CN113717528B - 一种柔性传感器界面及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性传感器界面，所述柔性传感器界材料包括高分子聚合物和磁性颗粒，所述柔性传感器界面结构包括基底层，以及基底层上生长的凸起微结构。该柔性传感器界面具有特定凸起结构，使得所述柔性传感器界面具有较高的压力检测灵敏度。本发明还公开了一种柔性传感器界面的制备方法，包括：将磁性颗粒与高分子聚合物混合均匀得到混合物；将所述混合物放置于磁场中，得到混合物表面的凸起微结构，静置0.5‑3h后，得到柔性传感器界面。该方法制备方法简单，对环境友好，且能够很好的控制界面表面微结构。

Description

一种柔性传感器界面及其制备方法
技术领域
本发明属于柔性传感器技术领域，具体涉及一种柔性传感器界面及其制备方法。
背景技术
近年来，柔性电子设备在可穿戴电子设备、电子皮肤、人机交互和机器人等领域中具有巨大应用前景。其中柔性传感器是柔性电子设备中的重要单元，柔性传感器是以柔性导电复合材料为基础进行电路设计组装而成。在力、温度、光和化学信号等外加刺激下，柔性传感器的电学性能发生变化进而实现了对外加信号的响应及传感功能。
随着对柔性传感器越来越深入的研究，柔性电子为实现人机交互、健康监测、可穿戴电子以及人工智能等方面做出了突出的贡献。在柔性传感器的应用中，众多物理信号，例如：温度、湿度、压力、光以及一些生理参数都被转换为电信号。
目前，针对柔性力学传感器(电容/电阻)的研究很多，但存在传感灵敏度低、测试范围有限、加工制备工艺可重复性低以及制备的样品性能可重复性低等局限。广泛的应用场景使得人们对于柔性传感器的要求不断提高，更高的灵敏度就是其中要求之一。
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。但该类型柔性压力传感器的表面微结构的调控性较差，从而影响该类型传感器的灵敏性。
在柔性压力传感器领域，往往通过微加工工艺制备微结构来提高灵敏度。最初研究者通过激光刻蚀、离子刻蚀以及化学刻蚀等方法制备相应微结构的硅模板。后来发现具有表面微凸起结构的植物可以直接用作软光刻模板。相较于光刻工艺，该工艺更加简便，但得到的微结构具有不可重复和不可调控的不足。
发明内容
本发明提供一种具有较高灵敏度的柔性传感器界面，本发明还提供了所述柔性传感器界面的制备方法，制备方法能够准确调控所述柔性传感器界面的微结构。
一种柔性传感器界面，所述柔性传感器材料包括高分子聚合物和磁性颗粒，所述柔性传感器界面结构包括基底层，以及基底层上生长的凸起微结构。
利用磁性材料与凸起微结构的协同作用，使得所述柔性传感器界面具有较高的灵敏度。灵敏度是因为有凸起结构而提高的。而突起结构是因为有磁性颗粒在磁场下沿着磁感线的排布形成的。通过该工艺制备的界面结构常用于电容式压力传感器中。电容式传感器的原理类似于平行板电容器的原理，电容的公式可以用表示。通过公式可以得出改变参数d可以使得电容变化。而通过设计界面结构，可以使得在相同外力作用下，电容式压力传感器的d变化更明显，电容值C变化值更大，从而提高传感器灵敏度。
所述的高分子聚合物为弹性高分子，进一步的，所述弹性高分子包括聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚氨酯、硅胶中的任意一种。所述的高分子聚合物具有一定的形变能力且可拉伸，在磁场和磁性颗粒的作用下，发生形变，形成微结构。
所述的磁性颗粒为顺磁性材料，进一步的，所述顺磁性材料包括铁粉、镍粉、四氧化三铁粉、三氧化二铁粉或银包镍粉。
