CN113252215A - 一种全打印可拉伸摩擦电压力传感阵列制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种全打印可拉伸摩擦电压力传感阵列制备方法，所述方法制备的摩擦电压力传感阵列包括摩擦感应层、阵列电极层和封装层；所述方法包括：选定打印设备及衬底层；设定打印参数，在衬底层的上表面打印摩擦感应层，摩擦感应层的上表面呈沟槽—褶皱状；待摩擦感应层固化成形后，去除衬底层；对摩擦感应层执行弹性形变操作，在形变后的摩擦感应层的下表面打印阵列电极层；对摩擦感应层执行还原操作，摩擦感应层的下表面和阵列电极层形变为褶皱状；在摩擦感应层的下表面打印封装层，完成制备过程。本发明提供的方法制备过程简单，节省制备的时间和材料，提高制造效率；制备出的摩擦电压力传感阵列触压感应性能灵敏，响应性能优秀。

Description

一种全打印可拉伸摩擦电压力传感阵列制备方法

技术领域

本发明涉及摩擦电压力传感阵列制备的技术领域，更具体地，涉及一种全打印可拉伸摩擦电压力传感阵列制备方法。

背景技术

传感器作为数据采集的唯一功能器件，是信息技术的基础核心元器件，采集的数据是整个感知、传输和处理信息系统中流淌的“血液”。作为新型纳米能源技术，摩擦电传感器是一种基于摩擦起电和静电感应的耦合作用，将力学信号化为电信号的小尺度能量收集与转化器件，具有自驱动、能量转化效率高、结构简单、清洁高效等优势，在自驱传感、植入医疗器件、电子皮肤等领域具有广阔的应用前景。

摩擦电压力传感阵列的摩擦感应层在外力作用下与外界物体接触和分离，在摩擦感应层表面产生负电位，并利用静电感应，通过外接电极实现电信号传输；因此摩擦感应层对传感阵列的感应性能影响巨大。目前常用的摩擦电压力传感阵列对性能强化时多采用以下方法：(1)在摩擦感应层内部添加石墨烯，碳纳米管等材料；(2)制备多孔摩擦感应层；(3)利用旋涂、磁控溅射等方法在电极表面成膜，然后利用刻蚀方法在摩擦感应层薄膜表面制造微结构。上述方法制造工艺复杂、成本高，制造效率低，并且无法精确控制摩擦感应层功能结构的成形，制造出的传感阵列触压感应性能不灵敏、响应性能差。

2018年9月11日公开的中国专利CN108515694A公开了一种基于3D打印技术的柔性压力传感器芯片及其制作方法，首先3D打印柔性上、下极板，清洗；然后采用导电胶将导线紧密的黏附在柔性上、下极板上，固化；再将柔性上、下极板氧等离子体处理，浸润一层PEDOT:PSS溶液，烘烤完成柔性薄膜电极的制作；最后使用聚酰亚胺绝缘胶带将柔性上、下极板粘贴在一起，同时封闭柔性上、下极板侧面间隙；使用该方法制备出的柔性压力传感器芯片上、下极板虽然具有柔性，但是比表面积小，在形变条件下触压感应不灵敏，响应效能差。

发明内容

本发明为克服上述现有技术制备出的摩擦电压力传感阵列触压感应性能不灵敏、响应性能差的缺陷，提供一种全打印可拉伸摩擦电压力传感阵列制备方法，制备出的摩擦电压力传感阵列触压感应灵敏，响应性能优秀。

为解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：

本发明提供一种全打印可拉伸摩擦电压力传感阵列制备方法，所述方法制备的摩擦电压力传感阵列包括摩擦感应层、阵列电极层和封装层；所述方法包括以下步骤：

S1：选定打印设备及用于制备摩擦电压力传感阵列的衬底层；

S2：设定打印设备的打印参数，利用打印设备在衬底层的上表面打印摩擦感应层，摩擦感应层的上表面呈沟槽—褶皱状；

S3：对摩擦感应层执行固化操作，待摩擦感应层固化成形后，去除衬底层；

S4：对摩擦感应层执行弹性形变操作，利用打印设备在形变后的摩擦感应层的下表面打印阵列电极层；

S5：对摩擦感应层执行还原操作，摩擦感应层的下表面和阵列电极层形变为褶皱状；

S6：利用打印设备在摩擦感应层的下表面打印封装层，完成摩擦电压力传感阵列的制备。

优选地，所述衬底层为金属薄膜或有机物薄膜。选择金属薄膜如铝膜、铜模或有机物薄膜作为衬底层，衬底层表面有超高平整度，利于摩擦感应层的制备。

优选地，使用摩擦感应层打印墨水打印摩擦感应层；所述摩擦感应层打印墨水选择电负性柔性材料，并填充纳米材料配制而成。

电负性柔性材料选用PDMS或硅胶，填充的纳米材料为碳纳米管、二维材料、纳米金属中的一种或多种；选择电负性柔性材料制备出的摩擦感应层具有轻薄、柔性好、拉伸性、化学性能稳定、热稳定性好、吸引电子能力强的的优点，提高了摩擦电压力传感阵列的环境适应性、灵敏度和响应性能；

