CN111060238A - 电阻式柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents
电阻式柔性压力传感器及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN111060238A CN111060238A CN201911368814.XA CN201911368814A CN111060238A CN 111060238 A CN111060238 A CN 111060238A CN 201911368814 A CN201911368814 A CN 201911368814A CN 111060238 A CN111060238 A CN 111060238A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- flexible substrate
- flexible
- pressure sensor
- microstructure
- conductive layer
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Pending
Links
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 10
- 239000000758 substrate Substances 0.000 claims abstract description 125
- 238000000034 method Methods 0.000 claims abstract description 29
- 238000005530 etching Methods 0.000 claims abstract description 14
- 238000010030 laminating Methods 0.000 claims abstract description 6
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 17
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 13
- 239000002042 Silver nanowire Substances 0.000 claims description 12
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 claims description 11
- 238000010329 laser etching Methods 0.000 claims description 11
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 claims description 10
- 239000004205 dimethyl polysiloxane Substances 0.000 claims description 10
- 229920000435 poly(dimethylsiloxane) Polymers 0.000 claims description 10
- -1 polydimethylsiloxane Polymers 0.000 claims description 9
- 239000004020 conductor Substances 0.000 claims description 7
- 239000004433 Thermoplastic polyurethane Substances 0.000 claims description 6
- 229920000166 polytrimethylene carbonate Polymers 0.000 claims description 6
- 229920002803 thermoplastic polyurethane Polymers 0.000 claims description 6
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 claims description 5
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 5
- BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N Silver Chemical compound [Ag] BQCADISMDOOEFD-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 claims description 4
- 239000000806 elastomer Substances 0.000 claims description 4
- 230000007423 decrease Effects 0.000 claims description 2
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 abstract description 25
- 238000001514 detection method Methods 0.000 abstract description 15
- 230000008569 process Effects 0.000 abstract description 7
- 238000011031 large-scale manufacturing process Methods 0.000 abstract description 2
- 230000000052 comparative effect Effects 0.000 description 15
- 239000000243 solution Substances 0.000 description 11
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 description 10
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 8
- QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N atomic oxygen Chemical compound [O] QVGXLLKOCUKJST-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 7
