CN112924060B - 一种柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种柔性压力传感器及其制备方法。所述制备方法包括：以光敏树脂为原料，3D打印出具有点阵结构的基体；提供含导电材料的溶液，将所述基体置于所述溶液中，对含有所述基体的所述溶液进行超声处理，并对所述基体进行热固化处理，以在所述基体表面形成导电层；提供表面制备有电极的柔性基底，并将所述柔性基底与所述基体组装在一起，使得所述电极与所述导电层接触，得到柔性压力传感器。通过本发明提供的制备方制得的柔性压力传感器，导电颗粒与树脂基体之间结合强度高，具有较高的耐用性，同时还具有较高的灵敏度，传感器一致性高，且制备工艺简单。
Description
技术领域
本发明涉及电子传感器技术领域，具体而言，涉及一种柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
目前，市场上的压力传感器一般采用微电子机械加工技术(MEMS)，基于半导体工艺进行制备，其中主要包括光刻、封装等工艺，尽管制得的压力传感器具有测量精度高等优点，亦可以批量制作，但由于工艺复杂，成本高，制备难度大等缺点，不具有普适性。另外，采用MEMS制备方法难以制备出大面积的传感器，且制得的压力传感器通常为硬质，体积大、质量大，只能实现对平面压力的测量。
柔性压力传感器可以贴附在复杂曲面，在可穿戴设备和机器人等领域具有应用潜力。常见的柔性压力传感器使用压阻、电容、压电等传感机理进行设计。其中压阻式柔性压力传感器是将将外界压力转换为电阻信号，由于制备工艺和信号处理简单而得到广泛研究。柔性压力传感器通常是将高分子聚合物材料与纳米导电材料复合使用。高分子材料如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、共聚酯(Ecoflex)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)等用来作为基底材料，纳米导电材料如金属纳米颗粒、金属纳米线、炭黑、石墨烯和碳纳米管等常用来作为导电填料。通过将导电填料和高分子材料共混或表面涂层等方法，使高分子复合材料具有导电性。
现有技术中一般采用导电海绵、发泡PDMS或金属骨架牺牲模板等制备柔性压力传感器。然而，这些方法制得的传感器一致性较低，导电海绵式或利用发泡等方法不能对微孔形貌进行控制，且制备复杂、不可量产、不可大面幅生产等。
发明内容
本发明解决的问题是现有技术制备的柔性压力传感器存在一致性低、灵敏度低、耐用性差且制备工艺复杂、不易对微孔形貌进行控制等缺陷。
为解决上述问题中的至少一个方面，本发明提供一种柔性压力传感器的制备方法，包括：
以光敏树脂为原料，3D打印出具有点阵结构的基体；
提供含导电材料的溶液，将所述基体置于所述溶液中，对含有所述基体的所述溶液进行超声处理，并对所述基体进行热固化处理，以在所述基体表面形成导电层；
提供表面制备有电极的柔性基底，并将所述柔性基底与所述基体组装在一起，使得所述电极与所述导电层接触，得到柔性压力传感器。
较佳地，所述对含有所述基体的所述溶液进超声处理包括：使用超声探针对含有所述基体的所述溶液进行超声处理，其中，所述超声探针工作第一设定时间后停止第二设定时间，如此循环多次，所述超声探针工作总时长为1.5h。
较佳地，所述热固化处理的固化温度为100-120℃，固化时间为6-10h。
较佳地，所述以光敏树脂为原料，3D打印出具有点阵结构的基体包括：
使用设计软件进行点阵结构的设计建模，得到三维点阵结构模型；
使用切片软件对所述三维点阵结构模型进行切片处理，采用数字光投影、立体光固化成型、熔融沉积打印或墨水直写打印固化处于液态的所述光敏树脂，得到具有点阵结构的所述基体。
较佳地，所述含导电材料的溶液的配置过程包括：将所述导电材料溶于乙醇或去离子水中，制得所述溶液，其中，所述导电材料与所述乙醇或所述去离子水的质量比为1:50，所述导电材料包括碳纳米管、石墨烯、金属纳米颗粒、导电石墨和金属纳米线中的至少一种。
较佳地，在将所述基体置于所述溶液之前，还包括：对所述基体进行清洗并干燥。
较佳地，在将所述基体置于所述溶液之前，还包括：使用超声清洗机对所述溶液进行分散处理。