填充的纳米材料强化了摩擦电压力传感阵列的传感性能。

优选地，采用墨水直写3D打印方法打印摩擦感应层；

设定打印设备的打印参数具体包括：选用喷嘴直径在100—600微米、设定喷嘴与衬底层间高度在80—600微米、控制打印速度在20—200毫米/分钟、设定打印路径。通过设定打印设备的打印参数，制备出的摩擦感应层表面形成沟槽结构，沟槽底部形成褶皱结构，整体形成沟槽—褶皱状的微沟槽阵列，分布规律，扩展了摩擦感应层表面的比表面积，强化了摩擦电荷的产生，灵敏度高、提高了摩擦电压力传感阵列的响应性能。采用墨水直写3D打印方法使制备过程简单，节省了制备时间，提高了制备效率。

优选地，选用金属薄膜作为衬底层时，利用酸性溶液去除衬底层；选用有机物薄膜作为衬底层时，利用离型剂喷涂在有机物薄膜表面进行分离，去除衬底层。

优选地，对摩擦感应层双向或四向施加外力，使摩擦感应层产生拉伸弹性形变，形变量为10％—200％。摩擦感应层产生拉伸弹性形变后，再在摩擦感应层的背面制备阵列电极，制备完成后，撤去施加的外力，摩擦感应层还原，摩擦感应层的下表面和阵列电极层上的电极均形成褶皱状，使摩擦电压力传感阵列在拉伸形变条件下仍具有良好的感应能力，适应更丰富的使用环境。

优选地，使用电极打印墨水打印阵列电极层；所述电极打印墨水由导电液态金属材料或导电液态聚合物配置而成。

导电液态金属材料如纳米银，导电液态聚合物如PEDOT:PSS、聚吡咯，选择其中的一种或多种作为电极打印墨水。

优选地，采用喷墨打印或墨水直写3D打印的方法打印阵列电极层，所述阵列电极层厚度为200—700微米，方阻为0.3—1.52欧姆/平方米。

优选地，使用封装层打印墨水打印封装层；所述封装层打印墨水的材料为柔性固化密封胶。柔性固化密封胶固化迅速，固化后具有柔软性，封装效果好。

优选地，采用墨水直写3D打印方法打印封装层，所述封装层的厚度为300—800微米。

与现有技术相比，本发明技术方案的有益效果是：

(1)本发明提出的全打印可拉伸摩擦电压力传感阵列制备方法制备出的摩擦感应层上表面为沟槽—褶皱状，而摩擦感应层上表面的作用是接收外界的摩擦和触压，沟槽—褶皱状的上表面扩展了摩擦感应层的比表面积，强化了摩擦电荷的产生，灵敏度高，提高了对触压感应的响应性能；

(2)本发明提出的全打印可拉伸摩擦电压力传感阵列制备方法制备出的阵列感应层为褶皱状，在形变条件下仍具有感应能力，适应更丰富的使用环境，提高了响应性能；

(3)本发明提出的全打印可拉伸摩擦电压力传感阵列制备方法采用全打印方式制备摩擦电压力传感阵列的所有结构，过程简单，节省制备时间和制备材料，提高了制造效率。

附图说明

图1为实施例所述的摩擦电压力传感阵列的结构图；

图2为实施例所述全打印可拉伸摩擦电压力传感阵列制备方法的流程图；

图3为实施例所述在衬底层上打印摩擦感应层的示意图；

图4为实施例所述在弹性形变后的摩擦感应层背面打印阵列电极层的示意图；

图5为实施例所述阵列电极层制备完成后还原的摩擦感应层的示意图；

图6为实施例所述在摩擦感应层背面打印封装层的示意图；

图7为实施例所述摩擦感应层表面的沟槽—褶皱复合结构的示意图；

图8为实施例所述阵列电极层上的电极的示意图；

图9为实施例所述撤去外力后阵列电极层上的电极褶皱结构的示意图；

其中，1-摩擦感应层，2-阵列电极层，3-封装层，4-衬底层。

具体实施方式

附图仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

为了更好说明本实施例，附图某些部件会有省略、放大或缩小，并不代表实际产品的尺寸；

对于本领域技术人员来说，附图中某些公知结构及其说明可能省略是可以理解的。

下面结合附图和实施例对本发明的技术方案做进一步的说明。

实施例

本实施例提供一种全打印可拉伸摩擦电压力传感阵列制备方法，如图1所示，所述方法制备的摩擦电压力传感阵列包括摩擦感应层1、阵列电极层2和封装层3；如图2所示，所述方法包括以下步骤：

