CN111780897A - 一种仿生多层电容式柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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CN111780897A CN202010775579.4A CN202010775579A CN111780897A CN 111780897 A CN111780897 A CN 111780897A CN 202010775579 A CN202010775579 A CN 202010775579A CN 111780897 A CN111780897 A CN 111780897A
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何井全
钱志辉
田彦涛
孙吉
梁亮
王成喜
程丽丽
王奎霖
于金良
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Abstract

本发明涉及一种仿生多层电容式柔性压力传感器及其制备方法，属于仿生与传感器领域。包括：第一柔性基板、第一电极层、第一微结构层、双面阶梯仿生结构层、第二微结构层、第二电极层和第二柔性基板；第一电极层附着于第一柔性基板的微阵列结构内侧，第一微结构层的光滑侧与第一电极层相接触，第一微结构层的带有微结构侧与双面阶梯仿生结构层相接触，双面阶梯仿生结构层，处于传感器的中间位置，第二微结构层的光滑侧与第二电极层相接触，第二微结构层的带有微结构侧与双面阶梯仿生结构层相接触，第二电极层附着于第二柔性基板的微阵列结构内侧。本发明可提高传感器的灵敏度、压力检测下限，缩短响应时间，并且改善传感器的线性度。

Description

一种仿生多层电容式柔性压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种仿生多层电容式柔性压力传感器及其制备方法，属于仿生与传感器领域。
背景技术
随着传感器技术的不断发展，柔性电子设备慢慢进入人们的生活之中，对制备具有优异综合性能的柔性压力传感器提出了严格的要求。目前，研究人员已提出了各种各样的柔性压力传感器模型，主要分为压阻、电容、压电和摩擦电。其中，电容式柔性压力传感器具有灵敏度高、响应时间短、低功耗等优势，已在可穿戴电子设备、医疗、人机交互和智能家居等领域进行了广泛应用。电容式柔性压力传感器的主要性能指标有灵敏度、检测极限、测力范围、迟滞时间、抗干扰性和可重复性，这些性能指标也是柔性压力传感器进一步发展的挑战。文献调研表明，改善电容式柔性压力传感器性能的方法包括：新型材料的制备、介电层微结构化及物理化学性质调控、整体结构优化设计、实现多功能化等。现有电容式柔性压力传感器仍然存在两个主要缺点：一是电极和介电层的微结构优化设计注重传感器的高灵敏度特性，导致具有较高灵敏度的压力检测范围很小，限制传感器的广泛应用；二是在传感器受压时介电层材料发生有限且非线性应变，不仅限制了电容的变化空间，还使得传感器的线性度很差。
与本发明相关的现有技术1：
一种高灵敏度电容型柔性压力传感器-CN106813811A,2017-06-09。
结构参阅图6：多层次微结构材料，附着于多层次微结构材料表面上的电容器上电极，电介质材料和电介质材料下表面的电容器下电极；多层次微结构材料和电介质材料平面平行叠合；所述多层次微结构材料，多层次微结构材料为如下结构：纵截面的形状为面分布且排列的若干金字塔形或边缘平滑的类金字塔形、半球形、椭球形、圆锥形、V字形形状；总之，多层次微结构材料采用聚全物弹性材料；柔性电容压力传感器的电容上电极，由多层次的弹性微结构以及微结构上的钛或金薄膜组成；电容电介质材料及下电极，由BOPP薄膜及背面钛或金薄膜组成；
所述多层次，纵截面的形状存在大小不一多种尺寸微结构材料，使得在受压过程中大尺寸微结构先发生形变，实现较高灵敏度；随着压力增大，小尺寸金字塔后发生形变，实现压力的可测范围增大。
纵截面的各种形状的长度尺寸(高或边长、直径等最长尺寸)大小从5um-200um不等；
所述压力传感器，纵截面的形状与形状的中心间距从5um-500um不等。
