CN110823423B - 一种液态金属柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents

一种液态金属柔性压力传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明实施例提供一种液态金属柔性压力传感器及其制备方法，该传感器包括：压力传感单元和柔性固定单元；柔性固定单元为绝缘材料制成，在柔性固定单元中设置有中空的微流道，该微流道对称分布于压力传感单元的四周；微流道中灌注有不断开的液态金属电极，液态金属电极与压力传感单元相接触；压力传感单元为柔性导电聚合物。本发明实施例提供的液态金属柔性压力传感器及其制备方法，提供了一种电阻式柔性压力传感器，在能够实现精准测压的同时，可以在较大的形变下保持原有的性能，且制作简单，应用范围广。

Description

一种液态金属柔性压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及电力电子技术领域，尤其涉及一种液态金属柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
压力传感器作为最常见的传感器类型之一，是将压力转化为电信号并输出的电子器件。压力的检测需求广泛，压力传感器的原理也多种多样。随着各种柔性材料的发展，出现了各类柔性压力传感器。这类压力传感器整体具有柔性，能承受较大的机械变形而保持原有的性能，可以直接应用于医学、可穿戴设备等，具有很大的应用前景。
柔性压力传感器主要有电容式、电阻式、压电式几种。与电容式传感器相比，电阻式传感器的结构更简单，检测结果更稳定，更准确，可以应用在更广泛的范围；与压电式传感器相比，成本低、结构简单、精度更高。综合来说，柔性电阻压力传感器结构简单、测量精确，有巨大的应用潜力。
发明内容
为了能有效的在精准测量压力的前提下，还能够在较大形变下保持原有性能，本发明实施例提供了一种液态金属柔性压力传感器及其制备方法。
一方面，本发明实施例提供一种液态金属柔性压力传感器，包括：压力传感单元和柔性固定单元；所述柔性固定单元为绝缘材料制成，在所述柔性固定单元中设置有中空的微流道，所述微流道对称分布于所述压力传感单元的四周；所述微流道中灌注有不断开的液态金属电极，所述液态金属电极与所述压力传感单元相接触；所述压力传感单元为柔性导电聚合物。
进一步地，上述柔性导电聚合物为掺杂导电物质的聚二甲基硅氧烷制成的聚合物或薄膜。
进一步地，上述导电物质为金属纳米颗粒或碳纳米颗粒。
进一步地，上述微流道对称分布于所述压力传感单元的四周，包括：所述压力传感单元为板状结构，所述微流道对称分布在所述压力传感单元的上下表面。
进一步地，上述液态金属电极的材质为镓基合金、镓或汞。
进一步地，上述柔性固定单元的材质为聚二甲基硅氧烷。
进一步地，上述微流道为密闭结构，每个所述微流道的出入口均设置有引出导线。
另一方面，本发明实施例提供一种液态金属柔性压力传感器的制备方法，包括但不限于以下步骤：
S11：将PDMS基础剂和PDMS固化剂按设定质量比进行混合，获取液态混合聚合物；
S12：将导电纳米颗粒加入所述液态混合聚合物并混合均匀后，基于悬膜或倒模工艺，固化制成预设形状的压力传感单元；
S13：基于软光刻技术，在柔性绝缘材质的基底上制作出微流道的形状，并基于PDMS倒模的方式获取微流道；
S14：基于等离子键合工艺，将所述微流道与所述压力传感单元相键合；
S15：将液态金属注入所述微流道，并使所述液态金属与所述压力传感单元相接触；
S16：在每个所述微流道的出入口设置引出导线，并对所述出入口进行密封处理。
又一方面，本发明实施例还提供另一种液态金属柔性压力传感器的制备方法，包括但不限于以下步骤：
S21：将PDMS基础剂和PDMS固化剂按设定质量比进行混合，获取液态混合聚合物；
S22：将导电纳米颗粒加入所述液态混合聚合物并混合均匀后，基于悬膜或倒模工艺，固化制成预设形状的压力传感单元；
S23：基于激光灼烧工艺，在柔性绝缘材质的基底上光刻出微流道；
S24：基于等离子键合工艺，将所述微流道与所述压力传感单元相键合；
S25：将液态金属注入所述微流道，并使所述液态金属与所述压力传感单元相接触；
S26：在每个所述微流道的出入口设置引出导线，并对所述出入口进行密封处理。
进一步地，上述柔性绝缘材质的基底具体为聚二甲基硅氧烷基底。
本发明实施例提供的液态金属柔性压力传感器及其制备方法，通过将所有配件设置为柔性材质，并通过压力传感单元将所受的压力转换成电阻的变化进行反映，在能够实现精准测压的同时，可以在较大的形变下保持原有的性能，且制作简单，应用范围广。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为本发明实施例提供的一种液态金属柔性压力传感器的纵截面示意图；
