CN111076849A - 一种pvdf柔性压力传感器及其制备方法和系统 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种PVDF柔性压力传感器及其制备方法和系统，包括PVDF薄膜传送装置，及与PVDF薄膜传送装置依次连接的放卷模块、热压模块、涂布模块、清洗模块、极化模块、封装模块和收卷模块，PVDF薄膜传送装置的两端分别与放卷模块、收卷模块连接，PVDF通过PVDF薄膜传送装置由放卷模块运动到收卷模块，热压模块包括预热装置、压力辊、模具辊，PVDF薄膜连续进入预热装置、压力辊、模具辊，压力辊和模具辊配合转动，PVDF薄膜从压力辊和模具辊之间的位置穿过，PVDF薄膜穿过预热装置，模具辊为圆周上设置若干凸起结构，模具辊使PVDF表面形成若干凹坑的结构。基于卷对卷工艺制造的PVDF柔性压力传感器，具有精度高、灵敏度高、柔韧性强、抗冲击等优点，可以实现连续化生产。
Description
技术领域
本发明属于薄膜光电技术领域，具体涉及一种PVDF柔性压力传感器及其制备方法和系统。
背景技术
公开该背景技术部分的信息仅仅旨在增加对本发明的总体背景的理解，而不必然被视为承认或以任何形式暗示该信息构成已经成为本领域一般技术人员所公知的现有技术。
柔性电子器件是将有机/无机材料电子器件制作在柔性塑料基板上的新兴电子技术，以其独特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工艺，在电子信息、生物医疗、新能源、航空航天等领域具有广泛应用前景，如柔性电子显示器、薄膜太阳能电池和柔性射频识别等。柔性传感器是柔性电子器件的核心部件，可起到外界信号感知作用，柔性压力传感器是一类常用的传感器。
聚偏氟乙烯是一种具有一定柔性的压电聚合物材料，现有的PVDF柔性压力传感器制备方法是刻蚀法，需要通过光学显微镜观察最佳的刻蚀时间，对薄膜进行曝光后，显影去除光刻胶等步骤，比较繁琐，工业批量化生产效率较低。
发明内容
针对上述现有技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种PVDF柔性压力传感器及其制备方法和系统。
为了解决以上技术问题，本发明的技术方案为：
第一方面，一种PVDF柔性压力传感器制备系统，包括PVDF薄膜传送装置，及与PVDF薄膜传送装置依次连接的放卷模块、热压模块、涂布模块、清洗模块、极化模块、封装模块和收卷模块，PVDF薄膜传送装置的两端分别与放卷模块、收卷模块连接，PVDF通过PVDF薄膜传送装置由放卷模块运动到收卷模块，热压模块包括预热装置、压力辊、模具辊，PVDF薄膜连续进入预热装置、压力辊、模具辊，压力辊和模具辊配合转动，PVDF薄膜从压力辊和模具辊之间的位置穿过，PVDF薄膜穿过预热装置，模具辊为圆周上设置若干凸起的结构，模具辊使PVDF表面形成阵列电极、金属导线、引脚所需的若干凹坑结构。
在压力辊的压力与模具辊的模具配合下，同时把阵列电极、金属导线、引脚所需的凹坑结构压印出来。在PVDF表面形成若干凹坑结构，然后进行装入导电材料、固化、清洗、放电极化、封装得到PVDF柔性压力传感器。相比于现有的刻蚀方法，能够实现连续自动化生产。
在一些实施例中，涂布模块包括涂布装置、导电材料固化装置，PVDF薄膜连续进入涂布装置、导电材料固化装置，涂布装置位于PVDF薄膜的上方，涂布装置的内部装入导电材料，涂布装置的底部开口，PVDF薄膜穿过导电材料固化装置。穿过导电材料固化装置后使PVDF表面的导电材料进行硬化。
在一些实施例中，热压模块包括风刀冷却装置，风刀冷却装置位于模具辊的下方。风刀冷却装置用于冷却PVDF薄膜。
在一些实施例中，模具辊阵列电极部分的凸起为方型、圆柱型或圆锥型的结构，若干凸起成矩形阵列、圆形阵列、六边形阵列、菱形阵列或三角形阵列排布。
在一些实施例中，清洗模块包括第一清洗模块和第二清洗模块，两个清洗模块在PVDF薄膜传送装置上顺序设置，两个清洗模块分别由清洗装置和清洗装置底部的清洗布组成，清洗装置位于PVDF薄膜的上方，清洗布与PVDF薄膜接触。清洗布清洗掉凹坑外侧的导电材料。
