CN112014007B - 一种高机械强度的阵列式柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高机械强度的阵列式柔性压力传感器及其制备方法。本发明克服了传统传感器低机械强度、热稳定性差、机械滞后严重、蠕变现象明显等缺点，具有机械强度高、热稳定性好，能够满足柔性传感器在大应力、高温等严峻环境中应用的需求；本发明的敏感层采用为CB/PI复合薄膜，并对该薄膜表面进行了镀金处理，减小了CB/PI复合薄膜与上衬底层和下衬底层表面的接触电极间的接触电阻；本发明中CB/PI复合薄膜和接触电极之间的粘接，使用高碳黑浓度的CB/PAA复合溶液进行粘接，膜层之间的结合会更加稳定；本发明可以获得很小的敏感单元，因此能够实现精确的压力分布检测；本发明拥有快速的响应速度，在植入式医疗设备，工业机器人等领域，有着重要的应用前景。

Description

一种高机械强度的阵列式柔性压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及柔性传感器制备技术，具体涉及一种阵列式柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
柔性传感器在医疗设备、工业机器人、可穿戴设备、健康监测等领域有着重要的应用前景。而在众多柔性传感器的种类中，柔性压力传感器备受人们关注。同时，人造皮肤以及可植入医疗设备向小型化、智能化发展的趋势，对于阵列式柔性压力传感器的需求也越来越多。
柔性压力传感器的性能主要取决于敏感层的材料。目前，制造柔性传感器的一种常用方法是将导电填料(比如:碳黑、碳纳米管、石墨烯、金属纳米线、纳米半导体颗粒等)加入到具有弹性的聚合物材料中(比如：PDMS、Ecoflex、TPU、硅橡胶等)。然而由这些常用的聚合物材料制得的柔性传感器仍然存在：机械强度不高，不耐高温，重复性差等缺点，所以无法满足在高温、大应力载荷等严峻环境中应用的需求。例如，Kaiyan Huang等人(KaiyanHuang et al.,Compos.Sci.Technol.,2020,192,108105)通过涂覆工艺制备基于多壁碳纳米管(MWCNTs)和PDMS复合膜，该复合薄膜在6.418Mpa的应力载荷下断裂，且在线性区形变范围内，复合薄膜所能承受最大应力不超过0.3Mpa。
发明内容
针对目前医疗设备及工业机器人领域，对具有高机械强度的阵列式柔性压力传感器的需求，本发明提出一种基于聚酰亚胺掺杂碳黑的阵列式柔性压力传感器及其制备方法，满足了柔性压力传感器在大应力载荷和高温等严峻环境中应用的需求。
本发明的一个目的在于提出一种基于聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的敏感层及其阵列式柔性压力传感器。
本发明的基于聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的敏感层包括：聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜、上黏附层、下黏附层、上金属层和下金属层；其中，聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜包括聚酰亚胺PI和碳黑CB，将CB颗粒添加到聚酰胺酸PAA溶液中，搅拌溶液均匀得到CB/PAA混合溶液；对CB/PAA混合溶液进行超声振动，真空抽气；CB/PAA混合溶液涂覆在基板上，对基板逐级升温固化，使CB/PAA混合溶液发生热亚胺化反应，转化为聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜，将聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜从基板上剥离下来，从而获得聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜；在聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的上表面和下表面分别淀积上黏附层和下黏附层；在上黏附层和下黏附层的表面分别淀积上金属层和下金属层，形成复合结构；对复合结构进行裁剪，形成多个小尺寸的聚酰亚胺掺杂碳黑单元，从而作为敏感层；在聚酰亚胺中掺入适量浓度的碳黑，聚酰亚胺内部形成碳黑颗粒组成的导电通道，聚酰亚胺呈现导体状态，碳黑颗粒的掺杂浓度越高，形成的导电通道的数量也越多；增加碳黑颗粒的掺杂浓度，从而减小聚酰亚胺的电阻，提高其导电特性；当聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜受到压力作用时，由于受到压应力而产生形变，形变量为负值，聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜被压缩，内部的碳黑颗粒，跟随聚酰亚胺的链状结构运动，因此碳黑颗粒间距也减小，碳黑颗粒间的电阻下降，聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜在宏观层面表现为总电阻减小；根据压力会影响薄膜内部的碳黑颗粒间距，从而影响聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的导电特性，测量基于聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的敏感层的导电特性，从而得到敏感层所受压力的大小。
CB颗粒的单个颗粒直径小于300nm。
CB颗粒的质量与PAA溶液的溶质的质量的比例为8wt％～20wt％。
涂覆的CB/PAA混合溶液的厚度为0.5～2mm。
聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的厚度为50～150μm。
聚酰亚胺由于具有高机械强度、耐高温、良好的化学稳定性和生物兼容性，在柔性电子和柔性传感器中具有重要的应用，是设计具有耐高温、高机械强度的柔性压力传感器的理想聚合物材料。在现有技术中，聚酰亚胺用作电机的绝缘槽及电缆绕包材料、柔性印制电路板的基板材料、耐高温隔热材料、气体分离膜材料、光刻胶材料、胶粘剂材料、液晶显示用的取向排列剂材料、湿敏材料等。