- 238000001035 drying Methods 0.000 description 7
- 239000001301 oxygen Substances 0.000 description 7
- 229910052760 oxygen Inorganic materials 0.000 description 7
- 239000011259 mixed solution Substances 0.000 description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 description 5
- 239000003795 chemical substances by application Substances 0.000 description 5
- MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N Hydrogen peroxide Chemical compound OO MHAJPDPJQMAIIY-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 description 4
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 description 4
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 4
- VWDWKYIASSYTQR-UHFFFAOYSA-N sodium nitrate Chemical compound [Na+].[O-][N+]([O-])=O VWDWKYIASSYTQR-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 4
- LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N Ethylene glycol Chemical compound OCCO LYCAIKOWRPUZTN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N N,N-Dimethylformamide Chemical compound CN(C)C=O ZMXDDKWLCZADIW-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 3
- 238000011049 filling Methods 0.000 description 3
- 239000007788 liquid Substances 0.000 description 3
- 238000002156 mixing Methods 0.000 description 3
- 239000000203 mixture Substances 0.000 description 3
- 230000004044 response Effects 0.000 description 3
- 238000010146 3D printing Methods 0.000 description 2
- CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N Acetone Chemical compound CC(C)=O CSCPPACGZOOCGX-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 description 2
- 239000002390 adhesive tape Substances 0.000 description 2
- 230000008859 change Effects 0.000 description 2
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 2
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 2
- 238000011960 computer-aided design Methods 0.000 description 2
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 2
- 235000019441 ethanol Nutrition 0.000 description 2
- 238000009776 industrial production Methods 0.000 description 2
- 238000009832 plasma treatment Methods 0.000 description 2
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 description 2
- 239000001267 polyvinylpyrrolidone Substances 0.000 description 2
- 235000013855 polyvinylpyrrolidone Nutrition 0.000 description 2
- 229920000036 polyvinylpyrrolidone Polymers 0.000 description 2
- 239000012286 potassium permanganate Substances 0.000 description 2
- 230000002035 prolonged effect Effects 0.000 description 2
- 229920006395 saturated elastomer Polymers 0.000 description 2
- 229910052709 silver Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000004332 silver Substances 0.000 description 2
- SQGYOTSLMSWVJD-UHFFFAOYSA-N silver(1+) nitrate Chemical compound [Ag+].[O-]N(=O)=O SQGYOTSLMSWVJD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 235000010344 sodium nitrate Nutrition 0.000 description 2