S1：选定打印设备及用于制备摩擦电压力传感阵列的衬底层4；

选用金属薄膜如铝膜、铜膜或有机物薄膜作为衬底层4，选择金属薄膜如铝膜、铜模或有机物薄膜作为衬底层4，衬底层4的表面有超高平整度，利于摩擦电压力传感阵列后续的制备。

S2：设定打印设备的打印参数，利用打印设备在衬底层4的上表面打印摩擦感应层1，摩擦感应层1的上表面呈沟槽—褶皱状；

如图3所示，使用摩擦感应层打印墨水在衬底层4的上表面打印摩擦感应层1，所述摩擦感应层打印墨水选择电负性柔性材料，并填充纳米材料配制而成。在本实施例中，电负性柔性材料选用PDMS或硅胶，填充的纳米材料为碳纳米管、二维材料、纳米金属中的一种或多种；选择电负性柔性材料制备出的摩擦感应层1具有轻薄、柔性好、拉伸性、化学性能稳定、热稳定性好、吸引电子能力强的优点，提高了摩擦电压力传感阵列的环境适应性、灵敏度和响应性能；

利用墨水直写3D打印方法打印摩擦感应层1，设定打印设备的打印参数：选用喷嘴直径在100—600微米、设定喷嘴与衬底层间高度在80—600微米、控制打印速度在20—200毫米/分钟、设定打印路径打印摩擦感应层1，制备出的摩擦感应层1的表面形成沟槽状，沟槽底部形成褶皱状，整体形成复合沟槽—褶皱状的微沟槽阵列。所述摩擦感应层1表面的沟槽—褶皱复合结构如图7所示。

S3：对摩擦感应层1执行固化操作，待摩擦感应层1固化成形后，去除衬底层4；

在空气中静置24小时以上，摩擦感应层1固化成型；选用金属薄膜作为衬底层4时，利用酸性溶液去除衬底层4；选用有机物薄膜作为衬底层4时，利用离型剂喷涂在有机物薄膜表面进行分离，去除衬底层4。

S4：对摩擦感应层1执行弹性形变操作，利用打印设备在形变后的摩擦感应层1的下表面打印阵列电极层2；

在本实施例中，对摩擦感应层1双向或四向施加外力，使摩擦感应层1产生拉伸弹性形变，形变量为10％—200％；

使用电极打印墨水打印阵列电极层2，所述电极打印墨水由导电液态金属材料或导电液态聚合物配置而成。在本实施例中，导电液态金属材料如纳米银，导电液态聚合物如PEDOT:PSS、聚吡咯，选择其中一种或多种作为电极打印墨水。

如图4所示，摩擦感应层1产生拉伸弹性形变后，再在摩擦感应层1的背面采用喷墨打印或墨水直写3D打印的方法打印阵列电极层2，阵列电极层2厚度为200—700微米，方阻为0.3—1.52欧姆/平方米，所述阵列电极层2上的电极如图8所示；

S5：对摩擦感应层1执行还原操作，摩擦感应层1的下表面和阵列电极层2形变为褶皱状。

如图5所示，阵列电极层2制备完成后，撤去施加的外力，摩擦感应层1还原，摩擦感应层1的下表面和阵列电极层2上的电极均形变为褶皱状；所述电极形变为褶皱状时如图9所示。

阵列电极层2上的电极形变为褶皱状，使其在拉伸形变条件下仍具有感应能力，适应更丰富的使用环境；纳米银、PEDOT:PSS、聚吡咯都具有良好的导电性，能够将摩擦感应层1产生的电荷全部传导，增强了响应性能。

S6：利用打印设备在摩擦感应层1的下表面打印封装层3，完成摩擦电压力传感阵列的制备。

使用封装层打印墨水打印封装层3；所述封装层打印墨水的材料为柔性固化密封胶。如图6所示，在本实施例中，对摩擦感应层1预拉伸后，采用墨水直写3D打印方法在摩擦感应层1打印封装层3，封装层3的厚度为300—800微米。

本实施例提出的全打印可拉伸摩擦电压力传感阵列制备方法基于增材制造的原理，逐层添加材料的方式制造零件，能够节省大量的时间和原材料成本，可制造复杂结构。采用全打印方式，利用墨水直写3D打印技术，制备摩擦电压力传感阵列每层的结构，在打印设备的工作台面固化成型为完整的摩擦电压力传感阵列，直接实现了表面强化传感结构，提高了摩擦电压力传感阵列的感应性能，并且制备过程简单，节省了制备时间和制备材料，提高了制造效率。

