CN112903146B - 一种真皮基柔性压力传感器的制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种真皮基柔性压力传感器的制备方法及应用，该方法包括：将真皮材料作为柔性基底，通过纺丝技术制备电极层和介电层，将器械封装得到传感器；其中，电极层为直径0.15‑10μm的Ag纤维，Ag纤维的厚度与微结构的长度之比为2:5～2:3；介电层包括两层聚合物纤维以及两层纤维之间的ZnO层，聚合物纤维直径为0.15‑10μm、厚度为4‑15μm，ZnO层厚度小于1μm。本发明制备的柔性压力传感器，直接采用真皮作为柔性基底，充分利用真皮具有的微结构同时保留其舒适性、实用性、柔软性和耐用性；采用纺丝技术制备电极层和介电层，保护了真皮及其微结构；纤维状微结构还能够对电极层起固定作用，对介电层起支撑作用，增大柔性传感器的检测范围，提高检测限度和灵敏度。

Description

一种真皮基柔性压力传感器的制备方法及应用

技术领域

本发明涉及适用于人工智能的柔性触觉传感器技术领域，具体涉及一种真皮基柔性压力传感器的制备方法及应用。

背景技术

真皮是使用动物皮制作加工而成的一种传统的材料，质地柔软透气，可用于制作衣物、家具等物品，具有广泛的实用性，但是单纯的真皮材料不具备检测压力的能力，没有智能性。目前已有将真皮材料作为柔性压力传感器的柔性基底，柔性压力传感器以真皮作为柔性基底可以与沙发、鞋等表皮为真皮材料的物品结合用于检测坐姿、走姿等，具有广泛的用途。并且，真皮材料表面具有天然的微结构能提高柔性压力传感器的综合性能，例如提高传感器的灵敏度、检测范围，降低传感器迟滞。但是目前采用真皮材料直接作为柔性基底的柔性压力传感器，鲜有报道；现有应用较多的技术为：将真皮材料作为模板，复制出仿生薄膜作为柔性基底，例如中国专利申请CN109115282A中所公开。

电容式传感器结构紧凑，灵敏度高，由可变形的介电材料隔开的两层导电层组成，施加压力会引起介质变形，从而改变结构的电容并计算出压力的估计值。电容式压力传感器在使用过程中，介电层会产生磨损、变形或者在外界环境作用发生老化等现象，使其灵敏度不稳定，甚至变小。为了追求传感器的性能，目前电容式传感器的结构通常设计复杂，多层复杂的结构会覆盖或减弱真皮材料表面的纤维微结构，从而影响得到的柔性压力传感器的灵敏度和检测范围。

此外，现有制备电容式柔性压力传感器的工艺中，通常采用喷涂溅射、激光直写等工艺方法在基底薄膜上制备结构层(例如绝缘层、电极层)，然而喷涂溅射、激光直写的工艺方法会不适用于以真皮材料作为基底的电容式柔性压力传感器制备，因为这些工艺方法会对真皮材料造成伤害，还会对真皮材料表面的微结构造成破坏。另外现有相对复杂的制备过程会造成真皮材料产生退化现象。

发明内容

本发明旨在解决上述存在的至少部分技术问题，提供一种真皮基柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1，裁取真皮并预处理：将裁取的真皮材料进行预处理，作为传感器的柔性基底，所述真皮材料一面具有纤维状微结构；

S2，电极层的制备：S21，将Ag流体与有机高分子材料，在水浴加热下充分搅拌均匀，得到混合溶液；S22，将步骤S21获得的混合溶液经纺丝技术在所述柔性基底上纺制出直径为0.15-10μm的Ag纤维，且Ag纤维的厚度与所述纤维状微结构的长度之比为2:5～2:3；S23，在纺有Ag纤维的柔性基底背面用吸力机均匀地将Ag纤维吸附在柔性基底上，使Ag纤维与柔性基底的纤维状微结构进一步缠绕固定；S24，将步骤S23中纺有Ag纤维的柔性基底放置到干燥箱中，将Ag纤维烘干固化，增强其强度，并进一步将Ag纤维与真皮固定，得到纺有电极层的柔性基底；