本发明的基于聚酰亚胺掺杂碳黑的阵列式柔性压力传感器包括：基于聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的敏感层、上层衬底、下层衬底、行导线、列导线、上接触电极、下接触电极、行引出电极、列引出电极以及信号调理电路；其中，基于聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的敏感层为多个聚酰亚胺掺杂碳黑单元排列成周期性的CB/PI二维阵列；分别在上层衬底和下层衬底的表面形成嵌入至内部的多条行导线和列导线，每一条行导线对应于CB/PI二维阵列的一行，每一条列导线对应于CB/PI二维阵列的一列；分别在上层衬底和下层衬底的表面形成暴露在表面且位于行导线和列导线上的多个上接触电极和下接触电极，每一个上接触电极和下接触电极分别对应CB/PI二维阵列的一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元；每一条行导线和每一条列导线分别连接至相应的行引出电极和列引出电极；上层衬底、行导线、上接触电极和行引出电极构成上衬底层，下层衬底、列导线、下接触电极和列引出电极构成下衬底层；上衬底层和下衬底层分别对准粘接CB/PI二维阵列上下表面，每一个上接触电极和下接触电极分别粘接在一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元的上表面和下表面，每一条行导线连接CB/PI二维阵列一行上的聚酰亚胺掺杂碳黑单元，每一条列导线连接CB/PI二维阵列一列上的聚酰亚胺掺杂碳黑单元；每一个行引出电极和列引出电极分别连接到信号调理电路相应的行选通电路的端口和列选通电路的端口；通过行扫描以及列扫描的方式，利用信号调理电路，依次对每一条行导线和列导线通电，位于行列交叉点的每一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元被依次选通，从而检测出CB/PI二维阵列中每一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元的电学特性及其所在的位置，获得外界施加的压力大小及压力分布情况。
为了测量阵列中各个CB/PI薄膜的电学特性，可以通过行扫描以及列扫描的方式实现。利用信号调理电路，依次对每一条行导线和列导线通电，位于行列交叉点的每一个CB/PI薄膜就依次被选通，从而检测出传感器阵列中每一个CB/PI薄膜单元的电学特性，获得外界施加的压力大小及压力分布情况。
本发明的另一个目的在于提出一种基于聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的敏感层及其阵列式柔性压力传感器的制备方法。
本发明的基于聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的敏感层的制备方法，包括以下步骤：
1)将CB颗粒添加到PAA溶液中，搅拌溶液均匀得到CB/PAA混合溶液；
2)对CB/PAA混合溶液进行超声振动，真空抽气；
3)将CB/PAA混合溶液涂覆在基板上；
4)对基板逐级升温固化，使CB/PAA混合溶液发生热亚胺化反应，转化为聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜；
5)将聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜从基板上剥离下来，从而获得聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜；在聚酰亚胺中掺入适量浓度的碳黑，聚酰亚胺内部形成碳黑颗粒组成的导电通道，聚酰亚胺呈现导体状态，碳黑颗粒的掺杂浓度越高，形成的导电通道的数量也越多；
增加碳黑颗粒的掺杂浓度，从而减小聚酰亚胺的电阻，提高其导电特性；
6)在聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的上表面和下表面分别淀积形成上黏附层和下黏附层；
7)分别在上黏附层和下黏附层的表面淀积形成上金属层和下金属层，形成复合结构；
8)对复合结构进行裁剪，得到多个小尺寸的聚酰亚胺掺杂碳黑单元，从而作为敏感层；
9)当聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜受到压力作用时，由于受到压应力而产生形变，形变量为负值，聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜被压缩，内部的碳黑颗粒，跟随聚酰亚胺的链状结构运动，因此碳黑颗粒间距也减小，碳黑颗粒间的电阻下降，聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜在宏观层面表现为总电阻减小；根据压力会影响薄膜内部的碳黑颗粒间距，从而影响聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的导电特性，测量基于聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的敏感层的导电特性，检测得到敏感层所受压力的大小。
其中，在步骤1)中，CB颗粒的单个颗粒直径小于300nm。CB颗粒的质量与PAA溶液的溶质质量的比例为8wt％～20wt％。搅拌条件为：温度为20℃～30℃，搅拌速度为500～1200r/min，搅拌时间为0.5～1小时。
在步骤2)中，超声振动的时间为1～2h；超声振动的温度控制在20～40℃，超声振动的频率为30000～60000Hz；真空抽气的时间为0.5～1小时，以保证CB/PAA混合溶液中没有残留的气体。
在步骤3)中，涂覆的CB/PAA混合溶液的厚度为0.5～2mm。
在步骤4)中，对基板逐级升温固化包括以下步骤：将基板放置在加热板上或者置于真空干燥箱中加热，第一阶段加热的最高温度范围是80℃～150℃，加热总时长为30min～120min，第二阶段加热的最高温度范围是180℃～200℃，加热总时长为30min～120min，第三阶段加热的最高温度范围是220℃～350℃，第三阶段加热总时长为30min～90min。若只采用二段加热，虽然也可以保证CB/PI薄膜发生热亚胺化反应，并且可以实现压力检测，但是二段加热会导致CB/PI薄膜的亚胺化程度低，制备出的CB/PI薄膜的机械强度较差。对于三段加热和四段加热，在加热过程中，CB/PAA溶液均实现了溶剂蒸发、热亚胺化反应和亚胺化程度升高这三个反应阶段，制备出的CB/PI薄膜的机械特性和电学特性也相似。因此采用三段加热是最有效的方案。
在步骤5)中，将表面有聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的基板浸泡在去离子水中20-40min后，将聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜从基板上剥离。获得的聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的厚度为50～150μm。
在步骤6)中，黏附层材料为钛，厚度为5～10nm。
在步骤7)中，金属层材料为金，厚度为80～100nm。
在步骤8)中，采用打孔机对复合结构进行裁剪；聚酰亚胺掺杂碳黑单元的水平形状为规则图形，水平尺寸为1mm～2mm。