在一些实施例中，极化模块包括放电装置、温控装置，PVDF薄膜穿过放电装置，温控装置与放电装置连接。温控装置控制放电装置的放电参数。
在一些实施例中，封装模块包括刮涂装置和固化装置，刮涂装置位于PVDF薄膜的上方，PVDF薄膜穿过固化装置。刮涂装置用于在PVDF的表面涂覆PDMS，然后经过固化装置进行固化。
第二方面，一种PVDF柔性压力传感器制备方法，具体步骤为：将PVDF薄膜先通过预热处理，然后经过热压模块，在PVDF的表面形成凹坑结构阵列；然后涂布模块中，在柔性PVDF薄膜表面刮涂一层导电材料，通过清洗模块清洗去掉凹坑结构阵列之外的导电材料，得到阵列电极、金属导线和引脚；清洗后的PVDF薄膜在极化模块中的高强度电场和温度场下进行极化，极化后在封装模块中采用PDMS进行封装，即可获得PVDF柔性压力传感器。
在一些实施例中，热压模块中的压力辊的压力为70kgf，经过预热装置后的PVDF的温度为170-180℃，压力辊和模具辊的速度为0.1-0.5m/min，压力辊和模具辊的转速相同。
在一些实施例中，在涂布模块中，刮涂的速度为0.4-0.6m/min。
在一些实施例中，在清洗模块中，清洗的速度为0.8-1.2m/min。
在一些实施例中，极化的电压为4-6kV，温度为90-110℃。
在一些实施例中，PVDF薄膜厚度为1μm-5mm，阵列电极凹坑底部尺寸为50nm-10mm、深度为100nm-5mm，阵列电极凹坑之间的间距为100nm-1mm。
在一些实施例中，封装模块中，PDMS涂布速度9-11m/min，固化温度90-110℃。
上述模块的中的极化电压、温度等是本发明的PVDF柔性压力传感器制备系统根据PVDF薄膜和PVDF薄膜表面的导电材料进行设置的，各个模块的速度不同，薄膜移动速度是固定的。刮涂、清洗等模块中，速度是刮刀、清洗头等移动速度，可以与薄膜移动速度不同。
第三方面，上述方法制备得到的PVDF柔性压力传感器。
第四方面，上述PVDF柔性压力传感器在触摸屏、柔性键盘、机器人感知皮肤、可穿戴医疗器件等领域中的应用。
本发明的有益效果：
本发明通过卷对卷工艺制造PVDF柔性压力传感器，工艺简单、成本低廉、效率高、一致性好，非常适合PVDF柔性压力传感器的批量化制造；基于卷对卷工艺制造的PVDF柔性压力传感器，具有精度高、灵敏度高、柔韧性强、抗冲击等优点，可广泛应用于触摸屏、柔性键盘、机器人感知皮肤、可穿戴医疗器件等领域。
附图说明
构成本发明的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，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。
图1为一种PVDF柔性压力传感器(未封装)的俯视图；
图2为一种PVDF柔性压力传感器(封装)的剖视图；
图3为一种PVDF柔性压力传感器的制备工艺流程图；
图4为一种PVDF柔性压力传感器的制备系统图；
图5为不同厚度PVDF柔性压力传感器的力电响应斜率图。
图中，Ⅰ、放卷模块，Ⅱ、热压模块，Ⅲ、涂布模块，Ⅳ、第一清洗模块，Ⅴ，第二清洗模块，Ⅵ、极化模块，Ⅶ、封装模块，Ⅷ、收卷模块，1、预热装置，2、风刀冷却装置，3、模具辊，4、压力辊，5、涂布装置，6、导电材料，7、导电材料固化装置，8、清洗装置，9、清洗布，10、放电装置，11、温控装置，12、刮涂装置，13、PDMS固化装置，110、柔性PVDF薄膜，120、阵列电极，130、金属导线，140、引脚，150、PDMS封装层。
具体实施方式
应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本发明提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本发明所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。
