相交点处所受的压力。
所述第一电阻传感器组以及第二电阻传感器组用于感应电阻传感器单元处所受的拉伸应力。
优选的，所述第一电阻传感器组包括两条以上的在所述第一基板与介电质层之间的平面内平行布置的电阻传感器单元，第二电阻传感器组包括两条以上的在所述介电质层与第二基板之间的平面内平行布置的电阻传感器单元，所述第一电阻传感器组内的电阻传感器单元与第二电阻传感器组内的电阻传感器单元在任一基板平面内的投影呈正交相交而形成多个相交点；所述多个相交点呈阵列分布以形成多个电容传感器单元。
优选的，所述第一电阻传感器组内的每条所述电阻传感器单元均分别设置有互不相同的第一独立编号，所述第二电阻传感器组内的每条所述电阻传感器单元均分别设置有互不相同的第二独立编号，所述多个电容传感器单元根据所述第一独立编号和所述第二独立编号在所述多功能柔性应变-压力传感器中定位。
优选的，所述介电质层由PDMS或者Ecoflex制备而成，所述电阻传感器单元由CNT-PDMS或Ag NW-PDMS复合材料制备而成，当电阻传感器单元由CNT-PDMS复合材料制备而成，CNT质量：PDMS质量=1：24，当电阻传感器单元由Ag NW-PDMS复合材料制备而成，Ag NW质量：PDMS质量为1:20 ~1:10。
优选的，所述介电质层厚为0.1~0.3mm，所述第一基板和第二基板厚为0.2~0.5mm，所述电阻传感器为厚0.1~0.3mm的条状电阻传感器，且所述电阻传感器单元的两端通过液态金属与导线连接。
一种多功能柔性应变-压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
使用制备好的碳纳米管-PDMS复合分散溶液在第一硅基板上印刷出第一电阻传感器组，使用制备好的碳纳米管-PDMS复合分散溶液在第二硅基板上印刷出第二电阻传感器组，所述第一电阻传感器组以及第二电阻传感器组均包括一条以上的电阻传感器单元；
将制备好的PDMS固化溶液分别浇注在第一硅基板和第二硅基板印刷有电阻传感器单元的表面，固化后得到带有第一电阻传感器组的第一基板和带有第二电阻传感器组的第二基板；
带有第一电阻传感器组的第一基板和带有第二电阻传感器组的第二基板以所述第一电阻传感器组与第二电阻传感器组在任一基板平面内的投影呈角度相交来布置，并在带有第一电阻传感器组的第一基板和带有第二电阻传感器组的第二基板之间填充介电质层，得到多功能柔性应变-压力传感器。
优选的，制备碳纳米管-PDMS复合分散溶液包括：
按碳纳米管质量：异丙醇质量=1：20的配比称取一定量的碳纳米管粉末加入异丙醇溶液中，使用超声粉碎机以700W的功率分散20-40分钟，接着磁力搅拌器搅拌50-70分钟，使碳纳米管均匀分散在异丙醇溶液中，得到碳纳米管/异丙醇溶液；
在碳纳米管/异丙醇溶液中按PDMS基体和固化剂质量比例为10：1，碳纳米管与PDMS按照质量比为1：24的比例加入聚二甲基硅氧烷，并使用700W功率超声粉碎机超声30~40分钟和磁力搅拌50-70分钟，使得PDMS与碳纳米管分散液混合均匀，得到碳纳米管-PDMS复合分散溶液。
优选的，在第一硅基板上印刷出第一电阻传感器组和在第二硅基板上印刷出第二电阻传感器组，包括：
将带有第一电阻传感器组印刷图案，且厚度为0.1~0.3mm的第一钢网与第一硅基板用夹具相对固定，将带有第二电阻传感器组印刷图案，且厚度为0.1~0.3mm的第二钢网与第二硅基板用夹具相对固定，再将所述碳纳米管-PDMS复合分散溶液分别倾倒在所述第一电阻传感器组印刷图案中和所述第二电阻传感器组印刷图案中，并使所述碳纳米管-PDMS复合分散溶液在所述第一电阻传感器组印刷图案中和所述第二电阻传感器组印刷图案中分布均匀；
将载有碳纳米管-PDMS复合分散溶液的第一硅基板和第二硅基板均放置在加热台上以30-35℃的温度加热20-30分钟，使碳纳米管-PDMS复合分散溶液中的异丙醇完全挥发；