- 239000004317 sodium nitrate Substances 0.000 description 2
- 239000006228 supernatant Substances 0.000 description 2
- 238000001132 ultrasonic dispersion Methods 0.000 description 2
- 229910021592 Copper(II) chloride Inorganic materials 0.000 description 1
- VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N Hydrochloric acid Chemical compound Cl VEXZGXHMUGYJMC-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N Silicon Chemical compound [Si] XUIMIQQOPSSXEZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000003854 Surface Print Methods 0.000 description 1
- 239000007864 aqueous solution Substances 0.000 description 1
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 description 1
- 238000007906 compression Methods 0.000 description 1
- 230000002950 deficient Effects 0.000 description 1
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 1
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 1
- 230000007613 environmental effect Effects 0.000 description 1
- 238000010438 heat treatment Methods 0.000 description 1
- 239000005457 ice water Substances 0.000 description 1
- 230000006698 induction Effects 0.000 description 1
- 238000001755 magnetron sputter deposition Methods 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 239000003921 oil Substances 0.000 description 1
- 238000004806 packaging method and process Methods 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 229910052710 silicon Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000010703 silicon Substances 0.000 description 1
- 229910001961 silver nitrate Inorganic materials 0.000 description 1
- 229910000033 sodium borohydride Inorganic materials 0.000 description 1
- 239000012279 sodium borohydride Substances 0.000 description 1
- QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N sulfuric acid Substances OS(O)(=O)=O QAOWNCQODCNURD-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 1
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
- G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges
- G01L1/2287—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges
- G01L1/2293—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges constructional details of the strain gauges of the semi-conductor type
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Measuring Fluid Pressure (AREA)
Abstract
本发明涉及一种电阻式柔性压力传感器及其制备方法，所述制备方法包括：提供第一柔性衬底，采用激光刻蚀所述第一柔性衬底的一表面，形成至少两种高度的微结构；在所述第一柔性衬底带有所述微结构的表面形成导电层，得到第一柔性基板；提供第二柔性基板，其中，所述第二柔性基板包括第二柔性衬底以及设于所述第二柔性衬底一表面上的电极；以及将所述第二柔性基板层叠设置于所述第一柔性基板上，且使所述电极与部分所述导电层相接触，得到电阻式柔性压力传感器。所述制备方法工艺简单、易控制，适合工业化大规模生产，且获得的传感器能够在提高灵敏度的同时提高检测范围和可靠性。
Description
技术领域
本发明涉及柔性电子技术领域，特别是涉及电阻式柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
传统的电阻式柔性压力传感器中，微结构主要采用硅模刻蚀、磁控溅射、氧等离子体处理、3D打印等方法制备，不仅步骤繁琐、用料多，而且工艺参数难以控制。
此外，传统的电阻式柔性压力传感器很难做到保持高灵敏度的同时还能拥有宽泛的检测范围，在极低的感应方面也有所欠缺。
发明内容