所述的凸起微结构的参数为：凸起微结构的高度为100-5000μm，半高宽为50-1000μm。通过调控微结构高度与半高宽可重复性调控灵敏度。
本发明还提供了所述柔性传感器界面的制备方法，包括：
(1)将磁性颗粒与高分子聚合物混合均匀得到混合物；
(2)将所述混合物放置于磁场中，得到混合物表面的凸起微结构，静置0.5-3h后，得到柔性传感器界面。
通过磁场辅助法控制磁性颗粒与高分子聚合物混合物的表面形貌，从而能够控制所述混合物表面的凸起微结构，基于磁场调控的作用能够达到根据需要调控柔性传感器界面的目的。
所述的磁性颗粒与高分子聚合物的质量比为1:1-1:2。
磁性颗粒含量过低，在磁场的作用下，磁性颗粒无法得到足够的能量使所述的高分子聚合物发生形变形成凸起结构；而磁性颗粒含量过高，则在形变后的微结构在大量磁性颗粒的作用下发生聚合，从而形成高而粗的微结构，形成不均匀的微结构，影响对压力的敏感性。
所述的磁场为静态磁场或动态磁场。
所述的将所述混合物放置于磁场中的具体步骤为：
步骤(2)中，将混合物放置于永磁体上，在混合物上方放置铁磁体，基于铁磁体的运动参数和形貌参数调控磁场大小，得到混合物表面的凸起微结构。
所述铁磁体与混合物的距离为0-3mm之间。
所述的铁磁体的材料为铁或不锈钢。
所述的铁磁体的形貌参数为：所述铁磁体的形状为长方体、正方体、圆锥或圆柱。进一步的，所述的铁磁体的形状为圆柱体。进一步优选，所述的圆柱体的直径为0.1-1.0mm，铁磁体之间的间距为0.1-1mm。
所述的铁磁体的运动参数为：所述铁磁体为匀速运动，运动速度为15-40mm/s，停留时间为0-5s。
运动参数会影响微区磁场的大小。已知构建了动态磁场，铁钉的直径大小决定了动态磁场初始值大小以及微区磁场的区域大小，已知磁性颗粒沿磁感线排布，即微区磁场区域越大则形成微结构半高宽越大；铁钉的运动速度影响磁性颗粒生长速率，运动速度越快给予磁性颗粒生长速度越快，得到微结构高度越高；停留时间越久，则微区磁场对磁性颗粒作用时间越久，聚集的磁性颗粒越多则形成微结构高度越高。
与现有技术相比，本发明的技术效果为：
(1)本发明提供的柔性传感器界面的特定凸起结构，使得所述柔性传感器界面具有较高的压力检测灵敏度，灵敏度为0.5-3.39KPa-1。
(2)采用本发明提供的柔性传感器界面的制备方法，通过磁性材料的含量，以及磁场调控，能够较好的控制所述柔性传感器界面的形貌，以根据需要达到较好的压力灵敏度，并且该制备方法需要额外的化学工艺及大量的消耗电力，与现有技术相比，制备方法简单，对环境友好。
附图说明
图1为实施例1制备柔性传感器界面过程示意图，其中，1为磁场部分，2为圆柱体阵列，3为样品；
图2为实施例1中制备得到的柔性传感器界面微结构示意图，其中，4为凸起微结构，5为基底层；
图3为实施例1制备得到的柔性传感器界面实物图；
图4为实施例2中圆柱体不同提拉速度与柔性传感器界面微结构参数的关系图；
图5为实施例3中不同孔径的圆柱体与柔性传感器界面微结构参数的关系图；
图6为实施例4中圆柱体不同停留时间与柔性传感器界面微结构参数的关系图；
具体实施方式
实施例1：
本实施例中，选取银包镍为磁性颗粒，硅胶为弹性高分子聚合物，磁性颗粒与高分子聚合物质量比为1：1，选取直径为0.8mm的不锈钢圆柱体，并排列为5乘以5阵列结构，如图1所示。
具体方法如下：
步骤1：取1克银包镍磁性颗粒与1克硅胶混合均匀，其中硅胶中两组分的质量比为1：1。将混合物铺于容器内，待其表面平整后，放置于永磁体上。