S3，介电层的制备：S31，将有机高分子材料，在水浴加热下充分搅拌均匀；S32，将步骤S31获得的溶液经纺丝技术在基板(例如，玻璃板)上纺制出直径为0.15-10μm、厚度为4-20μm的聚合物纤维；S33，将步骤S32获得的聚合物纤维放置到装有鼓吹机的密闭容器中，将尺寸约为7-10nm的ZnO纳米棒固体粉末鼓吹，使ZnO纳米棒粉末均匀地沉积在聚合物纤维表面，所述ZnO纳米棒固体粉末的厚度小于1μm；S34，将步骤S31获得的溶液经纺丝技术在步骤S33获得样品上仿制出直径为0.15-10μm、厚度为4-20μm的聚合物纤维；S35，将步骤S34获得的样品放置到干燥箱中烘干固化，增强高分子纤维强度，得到介电层；

S4，器件封装：取两块步骤S2制备的纺有电极层的柔性基底作为传感器的基板，两个电极层相对设置，两个电极层中间夹上步骤S3制备的介电层，器件四周用封装胶封装，封装后放置到干燥箱中加热固化，得到所述真皮基柔性压力传感器。

进一步，所述步骤S22、步骤S32和步骤S34中所用的纺丝技术包括干法纺丝、湿法纺丝、静电纺丝和凝胶纺丝。

进一步，所述步骤S22、步骤S32和步骤S34中所用的纺丝技术中，纺丝电压设为17-22kv，纺丝速率设为0.5-0.7ml/h。

进一步，所述步骤S22中Ag纤维的厚度与所述纤维状微结构的长度之比为2:3。本发明探究了Ag纤维的厚度与所述纤维状微结构的长度存在最佳比例为2:3，在此比例下，制得的传感器具有最佳的灵敏度。

进一步，所述步骤S23中吸力机吸取固定的时间为5-10min，吸力的风量范围为5-10m³/min。吸力机的工作时间与风量大小对于最终获得传感器性能影响显著，吸力过小吸附效果不明显；吸力过大将纤维吸附过紧，对微结构固定作用减弱。

进一步，所述步骤S1中的真皮材料包括牛皮，羊皮，猪皮，兔皮和/或鳄鱼皮。

进一步，所述步骤S1中对真皮材料的预处理包括：将真皮材料经过鞣制工艺，得到一面光滑，另一面具有纤维状微结构的真皮材料。

进一步，所述真皮材料表面的纤维状微结构的长度大于3μm，具体的纤维长度可为3-15μm。

进一步，所述步骤S21和步骤S31中所用的有机高分子材料为PVDF、PAN、PU中的一种或几种。

进一步，所述步骤S24、步骤35以及步骤S4中的固化温度为80-100℃。

本发明还提供一种上述制备的真皮基柔性压力传感器的应用，所述真皮基柔性压力传感器应用于可穿戴式电子产品、健康医疗、软体机器人或人机交互设备等方面。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果如下：

1、本发明制备的“三明治”结构的柔性压力传感器，直接采用真皮作为柔性基底，充分利用真皮材料本身具有的天然微结构同时保留真皮的舒适性、实用性、柔软性和耐用性；采用纺丝技术制备夹在基底之间的电极层和介电层，保护了真皮材料表面的天然纤维微结构；同时纤维状微结构能够对电极层起到固定作用，对介电层起到支撑作用，增大了柔性传感器的检测范围，提高检测限度。

2、本发明负载在柔性基底上的电极层采用纺丝技术制备，保护了真皮的天然纤维微结构；呈丝状织物结构的电极层缠绕在真皮基底的纤维状微结构上，并通过吸力机将Ag纤维吸附纤维状微结构上，进一步使Ag纤维与柔性基底的纤维状微结构缠绕固定；采用高温固化，增强基底与电极层的强度，同时进一步将Ag纤维与真皮固定。电极层所用到的材料包括Ag和PVDF、PAN、PU等有机高分子材料；以有机高分子材料作为支撑纺制Ag纤维；纺丝制得的Ag纤维与真皮层表面的纤维状微结构部分缠绕，使得Ag纤维和纤维状微结构结构稳定，提高柔性传感器的循环稳定性；Ag纤维的厚度小于真皮基底的纤维状微结构的长度；另外Ag纺织纤维能够起到防辐射的作用。

