CN112729625B - 一种激光织构仿生电容式柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种激光织构仿生电容式柔性压力传感器及其制备方法，属于柔性压力传感器领域。仿生电容式柔性压力传感器从上至下依次包括上电极柔性基底、上电极导电层、柔性电介质层和下电极薄膜，所述上电极导电层为海绵状疏松多孔结构导电材料，所述柔性电介质层的A面为集成仿生蝴蝶鳞片层叠结构和仿生蛾眼结构阵列；所述柔性电介质层的B面为微孔结构阵列，所述柔性电介质层在传感器组装中A面在上，B面在下。通过激光对两种仿生结构进行织构，有效提升压力传感器的灵敏度和线性范围，制备方法简单、模板可控、加工速度快、重复性好、模板可重复使用、传感器灵敏度高、线性范围宽、检测限低。

Description

一种激光织构仿生电容式柔性压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于柔性压力传感器领域，具体涉及一种激光织构仿生电容式柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，随着柔性电子材料和传感技术的快速发展，柔性传感器在可穿戴器件、机器人皮肤、智慧家居等领域成为主要研究热点之一。柔性压力传感器是以信号传导的形式将外界压力刺激转化为电信号，并通过响应信号反映外界压力的大小的柔性电子器件，并因其良好的柔韧性和优秀的压力响应性能广泛应用于智能假肢、人机接口、医疗诊断和运动行为监测等。

柔性压力传感器根据响应特性的不同主要分为电阻式、压电式和电容式三种类型。其中，电容式柔性压力传感器具有温度稳定性好、动态响应优良、检测限低、空间分辨率高等优点，同时，压敏层的微结构化可以有效提高传感器的灵敏度等性能。然而，传统的微结构电容式柔性压力传感器存在微结构对灵敏度提升有限、单一结构响应范围小、制备方法复杂、模板优化再制备耗时等缺点，难以实现快速设计修改模板并快速制备微结构电容式柔性压力传感器。

受自然界生物所具有的独特结构启发，科研工作者研究仿生结构柔性压力传感器，从玫瑰花、荷叶和金榆叶等生物独特的表面微结构通过倒模等工艺制备了仿生微结构柔性压力传感器，然而，由于单一的仿生结构性能改善有限，也存在模板受生物模板限制难以复合多种仿生结构、制备过程复杂等缺点。

发明内容

本发明的目的在于针对现有技术中存在的问题，提供方法简单，制备周期短的一种激光织构仿生电容式柔性压力传感器及其制备方法，采用激光织构集成仿生蝴蝶鳞片层叠结构和仿生蛾眼结构阵列，实现高灵敏度的压力响应测试。

一种激光织构仿生电容式柔性压力传感器，从上至下依次包括上电极柔性基底(1)、上电极导电层(2)、柔性电介质层(3)和下电极薄膜(4)，所述上电极导电层(2)为海绵状疏松多孔结构导电材料，所述柔性电介质层(3)的A面为集成仿生蝴蝶鳞片层叠结构和仿生蛾眼结构阵列；所述柔性电介质层(3)的B面为微孔结构阵列，所述柔性电介质层(3)在传感器组装中A面在上，B面在下。

所述柔性电介质层(3)A面仿生蝴蝶鳞片结构的尺寸为450μm×750μm，仿生蛾眼结构的底面直径为100～150μm，仿生蛾眼结构的中心间距为150μm，每片仿生蝴蝶鳞片结构上的仿生蛾眼结构阵列数量为3×4，柔性电介质层(3)的尺寸为1cm×1cm，A面的仿生蝴蝶鳞片结构阵列数量为6×9，层叠部分的长度根据预拉伸量的不同为10～15μm，柔性电介质层(3)B面的微孔结构直径为150～200μm，微孔结构阵列数量为10×10，微孔中心间距为250～300μm。

所述仿生蛾眼结构位于仿生蝴蝶鳞片层叠结构的上表面。

一种激光织构仿生电容式柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)选择电介质层模板材料，制备模板材料溶液并进行固化处理；

