CN113970394A - 一种基于多孔微结构的柔性压阻式传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于多孔微结构的柔性压阻式传感器及其制备方法。该柔性压阻式传感器包括柔性基体和设置在柔性基体下方的叉指电极；所述柔性基体的上表面为平面，下表面设有若干向下凸出的微结构；所述柔性基体上开设有若干微孔。由以上技术方案可知，本发明具有良好的压力敏感性，适用于人体脉搏、喉部发音及其他部位的压力信号检测，具有灵敏度高、成本低廉、工艺简单、适于大批量生产等特点。
Description
技术领域
本发明涉及压阻式传感器技术领域，具体涉及一种基于多孔微结构的柔性压阻式传感器及其制备方法。
背景技术
随着社会和经济快速发展，人们生活水平的提高，越来越多的人对健康医疗问题有着很大关注。随着柔性电子技术的发展，人体的一些健康数据仅仅使用可穿戴式的电子皮肤，便可以随时随地的来监测人体健康。传统传感器多采用金属、半导体器件，不适用于人体日常穿戴，适应性差。而柔性传感器有着良好的生物相容性，使其具备可穿戴、实时监测等优点，在人机交互、电子皮肤和仿生器件领域具有广阔前景。
现有的柔性压阻传感器有两种，一种是采用表面微结构(锥形，金字塔型，半球形)，通过在表面沉积一层导电层，受力时电极与表面的接触面积发生变化，引起电阻的变化，这种结构往往只有在低压下有着高灵敏度，压力过大容易饱和；另外一种是制作导电基体，在基体内部形成多孔结构，受压时整个导电基体内部孔隙变形，引起电阻变化，由于孔隙的限制，在低压下导电路径较少灵敏度较低。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于多孔微结构的柔性压阻式传感器及其制备方法，该柔性压阻式传感器具有良好的压力敏感性，适用于人体脉搏、喉部发音及其他部位的压力信号检测，具有灵敏度高、成本低廉、工艺简单、适于大批量生产等特点。
为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：
一种基于多孔微结构的柔性压阻式传感器，包括柔性基体和设置在柔性基体下方的叉指电极；所述柔性基体的上表面为平面，下表面设有若干向下凸出的微结构；所述柔性基体上开设有若干微孔。
进一步的，所述柔性基体采用PDMS、固化剂、导电填料和PET粉末按照 10:1:a:(0.8～1.2)的比例混合后制备而成，其中，a的取值范围为1～1.5。
进一步的，所述导电填料采用炭黑、石墨烯、碳纳米管中的任意一种或多种的组合。
进一步的，一部分微结构与叉指电极的顶部相接触，另一部分微结构与叉指电极的顶部之间有间隙。
进一步的，所述微结构的凸出程度为微米量级。
本发明还涉及一种上述基于多孔微结构的柔性压阻式传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)基体模板制备：采用3D打印机打印一个深度为b毫米的顶部开口的长方体状凹槽。
(2)砂纸的选取与去杂质：取一片尺寸与凹槽底面尺寸相同的砂纸，对砂纸进行去离子水清洗，将经去离子水清洗后的砂纸放置在凹槽底部，使砂纸粗糙的一面朝上。
(3)柔性基体的制备：将PDMS、固化剂、导电填料和PET粉末按照 10:1:1～2:(0.8～1.2)的比例混合，搅拌均匀后，将混合物倒入凹槽内，使凹槽填满，并用一片玻璃板盖在凹槽的最上方，得到混合物基体。
(4)柔性基体多孔的形成：将混合物基体放置在烤箱中在120℃下加热 15分钟，使混合物基体内的PET粉末充分发泡，产生多孔结构，将固化后的混合物基体切割裁剪成设定的尺寸，得到柔性基体。
