CN111248888B - 具有表面多级微结构的弹性体薄膜及其制备方法与含该弹性体薄膜的柔性压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有表面多级微结构的弹性体薄膜及其制法与含该弹性体薄膜的柔性压力传感器，属于柔性压力传感器技术领域。解决现有柔性压力传感器的线性响应范围较窄，制备工艺复杂，重复性不佳，很难实现大规模的产业化生产的技术问题。本发明的弹性体薄膜利用激光打标技术制备，弹性体薄膜表面具有多级微结构，其接触面积与压强在高达200kPa的范围内呈现出良好的线性响应关系。本发明的制备方法采用浇筑模具，通过激光打标技术更容易实现弹性体浇筑模具的形状大小设计以及规模化生产。本发明的柔性压力传感器能够获得宽线性响应范围和高灵敏度；不仅能够对人体脉搏，声音等小压力进行检测，同时可以对步态等较大的压力进行检测，应用范围广泛。

Description

具有表面多级微结构的弹性体薄膜及其制备方法与含该弹性 体薄膜的柔性压力传感器

技术领域

本发明属于柔性压力传感器技术领域，具体涉及一种具有表面多级微结构的弹性体薄膜及其制备方法与含该弹性体薄膜的柔性压力传感器。

背景技术

可穿戴柔性压力传感器是能够对人体产生的压力信号进行检测的一类柔性智能电子器件。其可以对人体血压、脉搏、皮肤应力等与人体健康相关的物理参数进行测量、记录和监测，或者对运动状态、肢体动作、手势和表情等人体活动进行响应，在智能皮肤，人机交互以及医疗监测等领域都有着潜在的应用，近年来发展迅速。其中压阻型传感器具有结构简单、信号易读取和能量消耗低等特点，具有广阔的应用前景。在以往的报道中，研究者们发现通过在可穿戴柔性传感器的功能层表面构建表面多级微结构，可以有效的提高传感器性能。研究初期，研究者们采用光刻的方法(Adv.Mater.,2016,28,5300-5306,ACSAppl.Mater.Interfaces,2019,11,28060-28071)制备表面多级微结构，并利用其构建柔性压力传感器，获得了具有较高灵敏度和线性范围的传感器件。但是，光刻制备多级结构的过程中，往往需要精确的调控刻蚀工艺，导致成本较高，并且只能实现小面积的制备，不适合产业化发展。为了简化制备工艺，研究者们利用较为廉价的树叶(Adv.Funct.Mater.2017,27,1606066,Small,2018,14, 1800819)，丝绸(Adv.Mater.2014,26,1336-1342)，砂纸(Adv.Funct.Mater.,2019, 1808829)等具有多级微结构的材料作为模板制备柔性薄膜，同时也获得了优异的传感性能。

这些方法虽然利用材料表面多级结构制备的柔性压力传感器可以达到较高的灵敏度(>10kPa^-1)，但传感器的线性响应范围一般较窄，大多数只能在40kPa 的范围内保持较高的灵敏度。除此之外，树叶等天然物体的宏观形态不规则，面积有限，个体之间的重复性也不佳，很难实现大规模的产业化生产。对于柔性压力传感器，除了灵敏度之外，其响应范围和线性度也是影响传感器实际应用的重要参数；除此之外，其制备方法是否具有规模化的潜质也决定了柔性压力传感器的产业化生产和商业化应用。因此，通过低成本和可规模化的制备方法构建弹性体表面多级微结构，并实现具有宽线性响应范围和高灵敏度的柔性压力传感器件，是该领域需要解决的重要问题。

发明内容

本发明的目的是解决现有传感器制备技术中柔性压力传感器的线性响应范围较窄及柔性压力传感器制备工艺复杂，重复性不佳，很难实现大规模的产业化生产的技术问题，提供一种具有表面多级微结构的弹性体薄膜及其制备方法与含该弹性体薄膜的柔性压力传感器。

本发明解决上述技术问题采取的技术方案如下。

本发明提供一种具有表面多级微结构的弹性体薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、通过激光打标机的EzCad2软件建立传感阵列的图案；