本发明的基于聚酰亚胺掺杂碳黑的阵列式柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)制备得到基于聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的敏感层；
(2)制备上衬底层和下衬底层：
a)制备上衬底层
i.在上层衬底的表面形成嵌入至内部的多条行导线或列导线，每一条行导线对应于CB/PI二维阵列的一行，或者每一条列导线对应于CB/PI二维阵列的一列；
ii.在上层衬底的表面形成暴露在表面且位于行导线或列导线上的多个上接触电极，每一个上接触电极分别对应于CB/PI二维阵列的一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元；
iii.在上层衬底的表面形成暴露在表面的多个行引出电极或列引出电极，每一条行导线或每一条列导线分别连接至相应的行引出电极或列引出电极；上层衬底、行导线或列导线、上接触电极和行引出电极或列引出电极构成上衬底层；
b)制备下衬底层
i.在下层衬底的表面形成嵌入至内部的多条列导线或行导线，每一条列导线对应于CB/PI二维阵列的一列，每一条行导线对应于CB/PI二维阵列的一行；
ii.在下层衬底的表面形成暴露在表面且位于列导线或行导线上的多个下接触电极，每一个下接触电极分别对应于一个CB/PI二维阵列的一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元；
iii.在下层衬底的表面形成暴露在表面的多个列引出电极或行引出电极，每一条列导线或行导线分别连接至相应的列引出电极或行引出电极；下层衬底、列导线或行导线、下接触电极和列引出电极或行引出电极构成下衬底层；
(3)将下衬底层分别通过导电胶对准粘接CB/PI二维阵列下表面，使得每一个下接触电极分别粘接在一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元的下表面，每一条行导线或列导线连接CB/PI二维阵列的一行或一列上的聚酰亚胺掺杂碳黑单元；
(4)放置在恒温箱中加热，使导电胶固化；
(5)将上衬底层通过导电胶对准粘接CB/PI二维阵列上表面，使得每一个上接触电极分别粘接在一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元的上表面，每一条列导线或行导线连接CB/PI二维阵列一列或一行上的聚酰亚胺掺杂碳黑单元；
(6)将步骤(5)后形成的装置放入恒温箱中，进行加热处理，使导电胶固化；
(7)每一个行引出电极和列引出电极分别连接到信号调理电路相应的行选通电路的端口和列选通电路的端口；
(8)标定电学特性与压力关系；
(9)通过行扫描以及列扫描的方式，利用信号调理电路，依次对每一条行导线和列导线通电，位于行列交叉点的每一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元被依次选通，从而检测出CB/PI二维阵列中每一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元的电学特性及其所在的位置，根据所标定的电学特性与压力关系，获得外界施加的压力大小及压力分布情况。
在步骤(2)中，采用柔性印制电路板的制备工艺，分别将多条行导线或列导线嵌入至上层衬底和下层衬底的内部，在上层衬底和下层衬底的表面形成暴露在表面且位于行导线和列导线上的多个上接触电极和下接触电极，以及分别在上层衬底和下层衬底的表面形成暴露在表面的多个行引出电极和列引出电极。
在步骤(3)和(5)中，导电胶水为导电银浆或导电CB/PAA混合溶液。CB/PAA混合溶液作为导电胶水，溶质质量的比例为18wt％～25wt％。滴涂导电胶水的方法为在光学显微镜下，依次在接触金属电极上点涂适量的导电胶水，使导电胶水覆盖电极的1/3～1/2面积。使用导电胶水的量不宜过多，否则会溢出导致传感器存在短路隐患。在光学显微镜下，小心地将小尺寸的CB/PI复合薄膜对准黏附在下层衬底层的接触电极表面。
在步骤(8)中，标定电学特性与施加的压力大小关系包括以下步骤：
a)将受压元件放置在聚酰亚胺掺杂碳黑单元的上衬底层的外表面，其中，受压元件是坚硬规则物体，与上衬底层的接触面与聚酰亚胺掺杂碳黑单元的形状相同；
b)受压元件的另一端面与推拉力计的施压触头形状相同，与推拉力计的触头接触；
c)利用推拉力计，对受压元件施加从小到大的变化压力，逐一对传感器中的每条行导线和列导线交叉点下的聚酰亚胺掺杂碳黑单元，进行电学特性的测试；
d)受压元件与CB/PI薄膜敏感单元尺寸相同，从而将所受压力精准地传递给正下方的聚酰亚胺掺杂碳黑单元；
e)对阵列中的每个聚酰亚胺掺杂碳黑单元逐一通过受压元件从小到大施加压力，并同时测量敏感单元聚酰亚胺掺杂碳黑单元的电阻值；
f)根据记录的各压力下对应的电阻值，获得聚酰亚胺掺杂碳黑单元的压力-电阻拟合曲线。
在步骤9)中，信号调理电路中的微处理器提取传感器各敏感单元的电阻值，根据所标定的电阻值与压力关系的拟合曲线，获得外界施加的压力大小及压力分布情况。电阻值与压力大小呈指数衰减的关系。
本发明的优点：
本发明满足了柔性压力传感器在大应力载荷和高温等严峻环境中应用的需求，成本低廉，工艺简单，制备出的柔性压力传感器具有高机械强度和良好的稳定性。
1、克服了传统的使用PDMS、Ecoflex、TPU和硅橡胶等弹性材料的传感器缺点(低机械强度、热稳定性差、机械滞后严重、蠕变现象明显等)，本发明所制备的传感器的机械强度高、热稳定性好，能够满足柔性传感器在大应力、高温等严峻环境中应用的需求。
2、本发明的阵列式柔性压力传感器的敏感层材料为CB/PI复合薄膜，对该薄膜表面进行了镀金处理，减小了CB/PI复合薄膜与上衬底层和下衬底层表面的接触电极间的接触电阻。
3、本发明的阵列式柔性压力传感器，CB/PI复合薄膜和接触电极之间的粘接，可以使用高碳黑浓度的CB/PAA复合溶液进行粘接，这比使用传统的导电银浆粘接，膜层之间的结合会更加稳定。
4、制备的阵列式柔性压力传感器，可以获得很小的敏感单元，因此可以实现精确的压力分布检测。
5、所制备的阵列式柔性压力传感器拥有快速的响应速度，在植入式医疗设备，工业机器人等领域，有着重要的应用前景。
附图说明
图1为本发明的基于聚酰亚胺掺杂碳黑的阵列式柔性压力传感器的一个实施例的制备方法的流程图；
图2为本发明的基于聚酰亚胺掺杂碳黑的阵列式柔性压力传感器的上层衬底的示意图；
图3为本发明的基于聚酰亚胺掺杂碳黑的阵列式柔性压力传感器的下层衬底的示意图；
图4为本发明的基于聚酰亚胺掺杂碳黑的阵列式柔性压力传感器的剖面图；
图5为本发明的基于聚酰亚胺掺杂碳黑的阵列式柔性压力传感器的实施例一的单个聚酰亚胺掺杂碳黑单元，连续五次测量压力-电阻的测试结果图；
图6为本发明的基于聚酰亚胺掺杂碳黑的阵列式柔性压力传感器的实施例一的单个聚酰亚胺掺杂碳黑单元，在不同压力作用下的测试结果图；