较佳地，在进行所述热固化处理之前，还包括：对经所述超声探针处理后的所述基体进行预先干燥处理。
较佳地，所述柔性基底包括聚酯薄膜、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷和共聚酯中的一种，所述电极包括叉指电极。
本发明提供的柔性压力传感器的制备方法相比现有技术，具有的有益效果如下：
本发明通过设计三维点阵结构，并采用3D打印工艺进行模型打印，使用超声探针将导电颗粒牢固附着在打印的点阵模型表面，并使用热固化的方式，进一步提升导电颗粒与树脂基体的结合强度。通过本发明提供的制备方制得的柔性压力传感器，导电颗粒与树脂基体之间结合强度高，具有较高的耐用性，同时还具有较高的灵敏度，传感器一致性高，且制备工艺简单。
本发明还提供一种柔性压力传感器，采用如上所述的柔性压力传感器的制备方法制得。
附图说明
图1为本发明实施例中柔性压力传感器的制备方法流程图；
图2为本发明实施例中3D打印的具有点阵结构的基体的几种形貌；
图3为本发明实施例1中柔性压力传感器制备的方法流程图；
图4为本发明实施例1制备的柔性压力传感器的压力循环测试曲线；
图5为本发明实施例1制备的柔性压力传感器的灵敏度测试曲线。
具体实施方式
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更为明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施例做详细的说明。
请参阅图1所示，本发明实施例提供一种柔性压力传感器的制备方法，包括：
以光敏树脂为原料，3D打印出具有点阵结构的基体；
提供含导电材料的溶液，将基体置于溶液中，使用超声探针进行处理，并对经超声探针处理后的基体进行热固化处理，以在基体表面形成导电层；
提供表面制备有电极的柔性基底，并将柔性基底与基体组装在一起，使得电极与导电层接触，得到柔性压力传感器。
点阵结构材料多孔、重量轻，点阵式的柔性压力传感器也具有薄、柔软的特点，尤其适用于可穿戴设备和机器人等领域。目前制备具有点阵结构的基体材料一般采用海绵或发泡的方式，但这些方式不能够对微孔形貌进行控制，且工艺复杂、速度慢、不能量产等，制备的传感器的一致性较差。
本实施例采用3D打印工艺制作出具有点阵结构的基体，如图2所示为本实施例打印的几种基体的形貌，不仅工艺简单、加工成本低，同时可以通过3D打印对微孔形貌进行控制，同时3D打印可以实现多个传感器同时打印，具有批量生产能力，且得到的传感器具有高度的一致性。
现有技术制备的柔性压力传感器在将柔性基体与导电填料复合时，一般采用表面涂覆导电颗粒的方式，如浸涂、喷涂或化学气相沉积(CVD)等，这些方法存在导电颗粒与基体结合不牢固、长时间循环测试后导电颗粒脱落导致器件性能下降等缺陷。
本实施例采用3D打印工艺制作好基体后，将基体置于导电溶液中进行超声处理，本实施例优选为超声探针处理，利用超声探针在含导电材料的溶液中空化作用产生的高速射流，将导电颗粒锚定在基体表面。由于液态的光敏树脂经3D打印固化而成的基体呈半固态，此时利用超声探针可以将导电颗粒牢固地附着在基体表面，并通过进一步地热固化处理，提升导电颗粒与树脂基体之间的结合强度，从而提高柔性压力传感器的耐用性。
另外，本实施例制得的柔性压力传感器由于具有三维点阵结构，在使用过程中，不仅具有点阵结构与电极之间接触导致的电阻变化，还具有三维点阵结构内部接触产生的电阻变化，相比现有技术中只有与电极间接触电阻的变化产生的传感效应相比，本实施例制得的柔性压力传感器灵敏性更高。
按照本发明，首先利用3D打印工艺制作出具有点阵结构的基体，本实施例给出其中一种实施方式，包括：
使用犀牛和grasshopper软件进行三维点阵结构的设计建模，得到三维点阵结构模型，并导出stl格式文件；
在切片软件中对上述stl格式的模型加支撑，并进行切片，切片厚度为0.1mm，设置打印参数，包括光强、曝光时间、停顿时间、提升速度等，在打印机的料盒中倒入一定量的光敏树脂原料聚氨酯丙烯酸酯，开始打印。可以采用数字光投影(DLP)3D打印机或立体光固化成型(SLA)3D打印机进行打印，得到具有点阵结构的基体。