基于此，有必要针对上述问题，提供一种电阻式柔性压力传感器及其制备方法；所述制备方法工艺简单、易控制，适合工业化大规模生产，且获得的传感器能够在提高灵敏度的同时提高检测范围和可靠性。
一种电阻式柔性压力传感器的制备方法，包括：
提供第一柔性衬底，采用激光刻蚀所述第一柔性衬底的一表面，形成至少两种高度的微结构；
在所述第一柔性衬底带有所述微结构的表面形成导电层，得到第一柔性基板；
提供第二柔性基板，其中，所述第二柔性基板包括第二柔性衬底以及设于所述第二柔性衬底一表面上的电极；以及
将所述第二柔性基板层叠设置于所述第一柔性基板上，且使所述电极与部分所述导电层相接触，得到电阻式柔性压力传感器。
在其中一个实施例中，同一高度的所述微结构的数量为大于等于2个。
在其中一个实施例中，相邻的两个所述微结构之间的高度不同。
在其中一个实施例中，所述微结构的截面宽度自所述第一柔性衬底的底部向远离所述第一柔性衬底的方向逐渐减小。
在其中一个实施例中，所述激光刻蚀的条件为：波长小于等于355nm，激光脉冲宽度小于或等于皮秒量级，单脉冲能量为1μJ～200μJ，扫描速度为50mm/s～3000mm/s。
在其中一个实施例中，所述导电层的形成步骤包括：提供含导电材料的溶液，将所述溶液形成于所述微结构的表面，固化得到所述导电层。
在其中一个实施例中，所述导电材料包括银纳米线、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
在其中一个实施例中，所述电极包括叉指电极。
在其中一个实施例中，所述第一柔性衬底与所述第二柔性衬底的材料均包括聚二甲基硅氧烷、热塑性聚氨酯弹性体、聚三亚甲基碳酸酯中的至少一种。
一种电阻式柔性压力传感器，包括：
第一柔性基板，所述第一柔性基板包括第一柔性衬底以及设于所述第一柔性衬底一表面上的至少两种高度的微结构，在所述第一柔性衬底带有所述微结构的表面设置有导电层，且所述第一柔性衬底与所述微结构为一体结构；
第二柔性基板，所述第二柔性基板包括第二柔性衬底以及设于所述第二柔性衬底一表面上的电极，所述第二柔性基板与所述第一柔性基板层叠设置，且所述电极与部分所述导电层相接触。
本发明的制备方法中，直接采用激光刻蚀的方法在绝缘柔性衬底的表面得到微结构，工艺简单、成本低廉、环保无污染、可大规模工业化生产。同时，获得的微结构具有两种及以上不同的高度的，即，具有多层级的微结构，从而，使得传感器能够在提高灵敏度的同时提高检测范围和可靠性。
具体地，在压力作用下，高度最高的第一层级微结构首先变形，使得导电层与电极的接触面积增加，传感器的导电通路增多，灵敏度曲线呈直线，灵敏度高。随着压力的增大，高度次之的第二层级微结构、第三层级微结构等依次与电极接触，进一步增加传感器的导电通路，保持传感器的灵敏度。从而，通过多层级的微结构可以增大传感器的饱和接触面积，增多导电通路，延长其压力线性响应范围，进而在提高传感器灵敏度的同时提高了检测范围和可靠性。
附图说明
图1为一实施方式的预制图形；
图2为图1所示预制图形对应的微结构示意图；
图3为另一实施方式的预制图形；
图4为本发明电阻式柔性压力传感器的结构示意图；
图5为本发明实施例1与对比例1、对比例2的传感器的电阻变化率与压力关系曲线图，其中，a为实施例1、b为对比例1、c为对比例2。
图中：1、第一柔性基板；2、第二柔性基板；11第一柔性衬底；12、微结构；13、导电层；21、第二柔性衬底；22、电极。
具体实施方式
以下将结合附图说明对本发明提供的电阻式柔性压力传感器及其制备方法作进一步说明。
本发明提供的电阻式柔性压力传感器的制备方法，包括：
S1，提供第一柔性衬底，采用激光刻蚀所述第一柔性衬底的一表面，形成至少两种高度的微结构；
S2，在所述第一柔性衬底带有所述微结构的表面形成导电层，得到第一柔性基板；
S3，提供第二柔性基板，其中，所述第二柔性基板包括第二柔性衬底以及设于所述第二柔性衬底一表面上的电极；以及
S4，将所述第二柔性基板层叠设置于所述第一柔性基板上，且使所述电极与部分所述导电层相接触，得到电阻式柔性压力传感器。
步骤S1中，第一柔性衬底的厚度为50μm～200μm，所述第一柔性衬底的材料为含C的绝缘高分子材料，包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、聚三亚甲基碳酸酯(PTMC)中的至少一种，进一步优选为生物相容性和热稳定性相对优异的PDMS。
本发明中，所述第一柔性衬底通过旋涂获得，具体过程包括：
(1)提供含第一柔性衬底材料的混合液；
(2)将所述溶液旋涂于载体上，固化，得到所述第一柔性衬底。
其中，步骤(1)的所述混合液中还包括固化剂，优选地，第一柔性衬底材料与固化剂的质量比为10:(0.9～1.1)。因为，当固化剂不足时，第一柔性衬底材料固化后形成的基体层变软，拉伸性能下降；当固化剂过多时，第一柔性衬底材料固化后形成的基体层变硬，拉伸性能同样下降。
进一步地，步骤(1)还包括除去所述混合液中的气泡，以避免在第一柔性衬底中形成孔洞。具体地，所述除去气泡的方法可以为：在1Torr～0.1Torr的真空条件下放置10min～30min。
步骤(2)中，所述载体优选为玻璃基板，所述旋涂的转速为50rpm～2000rpm，旋涂的时间为10s～30s，所述固化的温度为25℃～150℃，固化的时间为0.25h～24h。
激光刻蚀前，先采用CAD等计算机软件绘制预制图形，然后将绘制的预制图形导入激光刻蚀设备的软件中，使激光按照绘制的预制图形进行扫描，刻蚀得到所述微结构。
具体地，如图1所示，采用CAD软件绘制预制图案，图中，B1区域和B2区域分别用线条进行了填充，且线条之间的间距相等，于C区域处交叉形成网格填充。将该预制图形导入激光刻蚀设备的软件后，激光刻蚀时，激光沿所填充的线条进行扫描，即，预制图案中A区域无激光扫描，B1区域和B2区域激光扫描一次，C区域激光扫描两次，刻蚀得到如图2所示的微结构，图2中，微结构高度为A＞B1＝B2＞C，共三种高度的微结构。
如图3所示，B3区域与B1区域填充的线条数相同，但B3区域的面积小于B1区域，所以，B3区域刻蚀后对应的微结构形状与B1区域相同，但高度不同，刻蚀得到的微结构中，微结构高度为A＞B1＞B3＞C，共四种高度的微结构。
进一步地，在图3的基础上，如果B3区域与B1区域填充的线条数也不相同，即B3区域与B1区域填充的线条之间的距离也不相同，那么刻蚀所得到的微结构的形状和高度均不同。
因此，可以通过所绘制的预制图形以及预制图形中线条的填充进行微结构形状、高度的控制，方法简单，易操作。
进一步地，同一高度的所述微结构的数量为大于等于2个，且相邻的两个所述微结构之间的高度不同。