所述压力传感器，其制备的工艺流程为：
1)<100>晶向硅片，在硅片表面镀有100-500nm厚SiO2薄膜，清洗，烘干；
2)Si-SiO2表面旋涂S1805光刻胶，旋涂速度3000-6000转/S，旋涂时间30-90S；置于热台90-130℃坚膜，时间40-80S；(如可选用其它光刻胶如AZ1500、S1805光刻胶等)；
3)所得样品放置在有掩模光刻机中，曝光时间2-10S；
4)所得样品置于正胶显影液中，显影10-30S；
5)后烘干，90-130℃，2-10min；
6)所得样品刻蚀，直到获得金字塔形凹槽；(如置于2％-10％四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液，50-100℃刻蚀)；
7)尖锐边缘的刻蚀时，将步骤6)所得样品置于BOE刻蚀液(49％HF水溶液：40％NH4F水溶液＝1:6(体积比))刻蚀2-10min。
8)对于边缘光滑类金字塔形微结构则跳过7)，将6)所得样品置于65％HNO3:40％NH4F＝2:1溶液中刻蚀所得。
9)所得样品置于紫外臭氧清洗机中处理0.5-2h，使表面亲水；并置于0.1％-2％十八烷基三氯硅烷/正庚烷溶液中疏水处理1-2h。
将(以PDMS为例，更可采用PU等)PDMS预聚物和交联剂混合液浇筑于得到的样品模板上，并抽真空，排除气泡，置于烘箱50℃-100℃，1-4h。聚合后揭开聚合物材料后得到多层次微结构材料；
所述PDMS为道康宁公司所得，全称为聚二甲基硅氧烷，其交联剂与预聚物比例为5％-30％。(亦可使用其它高弹性材料进行浇筑)
所述微结构材料为高弹性材料，可为PDMS、聚氨酯、橡胶等。
所述电极的制备，(1)多层次微结构材料及电介质材料上制备金属电极：使用电子束蒸镀、热蒸镀、等离子体蒸镀、磁控溅射、电镀等方法，在多层次微结构材料即PDMS微结构及电介质材料上表面及电介质层表面先蒸镀一层4-20nmTi，再蒸镀一层20-100nm Au。(2)采用导电聚合物电极、石墨烯、碳纳米管等电极材料覆盖在多层次微结构材料及电介质材料上。
所述电介质材料，其特征在于：1)使用商业电容薄膜BOPP，即双向拉伸聚丙烯薄膜，其厚度为2-50um。2)使用聚乙烯、PDMS、硅橡胶等材料所得介电层薄膜。
所述柔性电容型压力传感器，其特征在于：整个压力传感器件所用材料均为柔性的材料，使得器件可贴附在大部分弯曲表面。
所述压力传感器的工作原理是：在受压过程中，微结构上电极产生形变，使得上电极与下电极间间距减小，从而使得电容产生改变。电容改变值供外部采集电路采集或作信号处理。在受力从小到大变化过程中，大的微结构先产生形变，小的微结构后产生形变，从而使得在低压力范围传感器灵敏度很高，在高压力范围微结构能够提供足够的力的支持，使得传感器测力范围大大提升。
所述压力传感器多层次微结构上电极，微结构形状为金字塔形或边缘平滑的类金字塔形、半球形、椭球形、圆锥形、V字形等形状。微结构大小从5um-200um不等，微结构中心间距从5um-500um不等。根据不同需求，大小微结构的比例，微结构的间距可作灵活调整。
此发明的有益效果，是一种结构简单的柔性压力传感器，所述电容型柔性压力传感器，其整个器件所用材料都是柔性材料，使得器件可贴附在弯曲表面，实现对人体脉搏、心跳、外界微弱压力等信号的感知。
微结构制备流程参阅图7，其中的a、b、c、d、e、f六个图对应制备工艺的六个步骤，其中a为硅片，b为光刻刻蚀二氧化硅，c刻蚀硅，d刻蚀二氧化硅，e紫外臭氧处理OTS表面处理，f为PDMS浇筑固化揭膜。
现有技术1的缺点：
上述技术利用多层次微结构材料发生变形增大压力测量范围，微结构形状为金字塔形或边缘平滑的类金字塔形、半球形、椭球形、圆锥形、V字形等形状。虽然这种多层次结构的确可以增大压力测量范围，但这类传感器的凸起微结构的尺寸调节范围有限，而且制作过程复杂，对反模板的同尺寸微结构制作要求精度高，易受材料的粘弹性影响。单一地采用微结构分层设计会减少有效电极面积，进而减弱输出的电信号，影响传感器的稳定性。
与本发明相关的现有技术2
电容式柔性压力传感器及其制备方法，CN107478360B,2020-05-19.