取下第一钢网和第二钢网，将所述第一硅基板和第二硅基板均置于100℃~120℃烘箱中固化1~2小时成型，得到印刷有第一电阻传感器的第一硅基板和印刷有第二电阻传感器组的第二硅基板。
优选的，带有第一电阻传感器组的第一基板和带有第二电阻传感器组的第二基板，包括：
用夹具将带有第一基板图案，且厚度为0.2~0.5mm的第三钢网固定在所述第一硅基板上设置有第一电阻传感器组的表面上，用夹具将带有第二基板图案，且厚度为0.2~0.5mm的第四钢网固定在所述第二硅基板上设置有第二电阻传感器组的表面上；
在第一基板图案中和第二基板图案中倾倒PDMS固化溶液，并将载有PDMS固化溶液的第一硅基板和第二硅基板置于100℃~120℃的烘箱中固化成型，剥离第一硅基板和第二硅基板，将每个电阻传感器单元的两端用液态金属与铜线连接，并在连接处滴加未固化的PDMS进行保护，再放入100℃~120℃的烘箱中固化，得到带有第一电阻传感器组的第一基板和带有第二电阻传感器组的第二基板。
优选的，在带有第一电阻传感器组的第一基板和带有第二电阻传感器组的第二基板之间填充介电质层，包括：
在带有第二电阻传感器组的第二基板采用钢网印刷工艺印刷0.1~0.3mm厚的PDMS凃层，并将所述带有第二电阻传感器组的第二基板置于加热台上100℃~120℃加热5-10分钟，使PDMS凃层处于半固化状态，将带有第一电阻传感器组的第一基板正交相交放置在半固化的PDMS基层上，继续在100℃~120℃温度下加热30-40分钟，使得PDMS凃层完全固化，得到多功能柔性应变-压力传感器。
本发明具有以下有益效果：
1、本发明中的多功能柔性应变-压力传感器及制备方法，通过在所述第一基板与介电质层之间设有第一电阻传感器组，在所述介电质层与所述第二基板之间设有第二电阻传感器组，在所述第一电阻传感器组与第二电阻传感器组在任一基板平面内的投影呈角度相交；使得所述第一电阻传感器组、介电质层以及第二电阻传感器在每个相交点处的垂向空间内形成电容传感器单元以感应所述相交点处所受的压力。使得所述第一电阻传感器组以及第二电阻传感器用于感应电阻传感器单元处所受的拉伸应力。相比起现有的只能采集到单一信号的压力传感器而言，能在不同载荷环境中同时采集到不同的荷载信号，大大拓展了柔性压力传感器的应用范围。
除了上面所描述的目的、特征和优点之外，本发明还有其它的目的、特征和优点。下面将参照附图，对本发明作进一步详细的说明。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本发明的进一步理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：
图1是本发明优选实施例的多功能柔性应变-压力传感器的结构图；
图2是本发明优选实施例的多功能柔性应变-压力传感器的制备工艺图，（a）是步骤图，（b）是沿步骤4中虚线剖开的横截面放大示意图。
图3是本发明优选实施例2中CNT-PDMS的电镜图。
图中标注：1-第一基板，2-介电质层，3-导线，4-液态金属，5-电阻传感器单元，6-第二基板。
具体实施方式
以下结合附图对本发明的实施例进行详细说明，但是本发明可以由权利要求限定和覆盖的多种不同方式实施。
本发明中，PDMS指的是polydimethylsiloxane，中文名为聚二甲基硅氧烷；Ecoflex指的是BASF公司生产的聚己二酸/对苯二甲酸丁二酯的商品名；CNT指的是CarbonNanotube，中文名为碳纳米管；Ag NW指的是纳米银线。
实施例一：
如图1所示,本发明公开了一种多功能柔性应变-压力传感器，包括第一基板1、第二基板6以及夹设并贴合于第一基板1和第二基板6之间的介电质层2；所述第一基板1与介电质层2之间设有第一电阻传感器组，所述介电质层2与所述第二基板6之间设有第二电阻传感器组，所述第一电阻传感器组与第二电阻传感器组在任一基板平面内的投影呈角度相交；所述第一电阻传感器组以及第二电阻传感器组均包括一条以上的电阻传感器单元5；所述第一电阻传感器组、介电质层以及第二电阻传感器组在每个相交点处的垂向空间内形成电容传感器单元以感应所述相交点处所受的压力。