图7为本发明的基于聚酰亚胺掺杂碳黑的阵列式柔性压力传感器的实施例二的单个聚酰亚胺掺杂碳黑单元的压力-电阻测试结果图。
具体实施方式
下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。
实施例一
本实施例的基于聚酰亚胺掺杂碳黑的阵列式柔性压力传感器包括：聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜1、上黏附层21、下黏附层22、上金属层31和下金属层32、上层衬底41、下层衬底42、行导线51、列导线52、上接触电极61、下接触电极62、行引出电极71和列引出电极72；其中，在聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜1的上表面和下表面分别淀积上黏附层21和下黏附层22；在上黏附层21和下黏附层22的表面分别淀积上金属层31和下金属层32，形成复合结构；对复合结构进行裁剪，形成多个小尺寸的聚酰亚胺掺杂碳黑单元，多个聚酰亚胺掺杂碳黑单元排列成周期性的CB/PI二维阵列，从而作为敏感层；分别在上层衬底41和下层衬底42的表面形成嵌入至内部的多条行导线51和列导线52，每一条行导线51对应于CB/PI二维阵列的一行，每一条列导线52对应于CB/PI二维阵列的一列；分别在上层衬底41和下层衬底42的表面形成暴露在表面且位于行导线51和列导线52上的多个上接触电极61和下接触电极62，每一个上接触电极61和下接触电极62分别对应于一个CB/PI二维阵列的一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元；每一条行导线51和每一条列导线52分别连接至相应的行引出电极71和列引出电极72；上层衬底41、行导线51、上接触电极61和行引出电极71构成上衬底层，下层衬底42、列导线52、下接触电极62和列引出电极72构成下衬底层；上衬底层和下衬底层分别对准粘接CB/PI二维阵列上下表面，每一个上接触电极61和下接触电极62分别粘接在一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元的上表面和下表面，每一条行导线51连接CB/PI二维阵列的一行上的聚酰亚胺掺杂碳黑单元，每一条列导线52连接CB/PI二维阵列的一列上的聚酰亚胺掺杂碳黑单元；行引出电极71和列引出电极72分别连接到信号调理电路相应的行选通电路的输入端口和列选通电路的输出端口。
聚酰亚胺掺杂碳黑薄膜的导电原理可以利用“渗流”理论来解释。当掺入的碳黑浓度较小时，碳黑颗粒在聚酰亚胺基体中相距很大，相邻的碳黑颗粒之间电阻几乎为无穷大，聚酰亚胺内部没有形成碳黑颗粒导电通道，因此聚酰亚胺薄膜呈现绝缘的状态。随着掺入的碳黑浓度增加，碳黑颗粒之间的距离变小，碳黑颗粒间电阻也随之减小，碳黑颗粒组成的导电通道形成，聚酰亚胺薄膜由绝缘状态逐渐变为导体状态，碳黑颗粒的掺杂浓度越高，形成的导电通道的数量也越多。因此适当的增加碳黑颗粒的掺杂浓度，可以减小聚酰亚胺基体的电阻，提高其导电特性。当聚酰亚胺掺杂碳黑薄膜受到压力作用时，薄膜因受到压应力，而产生形变，形变量为负值，薄膜被压缩。薄膜内部的碳黑颗粒，会跟随聚酰亚胺基体的链状结构运动，因此碳黑颗粒间距也会减小，颗粒间的电阻下降，聚酰亚胺掺杂碳黑薄膜在宏观层面表现为总电阻减小。因此，根据压力大小会影响薄膜内部的碳黑颗粒间距，从而影响薄膜的导电特性这一原理，可以通过测量聚酰亚胺掺杂碳黑薄膜的敏感层的导电特性，检测敏感层所受压力的大小。
本实施例的基于聚酰亚胺掺杂碳黑的阵列式柔性压力传感器的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)制备得到基于聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的敏感层：
1)称取PAA溶液100g，PAA溶质质量分数为8.5％，因此算得PAA溶液中溶质质量为8.5g。所使用的CB颗粒平均粒径为100nm，称取CB颗粒1.02g，将CB颗粒添加到PAA溶液中，搅拌溶液均匀得到浓度为12wt％的CB/PAA混合溶液，搅拌速度设为1000r/min，搅拌时间为30min,实验室室温为26℃；
2)将CB/PAA混合溶液放入超声振动台中进行超声振动，温度设为40℃，振动频率为45000Hz，超声振动时间为1小时；放入真空设备中，真空抽气，处理时间为30分钟；
3)将CB/PAA混合溶液直接倾倒在玻璃基板上；
4)对基板逐级升温固化，加热过程为：80℃加热40min，100℃加热20min，120℃加热20min，150℃加热20min，180℃加热20min，200℃加热20min，220℃加热20min，250℃加热20min，使CB/PAA混合溶液发生热亚胺化反应，转化为聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜，平均厚度为70μm；
5)将玻璃基底上的聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜浸泡在去离子水中30min，随后将聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜从基板上剥离下来，从而获得聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜；在聚酰亚胺中掺入适量浓度的碳黑，聚酰亚胺内部形成碳黑颗粒组成的导电通道，聚酰亚胺呈现导体状态，碳黑颗粒的掺杂浓度越高，形成的导电通道的数量也越多；增加碳黑颗粒的掺杂浓度，从而减小聚酰亚胺的电阻，提高其导电特性；
6)采用电子束蒸发镀膜系统，在聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的上表面和下表面分别淀积形成上黏附层21和下黏附层22，材料为钛，厚度为8nm；
7)采用电子束蒸发镀膜系统，分别在上黏附层21和下黏附层22的表面淀积形成上金属层31和下金属层32，材料为金，厚度为100nm，形成复合结构；
8)利用打孔器对复合结构进行裁剪，裁剪为多个直径为1mm的圆形，得到4×6个小尺寸的聚酰亚胺掺杂碳黑单元，排列成4×6二维阵列，从而作为敏感层；
(2)制备上衬底层和下衬底层：
a)制备上衬底层
i.在上层衬底41的表面形成嵌入至内部的四条行导线51，每一条行导线51对应于CB/PI二维阵列的一行；
ii.在上层衬底41的表面形成暴露在表面且位于行导线51的24个上接触电极61，每一个上接触电极61分别对应于一个CB/PI二维阵列的一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元；
iii.在上层衬底41的表面形成暴露在表面的四个行引出电极71，每一条行导线51连接至相应的行引出电极71；上层衬底41、行导线51、上接触电极61和行引出电极71构成上衬底层，如图2所示；
