CN112834087A

CN112834087A - 一种双层式柔性压力传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN112834087A
Application number: CN202110011550.3A
Authority: CN
Inventors: 刘锋; 郭宣啟; 吴伟光; 马丽筠; 李世峰; 雷骁
Original assignee: Wuhan University WHU
Current assignee: Wuhan University WHU
Priority date: 2021-01-06
Filing date: 2021-01-06
Publication date: 2021-05-25
Anticipated expiration: 2041-01-06
Also published as: CN112834087B

Abstract

本发明涉及一种双层式柔性压力传感器及其制备方法，该传感器依次由下柔性基底、下叉指电极层、敏感结构层、上叉指电极层、上柔性基底组成；其中，敏感结构层的上表面设置有带导电层的第一微纳结构，其下表面设置有带导电层的第二微纳结构，第一微纳结构与第二微纳结构在高度上存在显著差异，以此利用高度较小的微纳结构实现高灵敏度测量，利用高度较大的微纳结构实现宽量程测量。本发明中不同高度的微纳结构位于不同表面，避免了微纳嵌套结构加工困难、工艺稳定性和重复性差的问题。本发明的压力传感器具有高灵敏度、宽量程、制备工艺简单和易于产业化等特点。

Description

一种双层式柔性压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及柔性电子传感器技术领域，尤其涉及一种双层式柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术

柔性电子是将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性塑料或薄金属基板上的新兴电子技术，柔性电子以其独特的柔性、延展性以及高效、低成本制造工艺，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛的应用前景。

柔性压力传感器是柔性电子中的核心器件，当作用于柔性压力传感器的外力发生变化时，柔性传感器电路中电信号随之变化，从而实现对压力信号实时测量。基于电信号不同，柔性压力传感器可划为压阻式、压电式、电容式柔性压力传感器，其中，压阻式压力传感器因为简单、信号读取容易等特点是目前应用最为广泛的传感器。

敏感单元结构是决定压阻式柔性压力传感器性能的关键，采用微纳结构设计能有效提高传感器灵敏度，但会引起传感器线性量程的降低，从而影响传感器的应用范围。

实现高灵敏度和宽线性量程一直是柔性压力传感器研究的重点，采用多级嵌套结构可以同时实现柔性压力传感器的宽线性量程和高灵敏度，但这种微纳嵌套结构往往采用微电子工艺实现，加工过程困难，存在工艺复杂、成本高、重复性差等问题。

发明内容

针对上述问题，现提供一种双层式柔性压力传感器及其制备方法，旨在提供一种工艺简单、适用于大批量生产，同时兼具高灵敏度及宽量程的双层式柔性压力传感器。

具体技术方案如下：

本发明的第一个方面是提供一种双层式柔性压力传感器，具有这样的特征，包括：

下柔性基底；

上柔性基底，上柔性基底与下柔性基底相对设置；

下叉指电极层，下叉指电极层附着于下柔性基底的内侧；

上叉指电极层，上叉指电极层附着于上柔性基底的内侧；

敏感结构层，敏感结构层上表面设置有第一微纳结构，且敏感结构层的下表面上设置有第二微纳结构，敏感结构设置于下叉指电极层及上叉指电极层之间；

其中，第一微纳结构的高度与第二微纳结构的高度的比值不小于5。

上述的双层式柔性压力传感器，还具有这样的特征，敏感结构层由柔性衬底、上导电层及下导电层组成，上导电层设置于柔性衬底的上表面，下导电层设置于柔性衬底的下表面。

上述的双层式柔性压力传感器，还具有这样的特征，柔性衬底由聚二甲基硅氧烷、热塑性弹性体或硅胶制成。

上述的双层式柔性压力传感器，还具有这样的特征，上导电层及下导电层由碳黑、石墨烯、碳纳米管、纳米银颗粒、银纳米线制成。

上述的双层式柔性压力传感器，还具有这样的特征，下柔性基底及上柔性基底由聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷或者聚酰亚胺制成。