该申请的技术方案如下：
提供了一种电容式柔性压力传感器，包括：第一柔性纳米纤维薄膜层；第二柔性纳米纤维薄膜层，与第一柔性纳米纤维薄膜层相对设置；第一电极层，附着于第一柔性纳米纤维薄膜层内侧；第二电极层，附着于第二柔性纳米纤维薄膜层内侧；以及纳米纤维复合薄膜介电层，设置于第一电极层与第二电极层之间，参阅图8所示。
在此发明的一些实施例中，第一柔性纳米纤维海膜层和第二柔性纳米纤维薄膜层的材料为如下材料中的一种或几种:热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、聚丙烯睛(PAN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰胺(PA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)、聚乳酸(PLA)和聚醚砜(PES)。
在此发明的一些实施例中，第一电极层和第二电极层的材料为如下材料中的一种或几种:银纳米线、银纳米颗粒导电油墨涂层或者碳纳米管、石墨烯和氧化钢锡(ITO)形成的涂层。
在此发明的一些实施例中，纳米纤维复合薄膜介电层为含有功能纳米填料的聚合物复合纳米纤维薄膜；该含有功能纳米填料的聚合物复合纳米纤维薄膜中的聚合物纳米纤维的材料为如下材料中的一种或几种:聚丙烯腈(PAN)、聚对苯二二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰胺(PA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)、聚氨酯(TPU)、聚乳酸(PLA)和聚醚砜(PES)。
在此发明的一些实施例中，纳米纤维复合薄膜介电层的厚度介于20μm～50μm之间。
在此发明的一些实施例中，功能纳米填料的质量分数介于0.1％～2％之间。
在此发明的一些实施例中，功能纳米填料的材料为：银钠米线、Si02纳米颗粒、Ti02纳米颗粒或碳纳米管。
在此发明的一些实施例中，功能填料为银钠米线,添加量为质量分数介于0.1％～0.9％之间；或功能填料为SiO2纳米颗粒,添加量为质量分数介于0.1％～0.6％之间；或功能填料为Ti02纳米颗粒,添加量为质量分数介于0.1％～0.6％之间；功能填料的材料还可以是其他介电常数大于聚合物纳米纤维的介电常数的材料,如碳纳米管等材料。
根据此发明的另一个方面，提供了一种电容式柔性压力传感器的制备方法；包括：制备第一柔性纳米纤维薄膜层和第二柔性纳米纤维薄膜层；以第一柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第一电极层，以第二柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第二电极层；将功能纳米填料加入到高分子聚合物中配置纺丝液，基于静电纺丝工艺制备纳米纤维复合薄膜介电层：以及将带有第一电极层的第一柔性纳米纤维薄膜层、纳米纤维复合薄膜介电层和带有第二电极层的第二柔性纳米纤维薄膜层按照电极层相对的形式，以“夹心三明治”结构进行封装，得到电容式柔性压力传感器。
在此发明的一些实施例中，以第一柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第一电极层，以第二柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第二电极层的步骤之后还包括：在制备完第一电极层和第二电极层之后，利用导电银胶或银浆在两个电极层上各引出导线。