(2)利用激光在电介质层模板上织构集成仿生蝴蝶鳞片结构及仿生蛾眼结构阵列；

(3)制备电介质层材料溶液进行预处理，电介质层模板预拉伸后，溶液旋涂于电介质层模板上进行固化处理，在柔性电介质层(3)A面获得平面分布的集成仿生蝴蝶鳞片结构和蛾眼结构阵列；

(4)再次利用激光在固化后的柔性电介质层(3)B面织构仿生蝴蝶鳞片结构以及微孔结构阵列；

(5)用预拉伸模具在柔性电介质层(3)B面进行固定，去除电介质层模板，释放预拉伸，使电介质层A面的仿生蝴蝶鳞片结构自然层叠；

(6)利用激光在柔性薄膜(5)表面诱导生成海绵状疏松多孔结构的导电材料；

(7)选择上电极柔性基底(1)材料，制备基底材料溶液后旋涂于柔性薄膜表面的海绵状疏松多孔结构导电材料上方，进行固化处理后将上电极柔性基底(1)与柔性薄膜(5)分离，完成上电极导电层(2)的制备和转移；

(8)按从上至下依次为上电极柔性基底(1)、上电极导电层(2)、柔性电介质层(3)和下电极薄膜(4)的顺序装配组成仿生电容式柔性压力传感器。

所述电介质层模板材料、电介质层材料和上电极柔性基底材料均为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，所述材料溶液由主剂和交联剂按照重量比(8～10)︰1配制而成，优选主剂和交联剂按照重量比10︰1。

所述激光采用CO₂激光，波长为10.6μm，激光光斑直径为30μm，激光功率为6W。

所述电介质层模板和预拉伸模具的预拉伸量为5％～10％。

所述柔性薄膜(5)为聚酰亚胺薄膜，所述利用激光在柔性薄膜表面诱导生成海绵状疏松多孔结构的导电材料为激光诱导石墨烯(LIG)。

所述上电极导电层(2)下表面具有粗糙表面，所述下电极薄膜(4)为ITO/PET薄膜。

与现有技术相比，本发明的突出优点在于：

1.本发明的制备工艺简单，成本低廉，激光织构模板速度极快；其中，仿生蛾眼微结构有利于降低传感器的检测限，提高对小压力的响应灵敏度，仿生蝴蝶鳞片层叠结构可以进一步扩大蛾眼结构的形变范围，有效提高传感器的测量线性范围，上电极导电层(2)具有的海绵状疏松多孔结构和仿生蝴蝶鳞片层叠结构可以在受压情况下与柔性电介质层(3)最上方的蛾眼结构形成的接触点数量逐渐增加，极板间距离持续变化的同时极板间的空气气隙体积也持续发生变化，有效提高传感器的灵敏度。

2.本发明利用CO₂激光在柔性电介质层模板表面织构集成仿生蝴蝶鳞片结构和仿生蛾眼结构阵列模板，制备过程简单，单片模板织构时间在30秒内，便于对仿生结构尺寸和分布等参数进行优化，易于批量制备。

3.在柔性电介质层(3)倒模完成后继续利用CO₂激光在柔性电介质层(3)B面织构仿生蝴蝶鳞片结构和微孔结构阵列，以便在后续步骤可以通过释放预拉伸应变获得仿生蝴蝶鳞片层叠结构，同时与微孔结构阵列配合，有效扩大传感器的测量线性范围。

4.本发明的压力敏感结构为仿生凸起微结构与仿生层叠结构的结合，利用微结构对小压力的灵敏响应实现传感器的低检测限及高灵敏度，利用层叠结构提高受压后微结构的形变阈值，实现传感器的宽线性范围，具有制备方法简单、模板可控、加工速度快、重复性好、模板可重复使用、传感器灵敏度高、线性范围宽、检测限低等优点。