上述的双层式柔性压力传感器，还具有这样的特征，下叉指电极层及上叉指电极层由导电性金属材料或非金属导电材料制成。

本发明的第二个方面是提供一种上述双层式柔性压力传感器的制备方法，具有这样的特征，包括如下步骤：

1)取下柔性基底，采用印刷工艺在下柔性基底的内侧制备一层下叉指电极层；

2)取柔性衬底，采用模板压印工艺或激光直写工艺在柔性衬底的上、下表面分别加工出第一微纳结构、第二微纳结构；

3)采用喷涂法或浸泡法在柔性衬底的上、下表面均匀涂覆上导电层、下导电层，形成敏感结构层；

4)取上柔性基底，采用印刷工艺在上柔性基底的内侧制备一层下叉指电极层；

5)从下往上依次将带有下叉指电极层的下柔性基底、敏感结构层、带有上叉指电极层的上柔性基底叠加并封装，即可获得双层式柔性压力传感器。

上述方案的有益效果是：

1)本发明中敏感结构层的上、下表面分别具有高度较小的第一微纳结构和高度较大的第二微纳结构，这使得当外力较小时，较小高度的第一微纳结构起作用，从而引起电信号的改变，以实现柔性传感器的高灵敏度；而当外力增加到一定程度时较大高度的第二微纳结构起主要作用，从而引起电信号的改变，以实现柔性传感器的宽量程；

2)本发明中将高度不同的微纳结构分别加工在敏感结构层的上、下表面，以避免现有嵌套结构难以加工、重复性差的问题，而采用模板压印工艺或激光直写工艺制备微纳结构可实现微纳结构的大幅面加工，结合丝网印刷工艺制备柔性压力传感器电极层，整体制备工艺简单，适合大批量生产。

附图说明

图1为本发明中提供的双层压阻式柔性压力传感器的结构示意图；

图2为本发明中提供的双层压阻式柔性压力传感器的制备流程示意图；

图3为本发明的实施例1中提供的敏感结构层的俯视图(a)及仰视图(b)；

附图中：1、下柔性基底；2、下叉指电极层；3、敏感结构层；301、下导电层；302、柔性衬底；303、上导电层；4、上叉指电极层；5、上柔性基底。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

下面结合附图和具体实施例对本发明作进一步说明，但不作为本发明的限定。

如图1、图2所示，本发明中提供的双层式柔性压力传感器的制备包括如下步骤：

1)、取下柔性基底1，采用印刷工艺在下柔性基底1的内侧制备一层下叉指电极层2；

2)、取柔性衬底302，采用模板压印工艺或激光直写工艺在柔性衬底302的上、下表面分别加工出高度明显不同的第一微纳结构、第二微纳结构；

3)、采用喷涂法或浸泡法在柔性衬底302的上、下表面均匀涂覆上导电层303、下导电层301，至此敏感结构层3制备完成；

4)、取上柔性基底5，采用印刷工艺在上柔性基底5的内侧制备一层下叉指电极层4；

5)、从下往上依次将带有下叉指电极层2的下柔性基底1、敏感结构层3、带有上叉指电极层4的上柔性基底5叠加并封装，即可获得双层式柔性压力传感器；

其中，第一微纳结构的尺度与第二微纳结构的尺度明显不同；

其中，下柔性基底及上柔性基底由聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或者聚酰亚胺(PI)制成；下叉指电极层及上叉指电极层由导电性金属材料(如铜、铝、银、金等)或导电性非金属材料(如氧化铟锡)制成；敏感结构层由聚二甲基硅氧烷(PDMS)、热塑性弹性体(TPE)或硅胶制成；上导电层及下导电层由碳黑、石墨烯、碳纳米管、纳米银颗粒、银纳米线制成。

下面结合具体实施例对本发明的技术方案作进一步说明。

实施例1

一种双层式柔性压力传感器，其制备包括如下步骤：

1)、采用丝网印刷工艺将碳纳米管导电油墨印刷在10mm×10mm×0.1mm的PI基底上，形成一层厚度为12μm、线宽和线距均为100μm的下叉指电极层；

2)、先采用能量密度为0.5J/cm²、脉宽为280fs、线扫描速度为20mm/s、重叠率为80％的飞秒激光(波长1064nm)在PDMS上表面划槽(槽宽为30μm、间距200μm、槽深100μm)形成第一微纳结构；随后调整能量密度为0.2J/cm²、脉宽为280fs、线扫描速度为50mm/s、重叠率为80％，再在PDMS另一表面进行激光刻槽(槽宽为30μm、间距40μm、槽深20μm)形成第二微纳结构；