图2为本发明实施例提供的一种液态金属柔性压力传感器中微流通道的纵截面示意图；
图3为本发明实施例提供的一种液态金属柔性压力传感器的制备方法流程示意图；
图4为本发明实施例提供的另一种液态金属柔性压力传感器的制备方法流程示意图。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为本发明实施例提供的一种液态金属柔性压力传感器的纵截面示意图，如图1所示，本发明实施例提供一种液态金属柔性压力传感器，包括但不限于以下部件：压力传感单元1和柔性固定单元2，其中：
柔性固定单元2为绝缘材料制成，在柔性固定单元2中设置有中空的微流道3，微流道对称分布于压力传感单元的四周；微流道中灌注有不断开的液态金属电极4，液态金属电极4与压力传感单元1相接触；压力传感单元1为柔性导电聚合物。
如图所示，当从垂直方向向本发明实施例提供的压力传感器施加压力后，位于压力传感单元1上部的绝缘材料首先放生弹性形变，并将该压力传导至压力传感单元1；压力传感单元1受力的作用后会发生向下的形变。由于位于微流道3中的液态金属电极4(称为左电极和右电极)与该压力传感单元1相接触，压力传感单元1的弹性形变必然后造成左右两个电极之间电阻阻值的变化，可以通过外置电路对电阻的变化值进行计算。
由于，外界的施加的作用力越大，压力传感单元1的弹性形变明显，位于左右两个电极之间的电阻的阻值变化则越大，因此可以通过试验，建立阻值变化与外界作用力之间的函数关系，以根据获取的阻值变化值对施加的作用力大小进行准确的计算。
进一步地，在本发明实施例中，液态金属电极4与压力传感单元1可以是线性接触也可以是面接触，对此本发明实施例不作具体地限定。
进一步地，图2为本发明实施例提供的一种液态金属柔性压力传感器中微流通道3的纵截面示意图，如图2(1)所示的微流通道3的形状为多层叠状结构，图2(2)所示的微流通道3的形状为长方体结构，图2(3)所示的微流通道3的形状为螺旋状结构。相应的，微流通道3的结构往往是根据压力传感单元1的具体形状相配合的，即保证液态金属电极4的其中的一部分与压力传感单元1相接触，并用于根据压力传感单元1所受外界压力的大小，获取两者接触部分的电阻变化值。因此，在本实施例中，优选将液态金属电极4尽量与压力传感单元1的接触面积最大的情况。
进一步地，在本发明实施例中，每个液态金属电极4中均设置有引出导线，以方便对存装该液态金属电极4的微流道3进行密封处理。引出导线的一端用于连接传感器与外部电阻检测电路，在本实施例中对于导线的材质不作具体地下你的那个，可以是铜、银、金、铝等。
本发明实施例提供的液态金属柔性压力传感器，通过将所有配件设置为柔性材质，并通过压力传感单元将所受的压力转换成电阻的变化进行反映，在能够实现精准测压的同时，可以在较大的形变下保持原有的性能，且制作简单，应用范围广。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，柔性导电聚合物可以选择为掺杂导电物质的聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成的聚合物或薄膜。
其中PDMS作为一种高分子有机硅化合物，具有光学透明，且在一般情况下，被认为是无毒、绝缘且不易燃的。因其成本低，使用简单，同硅片之间具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性等特点，成为一种广泛应用于微流控等领域的聚合物材料。由于在本发明实施例中，主要是通过压力传感单元1的弹性形变来表征外界压力的大小，因此通过选用掺杂导电物质的聚二甲基硅氧烷制成的聚合物或薄膜作为柔性导电聚合物制备压力传感单元1，主要是利用了固态PDMS为柔性的特征，并且易于进行导电材料的掺杂的特性。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中导电物质为金属纳米颗粒或碳纳米颗粒。
具体地，在本发明实施例中，利用在液态PDMS中加入金属纳米颗粒或碳纳米颗粒后，进行固化后，生成固态PDMS，从而制备出柔性的带有导电性的压力传感单元1。其中导电物质与PDMS是按照预设的比例进行混合，当导电物质的占比越大，导电性能越强，但柔性相对降低；当导电物质的占比越小，柔性越强，但导电性能相对降低。当柔性导电聚合物为薄膜时，在本发明实施例中对于该薄膜层的厚度没有具体要求，可根据需要选择，最低不应小于100微米，其厚度越小，柔性相对越强。
其中，金属纳米颗粒可以选择任何可导电的颗粒种类，如铁、铜、银；可选择任意直径的纳米颗粒，如1μm，2μm，5μm。纳米颗粒与PDMS也可使用任意比例，例如1:22。具体地，纳米颗粒与PDMS质量比可以为0.5:22,0.75:22,1:22，1.2:22。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，微流道对称分布于压力传感单元的四周，包括以下情况：压力传感单元为板状结构，微流道对称分布在压力传感单元的上下表面。