进一步地，对基体进行清洗并干燥，具体包括：使用异丙醇对打印后的点阵模型进行清洗，并使用离心机在120r/min的转速下对点阵模型进行甩干，如此重复清洗和甩干三次，使用剪刀对基体进行去支撑处理，当然有些3D打印比如DLP 3D打印不用加支撑，自然不用进行去支撑处理。
按照本发明，其次进行基体表面导电层的制备，包括：
配置含导电材料的溶液，具体是将导电材料溶于乙醇或去离子水中。其中，导电材料与乙醇或去离子水的质量比为1:50，导电材料包括碳纳米管、石墨烯、金属纳米颗粒、导电石墨和金属纳米线中的至少一种。
优选地，为了将含导电材料均匀地分散在乙醇或去离子水溶液中，本实施例还使用超声清洗机对配置好的溶液进行分散处理，在超声清洗机的作用下，破坏导电颗粒的团聚，提高溶液的均匀分散程度。
然后将基体置于溶液中，使用超声探针进行处理，其中，超声探针处理过程中，超声探针工作时长达到第一设定时间后停止工作，停止时长第二设定时间，然后再继续工作，如此循环多次，以使得导电颗粒有充分的时间附着在基体表面，增加导电颗粒与基体之间的结合力。优选地，超声探针累计工作时长为1.5h，即所有第一设定时间之和。
进一步地，将经过超声探针处理后的基体进行初步干燥处理，使用离心机在120r/min的转速下对其进行甩干，处理时间为20s。而后将初步干燥后的基体置于特氟龙纸上，并一同置于100-120℃的烘箱中养护6-10h，进行热固化处理，在基体表面形成一层附着牢固的导电层。本实施例先通过超声探针处理再通过热固化处理，将导电颗粒锚定在树脂基体表面，通过光敏树脂的热固化反应，提升导电颗粒与树脂基体之间的结合力，进而提高压力传感器的耐用性。
按照本发明，最后进行压力传感器的组装。组装时，将表面制备有电极的柔性基底与基体组装在一起，将柔性基底与电极通过双面胶粘贴，再将电极与导电层接触，通过胶圈将粘贴有电极的柔性基底与基体固定，得到柔性压力传感器。其中，柔性基底包括聚酯薄膜(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和共聚酯(Ecoflex)中的一种，电极包括叉指电极。
本实施例制得的柔性压力传感器，通过设计三维点阵结构，并采用3D打印工艺进行模型打印，使用超声探针将导电颗粒牢固附着在打印的点阵模型表面，并使用热固化的方式，提升导电颗粒与树脂基体的结合强度。相比于在液态树脂中掺杂导电颗粒后再进行热固化的传统方案，本实施例中，导电颗粒分布在树脂基体的表层约1μm深度，且附着牢固，在实现良好导电性能的同时，不影响树脂基体的机械柔韧性。而传统方案中由于导电颗粒分散在整个基体材料中，导致基体材料的柔韧性下降。另外，本实施例相比传统的喷涂、浸涂等涂层方法，采用超声探针处理与热固化处理使得导电材料与基体的结合强度更高，导电颗粒在基体表面附着的更加牢固。
下面通过具体实施例对本发明进行详细的说明。
实施例1
请参照图3，本实施例提供一种柔性压力传感器的制备方法，包括：
1.使用犀牛和grasshopper软件建模，并保存为stl格式文件；
2.在切片软件中对上述stl格式的模型加支撑，并进行切片，设置打印参数；
3.配置一定量的光敏树脂原料，开始3D打印；
4.使用异丙醇对打印后的点阵模型进行清洗，使用离心机在120r/min的转速下甩干，重复清洗和甩干3次；
5.使用剪刀对模型进行去支撑处理；
6.将0.01gCNTs溶于0.5g酒精中或者将0.01gCNTs溶于0.5g去离子水中得到溶液，使用超声清洗机在37kHz、100％功率下对溶液进行分散处理30分钟；
7.将模型置于溶液中，使用超声探针进行处理，探针直径15mm，功率80％，工作3s停顿5s，处理总时长60分钟；
8.使用离心机甩干120r/min转速下处理20s；
9.将甩干后的点阵模型置于特氟龙纸上，放入烘箱在120℃养护8h；
10.将热固化后得到的点阵模型与叉指电极组装，得到点阵结构柔性压力传感器。
本实施例通过超声探针对打印后的半固化状态的点阵结构进行处理制得CNTs涂层，并通过热固化处理，加固涂层附着力，使得制得的压力传感器具有高耐久性。对本实施例制得的柔性压力传感器进行压力循环测试，循环曲线如图4所示，由图4可知，在10kPa、05Hz条件下，本实施例制得柔性压力传感器可以经历6万次以上压力循环而电信号不发生衰减，说明压力传感器的电-力学性能的稳定，反映出传感器表面的导电涂层非常牢固，在长时间的压力循环后仍未脱落。而现有技术中的压力传感器，在压力循环测试中，在150Pa、2.3Hz条件下，使电信号不发生衰减进行的压缩循环次数为35000次，在2.5kPa、0.5Hz条件下，使电信号不发生衰减进行的压缩循环次数仅10000次。