步骤二、采用激光打标机标刻高分子板材加工出具有步骤一的传感阵列图案，得到具有多级结构的浇筑模具；

步骤三、向步骤二的浇筑模具中倒入弹性体流体，并在弹性体流体上方加一个可限制弹性体流体流动的围板，固化后，将围板取下，然后将薄膜从模具中剥离，得到转印有表面多级微结构的弹性体薄膜。

进一步的，所述步骤一中，传感阵列的形状为长方形、或正方形，长度为 10-500mm，宽度为10-500mm。

所述步骤一中，所述长方形和正方形的传感阵列包括一系列的激光标刻的点，每个点之间的距离为100-1000μm。

所述步骤二中，激光标刻的电流强度为1-6A，激光频率为5-50kHz，标刻的速度为100-5000mm/s，加工数目为1-500；激光标刻多级微结构的水平尺寸为1-500μm，高度尺寸为1-500μm。

进一步的，所述步骤三中，弹性体薄膜的材料为聚二甲基硅氧烷、聚氨酯或环氧树脂；弹性体流体为弹性体薄膜材料的预聚体/固化剂体系、高分子水溶液、高分子/有机溶剂溶液或高分子熔体。

本发明还提供上述弹性体薄膜的制备方法制备的具有表面多级微结构的弹性体薄膜。

本发明还提供含有上述制备方法制备的具有表面多级微结构的弹性体薄膜的柔性压力传感器。

进一步的，所述柔性压力传感器，包括弹性体薄膜、导电层、叉指电极和连接导线，所述导电层的一侧覆盖在弹性体薄膜具有多级微结构的表面上，导电层的另一侧与叉指电极的电极面接触，叉指电极的两个电极分别连接导线。

进一步的，所述导电层的厚度为10nm-10μm；导电层的材料为导电材料或弹性体材料与导电材料的复合材料，导电材料为导电金属、导电聚合物、金属纳米线或导电碳材料，弹性体材料为聚二甲基硅氧烷、聚氨酯或环氧树脂。

所述叉指电极为指状叉指电极，每指的宽度为5μm-2mm，指间距为5μm-2 mm。

所述连接导线为铜导线或铜箔，连接方式为接触连接、焊锡连接或导电银浆连接。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明提供的弹性体薄膜，利用激光打标技术制备，弹性体薄膜表面具有多级微结构，其接触面积与压强在高达200kPa的范围内呈现出良好的线性响应关系。

2、本发明提供的弹性体薄膜的制备方法，采用浇筑模具，相比光刻制备的硅模板和花瓣、树叶、织物、砂纸等天然转印模板，通过激光打标技术更容易实现弹性体浇筑模具的形状大小设计以及规模化生产，且激光打标技术在工业上较为成熟，从而可实现弹性体薄膜产业化制备。

3、本发明基于弹性体薄膜的柔性压力传感器能够获得宽线性响应范围 (>200kPa)和高灵敏度(>10kPa^-1)；不仅能够对人体脉搏，声音等小压力进行检测，同时可以对步态等较大的压力进行检测，应用范围广泛。

附图说明

图1为本发明的柔性压力传感器的浇筑模具的三维模型，包括高分子板材和围板；

图2中，a为本发明的单侧柔性压力传感器的结构示意图，b为a的主视图， c为a的俯视图；

图3中，a，b，c为本发明实施例1的弹性体薄膜表面多级微结构的图像， a为多级微结构光学显微镜的3D图，b为扫描电镜照片，c为扫描电镜的放大图；

图4为本发明实施例6的柔性压力传感器的压力-电流变化曲线的示意图，a 为0-300kPa范围内的曲线，b为0-100kPa范围内的曲线；

图5中，a为本发明实施例8的柔性压力传感器系在人手腕上的照片，及本发明实施例8的柔性压力传感器测量的人体脉搏与时间的关系图和区域的局部放大图，b为传感器的响应时间；