步骤2：在距离永磁体的上方50厘米处，放置直径为0.8毫米且排布为5乘以5阵列的不锈钢圆柱体，用Instron万能试验机将其固定，并通过该Instron万能试验机设定程序来控制不锈钢圆柱体阵列的运动。
步骤3：在混合物在永磁体上静置5分钟之后，控制不锈钢圆柱体阵列以每秒40毫米的速率接近混合物，在距离混合物上表面6.8毫米处停止运动。在保持静止状态(停留时间)50毫秒之后，以每秒40毫米的速率(提拉速度)远离混合物
步骤4：待静置2小时之后，混合物固化得到具有微结构的界面材料，示意图如图2所示。
制备的具有微结构的界面材料实物图如图3所示。
实施例2：
与实施例1不同的是，提拉速度分别为15，20，25，30，35mm/s，本实施例所述的提拉速度与凸起结构的关系图，如图4所示，说明，在本实施例提供的提拉速度范围内，提拉速度越快，凸起结构的高度越高，对半高宽影响不大。
实施例3：
与实施例1不同的是，不锈钢圆柱体的孔径大小分别为0.4，0.5，0.6，0.7mm，本实施例所述的孔径大小与凸起结构的关系图，如图5所示，说明，在本实施例提供的不锈钢圆柱体的孔径大小范围内，所述孔径大小对凸起结构的高度和半高宽均匀具有较大影响，所述的孔径越大，凸起结构的高度和半高宽越大。
实施例4：
与实施例1不同的是，所述的停留时间分别为50，100，200，300，500，600，900，1000ms，本实施例所述的停留时间与凸起结构的关系图，如图6所示，说明，在本实施例提供的所述的停留时间范围内，所述的停留时间大小对凸起结构的高度具有较大影响，所述的孔径越大，凸起结构的高度越高。
实施例5：
与实施例1不同的是，取1克银包镍磁性颗粒与2克硅胶混合均匀，选取直径为0.1mm的不锈钢圆柱体，并排列为5乘以5阵列结构。
本发明提供的柔性传感器界面的性能检测：
采用灵敏度实验测得实施例1-5制得的柔性传感器界面的压力灵敏度检测如下表所示：
表1柔性传感器界面的压力灵敏度检测数据
Figure BDA0003212476350000051

Claims (5)

1.一种柔性传感器界面，其特征在于，柔性传感器界面的材料包括高分子聚合物和磁性颗粒，所述柔性传感器界面结构包括基底层，以及基底层上生长的凸起微结构；
所述的柔性传感器界面的制备方法，包括：
(1)将磁性颗粒与高分子聚合物混合均匀得到混合物；
(2)将所述混合物放置于磁场中，得到混合物表面的凸起微结构，静置0.5-3h后，得到柔性传感器界面；
步骤(2)中，将混合物放置于永磁体上，在混合物上方放置铁磁体，基于铁磁体的运动参数和形貌参数调控磁场大小，得到混合物表面的凸起微结构；
所述的铁磁体的形貌参数为：所述铁磁体的形状为圆柱体，所述圆柱体的孔径为0.4，0.5，0.6，0.7，0.8mm；
所述的铁磁体的运动参数为：所述铁磁体为匀速运动，运动速度为15-40mm/s，停留时间为0-5s，所述匀速运动为提拉速度。
2.根据权利要求1所述的柔性传感器界面，其特征在于，所述的高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚氨酯、硅胶中的任意一种。
3.根据权利要求1所述的柔性传感器界面，其特征在于，所述的磁性颗粒为铁粉、镍粉、四氧化三铁粉、三氧化二铁粉或银包镍粉。
4.根据权利要求1所述的柔性传感器界面，其特征在于，所述的凸起微结构参数为：所述凸起微结构的高度为100-5000μm，半高宽为50-1000μm。
5.根据权利要求1所述的柔性传感器界面，其特征在于，所述的磁性颗粒与高分子聚合物的质量比为1:1-1:2。
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