b)制备下衬底层
i.在下层衬底42的表面形成嵌入至内部的六条列导线52，每一条列导线52对应于CB/PI二维阵列的一列；
ii.在下层衬底42的表面形成暴露在表面且位于列导线52的24个下接触电极62，每一个下接触电极62分别对应于一个CB/PI二维阵列的一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元；
iii.在下层衬底42的表面形成暴露在表面的六个列引出电极72，每一条列导线52连接至相应的列引出电极72；下层衬底42、列导线52、下接触电极62和列引出电极72构成下衬底层，如图3所示；
(3)在光学显微镜下，依次在下层衬底42层的接触电极上点涂适量的导电银浆，使导电银浆覆盖电极的1/3面积，将下衬底层分别通过导电胶对准粘接CB/PI二维阵列下表面，使得每一个下接触电极62分别粘接在一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元的下表面，每一条列导线52连接CB/PI二维阵列的一列上的聚酰亚胺掺杂碳黑单元；
(4)放置在恒温箱中加热，加热温度为150℃，加热时间为30分钟，使导电胶固化；
(5)在光学显微镜下，小心地将导电银浆涂覆到每个CB/PI薄膜单元表面上，并将强力胶涂到下层衬底42层的剩余部分，将上衬底层通过导电胶对准粘接CB/PI二维阵列上表面，使得每一个上接触电极61分别粘接在一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元的上表面，每一条行导线51连接CB/PI二维阵列的一行上的聚酰亚胺掺杂碳黑单元；
(6)将步骤(5)后形成的装置放入恒温箱中，进行加热处理，加热温度为150℃，加热时间为30min，使导电胶固化，固化完毕后，待装置冷却至室温，得到最终所需的阵列式柔性压力传感器，如图4所示；
(7)每一个行引出电极71和列引出电极72分别连接到信号调理电路相应的行选通电路的输入端口和列选通电路的输出端口；
(8)标定电学特性与施加的压力大小关系：
a)将受压元件放置在聚酰亚胺掺杂碳黑单元的上衬底层的外表面，其中，受压元件是坚硬规则物体，坚硬是指受压不形变，上下表面为水平面，与上衬底层的接触面与聚酰亚胺掺杂碳黑单元的形状相同；
b)受压元件的另一端面与推拉力计的施压触头形状相同，与推拉力计的触头接触；
c)利用推拉力计，对受压元件施加从小到大的变化压力，对传感器中的每条行导线51和列导线52交叉点下的聚酰亚胺掺杂碳黑单元，进行电学特性的测试；
d)受压元件与CB/PI薄膜敏感单元尺寸相同，从而将所受压力精准地传递给正下方的聚酰亚胺掺杂碳黑单元；
e)对阵列中的每个聚酰亚胺掺杂碳黑单元逐一通过受压元件从小到大施加压力，并同时测量敏感单元聚酰亚胺掺杂碳黑单元的电阻值；
f)根据记录的各压力大小对应的电阻值，获得聚酰亚胺掺杂碳黑单元的压力-电阻拟合曲线，电阻值与压力大小呈指数衰减的关系；
(9)通过行扫描以及列扫描的方式，利用信号调理电路，依次对每一条行导线51和列导线52通电，即同一时刻有且仅有一条行导线51和一条列导线52通电，位于行列交叉点的每一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元被依次选通，从而检测出CB/PI二维阵列中每一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元的电学特性及其所在的位置，根据所标定的压力-电阻拟合曲线，获得外界施加的压力大小及压力分布情况。
利用推拉力计，对制得的阵列式柔性压力传感器进行压力敏感测试，图5是对制备的阵列式柔性压力传感器，连续五次测量压力-电阻的结果。从图5中可以看出，传感器在承受40N的压力作用下，仍然具有稳定的输出，表明所制备的传感器具有很强的机械强度。图6是对制备的阵列式柔性压力传感器的单个敏感单元，在连续施加不同的压力载荷情况下的测试结果，该结果表明，所制备的阵列式柔性压力传感器能够连续地检测出压力的变化，传感器的响应速度较快。
实施例二
本实施例的基于聚酰亚胺掺杂碳黑的阵列式柔性压力传感器的制备方法，如图1所示，包括以下步骤：
(1)制备得到基于聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的敏感层：
1)制备低碳黑浓度和高碳黑浓度的CB/PAA混合溶液：称取PAA溶液100g，PAA溶质质量分数为8.5％，因此算得PAA溶液中溶质质量为8.5g。所使用的CB颗粒平均粒径为100nm，称取CB颗粒1.02g，将CB颗粒添加到PAA溶液中，使用机械搅拌器进行搅拌，搅拌速度设为1000r/min，搅拌时间为30min,实验室室温为26℃，得到碳黑浓度为12wt％CB/PAA混合溶液；在相同的实验室环境中，使用相同的方法，得到碳黑浓度为20wt％CB/PAA混合溶液
2)将两种CB/PAA混合溶液放入超声振动台中进行超声振动，温度设为40℃，振动频率为45000Hz，超声振动时间为1小时；放入真空设备中，真空抽气，处理时间为30分钟；
3)将12wt％CB/PAA混合溶液直接倾倒在玻璃基板上；
4)对基板逐级升温固化，加热过程为：80℃加热40min，100℃加热20min，120℃加热20min，150℃加热20min，180℃加热20min，200℃加热20min，220℃加热20min，250℃加热20min，使CB/PAA混合溶液发生热亚胺化反应，转化为聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜，平均厚度为70μm；
5)将玻璃基底上的聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜浸泡在去离子水中30min，随后将聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜从基板上剥离下来，从而获得聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜；在聚酰亚胺中掺入适量浓度的碳黑，聚酰亚胺内部形成碳黑颗粒组成的导电通道，聚酰亚胺呈现导体状态，碳黑颗粒的掺杂浓度越高，形成的导电通道的数量也越多；增加碳黑颗粒的掺杂浓度，从而减小聚酰亚胺的电阻，提高其导电特性；
6)采用电子束蒸发镀膜系统，在聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的上表面和下表面分别淀积形成上黏附层21和下黏附层22，材料为钛层，厚度为8nm；
7)采用电子束蒸发镀膜系统，分别在上黏附层21和下黏附层22的表面淀积形成上金属层31和下金属层32，材料为金，厚度为100nm，形成复合结构；
8)利用打孔器对复合结构进行裁剪，裁剪为多个直径为1mm的圆形，得到4×6个小尺寸的聚酰亚胺掺杂碳黑单元，排列成4×6二维阵列，从而作为敏感层；
