CN113008415A - 一种用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜及其制备方法和应用 - Google Patents

一种用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜及其制备方法和应用 Download PDF

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Abstract

本发明提供一种用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜及其制备方法和应用，复合薄膜包括贴合的A层膜和B层膜，所述A层膜的材料为有机硅胶、热塑性弹性体(TPE)或聚氨酯，所述B层膜的材料为聚氨酯、氢化苯乙烯‑丁二烯嵌段共聚物(SEBS)或热塑性弹性体(TPE)，所述A层膜的材料和B层膜的材料不同，所述A层膜的裸露面上具有微结构，所述微结构为以波阵面为基准的若干个不规则峰状凸起，所述波阵面与所述裸露面平行或重合。本发明的用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜能够增加复合薄膜的拉伸强度和韧性，提高薄膜剥离工艺的稳定性，而且保证传感器具有优良的性能。

Description

一种用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜及其制备 方法和应用
技术领域
本发明涉及压力传感器技术领域，具体涉及一种用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜及其制备方法和应用。
背景技术
可穿戴柔性压力传感器具有轻、薄、柔的特点，能够灵敏响应人体活动所产生的压力，在人体健康监测、疾病预诊断、运动监测、人机交互等方面均有着广泛的应用前景。通过在柔性薄膜表面构建表面微结构，是获得高性能压阻/压容柔性传感器十分有效的途径。比如在以往的报道中，研究者们采用硅模板(Adv.Mater.2014,26,3451-3458)获得金字塔型阵列的微结构表面，并获得了具有较高灵敏度(4.88kPa-1,响应范围<5.9kPa)的柔性压力传感器件。研究者们利用较为廉价的树叶(Adv.Funct.Mater.2017,27,1606066),织物(Adv.Mater.2014,26,1336-1342)，砂纸(ACS Nano 2018,12,2346-2354)等具有天然微结构的物品作为模板制备弹性体薄膜，同样也构建了性能优异的传感器件。柔性表面微结构一般通过具有表面微结构的模板转印获得，比如具有凹陷金字塔结构的硅模板，具有天然结构的树叶、织物或者砂纸等。在制备过程中，将可以固化成型的聚合物预聚体(通常为硅橡胶PDMS的预聚体)或者其他溶液浇筑/沉积/涂覆在这些模板表面，通过加热/光固化/溶剂挥发等获得薄膜，之后将得到的薄膜从模板上剥离下来，即可获得具有表面微结构的薄膜。
尽管通过模板转印的方式可以很方便的获得具有表面微结构的柔性薄膜，但是将薄膜从微结构基底剥离的时候，由于微结构会增大表界面，同时材料固化过程中会与基底形成较强的物理/化学键，因此基底与薄膜之间会存在比较强的粘附力。这使得实际制备柔性薄膜时，存在以下问题和矛盾。第一，从传感器应用的角度，一般需要减小柔性薄膜的厚度，发挥柔性传感器轻、薄、柔的特性，但是减小薄膜的厚度会降低其强度，无法克服界面粘附力而导致薄膜在剥离过程中断裂。第二，从传感器实际使用的角度，选择低模量、高弹性、形变恢复好的弹性体材料(比如PDMS)能够使得柔性传感器获得高灵敏度、快速响应和高稳定性等特性，但是该类型的弹性体材料的强度和韧性一般较差，在实际剥离中很容易因为裂纹或者受力集中而导致断裂。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术存在的不足之处而提供一种用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜及其制备方法和应用。