3、本发明夹在电极层中间的介电层同样采用纺丝技术制备，介电层包含两部分，一部分是以高分子纺织得到的丝织物，另一部分是具有高介电常数的ZnO；丝织物所用到的材料包括PVDF、PAN、PU等，ZnO是尺寸为7-10nm左右的ZnO纳米棒；ZnO作为夹层，被包裹在高分子的丝织物中间；高分子丝织物起到介电层的隔离电极的作用，且丝状的多孔结构柔软易变形，能够实现对力的高灵敏度检测；ZnO作为一种高介电性材料，能够提高介电层整体的等效介电常数，提高柔性压力传感器的灵敏度，同时ZnO也是一种压电材料，具有高频率响应特性，加入ZnO能够实现柔性压力传感器对力的快速响应，缩短器件对力的响应时间。

4、本发明采用的真皮材料已经过鞣制工艺处理，处理后的真皮材料柔软易发生形变且耐使用；本发明所选用的真皮材料表面具有大于3μm的纤维状微结构；纤维状微结构能够对电极层起到固定作用，对介电层起到支撑作用，增大了柔性传感器的检测范围，提高检测限度。

5、本发明制备的“三明治”结构的传感器，结构简单，方便大规模生产。

本发明的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本发明的实践了解到。

附图说明

图1为本发明制备的真皮基柔性压力传感器的结构示意图。

图2为本发明实施例1制备的传感器灵敏度检测结果。

图3为本发明实施例1制备的传感器稳定性检测结果。

图4为本发明实施例2制备的传感器灵敏度检测结果。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步说明，但并不因此而限制本发明，需要说明的是，在不相冲突的前提下，以下描述的各实施例之间或各技术特征之间可以任意组合形成新的实施例。

本发明以下实施例中用到的主要材料，包括真皮材料、PVDF颗粒、DMF溶液、Ag流体、ZnO纳米棒来自于市售。实施例所用的主要仪器为：静电纺丝机(日本)，MECC,NANON-01A；吸力机、R8-91D；鼓吹机GZX-GF101-1-BS；干燥箱DZF-18。

本发明制备的真皮基柔性压力传感器的结构如图1所示，基于纤维状微结构的真皮基柔性压力传感器包括第一真皮基底1、第一电极层2、介电层3、第二电极层5、第二真皮基底6；所述电极层2位于真皮基底的纤维状微结构11上，并与纤维状微结构11部分缠绕固定；所述介电层3位于两层柔性电极层之间，所述介电层3中包含ZnO材料层4；所述电极层、介电层的实施制作均需要纺丝工序。

本发明提供的基于纤维状微结构的真皮基柔性压力传感器，采用真皮层为柔性基底，其表面具有纤维状微结构。电极层及介电层呈丝状织物结构，当外力作用在柔性压力传感器表面上时，传感器发生形变，电极层及介电层均发生形变，传感器的介电常数发生改变，随着外界压力的增加，上下两层结构的距离逐渐减小，接触面积逐渐增大，所有的变化均反映为传感器的电容变化；电容为此柔性压力传感器的输出信号。

实施例1

提供一种真皮基柔性压力传感器制备方法，包括如下步骤：

S1，裁取真皮：取大小为2cm×2cm的真皮材料作为柔性基底，纤维状微结构的长度(或高度)大约5μm左右；

S2，电极层制备：

S21，将Ag流体与PVDF溶液混合(Ag粒子浓度占溶液总浓度的5％)，在70℃水浴加热下充分搅拌均匀，其中PVDF溶液是将PVDF颗粒与DMF有机溶剂以质量比3：7在温度为70℃、搅拌速度为600rpm/min下配置得到的；

S22，将步骤S21中获得的Ag与有机高分子混合溶液经过静电纺丝在真皮基底的具有纤维状微结构的面上纺制出直径为0.7μm、厚度为2μm的Ag纤维，纺丝机采用的电压为17kv、速率为0.7ml/h；

S23，在纺有Ag纤维的真皮基底背面用吸力机采用小吸力(吸力风量为5-10m³/min)吸5min左右，将Ag纤维均匀地吸附在真皮上，使Ag纤维与真皮表面的纤维状微结构进一步缠绕固定；

S24，将步骤S23中纺有Ag纤维的真皮放置到干燥箱中，在80℃下将Ag纤维烘干固化，增强其强度，并进一步将Ag纤维与真皮固定；

S3，介电层制备：

S31，将PVDF高分子溶液在70℃水浴加热下充分搅拌均匀，其中PVDF溶液是将PVDF颗粒与DMF有机溶剂以质量比3：7在温度为70℃、搅拌速度为600rpm/min下配置得到的；

S32，将步骤S31中获得的PVDF溶液经过静电纺丝方法在玻璃板上纺制出直径为0.7μm、厚度5μm的PVDF纤维，纺丝机采用的电压为17kv、速率为0.7ml/h；