在此发明的一些实施例中，功能纳米填料为银纳米线,高分子聚合物为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)，基于静电纺丝工艺制备纳米纤维复合薄膜介电层包括：将长度介于8μm～9μm之间的银钠米线(AgNWs)加入到高分子聚合物为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)的N,N-二甲基甲酰胺/二氯甲烷(DMF/DCM)混合液中，在室温下磁力搅拌，得到悬浮液，静置脱泡，备用；将得到的悬浮液作为纺丝液，在纺丝装置上进行纺丝，得到热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、银钠米线(AgNWs)(TPU@AgNWs)纳米纤维复合薄膜介电层；其中，在纺丝装置上设置的纺丝参数如下：纺丝电压介于18kV～26kV之间；进液速度介于0.3mL/h～0.6mL/h之间；接收距离介于13cm～20cm之间；纺丝温度介于45C～80C之间,纺丝时间介于6h～8h之间，得到的热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)@银钠米线(AgNWs)纳米纤维复合薄膜介电层的厚度介于20um～50um之间。
在此发明的一些实施例中，功能纳米填料为球形Si02纳米颗粒，高分子聚合物为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)，基于静电纺丝工艺制备纳米纤维复合薄膜介电层包括：将球形Si02纳米颗粒加入到高分子聚合物为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)的酰胺/二氯甲烷(DMF/DCM)混合液中，在室温下磁力搅拌，得到悬浮液，静置脱泡，备用；将得到的悬浮液作为纺丝液，在纺丝装置上进行纺丝，得到热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、二氧化硅(TPU@SiO2)纳米纤维复合薄膜介电层；其中在纺丝装置上设置的纺丝参数如下：纺丝电压介于18kV～26kV之间；进液速度介于0.3mL/h～0.6mL/h之间；接收距离介于13cm～20cm之间，纺丝温度介于45C～80C之间，纺丝时间介于3h～5h之间，得到的热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、二氧化硅(PU@Si02)纳米纤维复合薄膜介电层的厚度介于25um～35um之间。
在此发明的一些实施例中，功能纳米填料为球形TiO2纳米颗粒,高分子聚合物为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)，基于静电纺丝工艺制备纳米纤维复合薄膜介电层包括：将球形Ti02纳米颗粒加入到高分子聚合物为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)的酰胺/二氯甲烷(DMF/DCM)混合液中，在室温下磁力搅拌，得到悬浮液，静置脱泡，备用；将得到的悬浮液作为纺丝液，在纺丝装置上进行纺丝,得到热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、二氧化钛(TPU@TiO2)纳米纤维复合薄膜介电层；其中，在纺丝装置上设置的纺丝参数如下：纺丝电压介于15kV～20kV之间；进液速度介于0.3mL/h～0.6mL/h之间；接收距离介于13cm～20cm之间；纺丝温度介于45C～80℃之间，纺丝时间介于4h～6h之间,得到的热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、二氧化钛(TPU@Ti02)纳米纤维复合薄膜介电层的厚度介于30um～40um之间。
在此发明的一些实施例中，制备第一-柔性纳米纤维薄膜层和第二柔性纳米纤维薄膜层包括:配置静电纺丝溶液；利用纺丝装置和配置的静电纺丝溶液进行纺丝，得到柔性纳米纤维薄膜层；以及将纺丝得到的柔性纳米纤维薄膜层干燥，使纺丝的溶剂挥发得到第一柔性纳米纤维薄膜层和第二柔性纳米纤维薄膜层。