为实现上述目的，本发明采取的技术方案为：一种用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜，所述复合薄膜包括贴合的A层膜和B层膜，所述A层膜的材料为有机硅胶、热塑性弹性体(TPE)或聚氨酯，所述B层膜的材料为聚氨酯、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)或热塑性弹性体(TPE)，所述A层膜的材料和B层膜的材料不同，所述A层膜的裸露面上具有微结构，所述微结构为以波阵面为基准的若干个不规则峰状凸起，所述波阵面与所述裸露面平行或重合，所述峰状凸起的波峰和波谷的高度差为10～100μm，所述峰状凸起的波峰和波谷的宽度差为10～100μm，所述峰状凸起的密度为10k～1000k个/cm2，所述A层膜的厚度为20～200μm。
上述用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜通过贴合的A层膜和B层膜，A层膜具有高弹性、低模量和高弹性回复，保证传感器具有优良的性能，B层膜具有高强度和高韧性，由A层膜和B层膜复合得到的用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜提高复合薄膜的强度和韧性，能够增加了复合薄膜的在水平方向的拉伸强度和韧性，提高了薄膜剥离工艺的稳定性，继而可以在满足低厚度的同时提高剥离工艺的良率，而且保证传感器具有优良的性能。
优选地，所述B层膜的厚度为50～200μm。
发明人通过研究发现，当A层膜的厚度为20～200μm，B层膜的厚度为50～200μm时，能够更大程度的减少A层膜的厚度保证传感器具有优良的性能，并且能够增加复合薄膜的在水平方向的拉伸强度和韧性，提高膜剥离工艺的稳定性，继而可以在满足低厚度的同时提高剥离工艺的良率。
优选地，所述A层膜的材料为有机硅胶，所述B层膜的材料为聚氨酯。
发明人通过研究发现，以有机硅胶作为A层膜的材料，聚氨酯作为B层膜的材料，能够更大程度的减少A层膜的厚度保证传感器具有优良的性能，并且能够增加复合薄膜的在水平方向的拉伸强度和韧性，提高膜剥离工艺的稳定性，继而可以在满足低厚度的同时提高剥离工艺的良率。
优选地，所述聚氨酯由多元醇、扩链剂、交联剂、二异氰酸酯、催化剂原料制备得到，所述多元醇为聚己内酯、聚四氢呋喃、聚乙二醇、和聚丙二醇中的至少一种，所述扩链剂为1,4-丁二醇或乙二醇，所述交联剂包括甘油或三羟甲基丙烷，所述二异氰酸酯为4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯和六亚甲基二异氰酸酯中的至少一种，所述催化剂为二月桂酸二丁基锡或辛酸亚锡。
优选地，所述聚氨酯由包括聚己内酯、1,4-丁二醇和甘油的原料聚合得到，所述聚己内酯、1,4-丁二醇和甘油的重量比为聚己内酯：1,4-丁二醇：甘油＝(0.6～0.9:)：(0.8～1.2)：(0.4～0.6)。
优选地，所述聚氨酯由包括聚己内酯、1,4-丁二醇和甘油的原料聚合得到，所述聚己内酯、1,4-丁二醇和甘油的重量比为聚己内酯：1,4-丁二醇：甘油＝(0.75～0.9)：(0.8～1.2)：(0.4～0.6)。
发明人通过研究发现，选用由包括聚己内酯、1,4-丁二醇和甘油的原料聚合得到的聚氨酯，当聚己内酯、1,4-丁二醇和甘油的重量比为(0.75～0.9)：(0.8～1.2)：(0.4～0.6)时，用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜具有更好的机械性能。
本发明还提供一种上述任一所述微结构弹性体复合薄膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将A层膜的材料或原料通过浇筑、沉积或者涂覆在具有表面微结构的模板表面，通过加热、光固化或溶剂挥发的方式获得A层膜；
(2)将B层膜的材料或原料通过浇筑、沉积或者涂覆在具有表面微结构的模板表面，通过加热、光固化或溶剂挥发的方式获得B层膜；
(3)从模板表面剥离得到所述微结构弹性体复合薄膜。
本发明还提供上述任一所述微结构弹性体复合薄膜在压阻型柔性压力传感器中的应用。
本发明还提供一种压阻型柔性压力传感器，所述压力传感器包括上述任一所述微结构弹性体复合薄膜、导电层和叉指电极，所述导电层贴附在所述微结构弹性体复合薄膜的裸露面上，所述叉指电极和导电层相对设置。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜及其制备方法和应用，本发明的用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜具有以下优点；