所述第一电阻传感器组以及第二电阻传感器用于感应电阻传感器单元处所受的拉伸应力。
当对多功能柔性应变-压力传感器施加拉伸应变力时，根据压阻效应，设置在第一基板1和第二基板6上的电阻传感器单元5的电阻随施加拉伸形变力的大小规律性改变，将电阻传感器单元5的两端通过导线连接外部的检测电路，就可以通过测量电阻的大小从而推算出施加的拉伸应变力的大小。
当对多功能柔性应变-压力传感器施加外部压力时，由所述介电质层2、第一基板1上的电阻传感器单元5以及第二基板6上的电阻传感器单元5在所述第一基板1上的电阻传感器单元5与第二基板6上的电阻传感器单元5相交之处形成电容传感器单元，由于电容极板间的距离改变，即相交的电阻传感器单元5之间的距离改变，电容传感器的电容值发生改变，将相交的两个电阻传感器通过导线3与外部检测电路的检测电路连接，就可以通过测量电容的大小从而推算出施加的外部压力的大小。
当对多功能柔性应变-压力传感器同时施加外部压力和拉伸应变力时，就可以通过测量电容传感器电容单元的大小和电阻传感器单元的大小，从而推算出施加在多功能压力传感器的外部压力和拉伸应变力的大小。
此外，如图2所示，在本实施例中还公开了一种多功能柔性应变-压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
一种多功能柔性应变-压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
使用制备好的碳纳米管-PDMS复合分散溶液在第一硅基板上印刷出第一电阻传感器组，使用制备好的碳纳米管-PDMS复合分散溶液在第二硅基板上印刷出第二电阻传感器组，所述第一电阻传感器组以及第二电阻传感器组均包括一条以上的电阻传感器单元5；
将制备好的PDMS固化溶液分别浇注在第一硅基板和第二硅基板印刷有电阻传感器单元5的表面，固化后得到带有第一电阻传感器组的第一基板1和带有第二电阻传感器组的第二基板6；
带有第一电阻传感器组的第一基板1和带有第二电阻传感器组的第二基板6以所述第一电阻传感器组与第二电阻传感器组在任一基板平面内的投影呈角度相交来布置，并在带有第一电阻传感器组的第一基板1和带有第二电阻传感器组的第二基板6之间填充介电质层2，得到多功能柔性应变-压力传感器。
本发明中的多功能柔性应变-压力传感器及制备方法，通过在所述第一基板1与介电质层2之间设有第一电阻传感器组，在所述介电质层2与所述第二基板之间设有第二电阻传感器组，第一电阻传感器组与第二电阻传感器组在任一基板平面内的投影呈角度相交；使得所述第一电阻传感器组、介电质层2以及第二电阻传感器组在每个相交点处的垂向空间内形成电容传感器单元以感应所述相交点处所受的压力。使得所述第一电阻传感器组以及第二电阻传感器用于感应电阻传感器单元处所受的拉伸应力。相比起现有的只能采集到单一信号的压力传感器而言，能在不同载荷环境中同时采集到不同的荷载信号，大大拓展了柔性压力传感器的应用范围。
实施例二：
实施例二是实施一的拓展实施例，其与实施例一的不同之处在于，对于实施例一的中的多功能柔性传感器的制备工艺和结构进行了细化：
对多功能柔性传感器的结构细化：