(5)柔性基体与叉指电极的组装：将柔性基体放置在叉指电极上方，并将二者连接在一起，得到柔性压阻式传感器。
进一步的，b的取值为1。
和现有技术相比，本发明的优点为：
(1)本发明具有良好的压力敏感性，适用于人体脉搏、喉部发音及其他部位的压力信号检测，具有灵敏度高、成本低廉、工艺简单、适于大批量生产等特点。
(2)本发明将随机微结构和多孔结合，将微结构制成不同凸出程度，使得在受到小压力时微结构与电极接触点增多，以提高导电路径，从而提高灵敏度；而且本发明在制备过程中以砂纸做模板，极大降低了成本，通过pet粉末高温发泡，产生多孔，操作简单。
(3)本发明将微结构应用于导电基体来改变不同压力下的阻值变化，应用于压阻式传感器，与电容式传感器的导电原理不同。本发明采用导电填料和柔性材料混合产生柔性基体，在受压过程中，不仅微结构发生形变，基体本身也产生形变，提高了导电路径，从而提高灵敏度。本发明是通过基体表面与叉指电极的接触面和内部孔隙同时变化，改变基体的电阻。
附图说明
图1是本发明中柔性压阻式传感器的结构示意图；
图2是柔性压阻式传感器的受压导电原理图。
图3是不同结构的传感器随压力的相对电阻变化。
其中：
1、柔性基体，2、微孔，3、微结构，4、叉指电极。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步说明：
如图1-图2所示的一种基于多孔微结构的柔性压阻式传感器，包括柔性基体1和设置在柔性基体1下方的叉指电极4；所述柔性基体1的上表面为平面，下表面设有若干向下凸出的微结构3；所述柔性基体1上开设有若干微孔2。
进一步的，所述柔性基体采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)、固化剂、导电填料和PET粉末(聚对苯二甲酸乙二醇酯)按照10:1:a:(0.8～1.2)的比例混合后制备而成，其中，a的取值范围为1～1.5。
进一步的，所述导电填料采用炭黑、石墨烯、碳纳米管中的任意一种或多种的组合。
进一步的，一部分微结构与叉指电极的顶部相接触，另一部分微结构与叉指电极的顶部之间有间隙。
进一步的，所述微结构的凸出程度为微米量级。
本发明还涉及一种上述基于多孔微结构的柔性压阻式传感器的制备方法，该方法包括以下步骤：
(1)基体模具制备：采用3D打印机打印一个深度为b毫米的顶部开口的长方体状凹槽；模具如图3所示。优选的，b的取值为1。
(2)砂纸的选取与去杂质：取一片尺寸与凹槽底面尺寸相同的砂纸，对砂纸进行去离子水清洗，将经去离子水清洗后的砂纸放置在凹槽底部，使砂纸粗糙的一面朝上。
(3)柔性基体的制备：将PDMS、固化剂、导电填料和PET粉末按照 10:1:1～2:(0.8～1.2)的比例混合，搅拌均匀后，将混合物倒入凹槽内，使凹槽填满，并用一片玻璃板盖在凹槽的最上方，得到混合物基体。
(4)柔性基体多孔的形成：将混合物基体放置在烤箱中在120℃下加热 15分钟，使混合物基体内的PET粉末充分发泡，产生多孔结构，将固化后的混合物基体切割裁剪成设定的尺寸，得到柔性基体。将固化后的基体切割裁剪成表面为1*1cm的尺寸。
(5)柔性基体与叉指电极的组装：将柔性基体放置在叉指电极上方，并将二者连接在一起，得到柔性压阻式传感器。
本发明所述的柔性压阻式传感器的工作原理为：
当压力作用在该柔性压阻式传感器的上表面时，柔性基体下表面凸出程度较大的微结构会先接触叉指电极，形成导电通路，随着压力的变化，柔性基体中的微孔孔隙以及柔性基体与叉指电极的接触面积会发生变化，从而导致电阻发生变化。本发明将微孔结构与多孔相结合的导电方式，结合导电材料的高导电性，能够大大提高柔性压阻式传感器的灵敏度。本发明所述的柔性压阻式传感器具有灵敏度高、制作成本小、无污染、制作方法简易、测量范围广、稳定性高、响应时间良好等特点，适用于人体生理健康监测。