图中，1、弹性体薄膜，2、导电层，3、叉指电极，4、连接导线，5、封装层。

具体实施方式

为了进一步了解本发明，下面结合具体实施方式对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为了进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明权利要求的限制。

本发明的弹性体薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、通过激光打标机的EzCad2软件建立传感阵列的图案；选取用于制备浇筑模具的高分子板材和高分子围板，如图1所示。

传感阵列的形状没有特殊限制，可以为长方形、正方形等。通常，传感阵列的形状为长方形或正方形时，长度为10-500mm，宽度为10-500mm；优选为正方形，边长优选为50mm。所述长方形和正方形的阵列包括一系列的激光标刻的点，每个点之间的距离为100-1000μm。

高分子板材为黑色的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，聚甲醛，聚甲基丙烯酸甲酯或者自制的可用于激光标刻的高分子材料；优选为丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物。高分子板材外轮廓的形状和尺寸没有特殊限制，可以为长方体、有一个面为正方形的长方体等。通常，高分子板材的外轮廓的形状为长方体或有一个面为正方形的长方体时，长度为50-500mm，宽度为50-500mm，高度为3-10mm；优选为有一个面为正方形的长方体，边长优选为50mm，高度优选为3mm。

高分子板材上设置的围板结构的形状也没有特殊限制，可以为长方体、有一个面为正方形的长方体、圆柱体等，具体根据弹性体薄膜所需形状选择。浇筑模具的围板结构的形状与浇筑模具的外轮廓的形状可以相同也可以不同。通常，围板结构的形状为长方形或正方形时，围板结构底面的长度为45-490mm，围板结构底面的宽度为45-490mm，围板结构的深度为1-50mm，围板结构的壁厚为1-10mm；围板结构的形状为圆形时，围板结构底面的直径为45-490mm，围板结构的深度为0.2-30mm，围板结构的壁厚为1-10mm。围板深度优选为1-2mm，围板壁厚优选为2-5mm。

步骤二、采用激光打标技术加工出步骤一的高分子板材得到浇筑模具。

激光打标技术是激光加工最大的应用领域之一。激光打标是利用高能量密度的激光对工件进行局部照射，使表层材料汽化或发生颜色变化的化学反应，从而留下永久性标记的一种标刻方法。在与高分子板材的作用过程中，被激光标刻的点会产生汽化并会部分熔融，形成凹陷的多级结构半球，一系列激光标刻的点组成多级结构阵列。

激光标刻的电流强度为1-6A，具体选用的电流强度由所标刻的材料和所需要的多级微结构的大小决定；优选为4-6A。激光频率为5-50kHz，具体频率根据激光打标设备决定；优选为15-25kHz。标刻的速度为100-5000mm/s，具体标刻速度根据激光打标设备和所需要的加工速度决定；优选500-1000mm/s。加工数目为1-500，具体选用的加工数目由所标刻的材料和所需要的多级微结构的大小决定；优选30-80。

采用激光打标技术加工出的浇筑模具具有多级结构的半球阵列，浇筑模具的表面多级结构的半球阵列的水平尺寸为1-500μm，高度尺寸为1-500μm；水平尺寸优选为200-300μm，高度尺寸优选为100-200μm；具体尺寸受高分子板材和工艺参数的选择的影响。

步骤三、向步骤二得到的浇筑模具中倒入弹性体流体，固化后，将薄膜从模具中剥离，得到具有表面多级微结构的弹性体薄膜。

弹性体薄膜的材料为聚二甲基硅氧烷、聚氨酯或环氧树脂；优选为聚二甲基硅氧烷。弹性体流体为预聚体/固化剂共混体系、高分子水溶液、高分子/有机溶剂溶液、高分子熔体等，具体受到弹性体薄膜的材料的限制，本领域技术人员也能够根据弹性体薄膜的材料进行选择。如弹性体薄膜的材料为聚二甲基硅氧烷，则弹性体流体为预聚体/固化剂体系，型号为道康宁Sylgard 184；如弹性体薄膜的材料为聚氨酯，则弹性体流体为聚氨酯的N,N-二甲基甲酰胺溶液。固化时间根据弹性体流体的不同而不同，没有特定限制，以成膜为准。