(2)制备上衬底层和下衬底层：
a)制备上衬底层
i.在上层衬底41的表面形成嵌入至内部的四条行导线51，每一条行导线51对应于CB/PI二维阵列的一行；
ii.在上层衬底41的表面形成暴露在表面且位于行导线51的24个上接触电极61，每一个上接触电极61分别对应于一个CB/PI二维阵列的一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元；
iii.在上层衬底41的表面形成暴露在表面的四个行引出电极71，每一条行导线51连接至相应的行引出电极71；上层衬底41、行导线51、上接触电极61和行引出电极71构成上衬底层；
b)制备下衬底层
iv.在下层衬底42的表面形成嵌入至内部的六条列导线52，每一条列导线52对应于CB/PI二维阵列的一列；
v.在下层衬底42的表面形成暴露在表面且位于列导线52的24个下接触电极62，每一个下接触电极62分别对应于一个CB/PI二维阵列的一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元；
vi.在下层衬底42的表面形成暴露在表面的六个列引出电极72，每一条列导线52连接至相应的列引出电极72；下层衬底42、列导线52、下接触电极62和列引出电极72构成下衬底层；
(3)采用浓度为20wt％CB/PAA混合溶液作为导电胶水，在光学显微镜下，依次在下层衬底42层的接触电极上点涂适量的导电胶水，使导电胶水覆盖电极的1/3面积，将下衬底层分别通过导电胶对准粘接CB/PI二维阵列下表面，使得每一个下接触电极62分别粘接在一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元的下表面，每一条列导线52连接CB/PI二维阵列的一列上的聚酰亚胺掺杂碳黑单元；
(4)放置在恒温箱中加热，加热温度为80℃，加热时间为40分钟，使导电胶水固化；
(5)在光学显微镜下，小心地将导电胶水涂覆到每个CB/PI薄膜单元表面上，并将强力胶涂到下层衬底42层的剩余部分，将上衬底层通过导电胶对准粘接CB/PI二维阵列上表面，使得每一个上接触电极61分别粘接在一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元的上表面，每一条行导线51连接CB/PI二维阵列的一行上的聚酰亚胺掺杂碳黑单元；
(6)将步骤5后形成的装置放入恒温箱中，进行加热处理，加热温度为80℃，加热时间为40min，使导电胶水固化，固化完毕后，待装置冷却至室温，得到最终所需的阵列式柔性压力传感器；
(7)每一个行引出电极71和列引出电极72分别连接到信号调理电路相应的行选通电路的输出端口和列选通电路的输入端口；
(8)标定电学特性与施加的压力大小关系，电阻值与压力大小呈指数衰减的关系；
(9)通过行扫描以及列扫描的方式，利用信号调理电路，依次对每一条行导线51和列导线52通电，即同一时刻有且仅有一条行导线51和一条列导线52通电，位于行列交叉点的每一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元被依次选通，从而检测出CB/PI二维阵列中每一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元的电学特性及其所在的位置，根据所标定的压力-电阻拟合曲线，获得外界施加的压力大小及压力分布情况。
图7是制备的基于聚酰亚胺掺杂碳黑的阵列式柔性压力传感器的单个敏感单元，压力-电阻测试结果。该测试结果可以表明，使用高碳黑浓度的CB/PAA混合溶液作为导电胶水，用来粘接敏感层和接触电极是可行的，并且同时增强了传感器的机械强度。
最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种基于聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的敏感层，其特征在于，所述基于聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的敏感层包括：聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜、上黏附层、下黏附层、上金属层和下金属层；其中，聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜包括聚酰亚胺PI和碳黑CB，将CB颗粒添加到聚酰胺酸PAA溶液中，搅拌溶液均匀得到CB/PAA混合溶液；对CB/PAA混合溶液进行超声振动，真空抽气；CB/PAA混合溶液涂覆在基板上，对基板逐级升温固化，使CB/PAA混合溶液发生热亚胺化反应，转化为聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜，将聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜从基板上剥离下来，从而获得聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜；在聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的上表面和下表面分别淀积上黏附层和下黏附层；在上黏附层和下黏附层的表面分别淀积上金属层和下金属层，形成复合结构；对复合结构进行裁剪，形成多个小尺寸的聚酰亚胺掺杂碳黑单元，从而作为敏感层；在聚酰亚胺中掺入适量浓度的碳黑，聚酰亚胺内部形成碳黑颗粒组成的导电通道，聚酰亚胺呈现导体状态，碳黑颗粒的掺杂浓度越高，形成的导电通道的数量也越多；增加碳黑颗粒的掺杂浓度，从而减小聚酰亚胺的电阻，提高其导电特性；当聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜受到压力作用时，由于受到压应力而产生形变，形变量为负值，聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜被压缩，内部的碳黑颗粒，跟随聚酰亚胺的链状结构运动，因此碳黑颗粒间距也减小，碳黑颗粒间的电阻下降，聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜在宏观层面表现为总电阻减小；根据压力会影响薄膜内部的碳黑颗粒间距，从而影响聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的导电特性，测量基于聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的敏感层的导电特性，从而得到敏感层所受压力的大小。
