CN112903150A - 一种具有串联结构的柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种具有串联结构的柔性压力传感器及其制备方法，属于压力传感器技术领域。解决了现有技术中的柔性压力传感器的线性响应范围小的技术问题。本发明的柔性压力传感器，包括第一弹性体薄膜、第二弹性体薄膜、第一导电层、第二导电层和导线；第一导电层、第二导电层分别沉积在第一弹性体薄膜、第二弹性体薄膜的表面，且相对放置，第一导电层上的每个第一导电区域和第二导电层上两个相邻的第二导电区域接触。该柔性传感器具有更为宽泛的线性范围，并且线性范围可以通过导电区域的数量调节，且能够通过调整导线的方向在同侧或异侧，可以更为灵活的设计连接和输出电路。

Description

一种具有串联结构的柔性压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于压力传感器技术领域，具体涉及一种具有串联结构的柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术

柔性压力传感器具有轻、薄、柔的特点，在可穿戴电子器件和复杂表面压力测试方面具有十分广阔的应用前景。基于接触电阻变化的压阻型柔性压力传感器具有结构和制备方法简单、灵敏度高、检测范围广、信号易读取和能量消耗低等特点，是柔性压力传感器的重要类型之一。该类型柔性压力传感器一般由具有表面微结构的柔性薄膜，以及沉积在其表面的导电层(如碳纳米管、金属纳米线、石墨烯、金属层、导电聚合物等材料及其复合材料)构成，传感器件通常基于“面对面”器件结构，利用微结构形变改变其接触面积和导电层的接触电阻，最终实现压力和电学信号的转换。实现具有宽线性响应范围(>100kPa)和高灵敏度的柔性压力传感器件，是该领域需要解决的重要问题。

除了表面微结构之外，器件的电学特性是影响柔性压力传感器灵敏度和线性测量范围等性能的关键因素。在“面对面”结构的柔性压力传感器中，传感器的总电阻包含导电层间的接触电阻以及导电层本身的寄生电阻。在传感器上施加压力时，微结构会发生挤压变形，此时导电层间的接触面积随压力增大而增加，而导电层本身的寄生电阻基本保持不变。在“面对面”结构的柔性压力传感器中，接触电阻随着压力迅速减小，接近甚至小于寄生电阻的阻值，因此极大的减小了柔性压力传感器电阻随压力变化的幅度，极大的降低了柔性压力传感器的敏感度和线性测量范围。基于上述原因，现有技术中的基于“面对面”结构的柔性压力传感器的线性响应范围较低，最大仅能达到20kPa。因此，发展新型柔性压力传感器结构，调节柔性压力传感器的寄生电阻和接触电阻，对于实现高灵敏度和宽线性响应范围的柔性压力传感器，推进柔性压力传感器在可穿戴电子器件、人机交互接口以及电子皮肤等领域的应用至关重要。

发明内容

本发明的目的是提供一种具有串联结构的柔性压力传感器及其制备方法，该柔性压力传感器可以调节寄生电阻和接触电阻的相对大小，有效提高柔性压力传感器的线性响应范围。

本发明实现上述目的所采取的技术方案如下。

本发明提供一种具有串联结构的柔性压力传感器，包括第一弹性体薄膜、第二弹性体薄膜、第一导电层、第二导电层和导线；

所述第一弹性体薄膜和第二弹性体薄膜均具有表面微结构；第一导电层沉积在第一弹性体薄膜具有表面微结构的表面上，且通过N条分隔线分割为M个相互独立的第一导电区域；第二导电层沉积在第二弹性体薄膜具有表面微结构的表面上，且通过P条分隔线分割为Q个相互独立的第二导电区域；第一导电层和第二导电层相对放置，且每个第一导电区域均接触相邻的两个第二导电区域；导线为两根，两根导线的一端分别连接第一弹性体薄膜或第二弹性体薄膜的两端，或者一根导线的一端连接第一弹性体薄膜的一端，另一根导线的一端连接第二弹性体薄膜的一端；