在本实施例中，在考虑多功能柔性应变-压力传感器阵列性能与柔性传感器单元的结构布局存在关联、电阻传感器单元5的宽度和距离（即条状电阻型应变传感器的线宽和线距），通过分析测试信号与这些几何参数的规律，确定最优的线宽线距，在本实施例中，条状电阻型应变传感器线宽一般为5-15毫米，线距一般为5-10毫米。并根据电容型压力传感单元的研究结果，确定多功能阵列传感器的最优介电质层2材料、结构和厚度。确定多功能柔性应变-压力传感器的介电质层2由PDMS制备而成；多功能柔性应变-压力传感器的第二基板6和第一基板1由PDMS单体和固化剂制备而成，多功能柔性应变-压力传感器的PDMS和固化剂的质量配比为10:1。多功能柔性应变-压力传感器的电阻传感器单元5由CNT-PDMS复合材料制备而成。多功能柔性应变-压力传感器的电阻传感器单元5为长条状，且所述电阻传感器单元5的两端通过液态金属4与导线3连接，所述介电质层2厚为0.1mm，所述电阻传感器单元5厚为0.1mm，其中，电阻传感器单元5中碳纳米管质量：PDMS质量=1：24，所述第一基板和第二基板厚为0.2mm。
对于制备工艺的细化：
如图2所示，本发明中的多功能柔性应变-压力传感器的制备采用液相混合法和转移法。首先，如图2（a）中的步骤1所示，在硅基板上利用配置好的导电聚合物复合材料丝网印刷出指定的图案。然后，如图2（a）中的步骤2所示，将碳纳米管-PDMS复合分散溶液（混合单体和固化剂，重量比10：1）浇注在硅基板上覆盖印刷的导电聚合物图案（即电阻传感器单元的图案），高温固化后从硅基板上剥离。其次，如图2（）中的步骤3所示，将作为焊料的液态金属置于固化的电阻传感单元的两端，再将两片带有电阻传感器单元5和液态金属4的第一基板1和第二基板6面对面正交布置，并且将液态PDMS或者Ecoflex填充至两层中间作为电容传感器的介电质层2。最后，如图2（a）中的步骤4所示，在液态金属4处连接铜导线3，将整体置于烘箱中完成介电质层2固化，从而实现如图2（b）所示的多功能柔性应变-压力传感器的制备。
其中，制备碳纳米管-PDMS复合分散溶液包括：
按碳纳米管质量：异丙醇质量=1：20的配比称取一定量的碳纳米管粉末加入异丙醇溶液中，使用超声粉碎机以700W的功率分散20-40分钟，接着磁力搅拌器搅拌50-70分钟，使碳纳米管均匀分散在异丙醇溶液中，得到碳纳米管/异丙醇溶液；
在碳纳米管/异丙醇溶液中按PDMS基体和固化剂质量比例为10：1，碳纳米管与PDMS按照质量比为1：24的比例加入聚二甲基硅氧烷，并使用700W功率超声粉碎机超声30分钟和磁力搅拌50-70分钟，使得PDMS与碳纳米管分散液混合均匀，得到碳纳米管-PDMS复合分散溶液，其中，CNT-PDMS的电镜图如图3所示。
其中，在第一硅基板上印刷出第一电阻传感器组和在第二硅基板上印刷出第二电阻传感器组，包括：
将带有第一电阻传感器组印刷图案，且厚度为0.1mm的第一钢网与第一硅基板用夹具相对固定，将带有第二电阻传感器组印刷图案，且厚度为0.1mm的第二钢网与第二硅基板用夹具相对固定，再将所述碳纳米管-PDMS复合分散溶液分别倾倒在所述第一电阻传感器组印刷图案中和所述第二电阻传感器组印刷图案中，并使所述碳纳米管-PDMS复合分散溶液在所述第一电阻传感器组印刷图案中和所述第二电阻传感器组印刷图案中分布均匀；
将载有碳纳米管-PDMS复合分散溶液的第一硅基板和第二硅基板均放置在加热台上以30-35℃的温度加热20-30分钟，使碳纳米管-PDMS复合分散溶液中的异丙醇完全挥发；
取下第一钢网和第二钢网，将所述第一硅基板和第二硅基板均置于100℃烘箱中固化1小时成型，得到印刷有第一电阻传感器的第一硅基板和印刷有第二电阻传感器组的第二硅基板。
其中，制备带有第一电阻传感器组的第一基板1和带有第二电阻传感器组的第二基板6，包括：
用夹具将带有第一基板图案，且厚度为0.2mm的第三钢网固定在所述第一硅基板上设置有第一电阻传感器组的表面上，用夹具将带有第二基板图案，且厚度为0.2mm的第四钢网固定在所述第二硅基板上设置有第二电阻传感器组的表面上；
在第一基板图案中和第二基板图案中倾倒PDMS固化溶液，并将载有PDMS固化溶液的第一硅基板和第二硅基板置于100℃的烘箱中固化成型，剥离第一硅基板和第二硅基板，将每个电阻传感器单元的两端用液态金属与铜线连接，并在连接处滴加未固化的PDMS进行保护，再放入100℃的烘箱中固化，得到带有第一电阻传感器组的第一基板1和带有第二电阻传感器组的第二基板6。