(1)用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜通过使用双层薄膜结构，增加了复合薄膜的在水平方向的拉伸强度和韧性，提高了薄膜剥离工艺的稳定性，继而可以在满足低厚度的同时提高剥离工艺的良率；
(2)用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜对于传感器来说，起到关键作用的微结构部分依然是高弹性的聚合物材料，其在垂直薄膜方向的压缩行为不受影响，使得传感器具有快速响应、高灵敏度和高稳定性的特点；
(3)用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜利用双层薄膜，可以在不影响传感器性能的情况下调节薄膜的在水平方向上的模量、柔顺度，增加了调控薄膜特性的自由度；
(4)用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜利用双层薄膜提高薄膜的剥离工艺的稳定性，能够有效提高制备大面积柔性微结构薄膜的良率，进而提高批量化生产的效率。
附图说明
图1为本发明实施例的用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜的结构示意图。
图2为本发明实施例的压阻型柔性压力传感器的结构示意图。
图3为本发明实施例的用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜的机械性能示意图。
图4为本发明实施例的用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜的机械性能示意图。
图5为本发明实施例的压阻型柔性压力传感器循环性能示意图。
具体实施方式
为更好的说明本发明的目的、技术方案和优点，下面将结合具体实施例对本发明作进一步说明。
实施例1
作为本发明实施例的一种用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜(Bilyaer-B)，如图1所示，所述复合薄膜包括贴合的A层膜1和B层膜2，所述A层膜的材料为有机硅胶，所述B层膜的材料为聚氨酯，所述A层膜的裸露面上具有微结构3，所述微结构为以波阵面为基准的若干个不规则峰状凸起，所述波阵面与所述裸露面平行或重合，所述峰状凸起的波峰和波谷的高度差为40～80μm，所述峰状凸起的波峰和波谷的宽度差为40～80μm，所述峰状凸起的密度为15.6k～62.5k个/cm2，所述A层膜的厚度为150μm，所述B层膜的厚度为100μm；
所述聚氨酯由包括聚己内酯、1,4-丁二醇和甘油的原料聚合得到，所述聚己内酯、1,4-丁二醇和甘油的重量比为聚己内酯：1,4-丁二醇：甘油＝0.75：1：0.5。
本实施例所述微结构弹性体复合薄膜的制备方法，所述方法包括以下步骤：
(1)将A层膜的材料或原料通过浇筑、沉积或者涂覆在具有表面微结构的模板表面，通过加热、光固化或溶剂挥发的方式获得A层膜；
(2)将B层膜的材料或原料通过浇筑、沉积或者涂覆在具有表面微结构的模板表面，通过加热、光固化或溶剂挥发的方式获得B层膜；
(3)从模板表面剥离得到所述微结构弹性体复合薄膜。
实施例2
作为本发明实施例的一种用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜(Bilyaer-A)，本实施例与实施例1的唯一区别为：所述聚己内酯、1,4-丁二醇和甘油的重量比为聚己内酯：1,4-丁二醇：甘油＝0.60：1：0.5。
实施例3
作为本发明实施例的一种用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜(Bilyaer-C)，本实施例与实施例1的唯一区别为：所述聚己内酯、1,4-丁二醇和甘油的重量比为聚己内酯：1,4-丁二醇：甘油＝0.90：1：0.5。
实施例4
作为本发明实施例的一种压阻型柔性压力传感器，所述压力传感器包括实施例1所述微结构弹性体复合薄膜、导电层4和叉指电极5，所述导电层贴附在所述微结构弹性体复合薄膜的裸露面上，所述叉指电极和导电层相对设置。
对比例1
作为本发明实施例的一种用于柔性压力传感器的微结构弹性薄膜，本对比例与实施例1相比，唯一区别为：本对比例的微结构弹性薄膜的材料为有机硅胶，本对比例的微结构弹性薄膜的厚度为用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜的总厚度。
对比例2
作为本发明对比例的一种压阻型柔性压力传感器，本对比例与实施例4的唯一区别为：用对比例1的用于柔性压力传感器的微结构弹性薄膜替换实施例1所述微结构弹性体复合薄膜。
性能测试
1、测试实施例1-3的微结构弹性体复合薄膜、对比例1的微结构弹性薄膜的机械性能。
如图3所示，如图4所示，图3是直接测试实施例1-实施例3、对比例的样品的应力-应变曲线，测试得到的结果包括断裂长度和断裂强度。图4对带有缺口的样品进行测试，得到其应力-应变曲线，通过该结果来判断样品的撕裂强度，评价其韧性，样品宽度4mm，缺口的形状为直角三角形，最长边与样条长度方向的边重合，缺口三角形的高为2mm。
2、测试实施例4的压阻型柔性压力传感器、对比例2的压阻型柔性压力传感器的稳定性。
结果如图5所示，由图5可知，用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜应用在压阻型柔性压力传感器中具有很好的稳定性，而且电压范围大。
最后所应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (9)

1.一种用于柔性压力传感器的微结构弹性体复合薄膜，其特征在于，所述复合薄膜包括贴合的A层膜和B层膜，所述A层膜的材料为有机硅胶、热塑性弹性体或聚氨酯，所述B层膜的材料为聚氨酯、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物或热塑性弹性体，所述A层膜的材料和B层膜的材料不同，所述A层膜的裸露面上具有微结构，所述微结构为以波阵面为基准的若干个不规则峰状凸起，所述波阵面与所述裸露面平行或重合，所述峰状凸起的波峰和波谷的高度差为10～100μm，所述峰状凸起的波峰和波谷的宽度差为10～100μm，所述峰状凸起的密度为10k～1000k个/cm2，所述A层膜的厚度为20～200μm。
2.根据权利要求1所述的微结构弹性体复合薄膜，其特征在于，所述B层膜的厚度为50～200μm。
3.根据权利要求1所述的微结构弹性体复合薄膜，其特征在于，所述A层膜的材料为有机硅胶，所述B层膜的材料为聚氨酯。
4.根据权利要求3所述的微结构弹性体复合薄膜，其特征在于，所述聚氨酯由多元醇、扩链剂、交联剂、二异氰酸酯、催化剂原料制备得到，所述多元醇为聚己内酯、聚四氢呋喃、聚乙二醇、和聚丙二醇中的至少一种，所述扩链剂为1,4-丁二醇或乙二醇，所述交联剂包括甘油或三羟甲基丙烷，所述二异氰酸酯为4,4'-二环己基甲烷二异氰酸酯、异佛尔酮二异氰酸酯和六亚甲基二异氰酸酯中的至少一种，所述催化剂为二月桂酸二丁基锡或辛酸亚锡。
5.根据权利要求4所述的微结构弹性体复合薄膜，其特征在于，所述聚氨酯由包括聚己内酯、1,4-丁二醇和甘油的原料聚合得到，所述聚己内酯、1,4-丁二醇和甘油的重量比为聚己内酯：1,4-丁二醇：甘油＝(0.6～0.9:)：(0.8～1.2)：(0.4～0.6)。
6.根据权利要求4所述的微结构弹性体复合薄膜，其特征在于，所述聚氨酯由包括聚己内酯、1,4-丁二醇和甘油的原料聚合得到，所述聚己内酯、1,4-丁二醇和甘油的重量比为聚己内酯：1,4-丁二醇：甘油＝(0.75～0.9)：(0.8～1.2)：(0.4～0.6)。
7.一种如权利要求1-6任一所述微结构弹性体复合薄膜的制备方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：
(1)将A层膜的材料或原料通过浇筑、沉积或者涂覆在具有表面微结构的模板表面，通过加热、光固化或溶剂挥发的方式获得A层膜；
(2)将B层膜的材料或原料通过浇筑、沉积或者涂覆在具有表面微结构的模板表面，通过加热、光固化或溶剂挥发的方式获得B层膜；
(3)从模板表面剥离得到所述微结构弹性体复合薄膜。
8.如权利要求1-6任一所述微结构弹性体复合薄膜在压阻型柔性压力传感器中的应用。
9.一种压阻型柔性压力传感器，其特征在于，所述压力传感器包括如权利要求1-6任一所述微结构弹性体复合薄膜、导电层和叉指电极，所述导电层贴附在所述微结构弹性体复合薄膜的裸露面上，所述叉指电极和导电层相对设置。
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