所述N≥1，M≥2，P≥0，Q≥1。

进一步的，分割第一导电层的分割线相互平行，且垂直于第一弹性体薄膜的长度方向，相邻的分割线的间距均相等；分割第二导电层的分割线相互平行，且垂直于第二弹性体薄膜的长度方向，相邻的分割线的间距均相等；第一导电层和第二导电层的分割线平行。

进一步的，所述分割线的间距均为300μm-10mm，分割线的宽度均为5μm-200μm。

进一步的，所述第一弹性体薄膜和第二弹性体薄膜的材料分别独立的为硅橡胶、环氧树脂或聚氨酯；第一弹性体薄膜的表面微结构和第二弹性体薄膜的表面微结构分别独立的为金字塔阵列、半球阵列、褶皱结构、仿荷叶结构、无规微结构中的一种或多种的组合，微结构的尺寸分别独立的为1μm-500μm；第一弹性体薄膜和第二弹性体薄膜的厚度分别独立的为100μm-5mm。

进一步的，所述第一导电层和第二导电层的材料分别独立的为导电材料或复合材料，复合材料为弹性体材料与导电材料的复合材料，导电材料为导电金属、导电聚合物、金属纳米线或导电碳材料，弹性体材料为聚氨酯、硅橡胶或环氧树脂；第一导电层和第二导电层的厚度分别独立的为10nm-20μm。

进一步的，所述导线为铜导线或铜箔，连接方式为接触连接、焊锡连接或导电银浆连接。

进一步的，N≥9，P≥8。

进一步的，所述第一弹性体薄膜和第二弹性体薄膜封装固定。

本发明还提供上述具有串联结构的柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、构建第一弹性体薄膜和第二弹性体薄膜；

步骤二、在第一弹性体薄膜具有表面微结构的表面沉积第一导电层，并在第二弹性体薄膜具有表面微结构的表面沉积第二导电层；

步骤三、将第一导电层分割为M个相互独立的第一导电区域，将第二导电层分割为P个相互独立的第二导电区域；

步骤四、将第一导电层和第二导电层相对放置，且每个第一导电区域均接触相邻的两个第二导电区域；

步骤五、将两根导线的一端分别连接第一弹性体薄膜或第二弹性体薄膜的两端，或者一根导线的一端连接第一弹性体薄膜的一端，另一根导线的一端连接第二弹性体薄膜的一端，得到具有串联结构的柔性压力传感器。

进一步的，步骤一中，构建方法为模板转印或自组装；步骤二中，沉积方法为真空蒸镀、超声喷涂、刷涂或刮涂；步骤三中，分割方法为激光刻蚀。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

1、本发明提供的具有串联结构的柔性传感器具有更为宽泛的线性范围，并且柔性传感器的线性范围可以通过导电区域的数量调节。

2、本发明提供的具有串联结构的柔性传感器能够通过调整导电的方向在同侧或异侧，可以更为灵活的设计连接和输出电路。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它的附图。