本发明还提供上述弹性体薄膜的制备方法制备的弹性体薄膜。

弹性体薄膜的表面多级微结构基本由浇筑模具的表面多级微结构决定，与浇筑模具的表面多级微结构形状相反，同时也会受到转印过程的影响。弹性体薄膜的表面多级微结构的水平尺寸为1-500μm，高度尺寸为1-500μm，表面多级微结构的水平尺寸优选为200-300μm，高度尺寸优选为100-200μm。

弹性体薄膜的形状和尺寸基本由浇筑模具的围板结构的形状和尺寸决定，其厚度由浇筑弹性体流体的体积决定。弹性体薄膜的形状为长方体、有一个面为正方形的长方体、圆柱体等。弹性体薄膜的形状为长方体或有一个面为正方形的长方体时，弹性体薄膜的长度为45-490mm，宽度为45-490mm，厚度为0.1-10mm，优选为有一个面为正方形的长方体，边长优选为50mm，厚度优选为0.5mm；弹性体薄膜的形状为圆柱体时，弹性体薄膜的直径为45-490mm，厚度为0.1-10mm；直径优选为50mm，厚度优选为0.5mm。

本发明还提供含有上述弹性体薄膜的柔性压力传感器。该柔性压力传感器的核心部件为弹性体薄膜，还包括其他构建柔性压力传感器的必要部件，如导电层、叉指电极、连接导线和封装层等，也可以选择其他类型的器件结构来构建柔性压力传感器，具体结构依据柔性压力传感器的类型的不同而不同。

对于不同的器件结构的柔性压力传感器，其工作机理基本一致，故而本发明的弹性体薄膜都适用。本发明的柔性压力传感器的基本原理如下：通过外部连接的导线测试传感器时，传感器整体的电阻包括导电层的接触电阻和串联电阻。具有多级微结构的弹性体薄膜表面包含高度不同但大小一致的多级半球结构阵列。在不施加外力时，表面上只有部分凸起结构相互接触，且接触部分的面积较小，因此整体器件的接触电阻较大；在传感器上施加压力时，弹性体被挤压靠近，使得接触部分的面积增大，因此触感器的电阻会减小。基于传感器接触电阻的变化，可以测试其整体电阻的变化；或者恒定电压/电流下，电流/电压值的变化，进而得到施加的压力值大小。

本发明提供一种常见类型的柔性压力传感器，但不限于此。

如图2所示，柔性压力传感器，包括弹性体薄膜1、导电层2、叉指电极3、连接导线4和封装层5，导电层2的一侧覆盖在弹性体薄膜1具有多级微结构的表面上，导电层2的另一侧与叉指电极3的电极面接触，连接导线4的两端分别与叉指电极3的两个电极连接。

上述柔性压力传感器中，一般通过封装层5固定弹性体薄膜1、叉指电极3、连接导线4的相对位置，并保护这些部件不受外部环境的影响。封装层5的材料为聚丙烯酸酯、聚二甲基硅氧烷、环氧乙烷、聚氨酯等；优选为聚二甲基硅氧烷。

上述柔性压力传感器中，导电层2的厚度为10nm-10μm；优选为100 nm-1μm。导电层2的材料为导电材料，或弹性体材料与导电材料的复合材料；导电材料为导电金属、导电聚合物、金属纳米线、导电碳材料等；导电金属为金、银、铜、铝、镍等；导电聚合物为聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐聚 3、4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、聚苯胺等；金属纳米线为金纳米线、银纳米线、铜纳米线等；导电碳材料为碳纳米管、石墨烯、石墨片等；弹性体材料为聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、环氧树脂等。导电层2采用沉积的方式设置在弹性体薄膜的表面，沉积方法为真空蒸镀、磁控溅射、旋涂、喷涂、滴涂、浸渍、淋涂等，具体使用方法会受到导电层2材料的影响。