本发明通过设置不同程度的微结构是为了在受压的过程中尽可能地改变导电基体与电极的接触面积。多孔结构在受压变形后，孔径被压缩，基体阻值减小。两者结合，极大地提高了传感器的灵敏度。
在图3中，R0表示初始电阻，R表示施加压力下的电阻，图3显示了压力传感器随压力的相对电阻变化。其中的多孔微结构即为本发明所述的柔性压阻式传感器，多孔即为现有技术中的压阻式传感器。由图3可见，两类传感器在低压范围极速下降，高压范围逐渐减小；两种结构在0-7KPa都有灵敏度较高，在7KPa以后导电基体逐渐饱和，灵敏度较低；由实验数据得出，在0-1KPa 下多孔微结构的灵敏度为58.2kPa-1多孔结构的灵敏度为38.3KPa-1,所以在低压范围下多孔微结构性能优于多孔结构，1-7KPa下多孔微结构灵敏度为4.27KPa-1多孔结构的灵敏度为4.41KPa-1，两者灵敏度相似；在7KPa以后，传感器导电路径趋于饱和，灵敏度较低。
以上所述的实施例仅仅是对本发明的优选实施方式进行描述，并非对本发明的范围进行限定，在不脱离本发明设计精神的前提下，本领域普通技术人员对本发明的技术方案作出的各种变形和改进，均应落入本发明权利要求书确定的保护范围内。
Claims (7)
1.一种基于多孔微结构的柔性压阻式传感器，其特征在于：包括柔性基体和设置在柔性基体下方的叉指电极；所述柔性基体的上表面为平面，下表面设有若干向下凸出的微结构；所述柔性基体上开设有若干微孔。
2.根据权利要求1所述的一种基于多孔微结构的柔性压阻式传感器，其特征在于：所述柔性基体采用PDMS、固化剂、导电填料和PET粉末按照10:1:a:(0.8～1.2)的比例混合后制备而成，其中，a的取值范围为1～1.5。
3.根据权利要求2所述的一种基于多孔微结构的柔性压阻式传感器，其特征在于：所述导电填料采用炭黑、石墨烯、碳纳米管中的任意一种或多种的组合。
4.根据权利要求1所述的一种基于多孔微结构的柔性压阻式传感器，其特征在于：一部分微结构与叉指电极的顶部相接触，另一部分微结构与叉指电极的顶部之间有间隙。
5.根据权利要求1所述的一种基于多孔微结构的柔性压阻式传感器，其特征在于：所述微结构的凸出程度为微米量级。
6.根据权利要求1～5任意一项所述的基于多孔微结构的柔性压阻式传感器的制备方法，其特征在于：该方法包括以下步骤：
(1)基体模板制备：采用3D打印机打印一个深度为b毫米的顶部开口的长方体状凹槽；
(2)砂纸的选取与去杂质：取一片尺寸与凹槽底面尺寸相同的砂纸，对砂纸进行去离子水清洗，将经去离子水清洗后的砂纸放置在凹槽底部，使砂纸粗糙的一面朝上；
(3)柔性基体的制备：将PDMS、固化剂、导电填料和PET粉末按照10:1:1～2:(0.8～1.2)的比例混合，搅拌均匀后，将混合物倒入凹槽内，使凹槽填满，并用一片玻璃板盖在凹槽的最上方，得到混合物基体；
(4)柔性基体多孔的形成：将混合物基体放置在烤箱中在120℃下加热15分钟，使混合物基体内的PET粉末充分发泡，产生多孔结构，将固化后的混合物基体切割裁剪成设定的尺寸，得到柔性基体；
(5)柔性基体与叉指电极的组装：将柔性基体放置在叉指电极上方，并将二者连接在一起，得到柔性压阻式传感器。
7.根据权利要求6所述的一种基于多孔微结构的柔性压阻式传感器，其特征在于：b的取值为1。
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