图1为本发明的具有串联结构的柔性压力传感器的结构示意图；

图中，1、第一弹性体薄膜，2、第二弹性体薄膜，3、第一导电层，3-1、第一导电区域，4、第二导电层，4-1、第二导电区域。

图2为本发明的具有串联结构的柔性压力传感器的制备方法的工艺流程图。

图3为本发明的具有串联结构的柔性压力传感器的分割线的结构示意图。

图4为本发明实施例1中，相同大小的薄膜上，切割成不同数量导电区域后柔性压力传感器的性能曲线的模拟计算图；(a)为原始模拟图，(b)为归一化曲线。

图5为本发明实施例1中，相同大小的薄膜上，切割成不同数量导电区域后柔性压力传感器的实际线性响应范围。

具体实施方式

为了进一步了解本发明，下面结合具体实施方式对本发明的优选实施方案进行描述，但是应当理解，这些描述只是为进一步说明本发明的特征和优点而不是对本发明专利要求的限制。

如图1所示，本发明的具有串联结构的柔性压力传感器，包括第一弹性体薄膜1、第二弹性体薄膜2、第一导电层3、第二导电层4和导线；其中，第一弹性体薄膜1和第二弹性体薄膜2均具有表面微结构；第一导电层3沉积在第一弹性体薄膜1具有表面微结构的表面上，且通过N条分割线分割为M个相互独立的第一导电区域3-1；第二导电层4沉积在第二弹性体薄膜2具有表面微结构的表面上，且通过P条分割线分割为Q个相互独立的第二导电区域4-1；第一导电层3和第二导电层4相对放置，且每个第一导电区域3-1均接触相邻的两个第二导电区域4-1；导线为两根，两根导线的一端分别连接第一弹性体薄膜1或第二弹性体薄膜2的两端，或者一根导线的一端连接第一弹性体薄膜1的一端，另一根导线的一端连接第二弹性体薄膜2的一端，具体由第一导电区域3-1和第二导电区域4-1的数量决定：当第一导电区域3-1与第二导电区域4-1的数量相同时，一根导线的一端连接第一弹性体薄膜1的一端，另一根导线的一端连接第二弹性体薄膜2的一端；当第一导电区域3-1比第二导电区域4-1的数量多1时，两根导线的一端分别连接在第一弹性体薄膜1的两端；当第一导电区域3-1比第二导电区域4-1的数量少1时，两根导线的一端分别连接在第二弹性体薄膜2的两端。通常，为保证第一弹性体薄膜1和第二弹性体薄膜2的相对位置不变，将第一弹性体薄膜1和第二弹性体薄膜2封装固定。

如图3所示，上述技术方案中，优选分割第一导电层3的分割线相互平行，且垂直于第一弹性体薄膜1的长度方向，相邻的分割线的间距均相等，为300μm-10mm；分割线的宽度为5μm-200μm。优选分割第二导电层4的分割线相互平行，且垂直于第二弹性体薄膜2的长度方向，相邻的分割线的间距均相等，为300μm-10mm；分割线的宽度为5μm-200μm。更优选第一导电层3和第二导电层4的分割线平行。

上述技术方案中，优选第一弹性体薄膜1和第二弹性体薄膜2的材料分别独立的为硅橡胶、环氧树脂或聚氨酯；优选第一弹性体薄膜1和第二弹性体薄膜2的表面微结构分别独立的为金字塔阵列、半球阵列、褶皱结构、仿荷叶结构、无规微结构中的一种或多种的组合，微结构的尺寸分别独立的为1μm-500μm；优选第一弹性体薄膜1和第二弹性体薄膜2的厚度分别独立的为100μm-5mm，长度分别独立的为20mm-50mm，宽度分别独立的为5mm-40mm。

上述技术方案中，优选第一导电层3和第二导电层4的材料分别独立的为导电材料或复合材料，复合材料为弹性体材料与导电材料的复合材料，导电材料为导电金属、导电聚合物、金属纳米线或导电碳材料，弹性体材料为聚氨酯、硅橡胶或环氧树脂；优选第一导电层3和第二导电层4的厚度分别独立的为10nm-20μm。

上述技术方案中，优选导线为铜导线或铜箔，连接方式为接触连接、焊锡连接或导电银浆连接。

上述技术方案中，N≥1，M≥2，优选N≥9，更优选N≥39。

上述技术方案中，P≥0，Q≥1，优选P≥8，更优选P≥38。

如图2所示，本发明的具有串联结构的柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、构建第一弹性体薄膜1和第二弹性体薄膜2；

其中，构建方法为现有技术，没有特殊限制，如模板转印、自组装等；

步骤二、在第一弹性体薄膜1具有表面微结构的表面沉积第一导电层3，并在第二弹性体薄膜2具有表面微结构的表面沉积第二导电层4；

其中，沉积方法为现有技术，没有特殊限制，如真空蒸镀、超声喷涂、刷涂、刮涂等；

步骤三、将第一导电层3分割为M个相互独立的第一导电区域3-1，将第二导电层4分割为P个相互独立的第二导电区域4-1；

其中，分割方法没有特殊限制，通常采用激光刻蚀的方法；

步骤四、将第一导电层3和第二导电层4相对放置，且每个第一导电区域3-1均接触相邻的两个第二导电区域4-1；

步骤五、将两根导线的一端分别连接第一弹性体薄膜1或第二弹性体薄膜2的两端，或者一根导线的一端连接第一弹性体薄膜1的一端，另一根导线的一端连接第二弹性体薄膜2的一端，得到具有串联结构的柔性压力传感器。