S33，将步骤S32获得的聚合物纤维放置到装有鼓吹机的密闭容器中，将尺寸约为7μm的ZnO纳米棒固体粉末鼓吹，使ZnO纳米棒粉末均匀地沉积在聚合物纤维表面，ZnO层的厚度小于1μm；

S34，将步骤S31中获得的高分子溶液经过静电纺丝方法在步骤S33获得的样品的ZnO层上纺制出直径为0.7μm、厚度5μm的PVDF纤维，纺丝机采用的电压为17kv、速率为0.7ml/h；

S35，将步骤S34获得的样品放置到干燥箱中80℃烘干固化，增强高分子纤维强度。

S4，器件封装：

取两块步骤S2中制备的纺有电极层的真皮基底作为柔性传感器的柔性基板，柔性基底上纺有的电极层相对设置，两个电极层之间夹上步骤S3制备的介电层，器件四周用封装胶封装，并放置到干燥箱中80℃加热固化。

通过以上S1-S4步骤得到基于微结构的真皮基柔性压力传感器装置。

实施例2

提供一种真皮基柔性压力传感器制备方法，包括如下步骤：

S1，裁取真皮：取大小为2cm×2cm的真皮材料作为柔性基底，纤维状微结构的长度(或高度)大约6μm左右；

S2，电极层制备：

S21，将Ag流体与PVDF、PU有机高分子溶液混合(Ag粒子浓度占溶液总浓度的5％)，在70℃水浴加热下充分搅拌均匀，其中有机高分子溶液是将质量比1:1的PVDF与PU混合颗粒与DMF有机溶剂以质量比3：7在温度为70℃、搅拌速度为600rpm/min下配置得到的；

S22，将步骤S21中获得的Ag与有机高分子混合溶液经过静电纺丝在真皮基底的具有纤维状微结构的面上纺制出直径为0.2μm、厚度为4μm的Ag纤维，纺丝机采用的电压为22kv、速率为0.5ml/h；

S23，在纺有Ag纤维的真皮基底背面用吸力机采用小吸力(吸力风量为5-10m³/min)吸10min左右，将Ag纤维均匀地吸附在真皮上，使Ag纤维与真皮表面的纤维状微结构进一步缠绕固定；

S24，将步骤S23中纺有Ag纤维的真皮放置到干燥箱中，在90℃下将Ag纤维烘干固化，增强其强度，并进一步将Ag纤维与真皮固定；

S3，介电层制备：

S31，将PVDF、PU高分子溶液在70℃水浴加热下充分搅拌均匀，其中PVDF、PU溶液是将质量比1:1的PVDF与PU混合颗粒与DMF有机溶剂以质量比3：7在温度为70℃、搅拌速度为600rpm/min下配置得到的；

S32，将步骤S31中获得的PVDF、PU溶液经过静电纺丝方法在玻璃板上纺制出直径为0.2μm、厚度6μm的PVDF、PU纤维，纺丝机采用的电压为22kv、速率为0.5ml/h；

S33，将步骤S32获得的聚合物纤维放置到装有鼓吹机的密闭容器中，将尺寸约为7μm的ZnO纳米棒固体粉末鼓吹，使ZnO纳米棒粉末均匀地沉积在聚合物纤维表面，ZnO层的厚度小于1μm；

S34，将步骤S31中获得的高分子溶液经过静电纺丝方法在步骤S33获得的样品的ZnO层上纺制出直径为0.2μm、厚度6μm的PVDF、PU纤维，纺丝机采用的电压为22kv、速率为0.5ml/h；

S35，将步骤S34获得的样品放置到干燥箱中80℃烘干固化，增强高分子纤维强度。

S4，器件封装：

取两块步骤S2中制备的纺有电极层的真皮基底作为柔性传感器的柔性基板，柔性基底上纺有的电极层相对设置，两个电极层之间夹上步骤S3制备的介电层，器件四周用封装胶封装，并放置到干燥箱中90℃加热固化。

通过以上S1-S4步骤得到基于微结构的真皮基柔性压力传感器装置。

对实施例1制备的压力传感器的灵敏度和稳定性进行了检测，结果如图2和图3所示，其中图2为传感器在100-1000KPa作用力下的灵敏度检测结果，图3为传感器在100Kpa力作用下加载/卸载力120次之后的稳定性检测结果。检测结果表明，本发明实施例1制备的压力传感器稳定性良好，灵敏度性能表现优异，100-1000KPa力下灵敏度S₁为0.08KPa^-1，响应时间约为20s，检测限为2g。本发明还对实施例2制备的压力传感器的灵敏度进行了检测，结果如图4所示。经检测，实施例2传感器在100-1000KPa作用力下的灵敏度S₂为0.49KPa^-1，灵敏度更为优异。