需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。下面结合实施例对本发明进一步说明
实施例1
如图4所示，PVDF柔性压力传感器制备系统，包括PVDF薄膜传送装置及与PVDF薄膜传送装置依次连接的放卷模块Ⅰ、热压模块Ⅱ、涂布模块Ⅲ、清洗模块Ⅳ和Ⅴ、极化模块Ⅵ、封装模块Ⅶ、收卷模块Ⅷ等。放卷模块Ⅰ和收卷模块Ⅷ提供材料的收放卷功能；热压模块Ⅱ包含预热装置1、风刀冷却装置2、模具辊3、压力辊4；涂布模块Ⅲ包含涂布装置5、导电材料6和导电材料固化装置7；清洗模块由两部分组成，第一清洗模块Ⅳ和第二清洗模块Ⅴ，都包含清洗装置8和头部的清洗布9；极化模块Ⅵ包含放电装置10和温控装置11；封装模块Ⅶ主要为PDMS刮涂装置12和PDMS固化装置13。
PVDF薄膜传送装置为由若干传送辊组成，PVDF薄膜通过若干传送辊进行传送，并且经过一系列处理装置后实现PVDF薄膜的处理。
PVDF薄膜传送装置的两端分别与放卷模块、收卷模块连接，放卷模块和收卷模块提供PVDF薄膜的收放卷功能，实现PVDF薄膜的连续生产。
预热装置1为加热PVDF薄膜的装置，加热后的PVDF薄膜在模具辊3、压力辊4的相对挤压成型下，表面形成阵列凹坑的结构。PVDF薄膜从模具辊3、压力辊4之间穿过，压力辊4提供压力，然后与模具辊3进行接触，有助于PVDF薄膜表面的自动成型。
涂布装置为漏斗状结构，导电材料6从漏斗的底部的开口按照一定的速度落在PVDF薄膜上，然后经过导电材料固化装置7使导电材料与PVDF薄膜结合力更好。
清洗装置8内的清洗液是酒精或丙酮，清洗装置8通过将清洗液润湿清洗布，然后清洗布9使PVDF薄膜表面的导电材料进行润湿擦拭，经过两个清洗装置8使凹坑外的导电材料被清除。
放电装置10进行放电，使PVDF薄膜发生极化。
刮涂装置12在PVDF表面涂覆PDMS，然后经过PDMS固化装置，提高PVDF与PDMS的结合力。
实施例2
利用实施例1的PVDF柔性压力传感器制备系统，PVDF柔性压力传感器制备工艺流程如图3所示，通过卷对卷连续热辊压、刮涂、清洗、极化、封装等工艺步骤制得。具体采用以下步骤：通过卷对卷连续热辊压工艺在柔性PVDF薄膜110表面加工凹坑结构阵列；然后在柔性PVDF薄膜表面刮涂一层导电材料，并清洗去掉凹坑结构阵列之外的导电材料，得到阵列电极120、金属导线130和引脚140；最后，在高强度电场和温度场下进行极化，采用PDMS进行封装150，即可获得PVDF柔性压力传感器。在卷对卷连续热辊压过程中，速度为0.2m/min，压力为70kgf，温度为180℃；在刮涂工艺中，刮涂速度为0.5m/min；在清洗工艺中，将蘸有酒精的无尘布包在清洗装置头部，清洗速度为1m/min，反复清洗多次；在极化过程中，电压范围5kV，温度范围为100℃；封装工艺中，PDMS涂布速度10m/min，固化温度100℃。
得到的PVDF柔性压力传感器如图1和2所示，由柔性PVDF薄膜110、阵列电极120、金属导线130、引脚140和PDMS封装层150构成。阵列电极为圆柱形，呈矩形阵列分布在PVDF薄膜表面；柔性PVDF薄膜厚度为10μm；圆柱底部直径50μm，深度1μm，间距100μm。
实施例3
与实施例2不同的是柔性PVDF薄膜厚度为20μm。
实施例4
与实施例2不同的是柔性PVDF薄膜厚度为30μm。
实施例5
与实施例2不同的是柔性PVDF薄膜厚度为40μm。
实施例6
与实施例2不同的是柔性PVDF薄膜厚度为50μm。
试验例1
对实施例2、3、4、5、6中的PVDF柔性压力传感器分别施加20kPa、30kPa、40kPa、50kPa、60kPa的压力作用，分别测试电压输出值，得到线性斜率分别为12.5mV/kPa、18.9mV/kPa、25.3mV/kPa、31.7mV/kPa、38.1mV/kPa，如图5所示。从图中可以看出，力电耦合的斜率和膜厚呈线性关系，并且随着膜厚增加，力电响应斜率增加。因此对于PVDF柔性压力传感器设计，增加薄膜厚度有利于压力信号采集。