其中，在带有第一电阻传感器组的第一基板1和带有第二电阻传感器组的第二基板6之间填充介电质层2，包括：
在带有第二电阻传感器组的第二基板1采用钢网印刷工艺印刷0.1mm厚的PDMS凃层,并将所述带有第二电阻传感器组的第二基板6置于加热台上100℃加热5-10分钟，使PDMS凃层处于半固化状态，将带有第一电阻传感器组的第一基板正交相交放置在半固化的PDMS基层上，继续在100℃温度下加热30-40分钟，使得PDMS凃层完全固化，得到多功能柔性应变-压力传感器。
综上可知，本发明中的多功能柔性应变-压力传感器及制备方法，通过在所述第一基板1与介电质层2之间设有第一电阻传感器组，在所述介电质层2与所述第二基板6之间设有第二电阻传感器组，在所述第一电阻传感器组与第二电阻传感器组在任一基板平面内的投影呈角度相交；使得所述第一电阻传感器组、介电质层2以及第二电阻传感器在每个相交点处的垂向空间内形成电容传感器单元以感应所述相交点处所受的压力。使得所述第一电阻传感器组以及第二电阻传感器用于感应电阻传感器单元处所受的拉伸应力。相比起现有的只能采集到单一信号的压力传感器而言，能在不同载荷环境中进行同时采集到不同的荷载信号，大大拓展了柔性压力传感器的应用范围。
以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种多功能柔性应变-压力传感器，其特征在于，包括第一基板、第二基板以及夹设并贴合于第一基板和第二基板之间的介电质层；所述第一基板与介电质层之间设有第一电阻传感器组，所述介电质层与所述第二基板之间设有第二电阻传感器组，所述第一电阻传感器组包括两条以上的在所述第一基板与介电质层之间的平面内平行布置的电阻传感器单元，第二电阻传感器组包括两条以上的在所述介电质层与第二基板之间的平面内平行布置的电阻传感器单元，所述第一电阻传感器组内的电阻传感器单元与第二电阻传感器组内的电阻传感器单元在任一基板平面内的投影呈正交相交而形成呈阵列分布的多个相交点；所述第一电阻传感器组、介电质层以及第二电阻传感器组在每个相交点处的垂向空间内形成电容传感器单元以感应所述相交点处所受的压力；所述第一电阻传感器组以及第二电阻传感器组用于感应电阻传感器单元处所受的拉伸应力；
考虑多功能柔性应变-压力传感器阵列性能与柔性传感器单元的结构布局存在关联，通过分析测试信号与所述电阻传感器单元的宽度和距离之间几何参数的规律，确定最优的线宽线距：所述电阻传感器单元线宽为5-15毫米，线距为5-10毫米，所述介电质层厚为0.1~0.3mm，所述第一基板和第二基板厚为0.2~0.5mm，所述电阻传感器单元为厚0.1~0.3mm的条状电阻传感器，且所述电阻传感器单元的两端通过液态金属与导线连接。
2.根据权利要求1所述的多功能柔性应变-压力传感器，其特征在于，所述第一电阻传感器组内的每条所述电阻传感器单元均分别设置有互不相同的第一独立编号，所述第二电阻传感器组内的每条所述电阻传感器单元均分别设置有互不相同的第二独立编号，所述多个电容传感器单元根据所述第一独立编号和所述第二独立编号在所述多功能柔性应变-压力传感器中定位。
3.根据权利要求2所述的多功能柔性应变-压力传感器，其特征在于，所述介电质层由PDMS或者Ecoflex制备而成，所述电阻传感器单元由CNT-PDMS或Ag NW-PDMS复合材料制备而成，当电阻传感器单元由CNT-PDMS复合材料制备而成，CNT质量∶PDMS质量=1∶24，当电阻传感器单元由Ag NW-PDMS复合材料制备而成，Ag NW质量∶PDMS质量为1:20 ~1:10。
4.一种多功能柔性应变-压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
使用制备好的碳纳米管-PDMS复合分散溶液在第一硅基板上印刷出第一电阻传感器组，使用制备好的碳纳米管-PDMS复合分散溶液在第二硅基板上印刷出第二电阻传感器组；