附图说明

图1为激光织构仿生电容式柔性压力传感器示意图。

图2为激光织构集成仿生蝴蝶鳞片层叠结构及仿生蛾眼结构模板示意图。

图3为集成仿生蝴蝶鳞片及仿生蛾眼结构模板示意图。

图4为制备过程中层叠之前的集成仿生蝴蝶鳞片结构及仿生蛾眼结构柔性电介质层(3)及模板示意图。

图5为柔性电介质层(3)在模板上固化成型后利用激光在柔性介电层(3)B面织构仿生蝴蝶鳞片及微孔结构阵列示意图。

图6为柔性电介质层(3)成型后示意图。

图中，各标记为：1上电极柔性基底；2上电极导电层；3柔性电介质层；4下电极薄膜；5集成仿生蝴蝶鳞片层叠结构及仿生蛾眼结构模板；6柔性电介质层B面。

具体实施方式

为详细说明技术方案的技术内容、构造特征、所实现目的及效果，以下实施例将结合附图对本发明作进一步的说明。

实施例1

本实施例提供一种激光织构仿生电容式柔性压力传感器，包括多个仿生蝴蝶鳞片层叠结构和仿生蛾眼结构，如图1所示，所述激光织构仿生电容式柔性压力传感器示意图中，1为上电极柔性基底(1)、2为上电极导电层(2)、3为柔性电介质层(3)、4为下电极薄膜(4)，所述上电极导电层(2)为海绵状疏松多孔结构导电材料，所述柔性电介质层(3)的A面为集成仿生蝴蝶鳞片层叠结构阵列和仿生蛾眼结构阵列；所述柔性电介质层(3)的B面为微孔结构阵列。

实施例2

本实施例提供一种实施例1所述激光织构仿生电容式柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

(1)预处理：选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)为模板材料，制备PDMS溶液：将主剂和固化剂按照重量比10︰1在烧杯中混合后，用玻璃棒搅拌15min，放入真空箱中抽真空15min除去气泡备用；

(2)制备柔性电介质层(3)：取适量PDMS混合溶液旋涂在光滑培养皿上，固化后形成光滑薄膜。利用CO₂激光在光滑薄膜表面织构集成仿生蝴蝶鳞片结构和仿生蛾眼结构模板，加工过程如图2所示，集成仿生蝴蝶鳞片结构和仿生蛾眼结构模板三维示意图如图3所示，在模板织构完成后，首先对模板进行5％～10％的预拉伸处理，固定模板后再取适量预处理后的PDMS混合溶液旋涂在模板表面，固化后即为初步制备成型的柔性电介质层(3)，A面具有均匀分布的集成仿生蝴蝶鳞片结构和仿生蛾眼结构，如图4所示。继续利用CO₂激光在柔性电介质层(3)B面织构仿生蝴蝶鳞片结构及微孔结构阵列，如图5所示。用预拉伸容器固定住柔性电介质层(3)，去除模板，释放预拉伸应变，获得仿生蝴蝶鳞片层叠结构，如图6所示。实现柔性电介质层(3)的制备。

(3)制备上电极基底(1)和上电极导电层(2)：选择适当大小的聚酰亚胺(PI)薄膜，利用CO₂激光在薄膜上诱导生成激光诱导石墨烯(LIG)，再取预处理后的PDMS溶液旋涂在PI薄膜上的LIG区域，固化PDMS后形成薄膜，由于LIG与PDMS的结合力大于LIG与PI的结合力，将PDMS薄膜与PI薄膜分离后，LIG附着于PDMS下表面，实现上电极基底(1)和上电极导电层(2)的制备。

(4)组装仿生电容式柔性压力传感器：取大小适中的ITO/PET薄膜作为下电极薄膜(4)，将制备好的上电极基底(1)、上电极导电层(2)和柔性电介质层(3)按照顺序叠加组装，完成仿生电容式柔性压力传感器的制备。

本发明通过激光对两种仿生结构进行织构，有效提升压力传感器的灵敏度和线性范围，制备方法简单、模板可控、加工速度快、重复性好、模板可重复使用、传感器灵敏度高、线性范围宽、检测限低。尽管已经对上述各实施例进行了描述，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例做出另外的变更和修改，所以以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利保护范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构或等效流程变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围之内。