上述技术方案中，为保证第一弹性体薄膜1和第二弹性体薄膜2的相对位置不变，优选在步骤五之前，将第一弹性体薄膜1和第二弹性体薄膜2封装固定。

在本发明中所使用的术语，一般具有本领域普通技术人员通常理解的含义，除非另有说明。为了使本领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面将结合实施例对本发明作进一步的详细介绍。

在以下实施例中，未详细描述的各种过程和方法是本领域中公知的常规方法。下述实施例中所用的材料、试剂、装置、仪器、设备等，如无特殊说明，均可从商业途径获得。

以下结合实施例进一步说明本发明。

实施例1

具有串联结构的柔性压力传感器，包括第一弹性体薄膜1、第二弹性体薄膜2、第一导电层3、第二导电层4和导线；其中，第一弹性体薄膜1、第二弹性体薄膜2均具有表面微结构；第一导电层3沉积在第一弹性体薄膜1具有表面微结构的表面上，且通过N条分割线分割为M个相互独立的第一导电区域3-1；第二导电层4沉积在第二弹性体薄膜2具有表面微结构的表面上，且通过P条分割线分割为Q个相互独立的第二导电区域4-1；第一导电层3和第二导电层4相对放置，且每个第一导电区域3-1均接触相邻的两个第二导电区域4-1；导线为两根，两根导线的一端分别连接第一弹性体薄膜1的两端。为保证第一弹性体薄膜1和第二弹性体薄膜2的相对位置不变，将第一弹性体薄膜1和第二弹性体薄膜2封装固定。

其中，三次实验分割第一导电层3的分割线数量N分别为1、5、20，分割第一导电层3的分割线相互平行，且垂直于第一弹性体薄膜1的长度方向，相邻的分割线的间距均相等，三次实验分别为10mm、2mm、0.5mm；分割线的宽度相等，三次实验均为100μm。三次实验分割第二导电层4的分割线数量P分别为0、4、19，分割第二导电层4的分割线相互平行，且垂直于第二弹性体薄膜2的长度方向，相邻的分割线的间距均相等，三次实验分别为10mm、2mm、0.5mm；分割线的宽度相等，三次实验均为100μm。第一导电层3和第二导电层4的分割线平行。第一弹性体薄膜1和第二弹性体薄膜2的材料分别为硅橡胶；第一弹性体薄膜1和第二弹性体薄膜2的表面微结构为无规微结构，微结构的尺寸为20-100μm；第一弹性体薄膜1和第二弹性体薄膜2的厚度分别为300μm，长度分别为20mm，宽度分别为10mm。第一导电层3和第二导电层4的材料均为还原氧化石墨烯；第一导电层3和第二导电层4的厚度分别为1μm。导线为铜导线或铜箔，连接方式为接触连接、焊锡连接或导电银浆连接。

对实施例1的具有串联结构的柔性压力传感器进行性能模拟和检测。模拟和检测结果分别如图4和图5所示。图4为相同大小的薄膜上，切割成不同数量导电区域后柔性压力传感器的性能曲线的模拟计算图；(a)为原始模拟图，(b)为归一化曲线；从图4可以看出，随着切割区域数量增加(N＝0、3、9、27、81，P＝N-1)，具有串联结构的柔性压力传感器的线性度会明显变好。图5为相同大小的薄膜上，切割成不同数量导电区域后柔性压力传感器的实际线性响应范围；从图5可以看出，随着分割线N的数量从1条增加至39条时(P＝N-1)，具有串联结构的柔性压力传感器的线性响应范围明显变宽。

对所公开的实施例的上述说明，使本领域专业技术人员能够实现或使用本发明。对这些实施例的多种修改对本领域的专业技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本发明的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本发明将不会被限制于本文所示的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.具有串联结构的柔性压力传感器，其特征在于，包括第一弹性体薄膜(1)、第二弹性体薄膜(2)、第一导电层(3)、第二导电层(4)和导线；