另外，对本实施例制得的柔性压力传感器进行灵敏度测试，同时以型号为FSR-400的商用压力传感器为对比，灵敏度曲线如图5所示，其中，图5中纵坐标ΔI/I0表示灵敏度，本工作代表本实施例制得的柔性压力传感器。由图5可知，本实施例制得的柔性压力传感器的灵敏度S1为1.02kPa-1，而传感器FSR-400的灵敏度S2为0.04kPa-1，由此可以看出，本实施例制得的柔性压力传感器具有较高的灵敏度，同时还具有较好的线性特性。
虽然本公开披露如上，但本公开的保护范围并非仅限于此。本领域技术人员在不脱离本公开的精神和范围的前提下，可进行各种变更与修改，这些变更与修改均将落入本发明的保护范围。
Claims (10)
1.一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：
以光敏树脂为原料，3D打印出具有点阵结构的基体；
将处于半固态状态的所述基体置于含导电材料的溶液中，使用超声探针对含有所述基体的所述溶液进行超声处理，以将导电颗粒牢固附着在打印的点阵模型表面，并对所述基体进行热固化处理，以在所述基体表面形成导电层；
提供表面制备有电极的柔性基底，并将所述柔性基底与所述基体组装在一起，使得所述电极与所述导电层接触，得到柔性压力传感器。
2.根据权利要求1所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述超声探针工作第一设定时间后停止第二设定时间，如此循环多次，所述超声探针工作总时长为1.5h。
3.根据权利要求1所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述热固化处理的固化温度为100-120℃，固化时间为6-10h。
4.根据权利要求1-3任一项所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述以光敏树脂为原料，3D打印出具有点阵结构的基体包括：
使用设计软件进行点阵结构的设计建模，得到三维点阵结构模型；
使用切片软件对所述三维点阵结构模型进行切片处理，采用数字光投影、立体光固化成型、熔融沉积打印或墨水直写打印固化处于液态的所述光敏树脂，得到具有点阵结构的所述基体。
5.根据权利要求1-3任一项所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述含导电材料的溶液的配置过程包括：将所述导电材料溶于乙醇或去离子水中，制得所述溶液，其中，所述导电材料与所述乙醇或所述去离子水的质量比为1:50，所述导电材料包括碳纳米管、石墨烯、金属纳米颗粒、导电石墨和金属纳米线中的至少一种。
6.根据权利要求1所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，在将所述基体置于所述溶液之前，还包括：对所述基体进行清洗并干燥。
7.根据权利要求1所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，在将所述基体置于所述溶液之前，还包括：对所述溶液进行分散处理。
8.根据权利要求2所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，在进行所述热固化处理之前，还包括：对经所述超声探针处理后的所述基体进行预先干燥处理。
9.根据权利要求1所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述柔性基底包括聚酯薄膜、聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷和共聚酯中的一种，所述电极包括叉指电极。
10.一种柔性压力传感器，其特征在于，采用如权利要求1-9任一项所述的柔性压力传感器的制备方法制得。
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