将制备好的PDMS固化溶液分别浇注在第一硅基板和第二硅基板印刷有电阻传感器单元的表面，固化后得到带有第一电阻传感器组的第一基板和带有第二电阻传感器组的第二基板；
将带有第一电阻传感器组的第一基板和带有第二电阻传感器组的第二基板以所述第一电阻传感器组内的电阻传感器单元与第二电阻传感器组内的电阻传感器单元在任一基板平面内的投影呈正交相交来布置，形成呈阵列分布的多个相交点；
并在带有第一电阻传感器组的第一基板和带有第二电阻传感器组的第二基板之间填充介电质层，使得所述第一电阻传感器组、介电质层以及第二电阻传感器组在每个相交点处的垂向空间内形成电容传感器单元以感应所述相交点处所受的压力，所述第一电阻传感器组包括两条以上的在所述第一基板与介电质层之间的平面内平行布置的电阻传感器单元，第二电阻传感器组包括两条以上的在所述介电质层与第二基板之间的平面内平行布置的电阻传感器单元，以得到多功能柔性应变-压力传感器；
考虑多功能柔性应变-压力传感器阵列性能与柔性传感器单元的结构布局存在关联，通过分析测试信号与电阻传感器单元的宽度和距离之间几何参数的规律，确定最优的线宽线距：所述电阻传感器单元线宽为5-15毫米，线距为5-10毫米，所述介电质层厚为0.1~0.3mm，所述第一基板和第二基板厚为0.2~0.5mm，所述电阻传感器单元为厚0.1~0.3mm的条状电阻传感器，且所述电阻传感器单元的两端通过液态金属与导线连接。
5.根据权利要求4所述的多功能柔性应变-压力传感器的制备方法，其特征在于，制备碳纳米管-PDMS复合分散溶液包括：
按碳纳米管质量∶异丙醇质量=1∶20的配比称取一定量的碳纳米管粉末加入异丙醇溶液中，使用超声粉碎机以700W的功率分散20-40分钟，接着磁力搅拌器搅拌50-70分钟，使碳纳米管均匀分散在异丙醇溶液中，得到碳纳米管/异丙醇溶液；
在碳纳米管/异丙醇溶液中按PDMS基体和固化剂质量比例为10∶1，碳纳米管与PDMS按照质量比为1∶24的比例加入聚二甲基硅氧烷，并使用700W功率超声粉碎机超声30~40分钟和磁力搅拌50-70分钟，使得PDMS与碳纳米管分散液混合均匀，得到碳纳米管-PDMS复合分散溶液。
6.根据权利要求5所述的多功能柔性应变-压力传感器的制备方法，其特征在于，在第一硅基板上印刷出第一电阻传感器组和在第二硅基板上印刷出第二电阻传感器组，包括：
将带有第一电阻传感器组印刷图案，且厚度为0.1~0.3mm的第一钢网与第一硅基板用夹具相对固定，将带有第二电阻传感器组印刷图案，且厚度为0.1~0.3mm的第二钢网与第二硅基板用夹具相对固定，再将所述碳纳米管-PDMS复合分散溶液分别倾倒在所述第一电阻传感器组印刷图案中和所述第二电阻传感器组印刷图案中，并使所述碳纳米管-PDMS复合分散溶液在所述第一电阻传感器组印刷图案中和所述第二电阻传感器组印刷图案中分布均匀；
将载有碳纳米管-PDMS复合分散溶液的第一硅基板和第二硅基板均放置在加热台上以30-35℃的温度加热20-30分钟，使碳纳米管-PDMS复合分散溶液中的异丙醇完全挥发；
取下第一钢网和第二钢网，将所述第一硅基板和第二硅基板均置于100℃~120℃烘箱中固化1~2小时成型，得到印刷有第一电阻传感器组的第一硅基板和印刷有第二电阻传感器组的第二硅基板。
7.根据权利要求6所述的多功能柔性应变-压力传感器的制备方法，其特征在于，带有第一电阻传感器组的第一基板和带有第二电阻传感器组的第二基板，包括：
用夹具将带有第一基板图案，且厚度为0.2~0.5mm的第三钢网固定在所述第一硅基板上设置有第一电阻传感器组的表面上，用夹具将带有第二基板图案，且厚度为0.2~0.5mm的第四钢网固定在所述第二硅基板上设置有第二电阻传感器组的表面上；