具体地，如图1所示，压力传感单元1为板状结构，其具体地厚度在本实施例中不作具体地限定。上下两个微流道3对称设置于压力传感单元1的上下表面形成导电性的接触面。每个微流道3中均灌注有液态金属电极4，使每个微流道3起到了类似输出引线的作用。
进一步地，在本发明实施例中，分别将两组引线的另一端接入不同的外置电路中(或同一外置电路的不同子回路中)。由于形变的方向有区别，因此可以分别获取两个不同的电阻变化值，并进一步的可以根据电阻值的大小判断出压力传感器所受外力的方向。
因此，本发明实施例提供的液态金属柔性压力传感器可用于同时检测两个方向上的力。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中，液态金属电极的材质为镓基合金、镓或汞。
在本发明实施例中不对液态金属电极的材质作具体地限定乐意是室温下为液态的导电材质，最好为合金或者金属，例如：镓基合金、镓或汞等，能有效的减少外界因素对于最后的检测结果的干扰。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中，柔性固定单元的材质可以选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
本发明实施例通过选用PDMS作为原材料来制作柔性固定单元，一方面是利用了其柔性的特点；另一方面是利用了其绝缘的特性，保证了除液态金属电极4与压力传感单元1相接触并电性连接外，其余的部分均为绝缘的，便于对于弹性形变引起的电阻变化值进行检测；再一方面，同时利用了PDMS易于加工的特性，便于在其中生成微流道3。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，微流道为密闭结构，每个微流道的出入口均设置有引出导线。
在本实施例中，将微流道3设置为密闭结构，使得整个压力传感器在受压状态下，不会导致位于微流道3中的液态金属的泄漏，便于实现产业化及设备小型化、集成化。具体地，通过在微流道3的每个出入口设置有引出导线，每根引出导线均与液态金属电极4电连接，然后利用柔性材料对微流道3的出入口进行密封处理。
本发明实施例提供了一种液态金属柔性压力传感器的制备方法，如图3所示，包括但不限于以下步骤：
S11：将PDMS基础剂和PDMS固化剂按设定质量比进行混合，获取液态混合聚合物。
S12：将导电纳米颗粒加入液态混合聚合物并混合均匀后，基于悬膜或倒模工艺，固化制成预设形状的压力传感单元1。
S13：基于软光刻技术，在柔性绝缘材质的基底上制作出微流道3的形状，并基于PDMS倒模的方式获取微流道。
S14：基于等离子键合工艺，将微流道与所述压力传感单元相键合。
S15：将液态金属注入微流道，并使液态金属与压力传感单元相接触。
S16：在每个微流道的出入口设置引出导线，并对出入口进行密封处理。
步骤S11-S12是制备压力传感单元1的方法步骤，其中，PDMS基础剂(试剂A)和PDMS固化剂(试剂B)的百分含量比可以是10：1-60：1。在上述范围内，当试剂B的含量占比越多，其柔性越强(即越软)。
例如，制作完成的压力传感单元1可以是5cm×5cm×100μm薄膜，或制作成为10cm×5cm×1cm的块状物。
步骤S13是在柔性绝缘材质的基底中制备出柔性固定单元2以及微流道3的步骤，其中，基于悬膜或倒模工艺，对液态混合聚合物进行固化，包括先设计出预制备的柔性固定单元2以及柔性固定单元2内部的微流道3的具体结构及位置关系的模具，再将液态混合聚合物灌注如该模具内，最后进行加热处理，使液态混合聚合物固化后，进行脱模操作即可以获取到预制备的包含微流道3的柔性固定单元2。
步骤S14是将制备的完成的柔性固定单元2与压力传感单元1相键合的步骤，实际上是将含有导电颗粒的固态PDMS与不含杂质的固态PDMS进行键合的步骤，包括对键合压力、空气李陆良、改性时间、射频功率等参数的控制，对此本实施例不作具体地限定。
步骤S15是向微流道3中灌注液态金属电极的过程，包括在微流道3与压力传感部分1键合完成后，利用注射器或注射泵，将液态金属电极从微流道4的入口注射进入。此时，微流道内的空气将由出口排出。待液态金属充满整个微流道后，停止注射，拔出注射泵或注射器，完成电极制作。
步骤S16是微流道3的出入口进行密封的方法，其中，作为密封的材料也可以是PDMS。
本发明实施例还提供了一种液态金属柔性压力传感器的制备方法，如图4所示，包括但不限于以下步骤：
S21：将PDMS基础剂和PDMS固化剂按设定质量比进行混合，获取液态混合聚合物。
S22：将导电纳米颗粒加入所述液态混合聚合物并混合均匀后，基于悬膜或倒模工艺，固化制成预设形状的压力传感单元。
S23：基于激光灼烧工艺，在柔性绝缘材质的基底上光刻出微流道。