上述柔性压力传感器中，叉指电极3由基底材料和导电电极组成，导电电极设置在基底的上表面上，设置方法可以将导电电极材料按照所需图案直接沉积在基底表面上，也可以嵌入基底的表面。导电电极由两个相互不连通的指状、梳状的周期性导电图案，或者阿基米德罗线图案构成，使得两个导电图案之间具有5μm-2mm的间距。本发明中，叉指电极3优选为指状叉指电极，每指的宽度为5μm-2mm，指间距为5μm-2mm；优选每指的宽度为100μm-1mm，指间距为100μm-1mm。基底的材料为聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸甲酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺等；优选聚二甲基硅氧烷；基底的厚度为1μm-2 mm。导电电极的材料为导电材料，或弹性体材料与导电材料的复合材料；导电材料为导电金属、导电聚合物、金属纳米线、导电碳材料等；导电金属为金、银、铜、铝、镍等；导电聚合物为聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐聚3、 4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、聚苯胺等；金属纳米线为金纳米线、银纳米线、铜纳米线等；导电碳材料为碳纳米管、石墨烯、石墨片等；导电材料优选为银纳米线；弹性体材料为聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、环氧树脂等。

连接导线4为铜导线、铜箔等；优选为铜箔。连接导线4的连接方式为接触连接、焊锡连接、导电银浆连接等。

本发明的柔性压力传感器应用广泛，柔性压力传感器能够检测人体脉搏。

以下结合实施例进一步说明本发明。

实施例1

步骤一、通过打标机的EzCad2软件设计激光标刻的传感阵列，阵列的为正方形，边长为50mm，阵列中每个点的间距为400μm。

步骤二、采用激光刻印技术在丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物板上加工出步骤一的传感阵列：激光标刻的电流强度为6A，激光频率为20kHz，标刻的速度为 500mm/s，加工数目为60。得到的浇筑模具半球表面结构的水平尺寸为270-280 μm，高度尺寸为170-180μm，半球表面二级结构粗糙度为10-40μm。

步骤三、向步骤二加工得到的浇筑模具上方附加一个围板，围板的结构为有一个面为正方形的长方体形，围板结构的正方形面的边长为60mm，围板结构深度为5mm，围板结构壁厚为1mm；然后向其中倒入弹性体流体弹性体薄膜的材料为聚二甲基硅氧烷，对应采用的弹性体流体牌号为道康宁Sylgard 184 (质量比10:1的预聚体和固化剂)，在70℃下加热固化6h，剥离，得到具有表面多级微结构的弹性体薄膜。弹性体薄膜为有一个面为正方形的长方体形，正方形边长为60mm，厚度为0.5mm；弹性体薄膜的表面半球状多级微结构的水平尺寸为270-280μm，高度尺寸为170-180μm，半球状多级微结构的表面粗糙度为10-40μm。

图3为本发明实施例1的弹性体薄膜表面多级微结构的图像。

实施例2

步骤一、通过打标机的EzCad2软件设计激光标刻的传感阵列，阵列的为长方形，长度为50mm，宽度为70mm，阵列中每个点的间距为400μm。

步骤二、采用激光刻印技术在丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物板上加工出步骤一的传感阵列：激光标刻的电流强度为5A，激光频率为20kHz，标刻的速度为 500mm/s，加工数目为50。得到的浇筑模具半球表面结构的水平尺寸为250-260 μm，高度尺寸为150-160μm，半球表面二级结构粗糙度为10-30μm。

步骤三、向步骤二加工得到的浇筑模具上方附加一个围板，围板的结构为长方体形，围板结构长度为60mm，宽度为80mm，围板结构深度为5mm，围板结构壁厚为1mm。；然后向其中倒入弹性体流体(弹性体薄膜的材料为聚氨酯，弹性体流体为溶于二甲基甲酰胺的聚氨酯溶液，聚氨酯采用德国巴斯夫TPU S60)，在60℃下加热使得溶剂挥发得到聚氨酯薄膜，剥离，得到具有表面多级微结构的弹性体薄膜。弹性体薄膜为长方体，长度为60mm，宽度为80mm，厚度为0.5mm；弹性体薄膜的表面半球状多级微结构的水平尺寸为250-260μm，高度尺寸为150-160μm，半球状微结构的表面粗糙度为10-30μm。