在此发明的一些实施例中，以第一柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第一电极层，以第二柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第二电极层包括：采用丝网印刷方式，在第一柔性纳米纤维薄膜层表面印刷第一电极层，在第二柔性纳米纤维薄膜层表面印刷第二电极层。
现有技术2的缺点
上述技术提供的一种柔性压力传感器将纳米纤维薄膜运用到各个组件，使整个传感器具有了良好的透气性、高的灵敏度、较大的量程，且制备成本低。但传感器在受压过程中，相对电容变化值——施加压力曲线的线性度较差，具有高灵敏度的低压区的范围较窄，也就是仅在几百帕的压力内传感器的灵敏度较高。
发明内容
本发明目的在于提供了一种基于仿生阶梯结构的多层电容式柔性压力传感器及其制备方法，以至少部分解决背景技术中所述的技术问题。主要体现在提高传感器的灵敏度、压力检测下限，缩短响应时间，并且改善传感器的线性度。可以在更宽的压力检测范围内保持高灵敏度的特性，即增大具有较高灵敏度的低压区范围。此外，通过改变介电层微结构的尺寸、分布和导电填料的比例，可根据传感器使用场所调节传感器的灵敏度和检测范围。本传感器灵敏度高，检测范围大，稳定性好且制备方法简单，可应用于电子皮肤、生理信号检测或智能服饰等领域。
本发明的上述目的通过以下技术方案实现：
本发明提供了一种仿生多层电容式柔性压力传感器，包括第一柔性基板；第一电极层，附着于第一柔性基板的微阵列结构内侧；第一微结构层，光滑侧与第一电极层相接触，带有微结构侧与双面阶梯仿生结构层相接触；双面阶梯仿生结构层，处于传感器的中间位置；第二微结构层，光滑侧与第二电极层相接触，带有微结构侧与双面阶梯仿生结构层相接触；第二电极层，附着于第二柔性基板的微阵列结构内侧；第二柔性基板。
所述双面阶梯仿生结构，纵截面的形状是多个对称的多级“凹槽”且大小相同，可以根据需求调节“凹槽”内不同阶梯面的面积比和高度差；当传感器受压时第一微结构层和第二微结构层向双面阶梯仿生结构层凹陷，随着压力的增大第一微结构层和第二微结构层分别与不同阶梯面发生接触形变，实现传感器在较大压力检测范围内具有高灵敏。
所述柔性压力传感器是多夹层的“三明治”结构，整体呈上下对称。优选地，所述柔性压力传感器的微结构层，微结构形状为微穹顶、微锥、微柱、微金字塔等有规则立体结构或者仿荷叶、仿微玫瑰花瓣等无规则立体结构之一；微结构的高度为5～40μm，微结构层的厚度为20～60μm。
优选地，所述柔性压力传感器的柔性基板厚度为40～60μm，电极层厚度为200～300nm，双面阶梯仿生结构层厚度250～300μm。
所述柔性压力传感器，其制备的工艺流程为：
步骤一：将预聚体与固化剂以10:1的比例充分混合的PDMS溶液放入真空环境中，把PDMS混合物旋涂到光滑基板上并固化；
步骤二：使用拉伸试验机将固化的PDMS拉伸至120％～140％，之后进行等离子处理并释放至原始长度就得到微“波浪”结构，作为柔性基板的模具；
步骤三：与步骤一相同条件下获得的PDMS混合物旋涂到柔性基板的模具表面，固化、剥离后并在具有微“波浪”结构侧溅射沉积导电薄膜；
步骤四：把导电填料加入PDMS溶液，搅拌至充分混合得到纳米复合材料溶液并旋涂在微结构层的模具表面，放入真空环境并固化剥离；
步骤五：利用3D打印技术制作单面阶梯微结构层的模具，并对模具表面进行疏水处理；
步骤六：把步骤四所得纳米复合材料溶液浇筑在单面阶梯微结构层模具表面，放入真空环境并固化剥离；
步骤七：重复步骤一至步骤六，并将所得结构按顺序上下对应层压在一起，引入电极线与导电薄膜连接，封装得到所述一种仿生多层电容式柔性压力传感器。
优选地，所述导电填料为高介电常数材料中的一种或多种，包括：银纳米线等金属材料、钛酸钡等陶瓷材料、碳纳米管等碳材料或其他具有高介电常数的物质。
优选地，所述纳米复合材料中导电填料的质量分数为1％～65％。
本发明以鱼类侧线机械感受器(神经丘)毛细跑的梯形纤毛束结构为启示，提出一种新的双面阶梯仿生结构。形状为圆形、三角形等其它形状构成具有多级凹槽的结构都属于本发明的结构替换。