进一步地，所述微结构的截面宽度自其底部向远离所述第一柔性衬底的方向逐渐减小，如截面形状为锥形、半球形、梯形等的微结构，从而，使得微结构在压力的作用下易变形，进而使导电层与电极的接触面积能够随压力的增大逐渐增大，响应快，灵敏度高。
进一步地，激光刻蚀时，激光输出的脉冲能量经过反射镜和聚焦镜后形成的高能束作用于第一柔性衬底表面，通过发生光化学作用使其表面材料气化或者分解，形成所述微结构。
进一步地，为使所述第一柔性衬底表面发生光化学作用，降低热影响，所述激光刻蚀时激光的波长小于等于355nm，激光脉冲宽度小于或等于皮秒量级。
另外，通过调节激光的单脉冲能量和扫描速率可以控制激光刻蚀的深度和效率。
如：当激光的单脉冲能量小于1μJ时，刻蚀深度小，需要多次刻蚀，影响效率；当激光的单脉冲能量大于200μJ，刻蚀深度大，第一柔性衬底的拉伸强度大幅降低，影响使用，所以，激光的单脉冲能量优选为1μJ～200μJ。
当激光的扫描速度小于50mm/s时，刻蚀时间长，效率低；当激光的扫描速率大于3000mm/s时，激光光斑未搭接，微结构质量低，所以，激光的扫描速度优选为50mm/s～3000mm/s。
步骤S2中，所述导电层的形成步骤包括：提供含导电材料的溶液，将所述溶液形成于所述微结构的表面，固化得到所述导电层。其中，所述导电材料包括银纳米线(AgNWs)、碳纳米管(CNTs)、石墨烯(RGO)中的至少一种。
若导电层为AgNWs时，导电层可参照以下方法进行制备：
将乙二醇和CuCl2溶液按照体积比为10：1的量加入到油浴锅中的三口烧瓶中，150℃～250℃的条件下保持10min～30min。然后将硝酸银和聚乙烯吡咯烷酮(PVP)按质量比1：2的量加入到上述三口烧瓶中，继续反应15min～30min。反应完成后将混合溶液加入到离心管中，再加入丙酮溶液，在高速离心机中离心处理，离心机转速2000rmp～10000rmp，时间为2min～10min，结束后倒掉上层清液，离心三次后加入无水乙醇，放置于超声波清洗器中超声分散5min～30min，得到AgNWs；
将制备的AgNWs与无水乙醇的混合溶液滴在氧等离子体处理后的微结构表面，旋涂制备均匀的AgNWs层，旋涂速度为200rmp～2000rmp，时间为10s～60s，最后将旋涂好的样品放在50℃～150℃的烘箱中干燥，得到AgNWs层。
若导电层为CNTs时，导电层可参照以下方法进行制备：
将CNTs置于二甲基甲酰胺中形成CNTs混合液，其中CNTs的含量为0.1mg/mL～10mg/mL，将混合液置于超声清洗机中辅助分散5min～30min；
将混合液均匀滴在氧等离子体处理后的微结构表面，旋涂制备均匀的CNTs层，旋涂速度为200rmp～2000rmp，时间为10s～60s，最后将旋涂好的样品放在50～150℃的烘箱中干燥，得到CNTs层。
若导电层为RGO，导电层可参照以下方法进行制备：
冰水浴中加入浓硫酸和石墨粉，质量比为12：1，然后分别缓慢加入硝酸钠和高锰酸钾，石墨粉、硝酸钠和高锰酸钾的质量比为2：1：6，升温到35℃，反应30min，然后分别加入去离子水和双氧水，去离子水和双氧水的体积比为10：1，反应完成后用稀盐酸和去离子水清洗，得到氧化石墨烯(GO)；
将GO加入到去离子水中超声分散5min～30min，配制浓度为0.1mg/mL～10mg/mL的GO溶液，将GO溶液均匀滴在氧等离子体处理后的微结构表面，旋涂制备均匀的GO层，旋涂速度为200rmp～2000rmp，时间为10s～60s，将旋涂好的样品放在50～150℃的烘箱中干燥，然后将制备的GO薄膜在硼氢化钠水溶液中处理1h～24h，将GO薄膜还原成RGO薄膜，然后在50～150℃的烘箱中干燥，得到RGO层。
由于RGO的电导率低于AgNWs和CNTs，而CNTs的制备成本高于AgNWs，所以，所述导电材料优选AgNWs。
步骤S3中，所述第二柔性衬底的厚度同样为50μm～200μm，所述第二柔性衬底的材料同样包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、聚三亚甲基碳酸酯(PTMC)中的至少一种，进一步优选为生物相容性和热稳定性相对优异的PDMS。
设于所述第二柔性衬底的所述电极优选为叉指电极，可参照以下方法进行制备：采用氧等离子体处理第二柔性衬底，然后采用表面印刷或者3D打印等方式制备，于25℃～150℃条件下固化得到所述叉指电极。
可以理解，在制得电极后，还包括步骤：剪取两根导线分别放在电极的两端，然后涂覆一层导电银胶固定该两根导线，得到第二柔性基板。
步骤S4中，所述电极与部分所述导电层相接触，即在最初始状态，所述电极仅与高度最高的第一层级的微结构表面的导电层相接触，随着压力的增大，导电层与电极的接触面积增大。
在这里需要说明的是，在第一柔性衬底带有微结构的表面形成的导电层为连续的导电层，各高度不同的微结构因第一衬底为柔性材质，以及第二衬底也为柔性材质，因此，在具有足够压力的情况下，所述电极与所述导电层之间均可实现电接触。
可以理解，在步骤S4将第二柔性基板层叠设置于第一柔性基板后，还包括用3M胶带等封装材料将第一柔性基板和第二柔性基板封装，得到所述电阻式柔性压力传感器。
因此，本发明直接采用激光刻蚀的方法即可在绝缘柔性衬底的表面得到多层次的微结构，从而得到灵敏度高和检测范围宽、可靠性好的电阻式柔性压力传感器，工艺简单、成本低廉、环保无污染、可大规模工业化生产。
如图4所示，本发明还提供一种上述制备方法得到的电阻式柔性压力传感器，包括：
第一柔性基板1，所述第一柔性基板1包括第一柔性衬底11以及设于所述第一柔性衬底11一表面上的至少两种高度的微结构12，在所述第一柔性衬底11带有所述微结构12的表面设置有导电层13，且所述第一柔性衬底11与所述微结构12为一体结构；
第二柔性基板2，所述第二柔性基板2包括第二柔性衬底21以及设于所述第二柔性衬底21一表面上的电极22，所述第二柔性基板2与所述第一柔性基板1层叠设置，且所述电极22与部分所述导电层13相接触。
在接触式的电阻式柔性压力传感器中，微结构12在压缩过程中，使得导电层13与电极22的接触面积增大，导电通路增多，灵敏度曲线呈直线，当压力继续增大，接触面积达到饱和，曲线斜率逐渐较小。此时，如果有第二层级、第三层级等更多层级的微结构12，当第一层级的微结构12与电极22的接触面积饱和时，第二层级、第三层级等更多层级的微结构12与电极22接触，会继续增大接触面积，从而可以进一步增多导电通路，保持较好的灵敏度。
因此，在压力作用下，本发明高度最高的第一层级微结构12首先变形，使得导电层13与电极22的接触面积增加，传感器的导电通路增多，灵敏度曲线呈直线，灵敏度高。随着压力的增大，高度次之的第二层级微结构12、第三层级微结构12等依次与电极22接触，进一步增加传感器的导电通路，保持传感器的灵敏度。从而，通过多层级的微结构12可以增大传感器的饱和接触面积，增多导电通路，延长其压力线性响应范围，进而在提高传感器灵敏度的同时提高了检测范围和可靠性。