S24：基于等离子键合工艺，将柔性固定单元与所述压力传感单元相键合。
S25：将液态金属注入所述微流道，并使液态金属与所述压力传感单元相接触。
S26：在每个所述微流道的出入口设置引出导线，并对出入口进行密封处理。
需要说明的是，在步骤S23中是制备柔性固定单元2以及制备微流道3的具体步骤，在本实施例中是将整个柔性绝缘材质的基底作为柔性固定单元2，并利用激光灼烧的工艺，直接在上述基底上刻制出预设形状的微流道3。
基于上述实施例的内容，作为一种可选实施例，其中柔性绝缘材质的基底具体为聚二甲基硅氧烷基底。
以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。
最后应说明的是：以上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精神和范围。

Claims (8)

1.一种液态金属柔性压力传感器，其特征在于，包括：压力传感单元和柔性固定单元；
所述柔性固定单元为绝缘材料制成，在所述柔性固定单元中设置有中空的微流道，所述微流道对称分布于所述压力传感单元的四周；
所述微流道中灌注有不断开的液态金属电极，所述液态金属电极与所述压力传感单元相接触；所述微流道用于根据所述压力传感单元所受的外界压力，获取所述液态金属电极与所述压力传感单元接触部分的电阻变化值；
所述压力传感单元为柔性导电聚合物；
所述微流道为密闭结构，每个所述微流道的出入口均设置有引出导线；
所述压力传感单元为板状结构，所述微流道对称分布在所述压力传感单元的上下表面，上下两个微流道对应的引出导线分别接入不同的外置电路中或同一外置电路的不同子回路中。
2.根据权利要求1所述的液态金属柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性导电聚合物为掺杂导电物质的聚二甲基硅氧烷制成的聚合物。
3.根据权利要求2所述的液态金属柔性压力传感器，其特征在于，所述导电物质为金属纳米颗粒或碳纳米颗粒。
4.根据权利要求1所述的液态金属柔性压力传感器，其特征在于，所述液态金属电极的材质为镓基合金、镓或汞。
5.根据权利要求1所述的液态金属柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性固定单元的材质为聚二甲基硅氧烷。
6.一种液态金属柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：
S11：将PDMS基础剂和PDMS固化剂按设定质量比进行混合，获取液态混合聚合物；
S12：将导电纳米颗粒加入所述液态混合聚合物并混合均匀后，基于悬膜或倒模工艺，固化制成预设形状的压力传感单元；
S13：基于软光刻技术，在柔性绝缘材质的基底上制作出微流道的形状，并基于PDMS倒模的方式获取微流道，获取柔性固定单元；
S14：基于等离子键合工艺，将所述柔性固定单元与所述压力传感单元相键合；
S15：将液态金属注入所述微流道，并使所述液态金属与所述压力传感单元相接触；所述微流道用于根据所述压力传感单元所受的外界压力，获取所述液态金属与所述压力传感单元接触部分的电阻变化值；
S16：在每个所述微流道的出入口设置引出导线，并对所述出入口进行密封处理；所述压力传感单元为板状结构，所述微流道对称分布在所述压力传感单元的上下表面，上下两个微流道对应的引出导线分别接入不同的外置电路中或同一外置电路的不同子回路中。
7.一种液态金属柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：
S21：将PDMS基础剂和PDMS固化剂按设定质量比进行混合，获取液态混合聚合物；
S22：将导电纳米颗粒加入所述液态混合聚合物并混合均匀后，基于悬膜或倒模工艺，固化制成预设形状的压力传感单元；
S23：基于激光灼烧工艺，在柔性绝缘材质的基底上光刻出微流道，获取柔性固定单元；
S24：基于等离子键合工艺，将所述柔性固定单元与所述压力传感单元相键合；
S25：将液态金属注入所述微流道，并使所述液态金属与所述压力传感单元相接触；所述微流道用于根据所述压力传感单元所受的外界压力，获取所述液态金属与所述压力传感单元接触部分的电阻变化值；
S26：在每个所述微流道的出入口设置引出导线，并对所述出入口进行密封处理；所述压力传感单元为板状结构，所述微流道对称分布在所述压力传感单元的上下表面，上下两个微流道对应的引出导线分别接入不同的外置电路中或同一外置电路的不同子回路中。
8.根据权利要求7所述的液态金属柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述柔性绝缘材质的基底具体为聚二甲基硅氧烷基底。
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