3)、采用喷涂法在经步骤2)加工的PDMS上、下表面喷涂纳米银颗粒，形成上导电层、下导电层；

4、采用丝网印刷工艺将碳纳米管导电油墨印刷在10mm×10mm×0.1mm的PET基底上，形成一层厚度为12μm、线宽和线距均为100μm的上叉指电极层；

5)、从下往上依次将带有下叉指电极层的PI基底、带有纳米银导电膜和微纳结构的PDMS衬底、带有上叉指电极层的PET基底叠加在一起，再用环氧树脂胶封装形成双层式柔性压力传感器的组装。

实施例2

一种双层式柔性压力传感器，其制备包括如下步骤：

1)、采用丝网印刷工艺将导电银浆印刷在10mm×10mm×0.1mm的PDMS基底上，形成一层厚度为12μm、线宽和线距均为100μm的下叉指电极层；

2)、以表面具有宽为30μm、深度为100μm、间距为200μm的微槽的铜板作为上模板，表面具有宽为30μm、深度为20μm、间距为40μm的微槽的铜板作为下模板，控制模板间距约1mm，随后将TPE加热至熔化状态，将液态TPE倒入模板间，冷去固化后剥离铜模板，得到上下表面带有不同尺度微槽结构的TPE膜；

3)、配制出浓度为0.005g/mL石墨烯溶液，将经过步骤2)加工的TPE膜浸泡在石墨烯溶液中6小时，使石墨烯覆盖在TPE膜表面，取出TPE膜，烘干，使石墨烯紧密依附在TPE表面，形成上导电层、下导电层；

4、采用丝网印刷工艺将导电银浆印刷在10mm×10mm×0.1mm的PDMS基底上，形成一层厚度为12μm、线宽和线距均为100μm的上叉指电极层；

5)、从下往上依次将带有下叉指电极层的PDMS基底、带有石墨烯纳米导电膜和微纳结构的TPE膜、带有上叉指电极层的PDMS基底叠加在一起，再用硅胶封装形成双层式柔性压力传感器的组装。

以上仅为本发明较佳的实施例，并非因此限制本发明的实施方式及保护范围，对于本领域技术人员而言，应当能够意识到凡运用本发明说明书及图示内容所作出的等同替换和显而易见的变化所得到的方案，均应当包含在本发明的保护范围内。

Claims

1.一种双层式柔性压力传感器，其特征在于，包括：

下柔性基底；

上柔性基底，所述上柔性基底与所述下柔性基底相对设置；

下叉指电极层，所述下叉指电极层附着于所述下柔性基底的内侧；

上叉指电极层，所述上叉指电极层附着于所述上柔性基底的内侧；

敏感结构层，所述敏感结构层上表面设置有第一微纳结构，且所述敏感结构层的下表面上设置有第二微纳结构，所述敏感结构层设置于所述下叉指电极层及所述上叉指电极层之间；

其中，所述第一微纳结构的高度与所述第二微纳结构的高度的比值大于5。

2.根据权利要求1所述的双层式柔性压力传感器，其特征在于，所述敏感结构层由柔性衬底、上导电层及下导电层组成，所述上导电层设置于所述柔性衬底的上表面，所述下导电层设置于所述柔性衬底的下表面。

3.根据权利要求2所述的双层式柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性衬底由聚二甲基硅氧烷、热塑性弹性体或硅胶制成。

4.根据权利要求2所述的双层式柔性压力传感器，其特征在于，所述上导电层及所述下导电层由碳黑、石墨烯、碳纳米管、纳米银颗粒、银纳米线制成。

5.根据权利要求1或2所述的双层式柔性压力传感器，其特征在于，所述下柔性基底及所述上柔性基底由聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷或者聚酰亚胺制成。

6.根据权利要求1或2所述的双层式柔性压力传感器，其特征在于，所述下叉指电极层及所述上叉指电极层由导电性金属材料或非金属导电材料制成。

7.权利要求2-6任一项所述双层式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)取下柔性基底，采用印刷工艺在所述下柔性基底的内侧制备一层下叉指电极层；

2)取柔性衬底，采用模板压印工艺或激光直写工艺在所述柔性衬底的上、下表面分别加工出第一微纳结构、第二微纳结构；

3)采用喷涂法或浸泡法在带有微纳结构的所述柔性衬底的上、下表面均匀涂覆上导电层、下导电层，形成敏感结构层；

4)取上柔性基底，采用印刷工艺在所述上柔性基底的内侧制备一层下叉指电极层；

5)从下往上依次将带有所述下叉指电极层的所述下柔性基底、所述敏感结构层、带有所述上叉指电极层的所述上柔性基底叠加并封装，即可获得所述双层式柔性压力传感器。