如：使传感器高度最高的微结构12为上表面边长约为5μm～10μm的四棱台结构，高度次之的第二层级的微结构12为三棱台结构，第三层级的微结构12为高度大约5μm的微凸起，每级内微结构12的形状和高度相同，其最大灵敏度约为3.2kPa-1，压力范围0～0.5kPa，即在极低的压力下也能检测，灵敏度高，而当灵敏度为0.1kPa-1时，压力的检测范围为0.5kPa～4kPa，极大的扩大了压力的检测范围。
以下，将通过以下具体实施例对所述电阻式柔性压力传感器及其制备方法做进一步的说明。
实施例1：
(1)称取1g聚二甲基硅氧烷(PDMS)预聚物于烧杯中，然后量取0.1g固化剂加入到烧杯中搅拌均匀，在0.1Torr真空条件下放置10min除去气泡。选取干净的玻璃基板一片，在其表面旋涂上述混合液，转速为500rpm，时间为10s，在60℃的条件下使其固化，得到100μm厚的第一柔性衬底和第二柔性衬底。
(2)采用波长为355nm、脉宽为500fs的脉冲激光在第一柔性衬底表面刻蚀网格图案，横向与纵向网格填充间距均为20微米，激光单脉冲能量为10μJ，扫描速度为500mm/s，刻蚀完成后得到三种高度的微结构。
(3)配制浓度为10mg/mL的AgNWs乙醇溶液，将微结构表面采用氧等离子体处理，然后将AgNWs乙醇溶液旋涂于微结构表面，在100℃的条件下烘干0.5h，得到导电层，进而得到第一柔性基板。
(4)氧等离子体处理第二柔性衬底，然后在其表面3D打印叉指电极，剪取两根细导线分别放在叉指电极的两端，然后涂覆一层导电银胶固定导线，得到第二柔性基板。
(5)将第二柔性基板层叠设置于第一柔性基板上，使得叉指电极与导电层相接触，用3M胶带将第一柔性基板和第二柔性基板封装，得到电阻式柔性压力传感器。
实施例2～实施例11与实施例1的区别如表1所示。
表1
对比例1：
对比例1与实施例1的区别在于，对比例1的第一柔性衬底没有微结构。
对比例2：
对比例2与实施例1的区别在于，对比例2的第一柔性衬底只有第一层级的微结构。
对比例3～对比例8与实施例1的区别如表2所示。
表2
测试本发明实施例1与对比例1、对比例2的传感器的电阻变化率与压力关系，结果如图5所示。由图5可知，本发明实施例1的传感器的检测范围为0～4kPa，其中最大灵敏度约为3.2kPa-1，压力范围0～0.5kPa，即在极低的压力下也能检测，灵敏度高，而当灵敏度为0.1kPa-1时，压力的检测范围为0.5kPa～4kPa，压力检测范围大。而对比例1的灵敏度约为0.12kPa-1，压力范围0～2kPa，对比例2的灵敏度约为3kPa-1，压力范围0～0.65kPa，灵敏度和检测范围均明显弱于本发明的传感器。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种电阻式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：
提供第一柔性衬底，采用激光刻蚀所述第一柔性衬底的一表面，形成至少两种高度的微结构；
在所述第一柔性衬底带有所述微结构的表面形成导电层，得到第一柔性基板；
提供第二柔性基板，其中，所述第二柔性基板包括第二柔性衬底以及设于所述第二柔性衬底一表面上的电极；以及
将所述第二柔性基板层叠设置于所述第一柔性基板上，且使所述电极与部分所述导电层相接触，得到电阻式柔性压力传感器。
2.根据权利要求1所述的电阻式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，同一高度的所述微结构的数量为大于等于2个。
3.根据权利要求1所述的电阻式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，相邻的两个所述微结构之间的高度不同。
4.根据权利要求1所述的电阻式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述微结构的截面宽度自所述第一柔性衬底的底部向远离所述第一柔性衬底的方向逐渐减小。
5.根据权利要求1所述的电阻式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述激光刻蚀的条件为：波长小于等于355nm，激光脉冲宽度小于或等于皮秒量级，单脉冲能量为1μJ～200μJ，扫描速度为50mm/s～3000mm/s。
6.根据权利要求1所述的电阻式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述导电层的形成步骤包括：提供含导电材料的溶液，将所述溶液形成于所述微结构的表面，固化得到所述导电层。
7.根据权利要求6所述的电阻式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述导电材料包括银纳米线、碳纳米管、石墨烯中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的电阻式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述电极包括叉指电极。
9.根据权利要求1所述的电阻式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述第一柔性衬底与所述第二柔性衬底的材料均包括聚二甲基硅氧烷、热塑性聚氨酯弹性体、聚三亚甲基碳酸酯中的至少一种。
10.一种电阻式柔性压力传感器，其特征在于，包括：
第一柔性基板，所述第一柔性基板包括第一柔性衬底以及设于所述第一柔性衬底一表面上的至少两种高度的微结构，在所述第一柔性衬底带有所述微结构的表面设置有导电层，且所述第一柔性衬底与所述微结构为一体结构；
第二柔性基板，所述第二柔性基板包括第二柔性衬底以及设于所述第二柔性衬底一表面上的电极，所述第二柔性基板与所述第一柔性基板层叠设置，且所述电极与部分所述导电层相接触。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911368814.XA CN111060238A (zh) | 2019-12-26 | 2019-12-26 | 电阻式柔性压力传感器及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN201911368814.XA CN111060238A (zh) | 2019-12-26 | 2019-12-26 | 电阻式柔性压力传感器及其制备方法 |
Publications (1)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN111060238A true CN111060238A (zh) | 2020-04-24 |