通过选用电负性柔性材料作为摩擦感应层打印墨水，打印出的摩擦感应层1具有柔性，可拉伸形变；在弹性形变后的摩擦感应层1的下表面打印阵列电极层2，形变恢复后，阵列电极层2也具有可拉伸性；摩擦感应层1恢复形变后，利用柔性固化密封胶打印封装层3，封装层3也具有可拉伸性；固化后形成完整的摩擦电压力传感阵列也具有可拉伸性；摩擦感应层1的上表面的为沟槽—褶皱状结构，增大了摩擦感应层1的比表面积，与褶皱状的阵列电极层2配合，在拉伸状态下也可以对触压感应的做出响应，并将摩擦感应层1产生的电荷完全传导，摩擦电压力传感阵列感应性能灵敏，响应性能优秀。

相同或相似的标号对应相同或相似的部件；

附图中描述位置关系的用语仅用于示例性说明，不能理解为对本专利的限制；

显然，本发明的上述实施例仅仅是为清楚地说明本发明所作的举例，而并非是对本发明的实施方式的限定。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明权利要求的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种全打印可拉伸摩擦电压力传感阵列制备方法，其特征在于，所述方法制备的摩擦电压力传感阵列包括摩擦感应层(1)、阵列电极层(2)和封装层(3)；所述方法包括以下步骤：

S1：选定打印设备及用于制备摩擦电压力传感阵列的衬底层(4)；

S2：设定打印设备的打印参数，利用打印设备在衬底层(4)的上表面打印摩擦感应层(1)，摩擦感应层(1)的上表面呈沟槽—褶皱状；

S3：对摩擦感应层(1)执行固化操作，待摩擦感应层(1)固化成形后，去除衬底层(4)；

S4：对摩擦感应层(1)执行弹性形变操作，利用打印设备在形变后的摩擦感应层(1)的下表面打印阵列电极层(2)；

S5：对摩擦感应层(1)执行还原操作，摩擦感应层(1)的下表面和阵列电极层(2)形变为褶皱状；

S6：利用打印设备在摩擦感应层(1)的下表面打印封装层(3)，完成摩擦电压力传感阵列的制备。

2.根据权利要求1所述的全打印可拉伸摩擦电压力传感阵列制备方法，其特征在于，所述衬底层(4)为金属薄膜或有机物薄膜。

3.根据权利要求1所述的全打印可拉伸摩擦电压力传感阵列制备方法，其特征在于，使用摩擦感应层打印墨水打印摩擦感应层(1)；所述摩擦感应层打印墨水选择电负性柔性材料，并填充纳米材料配制而成。

4.根据权利要求3所述的全打印可拉伸摩擦电压力传感阵列制备方法，其特征在于，采用墨水直写3D打印方法打印摩擦感应层(1)；

设定打印设备的打印参数具体包括：选用喷嘴直径在100—600微米、设定喷嘴与衬底层间高度在80—600微米、控制打印速度在20—200毫米/分钟、设定打印路径。

5.根据权利要求2所述的全打印可拉伸摩擦电压力传感阵列制备方法，其特征在于，选用金属薄膜作为衬底层(4)时，利用酸性溶液去除衬底层(4)；选用有机物薄膜作为衬底层(4)时，利用离型剂喷涂在有机物薄膜表面进行分离，去除衬底层(4)。

6.根据权利要求1所述的全打印可拉伸摩擦电压力传感阵列制备方法，其特征在于，对摩擦感应层(1)双向或四向施加外力，使摩擦感应层(1)产生拉伸弹性形变，形变量为10％—200％。

7.根据权利要求1所述的全打印可拉伸摩擦电压力传感阵列制备方法，其特征在于，使用电极打印墨水打印阵列电极层(2)；所述电极打印墨水由导电液态金属材料或导电液态聚合物配置而成。

8.根据权利要求7所述的全打印可拉伸摩擦电压力传感阵列制备方法，其特征在于，采用喷墨打印或墨水直写3D打印的方法打印阵列电极层(2)，所述阵列电极层(2)的厚度为200—700微米，方阻为0.3—1.52欧姆/平方米。

9.根据权利要求1所述的全打印可拉伸摩擦电压力传感阵列制备方法，其特征在于，使用封装层打印墨水打印封装层(3)；所述封装层打印墨水的材料为柔性固化密封胶。

10.根据权利要求9所述的全打印可拉伸摩擦电压力传感阵列制备方法，其特征在于，采用墨水直写3D打印方法打印封装层(3)，所述封装层(3)的厚度为300—800微米。

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