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 (10)
1.一种PVDF柔性压力传感器制备系统，其特征在于：包括PVDF薄膜传送装置，及与PVDF薄膜传送装置依次连接的放卷模块、热压模块、涂布模块、清洗模块、极化模块、封装模块和收卷模块，PVDF薄膜传送装置的两端分别与放卷模块、收卷模块连接，PVDF通过PVDF薄膜传送装置由放卷模块运动到收卷模块，热压模块包括预热装置、压力辊、模具辊，PVDF薄膜连续进入预热装置、压力辊、模具辊，压力辊和模具辊配合转动，PVDF薄膜从压力辊和模具辊之间的位置穿过，PVDF薄膜穿过预热装置，模具辊为圆周上设置若干凸起的结构，模具辊使PVDF表面形成阵列电极、金属导线、引脚所需的若干凹坑结构。
2.根据权利要求1所述的PVDF柔性压力传感器制备系统，其特征在于：涂布模块包括涂布装置、导电材料固化装置，PVDF薄膜连续进入涂布装置、导电材料固化装置，涂布装置位于PVDF薄膜的上方，涂布装置的内部装入导电材料，涂布装置的底部开口，PVDF薄膜穿过导电材料固化装置。
3.根据权利要求1所述的PVDF柔性压力传感器制备系统，其特征在于：热压模块包括风刀冷却装置，风刀冷却装置位于模具辊的下方；
或，模具辊阵列电极部分的凸起为方型、圆柱型或圆锥型的结构，若干凸起成矩形阵列、圆形阵列、六边形阵列、菱形阵列或三角形阵列排布。
4.根据权利要求1所述的PVDF柔性压力传感器制备系统，其特征在于：清洗模块包括第一清洗模块和第二清洗模块，两个清洗模块在PVDF薄膜传送装置上顺序设置，两个清洗模块分别由清洗装置和清洗装置底部的清洗布组成，清洗装置位于PVDF薄膜的上方，清洗布与PVDF薄膜接触。
5.根据权利要求1所述的PVDF柔性压力传感器制备系统，其特征在于：极化模块包括放电装置、温控装置，PVDF薄膜穿过放电装置，温控装置与放电装置连接。
6.根据权利要求1所述的PVDF柔性压力传感器制备系统，其特征在于：封装模块包括刮涂装置和固化装置，刮涂装置位于PVDF薄膜的上方，PVDF薄膜穿过固化装置。刮涂装置用于在PVDF的表面涂覆PDMS，然后经过固化装置进行固化。
7.利用权利要求1-6任一所述的PVDF柔性压力传感器制备系统的PVDF柔性压力传感器制备方法，其特征在于：具体步骤为：将PVDF薄膜先通过预热处理，然后经过热压模块，在PVDF的表面形成凹坑结构阵列；然后涂布模块中，在柔性PVDF薄膜表面刮涂一层导电材料，通过清洗模块清洗去掉凹坑结构阵列之外的导电材料，得到阵列电极、金属导线和引脚；清洗后的PVDF薄膜在极化模块中的高强度电场和温度场下进行极化，极化后在封装模块中采用PDMS进行封装，即可获得PVDF柔性压力传感器；
优选的，在涂布模块中，刮涂的速度为0.4-0.6m/min；
优选的，在清洗模块中，清洗的速度为0.8-1.2m/min；
优选的，极化的电压为4-6KV，温度为90-110℃；
优选的，PVDF薄膜厚度为1μm-5mm，阵列电极凹坑底部尺寸为50nm-10mm、深度为100nm-5mm，阵列电极凹坑之间的间距为100nm-1mm；
优选的，封装模块中，PDMS涂布速度9-11m/min，固化温度90-110℃。
8.根据权利要求1所述的PVDF柔性压力传感器制备方法，其特征在于：热压模块中的压力辊的压力为70kgf，经过预热装置后的PVDF的温度为170-180℃，压力辊和模具辊的速度为0.1-0.5m/min，压力辊和模具辊的转速相同。
9.权利要求7-8任一所述的PVDF柔性压力传感器制备方法制备得到的PVDF柔性压力传感器。
10.权利要求9所述的PVDF柔性压力传感器在触摸屏、柔性键盘、机器人感知皮肤、可穿戴医疗器件领域中的应用。
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