Family
ID=70303960
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN201911368814.XA Pending CN111060238A (zh) | 2019-12-26 | 2019-12-26 | 电阻式柔性压力传感器及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN111060238A (zh) |
Cited By (7)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111811701A (zh) * | 2020-07-20 | 2020-10-23 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 一种多级微结构栅薄膜晶体管柔性压力传感器及其制备方法 |
| CN111811703A (zh) * | 2020-07-21 | 2020-10-23 | 京东方科技集团股份有限公司 | 压力传感器和电子装置 |
| CN111829699A (zh) * | 2020-08-10 | 2020-10-27 | 深圳先进技术研究院 | 电阻式压力传感器及其制备方法 |
| CN111883556A (zh) * | 2020-07-13 | 2020-11-03 | 浙江清华柔性电子技术研究院 | 柔性触觉传感器及其制备方法 |
| CN111982362A (zh) * | 2020-08-25 | 2020-11-24 | 工科思维技术(深圳)有限公司 | 一种基于断裂微结构制备的高灵敏度柔性压阻传感器方法 |
| CN114046913A (zh) * | 2021-11-17 | 2022-02-15 | 燕山大学 | 一种柔性石墨烯压力传感器及其制备方法 |
| WO2023138195A1 (zh) * | 2022-01-18 | 2023-07-27 | 清华大学 | 设置有微结构的柔性压力传感器及其制造方法 |
Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106813811A (zh) * | 2017-01-20 | 2017-06-09 | 南京大学 | 一种高灵敏度电容型柔性压力传感器 |
| CN106932128A (zh) * | 2017-04-21 | 2017-07-07 | 清华大学深圳研究生院 | 用于压阻式压力传感器的压力敏感层及压阻式压力传感器 |
| CN108303198A (zh) * | 2017-12-25 | 2018-07-20 | 五邑大学 | 一种梯形阵列式压力传感器的制备方法 |
| CN109540354A (zh) * | 2018-12-03 | 2019-03-29 | 深圳先进技术研究院 | 压力传感器及其制备方法 |
| CN109556768A (zh) * | 2018-12-03 | 2019-04-02 | 深圳先进技术研究院 | 压力传感器及其制备方法 |
| CN109883583A (zh) * | 2019-03-28 | 2019-06-14 | 中国科学院长春应用化学研究所 | 一种弹性体薄膜及其制备方法与包含该弹性体薄膜的柔性压力传感器 |
| CN209085810U (zh) * | 2019-01-02 | 2019-07-09 | 宁波石墨烯创新中心有限公司 | 用于柔性压力传感器的石墨烯复合结构及柔性压力传感器 |
| CN110118624A (zh) * | 2019-04-29 | 2019-08-13 | 深圳先进技术研究院 | 一种压力传感器及其制备方法 |
| CN110440957A (zh) * | 2019-07-18 | 2019-11-12 | 浙江清华柔性电子技术研究院 | 柔性电介质体、柔性压力传感器及其各自的制备方法 |
| WO2019222969A1 (zh) * | 2018-05-24 | 2019-11-28 | 深圳先进技术研究院 | 一种基于半球形微结构的柔性压力传感器及其制造方法 |
-
2019
- 2019-12-26 CN CN201911368814.XA patent/CN111060238A/zh active Pending
Patent Citations (10)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN106813811A (zh) * | 2017-01-20 | 2017-06-09 | 南京大学 | 一种高灵敏度电容型柔性压力传感器 |
| CN106932128A (zh) * | 2017-04-21 | 2017-07-07 | 清华大学深圳研究生院 | 用于压阻式压力传感器的压力敏感层及压阻式压力传感器 |
| CN108303198A (zh) * | 2017-12-25 | 2018-07-20 | 五邑大学 | 一种梯形阵列式压力传感器的制备方法 |
| WO2019222969A1 (zh) * | 2018-05-24 | 2019-11-28 | 深圳先进技术研究院 | 一种基于半球形微结构的柔性压力传感器及其制造方法 |
| CN109540354A (zh) * | 2018-12-03 | 2019-03-29 | 深圳先进技术研究院 | 压力传感器及其制备方法 |
| CN109556768A (zh) * | 2018-12-03 | 2019-04-02 | 深圳先进技术研究院 | 压力传感器及其制备方法 |
| CN209085810U (zh) * | 2019-01-02 | 2019-07-09 | 宁波石墨烯创新中心有限公司 | 用于柔性压力传感器的石墨烯复合结构及柔性压力传感器 |
| CN109883583A (zh) * | 2019-03-28 | 2019-06-14 | 中国科学院长春应用化学研究所 | 一种弹性体薄膜及其制备方法与包含该弹性体薄膜的柔性压力传感器 |
| CN110118624A (zh) * | 2019-04-29 | 2019-08-13 | 深圳先进技术研究院 | 一种压力传感器及其制备方法 |
| CN110440957A (zh) * | 2019-07-18 | 2019-11-12 | 浙江清华柔性电子技术研究院 | 柔性电介质体、柔性压力传感器及其各自的制备方法 |
Non-Patent Citations (1)
| Title |
|---|