在第一基板图案中和第二基板图案中倾倒PDMS固化溶液，并将载有PDMS固化溶液的第一硅基板和第二硅基板置于100℃~120℃的烘箱中固化成型，剥离第一硅基板和第二硅基板，将每个电阻传感器单元的两端用液态金属与铜线连接，并在连接处滴加未固化的PDMS进行保护，再放入100℃~120℃的烘箱中固化，得到带有第一电阻传感器组的第一基板和带有第二电阻传感器组的第二基板。
8.根据权利要求6所述的多功能柔性应变-压力传感器的制备方法，其特征在于，在带有第一电阻传感器组的第一基板和带有第二电阻传感器组的第二基板之间填充介电质层，包括：
在带有第二电阻传感器组的第二基板采用钢网印刷工艺印刷0.1~0.3mm厚的PDMS凃层，并将所述带有第二电阻传感器组的第二基板置于加热台上100℃~120℃加热5-10分钟，使PDMS凃层处于半固化状态，将带有第一电阻传感器组的第一基板正交相交放置在半固化的PDMS基层上，继续在100℃~120℃温度下加热30-40分钟，使得PDMS凃层完全固化，得到多功能柔性应变-压力传感器。
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Families Citing this family (9)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN113125054B (zh) * 2020-01-16 2023-03-28 深圳第三代半导体研究院 一种柔性压力传感器及其制造方法
CN113137910A (zh) * 2020-01-19 2021-07-20 华一声学股份有限公司 复合式薄膜传感器
CN111623913B (zh) * 2020-05-18 2021-09-07 广西南南铝加工有限公司 一种铝合金残余应力无损检测方法及设备
CN111504522A (zh) * 2020-06-05 2020-08-07 吉林师范大学 基于s型微孔道液态金属复合介质层的电容式柔性拉伸传感器
CN111998977B (zh) * 2020-08-25 2022-05-13 工科思维技术(深圳)有限公司 一种柔性可穿戴传感器阵列及其制备方法
CN114062168A (zh) * 2021-10-20 2022-02-18 复旦大学 一种基于聚二甲基硅氧烷的柔性可拉伸硬度传感器及其制备方法
CN114098650B (zh) * 2021-12-01 2022-08-30 深圳技术大学 一种智能织物传感器层及其制备方法与柔性织物传感器
CN114964575A (zh) * 2022-05-24 2022-08-30 四川大学 一种掺杂异丙醇的复合膜柔性压力传感器及其制备方法
CN115387407A (zh) * 2022-09-05 2022-11-25 山东高速集团有限公司创新研究院 用于挡土墙预警的全覆盖式柔性感知薄膜、系统及方法

Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN101818280A (zh) * 2010-04-17 2010-09-01 上海交通大学 碳纳米管金属基复合材料的制备方法
CN102369502A (zh) * 2009-04-01 2012-03-07 艾勒博科技股份有限公司 触摸式传感器装置
CN102589759A (zh) * 2012-02-20 2012-07-18 浙江大学 基于压阻式和电容式组合的仿生柔性触觉传感阵列
CN105051658A (zh) * 2012-07-13 2015-11-11 诺基亚公司 用于感测的设备
CN106289596A (zh) * 2015-05-29 2017-01-04 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 压力感测器
CN107949779A (zh) * 2015-09-02 2018-04-20 欧库勒斯虚拟现实有限责任公司 阻容变形传感器