2.如权利要求1所述的基于聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的敏感层，其特征在于，CB颗粒的单个颗粒直径小于300nm；CB颗粒的质量与PAA溶液的溶质质量的比例为8wt％～20wt％；涂覆的CB/PAA混合溶液的厚度为0.5～2mm；聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的厚度为50～150μm。
3.一种基于聚酰亚胺掺杂碳黑的阵列式柔性压力传感器，其特征在于，所述阵列式柔性压力传感器包括：基于聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的敏感层、上层衬底、下层衬底、行导线、列导线、上接触电极、下接触电极、行引出电极、列引出电极以及信号调理电路；其中，所述基于聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的敏感层包括聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜、上黏附层、下黏附层、上金属层和下金属层；聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜包括聚酰亚胺PI和碳黑CB，将CB颗粒添加到聚酰胺酸PAA溶液中，搅拌溶液均匀得到CB/PAA混合溶液；对CB/PAA混合溶液进行超声振动，真空抽气；CB/PAA混合溶液涂覆在基板上，对基板逐级升温固化，使CB/PAA混合溶液发生热亚胺化反应，转化为聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜，将聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜从基板上剥离下来，从而获得聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜；在聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的上表面和下表面分别淀积上黏附层和下黏附层；在上黏附层和下黏附层的表面分别淀积上金属层和下金属层，形成复合结构；对复合结构进行裁剪，形成多个小尺寸的聚酰亚胺掺杂碳黑单元，从而作为敏感层；在聚酰亚胺中掺入适量浓度的碳黑，聚酰亚胺内部形成碳黑颗粒组成的导电通道，聚酰亚胺呈现导体状态，碳黑颗粒的掺杂浓度越高，形成的导电通道的数量也越多；增加碳黑颗粒的掺杂浓度，从而减小聚酰亚胺的电阻，提高其导电特性；当聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜受到压力作用时，由于受到压应力而产生形变，形变量为负值，聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜被压缩，内部的碳黑颗粒，跟随聚酰亚胺的链状结构运动，因此碳黑颗粒间距也减小，碳黑颗粒间的电阻下降，聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜在宏观层面表现为总电阻减小；根据压力影响薄膜内部的碳黑颗粒间距，从而影响聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的导电特性，测量基于聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的敏感层的导电特性，从而得到敏感层所受压力的大小；对复合结构进行裁剪，得到多个小尺寸的聚酰亚胺掺杂碳黑单元；多个聚酰亚胺掺杂碳黑单元排列成周期性的CB/PI二维阵列；分别在上层衬底和下层衬底的表面形成嵌入至内部的多条行导线和列导线，每一条行导线对应于CB/PI二维阵列的一行，每一条列导线对应于CB/PI二维阵列的一列；分别在上层衬底和下层衬底的表面形成暴露在表面且位于行导线和列导线上的多个上接触电极和下接触电极，每一个上接触电极和下接触电极分别对应CB/PI二维阵列的一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元；每一条行导线和每一条列导线分别连接至相应的行引出电极和列引出电极；上层衬底、行导线、上接触电极和行引出电极构成上衬底层，下层衬底、列导线、下接触电极和列引出电极构成下衬底层；上衬底层和下衬底层分别对准粘接CB/PI二维阵列上下表面，每一个上接触电极和下接触电极分别粘接在一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元的上表面和下表面，每一条行导线连接CB/PI二维阵列一行上的聚酰亚胺掺杂碳黑单元，每一条列导线连接CB/PI二维阵列一列上的聚酰亚胺掺杂碳黑单元；每一个行引出电极和列引出电极分别连接到信号调理电路相应的行选通电路的端口和列选通电路的端口；通过行扫描以及列扫描的方式，利用信号调理电路，依次对每一条行导线和列导线通电，位于行列交叉点的每一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元被依次选通，从而检测出CB/PI二维阵列中每一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元的电学特性及其所在的位置，获得外界施加的压力大小及压力分布情况。
4.如权利要求3所述的阵列式柔性压力传感器，其特征在于，CB颗粒的单个颗粒直径小于300nm；CB颗粒的质量与PAA溶液的溶质质量的比例为8wt％～20wt％；涂覆的CB/PAA混合溶液的厚度为0.5～2mm；聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的厚度为50～150μm。
5.一种如权利要求1所述的基于聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的敏感层的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
1)将CB颗粒添加到PAA溶液中，搅拌溶液均匀得到CB/PAA混合溶液；
2)对CB/PAA混合溶液进行超声振动，真空抽气；
3)将CB/PAA混合溶液涂覆在基板上；
4)对基板逐级升温固化，使CB/PAA混合溶液发生热亚胺化反应，转化为聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜；
5)将聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜从基板上剥离下来，从而获得聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜；在聚酰亚胺中掺入适量浓度的碳黑，聚酰亚胺内部形成碳黑颗粒组成的导电通道，聚酰亚胺呈现导体状态，碳黑颗粒的掺杂浓度越高，形成的导电通道的数量也越多；增加碳黑颗粒的掺杂浓度，从而减小聚酰亚胺的电阻，提高其导电特性；