本发明制备的基于纤维状微结构的真皮基柔性压力传感器，在以真皮为主要材料的可穿戴式电子产品、健康医疗、软体机器人、人机交互等新兴领域具有广泛而重要的应用。

尽管已经示出和描述了本发明的实施例，本领域的普通技术人员可以理解：在不脱离本发明的原理和宗旨的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由权利要求及其等同物限定。

Claims (10)

1.一种真皮基柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，裁取真皮并预处理：

将裁取的真皮材料进行预处理，作为传感器的柔性基底，所述真皮材料一面具有纤维状微结构；

S2，电极层的制备：

S21，将Ag流体与有机高分子材料，在水浴加热下充分搅拌均匀，得到混合溶液；

S22，将步骤S21获得的混合溶液经纺丝技术在所述柔性基底上纺制出直径为0.15-10μm的Ag纤维，且Ag纤维的厚度与所述纤维状微结构的长度之比为2:5~2:3；

S23，在纺有Ag纤维的柔性基底背面用吸力机均匀地将Ag纤维吸附在柔性基底上；

S24，将步骤S23中纺有Ag纤维的柔性基底放置到干燥箱中，烘干固化，得到纺有电极层的柔性基底；

S3，介电层的制备：

S31，将有机高分子材料，在水浴加热下充分搅拌均匀；

S32，将步骤S31获得的溶液经纺丝技术在基板上纺制出直径为0.15-10μm、厚度为4-20μm的聚合物纤维；

S33，将步骤S32获得的聚合物纤维放置到装有鼓吹机的密闭容器中，将尺寸约为7-10nm的ZnO纳米棒固体粉末鼓吹，使ZnO纳米棒粉末均匀地沉积在聚合物纤维表面得到ZnO层，所述ZnO层的厚度小于1μm；

S34，将步骤S31获得的溶液经纺丝技术在步骤S33获得样品上仿制出直径为0.15-10μm、厚度为4-20μm的聚合物纤维；

S35，将步骤S34获得的样品放置到干燥箱中烘干固化，得到介电层；

S4，器件封装：

取两块步骤S2制备的纺有电极层的柔性基底作为传感器的基板，两个电极层相对设置，两个电极层中间夹上步骤S3制备的介电层，器件四周用封装胶封装，封装后放置到干燥箱中加热固化，得到所述真皮基柔性压力传感器。

2.如权利要求1所述的一种真皮基柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S22、步骤S32和步骤S34中所用的纺丝技术包括干法纺丝、湿法纺丝、静电纺丝和凝胶纺丝。

3.如权利要求2所述的一种真皮基柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S22、步骤S32和步骤S34中所用的纺丝技术中，纺丝电压设为17-22 kv，纺丝速率设为0.5-0.7 ml/h。

4.如权利要求1所述的一种真皮基柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S22中Ag纤维的厚度与所述纤维状微结构的长度之比为2:3。

5.如权利要求1所述的一种真皮基柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S23中吸力机吸取固定的时间为5-10 min，吸力的风量范围为5-10 m³/min。

6.如权利要求1所述的一种真皮基柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1中的真皮材料包括牛皮，羊皮，猪皮，兔皮，鳄鱼皮中任意一种；所述步骤S1中对真皮材料的预处理包括：将真皮材料经过鞣制工艺，得到一面光滑，另一面具有纤维状微结构的真皮材料。

7.如权利要求6所述的一种真皮基柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述真皮材料表面的纤维状微结构的长度为3-15μm。

8.如权利要求1所述的一种真皮基柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S21和步骤S31中所用的有机高分子材料为PVDF、PAN、PU中的一种或几种。

9.如权利要求1所述的一种真皮基柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S24、步骤35以及步骤S4中的固化温度为80-100℃。

10.一种真皮基柔性压力传感器的应用，其特征在于，所述真皮基柔性压力传感器采用权利要求1-9任一项所述的制备方法制备而成，所述真皮基柔性压力传感器应用于可穿戴式电子产品、健康医疗、软体机器人或人机交互设备中。

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