本发明采用多层叠加对称结构设计实现传感器的全柔化，包括：微“波浪”结构电极层、微结构层和双面阶梯仿生结构层，可以增大传感器的压力检测范围，并从电极间距、有效介电常数和有效电极三方面提高灵敏度。
本发明中介电层的双面阶梯仿生结构，是一种以鱼类侧线机械感受器(神经丘)毛细跑的梯形纤毛束结构为启示的仿生结构，提高了柔性压力传感器在更宽的压力检测范围内保持高灵敏度的特性方面发挥重要作用。
本发明技术方案带来的有益效果
1、本发明实现全柔化多层的对称结构设计，介电层包含受鱼类侧线机械感受器(神经丘)的梯形纤毛束启发的双面阶梯仿生结构层和微结构层，并采用了掺有导电填料的纳米复合材料。电极层呈微“波浪”结构，与介电层形成有空隙接触。利用上述结构和材料制备的柔性压力传感器具有较高灵敏度和检测微小压力的性能，并且在更宽的压力检测范围内保持高灵敏度的特性，即增大具有较高灵敏度的低压区范围。
2、双面阶梯仿生结构设计，凸起的部分(高层阶梯)在可以提供一定的压力支撑的情况不失传感器的高灵敏度特性。合理调节不同阶梯层之间的面积比和嵌入深度，能够得到线性度更高的相对电容变化值——施加压力曲线。同时，改变导电填料的添加比例调节灵敏度梯度，可以制备不同规格的传感器应用于特定的场所，增强了柔性压力传感器的可定制优势。
3、电极层呈微“波浪”结构，可以增大电极间的有效面积，从而提高了柔性压力传感器的灵敏度，结合简单的制备工艺可以扩大柔性压力传感器应用领域。
附图说明
图1、本发明的仿生多层电容式柔性压力传感器的结构示意图。
图2、仿生多层电容式柔性压力传感器沿XOZ面或者YOZ面的截面图。
图3、局部应力作用在仿生多层电容式柔性压力传感器的截面图。
图4、仿生多层电容式柔性压力传感器承受不同外部应力情况下微结构层和双面阶梯仿生结构层之间的空隙变化。
图5、仿生多层电容式柔性压力传感器的微“波浪”电极结构示意图。
图6、现有技术1：一种高灵敏度电容型柔性压力传感器的器件结构图；图中上半为微结构材料，下半为电介质材料及电极。
图7、现有技术1：一种高灵敏度电容型柔性压力传感器的微结构制备流程图；
图8、现有技术2：柔性压力传感器结构示意图。
图中：1.第一柔性基板，2.第一电极层，3.第一微结构层，4.双面阶梯仿生结构层，5.第二微结构层，6.第二电极层，7.第二柔性基板
a为硅片，b为光刻刻蚀二氧化硅，c刻蚀硅，d刻蚀二氧化硅，e紫外臭氧处理OTS表面处理，f为PDMS浇筑固化揭膜
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施例作出详细的说明，实施例仅用于解释本发明并选定较优材料和结构详述制备方法，而不是对本发明的限定。
参阅图1所示为本发明仿生多层电容式柔性压力传感器的结构示意图。从上到下依次包括：第一柔性基板1、第一电极层2、第一微结构层3、双面阶梯仿生结构层4、第二微结构层5、第二电极层6、第二柔性基板7。
本发明所述的仿生多层电容式柔性压力传感器是多夹层的“三明治”结构，不同结构层叠加，整体呈上下对称，参阅图2。本实施例双面阶梯仿生结构纵截面的形状是两个对称的三级“凹槽”且，共有八个尺寸相同的“凹槽”。可以根据需求调节“凹槽”内不同阶梯面的面积比和高度差。
本发明的工作原理如下：
本发明的双面阶梯仿生结构是根据鱼类侧线机械感受器(神经丘)毛细跑的梯形纤毛束结构得到的启示。
鱼类具有特殊的感觉系统——侧线系统，可以灵敏地感知水压、水流的动态变化。机械感觉器官“管道神经丘”(canal neuromast,CNM)可以感受流体压力(加速度)信息，一般是位于体表侧线管道中，对水压变化刺激表现出非常强的敏感性。对鱼类的摄食、避敌、洄游等行为有着极为重要的意义。
