CN114295255A - 一种基于3d打印的柔性压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于3D打印的柔性压力传感器，包括硅胶模和填充在硅胶模内的二硫化钼胶体，二硫化钼胶体由纳米二硫化钼分散液与包埋剂混合干燥而成，包埋剂由PVA和PEG组成；填充在硅胶模内的二硫化钼胶体呈交叉式网状结构；柔性压力传感器的制作工艺包括以下步骤：步骤一、采集用户信息：步骤二、传感器建模设计；步骤三、硅胶模制作；步骤四、填充二硫化钼胶体：将包埋剂与纳米二硫化钼分散液混合并干燥至粘稠状，注入硅胶模的二硫化钼胶体通道中至完全填充并干燥；步骤五、完成电极接头的安装，引线外连信号放大器。本发明的传感器灵敏度高、结构稳固、制作工艺简单易操作。

Description

一种基于3D打印的柔性压力传感器

技术领域

本发明属于传感器领域，涉及一种柔性压力传感器，尤其涉及一种基于3D打印的柔性压力传感器及其制作工艺。

背景技术

传感器，即能感受规定的被测量并按照一定的规律(数学函数法则)转换成可用信号的器件或装置，它通常由敏感元件和转换元件组成。传感器种类繁多，其中压力传感器是一种应用极其广泛的传感器。但随着生产力水平的不断提高，工业生产、检测技术等领域对于压力传感器也有了越来越多的需求，也产生了新的问题，即物体在受压，弯曲或者变形后，其内置的压力传感器准确率会急剧下降，这也就让压力传感器的使用范围大幅降低。

其原因都可以归结到压力传感器不能在这种易弯折形变的场合工作上。这个问题已经存在许久，直到有人发现用纳米纤维编织，再在其外围添加有机硅材料，能创造出一种柔软的压力传感器。

柔性压力传感器是一种用于感知物体表面作用力大小的柔性电子器件，能贴附于各种不规则物体表面，在医疗健康、机器人、生物力学等领域有着广泛的应用前景。随着科学技术的发展，柔性压力传感器能否兼具柔韧性和准确测量压力分布信息等功能成为人们关注的焦点。由于微结构不仅能够提高传感器的灵敏度，还能更快地恢复传感器的弹性形变，具备快速响应能力。所以就有科研团队利用聚合物胶体微球自组装阵列作为模板，复制制备了具有微凸点阵列的柔性基底来制作这种柔性传感器。

显然，构建微结构是提高柔性压力传感器综合性能的有效途径，可随之又出现了新的问题，相对于传统光刻技术制备微结构硅模板的方法，虽说其采用的全化学法无需依赖昂贵的光刻设备及复杂的光刻工艺。但用聚合物胶体微球自组装阵列复制制备具有微凸点阵列的柔性基底仍是一种极其复杂的制备工艺，并且所研制出的传感器灵敏度不高。

由于我国3D打印技术在模具、医疗器械等领域具有广泛的应用。通过Solidworks建模进行产品设计，再利用3D打印快速生成，可实现模具、医疗器械的制造和修复。随着3D打印技术在各个领域的发展，在保证产品性能的同时，还能延长产品使用寿命。

发明内容

针对现有技术的缺陷，本发明提出一种基于3D打印的柔性压力传感器及其制作工艺，用这种方法所制得的柔性压力传感器具有高灵敏度、快速的响应时间和良好的稳定性，更重要的是，其制备工艺相较于现有技术中的构建微结构方法有了明显的优化提升。

为实现上述目的，本发明提供一种基于3D打印的柔性压力传感器，具有这样的特征：包括硅胶模和填充在硅胶模内的二硫化钼胶体，二硫化钼胶体由纳米二硫化钼分散液与包埋剂混合干燥而成，包埋剂由PVA和PEG组成，包埋剂的浸透在二硫化钼分散液内部，利用其交联作用将二硫化钼纳米片连接起来；填充在硅胶模内的二硫化钼胶体呈交叉式网状结构；柔性压力传感器还包括两个电极接头，硅胶模的边缘设有两个与二硫化钼胶体连续相接的电极接口，两个电极接头分别嵌入在电极接口中；

柔性压力传感器的制作工艺包括以下步骤：

步骤一、采集用户信息：通过3D扫描收集传感器使用区域，通过图像识别技术确定传感器的尺寸范围，根据所需测量的力的大小确定量程范围，即量程范围需涵盖所需测量力的大小；

步骤二、传感器建模设计：根据量程范围确定传感器厚度；根据二硫化钼胶体的交叉式网状结构设计硅胶模中二硫化钼胶体通道和电极接口的排布，并依此进行3D打印硅胶模的建模；

步骤三、硅胶模制作：根据建模3D打印出具有二硫化钼胶体通道和电极接口的硅胶模；

步骤四、填充二硫化钼胶体：将电极片黏贴在电极接头上，将其中一个电极接头装入硅胶膜的一个电极接口中，并用密封胶密封；将包埋剂与纳米二硫化钼分散液混合并干燥至粘稠状，注入硅胶模的二硫化钼胶体通道中至完全填充并干燥；

步骤五、将另一个已安装电极的电极接头插入另一个电极接口中，密封胶密封，引线外连信号放大器；

其中，步骤四和步骤五均在氮气环境下完成。

进一步，本发明提供一种基于3D打印的柔性压力传感器，还可以具有这样的特征：其中，所述PVA与PEG的质量比为3∶1；纳米二硫化钼分散液的浓度为1mg/ml；纳米二硫化钼分散液与包埋剂的质量比为1∶3。

进一步，本发明提供一种基于3D打印的柔性压力传感器，还可以具有这样的特征：其中，步骤一中，根据所需测量的力的大小，按1000N/μV得到量程，即量程最大值为所需测量的力除以1000N/μV。

进一步，本发明提供一种基于3D打印的柔性压力传感器，还可以具有这样的特征：其中，步骤二中，按0.5μV/mm，根据量程最大值确定传感器厚度，即传感器厚度为量程最大值除以0.5μV/mm。

进一步，本发明提供一种基于3D打印的柔性压力传感器，还可以具有这样的特征：其中，步骤二中，在二硫化钼通道的端部中，选择直线距离最远的两个端延续预留为电极接口。

进一步，本发明提供一种基于3D打印的柔性压力传感器，还可以具有这样的特征：其中，所述柔性压力传感器为长方体，二硫化钼胶体呈正交的交叉式网状结构，其制作工艺如下：

步骤一、采集用户信息：通过3D扫描收集传感器使用区域，通过图像识别技术确定传感器的长度和宽度，分别记为A和B，根据所需测量的力的大小，按1000N/μV得到量程；

步骤二、传感器建模设计：

按0.5μV/mm，根据量程最大值确定传感器厚度，记为H；

根据二硫化钼胶体的交叉式网状结构设计硅胶模中二硫化钼胶体通道的排布：

由量程最大值，按2mm/μV确定纵向二硫化钼胶体通道横截面的长，记为a；按1.5mm/μV确定横向二硫化钼胶体通道横截面的长，记为b；并取二硫化钼胶体通道的高为0.9H，上下各留0.05H的硅胶包裹；

二硫化钼通道之间均有硅胶隔离，取其宽度为0.1mm；沿长方体传感器长边均匀分布的二硫化钼通道的列数(即二硫化钼填充路径列数)，记为m，m＝A/(a+0.05)，沿长方体传感器短边均匀分布的二硫化钼通道的列数(即二硫化钼填充路径列数)，记为n，n＝B/(b+0.05)；

除了电极接口外，每条二硫化钼通道两端均留有0.1-0.2mm的硅胶包裹，即二硫化钼通道两端与硅胶模边缘留有0.1-0.2mm的距离；

根据纵向二硫化钼胶体通道横截面的长、横向二硫化钼胶体通道横截面的长、二硫化钼胶体通道的高、长边均匀分布的二硫化钼通道的列数、短边均匀分布的二硫化钼通道的列数设计出硅胶模中二硫化钼胶体通道的排布；