实施例3

步骤一、通过打标机的EzCad2软件设计激光标刻的传感阵列，阵列的为正方形，边长为54mm，阵列中每个点的间距为450μm。

步骤二、采用激光刻印技术在丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物板上加工出步骤一的传感阵列：激光标刻的电流强度为6A，激光频率为20kHz，标刻的速度为 500mm/s，加工数目为60。得到的浇筑模具半球表面结构的水平尺寸为270-280 μm，高度尺寸为170-180μm，半球表面二级结构粗糙度为10-30μm。

步骤三、向步骤二加工得到的浇筑模具上方附加一个围板，围板的结构为有一个面为正方形的长方体形，围板结构正方形面的边长为64mm，围板结构深度为5mm，围板结构壁厚为1mm。；然后向其中倒入弹性体流体(弹性体薄膜的材料为聚氨酯，弹性体流体为溶于二甲基甲酰胺的聚氨酯溶液，聚氨酯采用德国巴斯夫TPU S60)，在60℃下加热使得溶剂挥发得到聚氨酯薄膜，剥离，得到具有表面多级微结构的弹性体薄膜。弹性体薄膜为有一个面为正方形的长方体形，正方形面的边长为64mm，厚度为1mm；弹性体薄膜的表面半球状多级微结构的水平尺寸为270-280μm，高度尺寸为170-180μm，半球状微结构的表面粗糙度为10-40μm。

实施例4

步骤一、通过打标机的EzCad2软件设计激光标刻的传感阵列，阵列的为正方形，边长为50mm，阵列中每个点的间距为500μm。

步骤二、采用激光刻印技术在丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物板上加工出步骤一的传感阵列：激光标刻的电流强度为6A，激光频率为20kHz，标刻的速度为 500mm/s，加工数目为90。得到的浇筑模具半球表面结构的水平尺寸为290-300 μm，高度尺寸为190-200μm，半球表面二级结构粗糙度为10-50μm。

步骤三、向步骤二加工得到的浇筑模具上方附加一个围板，围板的结构为有一个面为正方形的长方体形，围板结构正方形面的边长为60mm，围板结构深度为5mm，围板结构壁厚为1mm。然后向其中倒入弹性体流体(弹性体薄膜的材料为聚二甲基硅氧烷，对应采用的弹性体流体牌号为道康宁Sylgard 184 (质量比10:1的预聚体和固化剂)，在70℃下加热固化6h，剥离，得到具有表面多级微结构的弹性体薄膜。弹性体薄膜为有一个面为正方形的长方体形，正方形面的边长为60mm，厚度为0.5mm；弹性体薄膜的表面半球状多级微结构的水平尺寸为290-300μm，高度尺寸为190-200μm，半球状微结构的表面粗糙度为10-50μm。

实施例5

步骤一、通过打标机的EzCad2软件设计激光标刻的传感阵列，阵列的为正方形，边长为50mm，阵列中每个点的间距为400μm。

步骤二、采用激光刻印技术在丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物板上加工出步骤一的传感阵列：激光标刻的电流强度为4A，激光频率为20kHz，标刻的速度为 500mm/s，加工数目为60。得到的浇筑模具半球表面结构的水平尺寸为250-265 μm，高度尺寸为145-160μm，半球表面二级结构粗糙度为10-30μm。

步骤三、向步骤二加工得到的浇筑模具上方附加一个围板，围板的结构为有一个面为正方形的长方体形，围板结构正方形面的边长为60mm，围板结构深度为5mm，围板结构壁厚为1mm。；然后向其中倒入弹性体流体(弹性体薄膜的材料为聚二甲基硅氧烷，对应采用的弹性体流体牌号为道康宁Sylgard 184(质量比10:1的预聚体和固化剂)，在70℃下加热固化6h，剥离，得到具有表面多级微结构的弹性体薄膜。弹性体薄膜为有一个面为正方形的长方体，正方形面的边长为50mm，厚度为0.5mm；弹性体薄膜的表面半球状多级微结构的水平尺寸为250-265μm，高度尺寸为145-160μm，半球状微结构的表面粗糙度为10-30μm。