所述第一弹性体薄膜(1)和第二弹性体薄膜(2)均具有表面微结构；第一导电层(3)沉积在第一弹性体薄膜(1)具有表面微结构的表面上，且通过N条分隔线分割为M个相互独立的第一导电区域(3-1)；第二导电层(4)沉积在第二弹性体薄膜(2)具有表面微结构的表面上，且通过P条分隔线分割为Q个相互独立的第二导电区域(4-1)；第一导电层(3)和第二导电层(4)相对放置，且每个第一导电区域(3-1)均接触相邻的两个第二导电区域(4-1)；导线为两根，两根导线的一端分别连接第一弹性体薄膜(1)或第二弹性体薄膜(2)的两端，或者一根导线的一端连接第一弹性体薄膜(1)的一端，另一根导线的一端连接第二弹性体薄膜(2)的一端；

所述N≥1，M≥2，P≥0，Q≥1。

2.根据权利要求1所述的具有串联结构的柔性压力传感器，其特征在于，分割第一导电层(3)的分割线相互平行，且垂直于第一弹性体薄膜(1)的长度方向，相邻的分割线的间距均相等；分割第二导电层(4)的分割线相互平行，且垂直于第二弹性体薄膜(2)的长度方向，相邻的分割线的间距均相等；第一导电层(3)和第二导电层(4)的分割线平行。

3.根据权利要求2所述的具有串联结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述分割线的间距均为300μm-10mm，分割线的宽度均为5μm-200μm。

4.根据权利要求1所述的具有串联结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述第一弹性体薄膜(1)和第二弹性体薄膜(2)的材料分别独立的为硅橡胶、环氧树脂或聚氨酯；第一弹性体薄膜(1)的表面微结构和第二弹性体薄膜(2)的表面微结构分别独立的为金字塔阵列、半球阵列、褶皱结构、仿荷叶结构、无规微结构中的一种或多种的组合，微结构的尺寸分别独立的为1μm-500μm；第一弹性体薄膜(1)和第二弹性体薄膜(2)的厚度分别独立的为100μm-5mm。

5.根据权利要求1所述的具有串联结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述第一导电层(3)和第二导电层(4)的材料分别独立的为导电材料或复合材料，复合材料为弹性体材料与导电材料的复合材料，导电材料为导电金属、导电聚合物、金属纳米线或导电碳材料，弹性体材料为聚氨酯、硅橡胶或环氧树脂；第一导电层(3)和第二导电层(4)的厚度分别独立的为10nm-20μm。

6.根据权利要求1所述的具有串联结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述导线为铜导线或铜箔，连接方式为接触连接、焊锡连接或导电银浆连接。

7.根据权利要求1所述的具有串联结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述N≥9，P≥8。

8.根据要求1所述的具有串联结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述第一弹性体薄膜(1)和第二弹性体薄膜(2)封装固定。

9.权利要求1-8任何一项所述的具有串联结构的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、构建第一弹性体薄膜(1)和第二弹性体薄膜(2)；

步骤二、在第一弹性体薄膜(1)具有表面微结构的表面沉积第一导电层(3)，并在第二弹性体薄膜(2)具有表面微结构的表面沉积第二导电层(4)；

步骤三、将第一导电层(3)分割为M个相互独立的第一导电区域(3-1)，将第二导电层(4)分割为P个相互独立的第二导电区域(4-1)；

步骤四、将第一导电层(3)和第二导电层(4)相对放置，且每个第一导电区域(3-1)均接触相邻的两个第二导电区域(4-1)；

步骤五、将两根导线的一端分别连接第一弹性体薄膜(1)或第二弹性体薄膜(2)的两端，或者一根导线的一端连接第一弹性体薄膜(1)的一端，另一根导线的一端连接第二弹性体薄膜(2)的一端，得到具有串联结构的柔性压力传感器。

10.根据权利要求9所述的具有串联结构的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤一中，构建方法为模板转印或自组装；步骤二中，沉积方法为真空蒸镀、超声喷涂、刷涂或刮涂；步骤三中，分割方法为激光刻蚀。

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