| 中国科学技术协会主编: "《2012-2013机械工程学科发展报告 特种加工与微纳制造》", vol. 1, 31 March 2003, 《国防工业出版社》, pages: 114 * |
Cited By (11)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111883556A (zh) * | 2020-07-13 | 2020-11-03 | 浙江清华柔性电子技术研究院 | 柔性触觉传感器及其制备方法 |
| CN111883556B (zh) * | 2020-07-13 | 2022-11-25 | 浙江清华柔性电子技术研究院 | 柔性触觉传感器及其制备方法 |
| CN111811701A (zh) * | 2020-07-20 | 2020-10-23 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 一种多级微结构栅薄膜晶体管柔性压力传感器及其制备方法 |
| CN111811701B (zh) * | 2020-07-20 | 2021-10-29 | 中国科学院重庆绿色智能技术研究院 | 一种多级微结构栅薄膜晶体管柔性压力传感器及其制备方法 |
| CN111811703A (zh) * | 2020-07-21 | 2020-10-23 | 京东方科技集团股份有限公司 | 压力传感器和电子装置 |
| CN111811703B (zh) * | 2020-07-21 | 2022-04-08 | 京东方科技集团股份有限公司 | 压力传感器和电子装置 |
| CN111829699A (zh) * | 2020-08-10 | 2020-10-27 | 深圳先进技术研究院 | 电阻式压力传感器及其制备方法 |
| CN111982362A (zh) * | 2020-08-25 | 2020-11-24 | 工科思维技术(深圳)有限公司 | 一种基于断裂微结构制备的高灵敏度柔性压阻传感器方法 |
| CN111982362B (zh) * | 2020-08-25 | 2022-12-20 | 工科思维技术(深圳)有限公司 | 一种基于断裂微结构制备的高灵敏度柔性压阻传感器方法 |
| CN114046913A (zh) * | 2021-11-17 | 2022-02-15 | 燕山大学 | 一种柔性石墨烯压力传感器及其制备方法 |
| WO2023138195A1 (zh) * | 2022-01-18 | 2023-07-27 | 清华大学 | 设置有微结构的柔性压力传感器及其制造方法 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| CN111060238A (zh) | 电阻式柔性压力传感器及其制备方法 | |
| CN105758562B (zh) | 一种柔性压力传感器及其制备方法 | |
| US8431103B2 (en) | Method of manufacturing graphene, graphene manufactured by the method, conductive film comprising the graphene, transparent electrode comprising the graphene, and radiating or heating device comprising the graphene | |
| CN109540354B (zh) | 压力传感器及其制备方法 | |
| CN106580256A (zh) | 一种柔性压力传感器及其制备方法 | |
| Abdi et al. | Optical band gap and conductivity measurements of polypyrrole-chitosan composite thin films | |
| KR20180042318A (ko) | 복합 나노섬유 시트 | |
| TW201521984A (zh) | 使用熱層壓轉移來製造掩埋式可撓性電極膜之方法 | |
| CN101054467A (zh) | 碳纳米管复合材料及其制备方法 | |
| CN106219538A (zh) | 高导热、高导电石墨烯/银纳米线复合薄膜的制备方法及薄膜 | |
| CN106458600A (zh) | 制造石墨烯层的方法 | |
| TWI342054B (en) | Anisotropic conductive film and manufacturing method thereof | |
| CN109580050B (zh) | 一种柔性力学图案化传感器及其制备方法 | |
| Vohra et al. | Membrane-interface-elastomer structures for stretchable electronics | |
| Jana et al. | Nanoclay and swift heavy ions induced piezoelectric and conducting nanochannel based polymeric membrane for fuel cell | |
| CN114530272B (zh) | 一种飞秒激光制备适用于检测人体运动的柔性传感器及其制备方法 | |
| CN109741881B (zh) | 一种石墨烯柔性电极及其制备方法 | |
| CN113173004B (zh) | 一种导电微结构的制备方法和系统 | |
| CN111122021B (zh) | 柔性复合薄膜及制备方法、柔性压力传感器及制备方法 | |
| KR20180026284A (ko) | 플라즈마 표면처리 된 플렉서블 기판을 이용한 그래핀 투명전극 제조방법 | |
| CN110459509A (zh) | 一种芯片的互连封装方法及互连封装结构 | |
| CN115219076A (zh) | 一种高性能电子皮肤触觉传感器及其制备方法 | |
| JP6725122B2 (ja) | グラフェンシートの導電性改善方法及び導電性が改善されたグラフェンシートを用いた電極構造 | |
| CN1916645A (zh) | 成排弹性探针及其制造方法 | |
| Khan et al. | A hybrid casting and screen-printing based manufacturing method for flexible sensors |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination |