CN113125054B - 一种柔性压力传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种柔性压力传感器以及相应的制造方法，相对于现有的一些具有锥形或球形微阵列结构的触觉(压力)检测器件，在不损失自身功能的前提下明显降低了传感器厚度。针对不同应用领域的需要，本发明所提供的柔性压力传感器可以被制造成具有特定的曲度，以适应各种异形安装面的共形设置，通过调节电容阵列如密度等的排布方式，也可提供不同的灵敏度与分辨率指标，从而大大拓宽了其未来潜在的应用范围。本发明的制造方法相对于现有技术，省略了制备纳米管薄膜或微凸起结构等的复杂工艺，较好地保证了良率。全过程都可采用现有的商业化设备，而不需要对现有设备改造或升级，从而能够降低生产成本。

Description

一种柔性压力传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及柔性压力传感检测技术领域，尤其涉及一种具有PDMS薄膜结构的柔性压力传感器。
背景技术
相对于传统半导体基的压力传感器来说，新型的柔性压力传感器能够明显改善其刚性和不可弯曲性的缺点，从而大大拓宽了压力传感器在多种触觉检测场景，尤其是在可穿戴和可植入智能电子设备等新兴技术领域的应用。
然而，现有的一些适用于触觉检测的柔性压力传感器在制造过程中尚存在一些较为明显的问题与缺陷。比如，专利申请CN108225625A中提供了一种柔性压力传感器的制备方法，首先是制备圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜；对碳纳米管粉末进行预处理；制备预制碳纳米管薄膜；从所述预制碳纳米管薄膜剥离出碳纳米管薄膜；将所述碳纳米管薄膜风干；将所述碳纳米管薄膜置于所述圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜上，并在180-220℃温度下加热20-40分钟；制备半固化平滑PDMS薄膜；将所述半固化平滑PDMS薄膜贴合在所述碳纳米管薄膜和圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜上，并在70-90℃温度下加热20-30分钟，得到柔性压力传感器。可以看出这种制备过程极为繁琐，在一定程度上会对大规模生产产生制约。专利CN106092386B中提出的柔性压力传感器的制造过程虽然比较简化，有利于大规模批量化生产的目的，但其与常见的诸多触觉传感器一样，还无法实现对压力源物体类型的识别，也限制了触觉检测进一步向仿生化、智能化的高级阶段的发展。
发明内容
针对上述现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种适用于触觉检测的柔性压力传感器，包括：
两层相同形状的PDMS柔性衬底层；
每层所述PDMS柔性衬底层上以相同的排列方式间隔设置多个平面图案化电极区。比如，可在每个形状相同的PDMS柔性衬底层上的多个相同位置，以相同的规律或者随机性地设置上述平面图案化电极区；
每个所述平面图案化电极区均设置有电极引线；
每层所述PDMS柔性衬底层的一个面上还具有一层PDMS膜。通过该PDMS膜，使得不同的PDMS柔性衬底层之间对应的平面图案化电极区能够相互分离，以构成多个电容结构；不同PDMS柔性衬底层上不具有平面图案化电极区的对应部分则可相互贴附。
上述柔性压力传感器在受到外部接触压力刺激时，其中的多个电容结构响应于压力而产生电容的变化，从而可以生成相应的压力检测信号。根据胡克定律可知：材料在弹性变形阶段，其应力和应变成正比例关系，此比例系数称为弹性模量。在此基础上，通过本发明所提供的柔性压力传感器，在对接触物体所施加的压力实现检测的同时，也能够借助于多个平面图案化电极区组成的微电容阵列，对接触物体发生的应变进行检测，由此即可计算出该物体材料的弹性模量，并进一步达到识别对应的材料与物体种类的目的。当然，实现这种识别可能还需要与必要的信号传输、运算处理等硬件或软件的配合，在检测前对本发明所提供的柔性压力传感器进行相应的标定过程也是不可或缺的，通过弹性模量识别物体可采用查表等的多种方式，但这都是本领域技术人员基于本发明构思在不付出创造性劳动地前提下容易实现的。
故利用本发明所提供的柔性压力传感器，还可提供以下接触压力检测与接触物体识别方法，具体包括以下步骤：
步骤一、检测所述接触物体与所述柔性压力传感器接触时施加的压力；
步骤二、检测所述接触物体在施加压力时发生的形变；
步骤三、基于检测得到的所述压力与形变，计算接触物体材料的弹性模量；
步骤四、根据计算得到的弹性模量，识别所述接触物体的种类。
进一步地，所述PDMS柔性衬底层为曲面。对于一些特定的应用场景，比如柔性压力传感器在用于可穿戴设备、机械手等仿生装置进行触觉检测时，对传感器与设置面之间共形设置具有较高要求，因此通过不同曲度的柔性传感器能够更好的拓展本发明所提供的柔性压力传感器的应用范围。
进一步地，所述平面图案化电极区的形状和/或尺寸和/或排布方式与所述柔性压力传感器的灵敏度和分辨率之间具有相关性。由于每两层中对应的每组平面图案化电极区均构成了一个微电容结构，因此每个电极区的形状、面积等尺寸大小均会影响单个微电容结构的性能参数，同时多个电容结构所组成的阵列式电容排布也会进一步对整个传感器的灵敏度与分辨率产生影响，从而能够满足不同的测量精度需求。比如，所述平面图案化电极区的厚度可进一步地选择为5～1000nm，根据对各电容结构性能的实际需要进行十分灵活地调整。
进一步地，所述PDMS柔性衬底层以及PDMS膜的材料采用二甲基硅氧烷与固化剂的组合物；其中，二甲基硅氧烷与固化剂的比例选择为20：1～5:1。
进一步地，所述PDMS柔性衬底层的厚度选择为5～500μm。
所述PDMS柔性衬底层长度、宽度根据具体应用场景以及所需传感器的实际大小需要，可以十分灵活地进行裁剪和设计。
相应地，本发明还提供了一种柔性压力传感器的制造方法，具体包括以下步骤：
步骤一、在模具中灌注PDMS材料，控制温度形成不完全固化状态的PDMS柔性衬底层；
步骤二、在掩膜板的辅助下利用热蒸镀工艺，在所述不完全固化状态的PDMS柔性衬底层上镀纳米金层，以形成间隔设置的多个平面图案化电极区；
步骤三、在每个所述平面图案化电极区引出相应的电极引线；
步骤四、在所述不完全固化状态的PDMS柔性衬底层的一个表面上旋涂PDMS材料，形成一层PDMS膜，并使所述PDMS柔性衬底层与PDMS膜完全固化；
步骤五、将两层通过重复执行步骤一至四制造的完全固化后的PDMS柔性衬底层，使具有PDMS膜的面相对的方式进行贴合；两层所述PDMS柔性衬底层上的多个平面图案化电极区的位置与排列方式均对应相同，以构成多个电容结构。
通过上述制造方法的过程，既能够简单地生产可适用于触觉检测等多种应用的柔性压力传感器，且不需要执行现有的制备纳米管薄膜或微凸起结构等的复杂工艺，在一定程度上较好地保证了良率。热蒸镀设备可以采用现有的商业化设备，根据实际需要可选择适合的功率或规格，而不需要对现有设备改造或升级，从而能够节省生产成本。
进一步地，在所述步骤一中采用具有曲度的模具，从而能够制造满足特定应用场合或需求的曲面形状的柔性压力传感器。
进一步地，在所述步骤三中，通过对形成的平面图案化电极区的形状和/或尺寸和/或排布方式进行控制，用于影响所述柔性压力传感器的灵敏度和分辨率。
进一步地，所述PDMS柔性衬底层以及PDMS膜的材料采用二甲基硅氧烷与固化剂的组合物；其中，二甲基硅氧烷与固化剂的比例选择为20：1～5:1。
进一步地，所述PDMS柔性衬底层的厚度选择为5～500μm。
进一步地，所述步骤二中形成不完全固化状态的PDMS柔性衬底层所使用的温度与固化时间选择30～90℃与0.1～3小时范围的组合。
进一步地，所述步骤四中使所述PDMS柔性衬底层与PDMS膜完全固化所使用的温度与固化时间选择40～90℃与0.1～5小时范围的组合。
上述本发明所提供的柔性压力传感器以及相应的制造方法，相对于现有技术至少具有以下有益效果：
1.相对于现有的一些具有锥形或球形微阵列结构的触觉(压力)检测器件，本发明在不损失自身功能的前提下明显降低了传感器厚度。
2.针对不同应用领域的需要，本发明所提供的柔性压力传感器可以被制造成具有特定的曲度，以适应各种异形安装面的共形设置，通过调节电容阵列如密度等的排布方式，也可提供不同的灵敏度与分辨率指标，从而大大拓宽了其未来潜在的应用范围。
3.本发明的制造方法相对于现有技术，省略了现有的制备纳米管薄膜或微凸起结构等的复杂工艺，在一定程度上较好地保证了良率。热蒸镀过程也采用现有的商业化设备，而不需要对现有设备改造或升级，从而能够降低生产成本。
附图说明
图1为本发明所提供的柔性压力传感器的结构示意图；
图2为平面图案化电极区的表面微观结构图。
具体实施方式
下面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前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护范围。
如图1所示，本发明所提供的一种适用于触觉检测的柔性压力传感器，包括：
两层相同形状的PDMS柔性衬底层3；
每层所述PDMS柔性衬底层3上以相同的排列方式间隔设置多个平面图案化电极区2。图1中，可见在每个形状相同的PDMS柔性衬底层3上的多个相同位置设置了上述平面图案化电极区2；
每个所述平面图案化电极区2均设置有电极引线1；
每层所述PDMS柔性衬底层3的一个面上还具有一层PDMS膜4。通过该PDMS膜4，使得不同的PDMS柔性衬底层3之间对应的平面图案化电极区能够相互分离，以构成多个电容结构；不同PDMS柔性衬底层上不具有平面图案化电极区的对应部分则可相互贴附。
在本发明的优选实施方式中，所述PDMS柔性衬底层可采用图1中所示的曲面，通过不同曲度的柔性传感器进一步拓展本发明所提供的柔性压力传感器的应用范围。
在本发明的优选实施方式中，所述平面图案化电极区的形状和/或尺寸和/或排布方式与所述柔性压力传感器的灵敏度和分辨率之间具有相关性。所述平面图案化电极区的厚度选择为5～1000nm范围内的5nm、100nm、150nm、200nm、250nm、300nm、350nm、400nm、450nm、500nm、550nm、600nm、650nm、700nm、750nm、800nm、850nm、900nm、950nm或1000nm等。
在本发明的优选实施方式中，所述PDMS柔性衬底层以及PDMS膜的材料采用二甲基硅氧烷与固化剂的组合物；其中，二甲基硅氧烷与固化剂的比例选择为20：1～5:1范围内的20:1、18:1、15:1、12:1、10:1、8:1或5:1等，优选为10:1。
在本发明的优选实施方式中，所述PDMS柔性衬底层的厚度选择为5～500μm范围内的5μm、10μm、50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm或500μm等，优选为10～300μm。
在本发明的优选实施方式中，所述PDMS柔性衬底层长度、宽度根据具体应用场景以及所需传感器的实际大小需要进行裁剪和设计。
相应地，本发明还提供了一种柔性压力传感器的制造方法，具体包括以下步骤：
步骤一、在模具中灌注PDMS材料，控制温度形成不完全固化状态的PDMS柔性衬底层；
步骤二、在掩膜板的辅助下利用热蒸镀工艺，在所述不完全固化状态的PDMS柔性衬底层上镀纳米金层，以形成间隔设置的多个平面图案化电极区；
步骤三、在每个所述平面图案化电极区引出相应的电极引线；
步骤四、在所述不完全固化状态的PDMS柔性衬底层上旋涂PDMS材料，形成一层PDMS膜，并使所述PDMS柔性衬底层与PDMS膜完全固化；由于平面图案化电极区的表面微观结构具有一定的粗糙度，如图2所示，因而可以对PDMS膜起到较好的固定作用。
步骤五、将两层通过重复执行步骤一至四制造的完全固化后的PDMS柔性衬底层，以具有PDMS膜的面相对进行贴合；两层所述PDMS柔性衬底层上的多个平面图案化电极区的位置与排列方式均对应相同，以构成多个电容结构。
在本发明的优选实施方式中，在所述步骤一中采用具有曲度的模具。
在本发明的优选实施方式中，在所述步骤三中，通过对形成的平面图案化电极区的形状和/或尺寸和/或排布方式进行控制，用于影响所述柔性压力传感器的灵敏度和分辨率。
在本发明的优选实施方式中，所述PDMS柔性衬底层以及PDMS膜的材料采用二甲基硅氧烷与固化剂的组合物；其中，二甲基硅氧烷与固化剂的比例选择为20：1～5:1范围内的20:1、18:1、15:1、12:1、10:1、8:1或5:1等，优选为10:1。
在本发明的优选实施方式中，所述PDMS柔性衬底层的厚度选择为5～500μm范围内的5μm、10μm、50μm、100μm、150μm、200μm、250μm、300μm、350μm、400μm、450μm或500μm等，优选为10～300μm。
在本发明的优选实施方式中，所述步骤二中形成不完全固化状态的PDMS柔性衬底层所使用的温度与固化时间选择30～90℃与0.1～3小时范围的组合，如40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃或90℃等与0.1h、0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h、5h等的按需组合。
在本发明的优选实施方式中，所述步骤四中使所述PDMS柔性衬底层与PDMS膜完全固化所使用的温度与固化时间选择40～90℃与0.1～5小时范围的组合，如40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃或90℃等与0.1h、0.5h、1h、1.5h、2h、2.5h、3h、3.5h、4h、4.5h、5h等的按需组合。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的，技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种柔性压力传感器，其特征在于：包括：
两层相同形状的PDMS柔性衬底层；
每层所述PDMS柔性衬底层上以相同的排列方式间隔设置多个平面图案化电极区；
每个所述平面图案化电极区均设置有电极引线；
每层所述PDMS柔性衬底层的一个面上还具有一层PDMS膜；通过该PDMS膜，使得不同的PDMS柔性衬底层之间对应的平面图案化电极区相互分离构成多个电容结构；不同PDMS柔性衬底层上不具有平面图案化电极区的对应部分相互贴附；
所述平面图案化电极区的形状和/或尺寸和/或排布方式与所述柔性压力传感器的灵敏度和分辨率之间具有相关性。
2.如权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于：所述PDMS柔性衬底层为曲面。
3.如权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于：所述PDMS柔性衬底层以及PDMS膜的材料采用二甲基硅氧烷与固化剂的组合物；其中，二甲基硅氧烷与固化剂的比例为20：1～5:1。
4.如权利要求3所述的柔性压力传感器，其特征在于：所述PDMS柔性衬底层的厚度为5～500μm。
5.一种柔性压力传感器的制造方法，其特征在于：具体包括以下步骤：
步骤一、在模具中灌注PDMS材料，控制温度形成不完全固化状态的PDMS柔性衬底层；
步骤二、在掩膜板的辅助下利用热蒸镀工艺，在所述不完全固化状态的PDMS柔性衬底层上镀纳米金层，以形成间隔设置的多个平面图案化电极区；
步骤三、在每个所述平面图案化电极区引出相应的电极引线；
步骤四、在所述不完全固化状态的PDMS柔性衬底层的一个表面上旋涂PDMS材料，形成一层PDMS膜，并使所述PDMS柔性衬底层与PDMS膜完全固化；
步骤五、将两层通过执行步骤一至四制造的完全固化后的PDMS柔性衬底层，以具有PDMS膜的面相对的方式进行贴合；两层所述PDMS柔性衬底层上的多个平面图案化电极区的位置与排列方式均对应相同，用于构成多个电容结构；
通过对形成的平面图案化电极区的形状和/或尺寸和/或排布方式进行控制，用于影响所述柔性压力传感器的灵敏度和分辨率。
6.如权利要求5所述的方法，其特征在于：在所述步骤一中采用具有曲度的模具。
7.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述PDMS柔性衬底层以及PDMS膜的材料采用二甲基硅氧烷与固化剂的组合物；其中，二甲基硅氧烷与固化剂的比例选择为20：1～5:1。
8.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述PDMS柔性衬底层的厚度选择为5～500μm。
9.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤二中形成不完全固化状态的PDMS柔性衬底层所使用的温度与固化时间选择30～90℃与0.1～3小时范围的组合。
10.如权利要求5所述的方法，其特征在于：所述步骤四中使所述PDMS柔性衬底层与PDMS膜完全固化所使用的温度与固化时间选择40～90℃与0.1～5小时范围的组合。
11.一种接触压力检测与接触物体识别方法，其特征在于：利用如权利要求1-4任一项所述的柔性压力传感器，并具体执行以下步骤：
步骤一、检测所述接触物体与所述柔性压力传感器接触时的压力；
步骤二、检测所述接触物体在施加压力时发生的应变；
步骤三、基于检测得到的所述压力与应变，计算接触物体材料的弹性模量；
步骤四、根据计算得到的弹性模量，识别所述接触物体的种类。
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