实施例6

步骤一、通过喷涂法在实施例2制备的弹性体薄膜1(图2)具有多级微结构的表面沉积氧化石墨烯分散液(溶剂为质量比为1:1的水和乙醇的混合溶剂，氧化石墨烯的浓度为1mg/mL)，之后，在200℃的热台上加热2h，使得氧化石墨烯还原形成导电的还原氧化石墨烯，形成约1μm厚的导电层2(图2)。其中，喷涂使用的气压为0.4MPa，喷涂流量为1mL/min，超声功率为3.5W。

步骤二、如图2，将弹性体薄膜1涂有导电层2的一侧放置在叉指电极3上，之后，通过连接导线4连接叉指电极3的两个电极，并采用封装层5封装固定，形成柔性压力传感器件。其中，叉指电极3为指状叉指电极，基底的材料为聚二甲氧基硅烷，导电电极材料分别为金属铜和金属铬，导电电极设置在基底表面，指电极宽度为400μm，指间距离为350μm。

通过数字源表测量单元(SMU)在引出的连接导线4的两端施加1V的电压，测量柔性压力传感器在不同压力下电流的大小以及电流的变化规律，可以得到柔性压力传感器件的电流变化-压力曲线，并得到不同测量范围内的敏感度大小。经检测，该柔性压力传感器件线性范围超过200kPa，传感器的敏感度为 15.4kPa^-1，且线性度良好(图4)。

实施例7

步骤一、通过滴涂法在实施例1制备的弹性体薄膜1(图2)具有多级微结构的表面上沉积碳纳米管分散液(溶剂为N,N二甲基甲酰胺，碳纳米管的浓度为1mg/mL)，形成约1μm厚的导电层2(图2)。

步骤二、如图2，将弹性体薄膜1涂有导电层2的一侧放置在叉指电极3上，之后，通过连接导线4连接叉指电极3的两个电极，并采用封装层5封装固定，形成柔性压力传感器件。其中，叉指电极3为指状叉指电极，基底的材料为聚酰亚胺，导电电极材料分别为金属铜和金属铬，导电电极设置在基底表面，指电极宽度为100μm，指间距离为400μm。

通过数字源表测量单元(SMU)在引出的连接导线的两端施加0.5V的电压，测量柔性压力传感器在不同压力下电流的大小以及电流的变化规律。经检测，该柔性压力传感器件在150kPa范围内，传感器的敏感度大于10kPa^-1，线性度良好。

实施例8

步骤一、通过喷涂法在实施例3制备的弹性体薄膜1(图2)具有多级微结构的表面沉积氧化石墨烯分散液(溶剂为质量比为1:1的水和乙醇的混合溶剂，氧化石墨烯的浓度为1mg/mL)，之后，在200℃的热台上加热2h，使得氧化石墨烯还原形成导电的还原氧化石墨烯，形成约0.6μm厚的导电层2(图2)。其中，喷涂使用的气压为0.4MPa，喷涂流量为0.3mL/min，超声功率为3.5W。

步骤二、如图2，将弹性体薄膜1涂有导电层2的一侧放置在叉指电极3上，之后，通过连接导线4连接叉指电极3的两个电极，并采用封装层5封装固定，形成柔性压力传感器件。其中，叉指电极3为指状叉指电极，基底的材料为聚二甲基硅氧烷，导电电极材料均为银纳米线，导电电极嵌入基底的表面，指电极宽度为500μm，指间距离为1.5mm。

通过数字源表测量单元(SMU)在引出的连接导线的两端施加1V的电压，测量柔性压力传感器在不同压力下电流的大小以及电流的变化规律，可以得到柔性压力传感器件的电流变化-压力曲线，并得到不同测量范围内的敏感度大小，该柔性压力传感器件在100kPa范围内，传感器的敏感度大于10kPa^-1，且线性度良好。