CN108801514A (zh) * 2018-03-27 2018-11-13 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种弹性应力分布传感阵列及其制备方法
CN108955994A (zh) * 2018-06-13 2018-12-07 中国科学院电子学研究所 触觉传感器及其制备方法
CN109269688A (zh) * 2018-11-07 2019-01-25 江南大学 一种压力传感阵列及其制备方法
CN109564487A (zh) * 2016-08-15 2019-04-02 索尼公司 传感器、输入装置和电子设备

Family Cites Families (3)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
DE10057589C1 (de) * 2000-11-21 2002-07-11 Erbe Elektromedizin Fußschalter
CN109489874B (zh) * 2019-01-16 2024-02-23 浙江理工大学 一种碳纤维柔性压力分布传感装置及其测力方法
CN110082010A (zh) * 2019-03-29 2019-08-02 中国科学院电子学研究所 柔性触觉传感器阵列及应用于其的阵列扫描系统

Patent Citations (10)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN102369502A (zh) * 2009-04-01 2012-03-07 艾勒博科技股份有限公司 触摸式传感器装置
CN101818280A (zh) * 2010-04-17 2010-09-01 上海交通大学 碳纳米管金属基复合材料的制备方法
CN102589759A (zh) * 2012-02-20 2012-07-18 浙江大学 基于压阻式和电容式组合的仿生柔性触觉传感阵列
CN105051658A (zh) * 2012-07-13 2015-11-11 诺基亚公司 用于感测的设备
CN106289596A (zh) * 2015-05-29 2017-01-04 鸿富锦精密工业（深圳）有限公司 压力感测器
CN107949779A (zh) * 2015-09-02 2018-04-20 欧库勒斯虚拟现实有限责任公司 阻容变形传感器
CN109564487A (zh) * 2016-08-15 2019-04-02 索尼公司 传感器、输入装置和电子设备
CN108801514A (zh) * 2018-03-27 2018-11-13 中国科学院宁波材料技术与工程研究所 一种弹性应力分布传感阵列及其制备方法
CN108955994A (zh) * 2018-06-13 2018-12-07 中国科学院电子学研究所 触觉传感器及其制备方法
CN109269688A (zh) * 2018-11-07 2019-01-25 江南大学 一种压力传感阵列及其制备方法

Non-Patent Citations (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Investigation on Nonlinear Electromechanical Behavior of Conductive Polymer Composites-based Flexible Strain Sensor;Xudong Pan;《2019 20th International Conference on Electronic Packaging Technology》;20190815;第1-5页 *

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