研究表明，神经丘毛细胞的感受单元是纤毛束，由一根动纤毛和梯状排列的静纤毛簇组成。动纤毛位于毛细胞的边缘，静纤毛的长度朝向动纤毛的方向依次递增，形成了毛细胞的极性(最短的静纤毛指向动纤毛方向)，多方向的毛细跑分布可以全面感受水流的压力信息。当管道外存在压力差时内部液体流动且与毛细胞的极性相同，呈梯形分布的立体纤毛束逐级发生偏转并打开离子(Ca2+)通道，电位变化激活毛细胞基部的神经递质释放从而产生兴奋。基于鱼类神经丘毛细胞的纤毛束特征，本发明将介电层的中间部分设计为双面阶梯结构。本发明的传感器具有上下对称结构，所以在原理性分析时只针对上半部分结构进行分析和论证。详细地，在传感器表面施加100Pa以内的微小压力时，微结构层和微“波浪”结构电极层优先发生形变。随着施加压力的增大，介电层的薄膜部分明显压缩，微结构层和微“波浪”结构电极层发生较大的形变，参阅图3。同时，微结构层分别弯曲接近双面阶梯仿生结构层的不同阶梯面，并且逐级发生接触形变，参阅图4。添加导电填料不是增加纳米复合材料弹性体相对介电常数的唯一方法，变形也可以改变相对介电常数。因为向传感器施加压力会对纳米复合材料弹性体产生压缩作用，从而影响填料之间的距离。上述说明微结构层分别弯曲接近双面阶梯仿生结构层逐级发生接触形变时，相对介电常数的逐级增加是由空隙减小和弹性体复合材料变形引起的，使传感器在较宽压力范围内形成“阶梯式”高灵敏。当施加更大的压力时，可使双面阶梯仿生结构和微结构层接触更紧密，微“波浪”结构电极和微结构层的光滑面接触更紧密，进一步减小了两电极薄膜之间的距离，增大介电层的有效介电常数，因此传感器可以输出较大的电信号。
电容式柔性压力传感器两电极间的电容变化如下述公式：
Figure BDA0002618245460000131
其中，C表示受压前电容值，C0表示受压后电容值，εr表示介电层材料的介电常数，S表示有效电极面积，d表示两个平板电极之间的距离，ε0表示真空介电常数，电容变化与传感器的灵敏度直接相关。仿生多层电容式柔性压力传感器在受压过程中，电极间距d的减小包括微结构的变形、阶梯层空气比例的较少、薄膜部分的压缩和电极微“波浪”结构的变形；介电层空气比例的减小相当于增大介电层的有效介电常数；与平面薄膜电极相比，上下电极采用微“波浪”结构设计，参阅图5，增加了电极的重叠面积S。仿生多层电容式柔性压力传感器的层与层之间粗糙度很大，避免层间滑动提高了稳定性。多层相互叠加形成大小不均的空隙，粗糙度并不能提高灵敏度，但是由表面微结构和表面粗糙度产生大小不均的气隙有助于压力传感器的高灵敏度。仿生多层电容式柔性压力传感器介电层的多层微结构化，可以提高介电层的总体柔弹性，降低材料的粘弹性，这大大提高了传感器的响应速度。
本发明的上述一种仿生多层电容式柔性压力传感器的制作方法，具体步骤如下：
步骤一：将预聚体与固化剂以10:1的比例充分混合的PDMS溶液放入真空干燥器中，去除搅拌过程中在PDMS混合物内部产生的气泡，把PDMS混合物旋涂到光滑基板上，旋涂速度1000～2000r/min，时间为40～55s，并在65℃的真空干燥箱内固化1.5～3小时；
步骤二：使用拉伸试验机将步骤一中固化后的PDMS拉伸至120％～140％，进行等离子处理8～10min，释放至原始长度就得到微“波浪”结构，作为柔性基板的模具；
步骤三：与步骤一相同条件下将PDMS混合物旋涂到柔性基板的模具表面，固化、剥离得到柔性基板，厚度为40～60μm；在柔性基板具有微“波浪”结构侧溅射沉积金薄膜，厚度为200～300nm；
步骤四：通过光刻技术制备微结构层的模具，把质量分数为1％～65％的导电填料加入PDMS溶液，搅拌至充分混合得到纳米复合材料溶液并旋涂在微结构层的模具表面，固化、剥离得到微结构层；微结构的高度为5～40μm，微结构层的厚度为20～60μm；
步骤五：利用3D打印技术制作单面阶梯微结构层的模具，并对模具表面旋涂体积分数为7％～8％三甲基氧硅烷(TMCS)的庚烷溶液，模具表面表现疏水特性，旋涂速度1000～2000r/min，时间为10～20s；
步骤六：把步骤四所得纳米复合材料溶液浇筑在单面阶梯微结构层的模具表面，放入真空环境并固化、剥离得到单面阶梯仿生结构层，层厚度125～150μm；
步骤七：重复步骤一至步骤六，在合适位置引入电极线并与微“波浪”结构电极薄膜连接，将所得结构按顺序从上至下对应层压在一起，封装得到所述的一种仿生多层电容式柔性压力传感器。