将柔性压力传感器系在人手腕上，如图5a所示。从电信号中能够获得脉搏的频率和脉搏的波形图。通过统计图5a中每一次起伏信号之间的时间间隔，或者1分钟内起伏信号的个数，就可以得到每分钟人体脉搏的次数。图5a中，每次起伏信号的间隔约为1s，说明测试对象的脉搏数约为60次/min，在正常人脉搏的频率之内。另外，测试得到的每次起伏的图像和正常人体脉搏的图像也是类似的。这说明本发明的柔性压力传感器能够检测人体脉搏。从图5b可以看出，该柔性压力传感器件加载和卸载的响应时间为20ms。

以上只通过说明的方式描述了本发明的实施例，毋庸置疑，对于本领域的普通技术人员，在不偏离本发明的精神和范围的情况下，可以用各种不同的方式对所描述的实施例进行修正。因此，上述附图和描述在本质上是说明性的，不应理解为对本发明权利要求保护范围的限制。

Claims (10)

1.一种具有表面多级微结构的弹性体薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、通过激光打标机的EzCad2软件建立传感阵列的图案；

步骤二、采用激光打标机标刻高分子板材加工出具有步骤一的传感阵列图案，得到具有多级结构的浇筑模具；

步骤三、向步骤二的浇筑模具中倒入弹性体流体，并在弹性体流体上方加一个可限制弹性体流体流动的围板，固化后，将围板取下，然后将薄膜从模具中剥离，得到转印有表面多级半球微结构的弹性体薄膜；

所述高分子板材为黑色的丙烯腈-丁二烯-苯乙烯共聚物，聚甲醛或者聚甲基丙烯酸甲酯。

2.根据权利要求1所述的具有表面多级微结构的弹性体薄膜的制备方法，其特征在于，步骤一中的传感阵列的形状为长方形、或正方形，长度为10-500 mm，宽度为10-500 mm。

3.根据权利要求2所述的具有表面多级微结构的弹性体薄膜的制备方法，其特征在于，步骤一中，长方形或正方形的传感阵列包括一系列的激光标刻的点，每个点之间的距离为100-1000 µm；

步骤二中，激光标刻的电流强度为1-6 A，激光频率为5-50 kHz，标刻的速度为100-5000 mm/s，加工数目为1-500；激光标刻多级微结构的水平尺寸为1-500 μm，高度尺寸为1-500 μm。

4.根据权利要求1所述的具有表面多级微结构的弹性体薄膜的制备方法，其特征在于，步骤三中弹性体薄膜的材料为聚二甲基硅氧烷、聚氨酯或环氧树脂；弹性体流体为弹性体薄膜材料的预聚体和固化剂体系、高分子水溶液或高分子熔体。

5.一种权利要求1-4任意一项所述的制备方法制备的具有表面多级微结构的弹性体薄膜。

6.一种含有权利要求1-4任意一项所述的制备方法制备的具有表面多级微结构的弹性体薄膜的柔性压力传感器。

7.根据权利要求6所述的柔性压力传感器，其特征在于，包括弹性体薄膜、导电层、叉指电极和连接导线，所述导电层的一侧覆盖在弹性体薄膜具有多级微结构的表面上，导电层的另一侧与叉指电极的电极面接触，叉指电极的两个电极分别连接连接导线。

8.根据权利要求7所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述导电层的厚度为10 nm-10μm；导电层的材料为导电材料、或弹性体材料与导电材料的复合材料，导电材料为导电金属、导电聚合物、金属纳米线或导电碳材料，弹性体材料为聚二甲基硅氧烷、聚氨酯或环氧树脂。

9.根据权利要求7所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述叉指电极为指状叉指电极，每指的宽度为5 µm-2 mm，指间距为5 µm-2mm。

10.根据权利要求7所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述连接导线为铜导线或铜箔，连接方式为接触连接、焊锡连接或导电银浆连接。

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