Claims (8)

1.一种激光织构仿生电容式柔性压力传感器，其特征在于从上至下依次包括上电极柔性基底、上电极导电层、柔性电介质层和下电极薄膜，所述上电极导电层为海绵状疏松多孔结构导电材料，所述柔性电介质层的A面为集成仿生蝴蝶鳞片结构和仿生蛾眼结构阵列；所述柔性电介质层的B面为微孔结构阵列，所述柔性电介质层在传感器组装中A面在上，B面在下；

所述柔性电介质层的A面仿生蝴蝶鳞片结构的尺寸为450μm×750μm，仿生蛾眼结构的底面直径为100～150μm，仿生蛾眼结构的中心间距为150μm，每片仿生蝴蝶鳞片结构上的仿生蛾眼结构阵列数量为3×4，柔性电介质层的尺寸为1cm×1cm，A面的仿生蝴蝶鳞片结构阵列数量为6×9，仿生蝴蝶鳞片中弯曲翘起部分的长度为10～15μm，柔性电介质层的B面的微孔结构直径为150～200μm，微孔结构阵列数量为10×10，微孔结构中心间距为250～300μm；

所述仿生蛾眼结构位于仿生蝴蝶鳞片结构的上表面。

2.如权利要求1所述一种激光织构仿生电容式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：

(1)选择制备电介质层模板的材料，制备模板材料溶液并进行固化处理，得到电介质层模板；

(2)利用激光在电介质层模板上织构集成仿生蝴蝶鳞片结构及仿生蛾眼结构阵列；

(3)选择制备电介质层的材料，制备电介质层溶液，将步骤(2)获得的电介质层模板预拉伸后，将电介质层溶液旋涂于电介质层模板上，进行固化处理，得到初步制备成型的柔性电介质层，并在柔性电介质层的A面获得平面分布的集成仿生蝴蝶鳞片结构和蛾眼结构阵列；

(4)再次利用激光在固化后的柔性电介质层的B面织构仿生蝴蝶鳞片结构以及微孔结构阵列；

(5)用预拉伸模具在柔性电介质层的B面进行固定，去除电介质层模板，释放预拉伸，使电介质层A面的仿生蝴蝶鳞片结构自然层叠；

(6)利用激光在柔性薄膜表面诱导生成海绵状疏松多孔结构的导电材料；

(7)选择上电极柔性基底材料，制备基底材料溶液后旋涂于柔性薄膜表面的海绵状疏松多孔结构导电材料上方，进行固化处理后将上电极柔性基底与柔性薄膜分离，完成上电极导电层的制备和转移；

(8)选择合适的柔性导电薄膜作为传感器的下电极薄膜，如ITO/PET薄膜；按从上至下依次为上电极柔性基底、上电极导电层、柔性电介质层和下电极薄膜的顺序装配组成仿生电容式柔性压力传感器。

3.如权利要求2所述一种激光织构仿生电容式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于所述模板材料、电介质层材料和上电极柔性基底材料均为聚二甲基硅氧烷。

4.如权利要求2所述一种激光织构仿生电容式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于所述模板材料溶液、电介质层材料溶液和基底材料溶液由主剂和交联剂按照重量比(8～10)︰1配制而成。

5.如权利要求2所述一种激光织构仿生电容式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于所述激光采用CO₂激光，波长为10.6μm，激光光斑直径为30μm，激光功率为6W。

6.如权利要求2所述一种激光织构仿生电容式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于所述电介质层模板和预拉伸模具的预拉伸量为5％～10％。

7.如权利要求2所述一种激光织构仿生电容式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于所述柔性薄膜为聚酰亚胺薄膜，利用激光在柔性薄膜表面诱导生成海绵状疏松多孔结构的导电材料为激光诱导石墨烯。

8.如权利要求2所述一种激光织构仿生电容式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于所述上电极导电层下表面具有粗糙表面，所述下电极薄膜为ITO/PET薄膜。

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