6)在聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的上表面和下表面分别淀积形成上黏附层和下黏附层；
7)分别在上黏附层和下黏附层的表面淀积形成上金属层和下金属层，形成复合结构；
8)对复合结构进行裁剪，得到多个小尺寸的聚酰亚胺掺杂碳黑单元，从而作为敏感层；
9)当聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜受到压力作用时，由于受到压应力而产生形变，形变量为负值，聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜被压缩，内部的碳黑颗粒，跟随聚酰亚胺的链状结构运动，因此碳黑颗粒间距也减小，碳黑颗粒间的电阻下降，聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜在宏观层面表现为总电阻减小；根据压力影响薄膜内部的碳黑颗粒间距，从而影响聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的导电特性，测量基于聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的敏感层的导电特性，检测得到敏感层所受压力的大小。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤1)中，CB颗粒的单个颗粒直径小于300nm；CB颗粒的质量与PAA溶液的溶质质量的比例为8wt％～20wt％。
7.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，在步骤4)中，对基板逐级升温固化包括以下步骤：将基板放置在加热板上或者置于真空干燥箱中加热，第一阶段加热的最高温度范围是80℃～150℃，加热总时长为30min～120min，第二阶段加热的最高温度范围是180℃～200℃，加热总时长为30min～120min，第三阶段加热的最高温度范围是220℃～350℃，第三阶段加热总时长为30min～90min。
8.一种如权利要求3所述的基于聚酰亚胺掺杂碳黑的阵列式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
(1)制备得到基于聚酰亚胺掺杂碳黑复合薄膜的敏感层；
(2)制备上衬底层和下衬底层：
a)制备上衬底层
i.在上层衬底的表面形成嵌入至内部的多条行导线或列导线，每一条行导线对应于CB/PI二维阵列的一行，或者每一条列导线对应于CB/PI二维阵列的一列；
ii.在上层衬底的表面形成暴露在表面且位于行导线或列导线上的多个上接触电极，每一个上接触电极分别对应于CB/PI二维阵列的一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元；
iii.在上层衬底的表面形成暴露在表面的多个行引出电极或列引出电极，每一条行导线或每一条列导线分别连接至相应的行引出电极或列引出电极；上层衬底、行导线或列导线、上接触电极和行引出电极或列引出电极构成上衬底层；
b)制备下衬底层
i.在下层衬底的表面形成嵌入至内部的多条列导线或行导线，每一条列导线对应于CB/PI二维阵列的一列，每一条行导线对应于CB/PI二维阵列的一行；
ii.在下层衬底的表面形成暴露在表面且位于列导线或行导线上的多个下接触电极，每一个下接触电极分别对应于一个CB/PI二维阵列的一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元；
iii.在下层衬底的表面形成暴露在表面的多个列引出电极或行引出电极，每一条列导线或行导线分别连接至相应的列引出电极或行引出电极；下层衬底、列导线或行导线、下接触电极和列引出电极或行引出电极构成下衬底层；
(3)将下衬底层分别通过导电胶对准粘接CB/PI二维阵列下表面，使得每一个下接触电极分别粘接在一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元的下表面，每一条行导线或列导线连接CB/PI二维阵列的一行或一列上的聚酰亚胺掺杂碳黑单元；
(4)放置在恒温箱中加热，使导电胶固化；
(5)将上衬底层通过导电胶对准粘接CB/PI二维阵列上表面，使得每一个上接触电极分别粘接在一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元的上表面，每一条列导线或行导线连接CB/PI二维阵列一列或一行上的聚酰亚胺掺杂碳黑单元；
(6)将步骤(5)后形成的装置放入恒温箱中，进行加热处理，使导电胶固化；
(7)每一个行引出电极和列引出电极分别连接到信号调理电路相应的行选通电路的端口和列选通电路的端口；
(8)标定电学特性与压力关系；
(9)通过行扫描以及列扫描的方式，利用信号调理电路，依次对每一条行导线和列导线通电，位于行列交叉点的每一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元被依次选通，从而检测出CB/PI二维阵列中每一个聚酰亚胺掺杂碳黑单元的电学特性及其所在的位置，根据所标定的电学特性与压力关系，获得外界施加的压力大小及压力分布情况。
9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在步骤(2)中，采用柔性印制电路板的制备工艺，分别将多条行导线或列导线嵌入至上层衬底和下层衬底的内部，在上层衬底和下层衬底的表面形成暴露在表面且位于行导线和列导线上的多个上接触电极和下接触电极，以及分别在上层衬底和下层衬底的表面形成暴露在表面的多个行引出电极和列引出电极。
10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在步骤(8)中，标定电学特性与施加的压力大小关系包括以下步骤：
a)将受压元件放置在聚酰亚胺掺杂碳黑单元的上衬底层的外表面，其中，受压元件是坚硬规则物体，与上衬底层的接触面与聚酰亚胺掺杂碳黑单元的形状相同；
b)受压元件的另一端面与推拉力计的施压触头形状相同，与推拉力计的触头接触；
c)利用推拉力计，对受压元件施加从小到大的变化压力，对传感器中的每条行导线和列导线交叉点下的聚酰亚胺掺杂碳黑单元，进行电学特性的测试；
d)受压元件与CB/PI薄膜敏感单元尺寸相同，从而将所受压力精准地传递给正下方的聚酰亚胺掺杂碳黑单元；
e)对阵列中的每个聚酰亚胺掺杂碳黑单元逐一通过受压元件从小到大施加压力，并同时测量敏感单元聚酰亚胺掺杂碳黑单元的电阻值；
f)根据记录的各压力大小对应的电阻值，获得聚酰亚胺掺杂碳黑单元的压力-电阻拟合曲线。
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