以上所述仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围不局限于此，根据本发明的技术构思做出其它各种相应的变形和改变都属于本发明专利要求的保护范围。

Claims (8)

1.一种仿生多层电容式柔性压力传感器，其特征在于，包括：第一柔性基板(1)、第一电极层(2)、第一微结构层(3)、双面阶梯仿生结构层(4)、第二微结构层(5)、第二电极层(6)和第二柔性基板(7)，所述第一电极层(2)附着于第一柔性基板(1)的微阵列结构内侧，所述第一微结构层(3)的光滑侧与第一电极层(2)相接触，所述第一微结构层(3)的带有微结构侧与双面阶梯仿生结构层(4)相接触，所述双面阶梯仿生结构层(4)，处于传感器的中间位置，所述第二微结构层(5)的光滑侧与第二电极层(6)相接触，所述第二微结构层(5)的带有微结构侧与双面阶梯仿生结构层(4)相接触，所述第二电极层(6)附着于第二柔性基板(7)的微阵列结构内侧。
2.根据权利要求1所述的一种仿生多层电容式柔性压力传感器，其特征在于，
所述双面阶梯仿生结构(4)的纵截面的形状是多个对称的多级“凹槽”且大小相同，所述“凹槽”内不同阶梯面的面积比和高度差可调，当传感器受压时，第一微结构层(3)和第二微结构层(5)向双面阶梯仿生结构层(4)凹陷，随着压力的增大第一微结构层(3)和第二微结构层(5)分别与双面阶梯仿生结构层(4)的不同阶梯面发生接触形变，实现传感器在较大压力检测范围内具有高灵敏度。
3.根据权利要求1或2所述的一种仿生多层电容式柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性压力传感器是多夹层的“三明治”结构，整体呈上下对称。
4.根据权利要求1或2所述的一种仿生多层电容式柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性压力传感器的微结构层的微结构形状，包括：微穹顶、微锥、微柱、微金字塔有规则立体结构或者仿荷叶、仿微玫瑰花瓣无规则立体结构之一，微结构的高度为5～40μm，微结构层的厚度为20～60μm。
5.根据权利要求1或2所述的一种仿生多层电容式柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性压力传感器的柔性基板厚度为40～60μm，电极层厚度为200～300nm，双面阶梯仿生结构层厚度为250～300μm。
6.一种仿生多层电容式柔性压力传感器的制作方法，包括以下步骤：
步骤一：将预聚体与固化剂以10:1的比例充分混合的PDMS溶液放入真空环境中，把PDMS混合物旋涂到光滑基板上并固化；
步骤二：使用拉伸试验机将固化的PDMS拉伸至120％～140％，之后进行等离子处理并释放至原始长度就得到微“波浪”结构，作为柔性基板的模具；
步骤三：与步骤一相同条件下获得的PDMS混合物旋涂到柔性基板的模具表面，固化、剥离后并在具有微“波浪”结构侧溅射沉积导电薄膜；
步骤四：把导电填料加入PDMS溶液，搅拌至充分混合得到纳米复合材料溶液并旋涂在微结构层的模具表面，放入真空环境并固化剥离；
步骤五：利用3D打印技术制作单面阶梯微结构层的模具，并对模具表面进行疏水处理；
步骤六：把步骤四所得纳米复合材料溶液浇筑在单面阶梯微结构层模具表面，放入真空环境并固化剥离；
步骤七：重复步骤一至步骤六，并将所得结构按顺序上下对应层压在一起，引入电极线与导电薄膜连接，封装得到所述一种仿生多层电容式柔性压力传感器。
7.根据权利要求6所述的一种仿生多层电容式柔性压力传感器的制作方法，其特征在于，所述导电填料为高介电常数材料中的一种或多种，包括：银纳米线等金属材料、钛酸钡等陶瓷材料、碳纳米管等碳材料或其他具有高介电常数的物质。
8.根据权利要求6所述的一种仿生多层电容式柔性压力传感器的制作方法，其特征在于，所述纳米复合材料中导电填料的质量分数为1％～65％。
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