在二硫化钼通道的端部中，选择直线距离最远的两个端延续预留为电极接口；

根据硅胶模中二硫化钼胶体通道和电极接口的排布进行3D打印硅胶模的建模；

步骤三、硅胶模制作：根据建模3D打印出具有二硫化钼胶体通道和电极接口的硅胶模；

步骤四、填充二硫化钼胶体：用导电银胶将铜镀银电极片黏贴在电极接头上，将其中一个电极接头装入硅胶膜的一个电极接口中，并用密封胶密封；

将包埋剂与纳米二硫化钼分散液混合并干燥至粘稠状，注入硅胶模的二硫化钼胶体通道中至完全填充并干燥；

步骤五、将另一个已安装电极的电极接头插入另一个电极接口中，密封胶密封，引线外连信号放大器；

其中，步骤四和步骤五均在氮气环境下完成。

本发明的有益效果在于：本发明提供一种基于3D打印的柔性压力传感器，传感器分为内外两层，内层为纳米级二硫化钼与包埋剂成分混合经干燥后的胶体，外层为传导外部所受压力的优质硅胶。其中，内部由纳米级二硫化钼胶体填充，其压电效应可以保证传感器具有较高的灵敏度；外部为优选的硅胶材质，可以很好地将外部压力传导到内部的二硫化钼上。二硫化钼胶体网状的设计结构能增大受力面积，使得极性化更加迅速，提高灵敏度，交叉式网状结构也使得结构更加稳固。电极接头为嵌入式设计，这种隐藏式设计更加安全且有效的传输电压信号。

传感器基于3D的制作工艺程序简单易操作。目前市场上的柔性传感器因为制备工艺复杂，所以批量生产的难度很大。本制作工艺在保持灵敏度进一步提升的同时，解决了当今柔性压力传感器生产步骤繁杂、不易操作且无法批量生产的问题。

附图说明

图1是柔性压力传感器的横截面的结构示意图；

图2a是具有正交交叉网状结构二硫化钼胶体的柔性压力传感器(横剖)的结构示意图；

图2b是具有倾斜交叉网状结构二硫化钼胶体的柔性压力传感器(横剖)的结构示意图。

具体实施方式

以下结合附图来说明本发明的具体实施方式。

如图1所示，本发明提供一种基于3D打印的柔性压力传感器，包括硅胶模1和填充在硅胶模内的二硫化钼胶体2，二硫化钼胶体由纳米二硫化钼分散液与包埋剂混合干燥而成，包埋剂由PVA和PEG组成。填充在硅胶模内的二硫化钼胶体呈交叉式网状结构，其中交叉式网状结构可以为正交交叉的网状结构，如图2a所示，也可以是倾斜交叉的网状结构，如图2b所示。

其中，所述PVA与PEG的质量比为3∶1；纳米二硫化钼分散液的浓度为1mg/ml；纳米二硫化钼分散液与包埋剂的比为1∶3。

柔性压力传感器还包括两个电极接头3，硅胶模的边缘设有两个与二硫化钼胶体连续相接的电极接口，两个电极接头分别嵌入在电极接口中。

柔性压力传感器的制作工艺包括以下步骤：

步骤一、采集用户信息：

通过3D扫描收集传感器使用区域，通过图像识别技术确定传感器的尺寸范围。

根据所需测量的力的大小确定量程范围，具体的，根据所需测量的力的大小，按1000N/μV得到量程，即量程最大值为所需测量的力除以1000N/μV。

步骤二、传感器建模设计：

根据量程范围确定传感器厚度，具体的，按0.5μV/mm，根据量程最大值确定传感器厚度，即传感器厚度为量程最大值除以0.5μV/mm。

根据二硫化钼胶体的交叉式网状结构设计硅胶模中二硫化钼胶体通道和电极接口的排布，并依此进行3D打印硅胶模的建模。其中，在二硫化钼通道的端部中，选择直线距离最远的两个端延续预留为电极接口。

步骤三、硅胶模制作：根据建模3D打印出具有二硫化钼胶体通道和电极接口的硅胶模。

步骤四、填充二硫化钼胶体：将电极片黏贴在电极接头上，将其中一个电极接头装入硅胶膜的一个电极接口中，并用密封胶密封。

将包埋剂与纳米二硫化钼分散液混合并干燥至粘稠状，注入硅胶模的二硫化钼胶体通道中至完全填充并干燥。

步骤五、将另一个已安装电极的电极接头插入另一个电极接口中，密封胶密封，引线外连信号放大器。

其中，步骤四和步骤五均在氮气环境下完成。

在一具体的实施例中，柔性压力传感器为长方体，二硫化钼胶体呈正交的交叉式网状结构，其制作工艺如下：

步骤一、采集用户信息：通过3D扫描收集传感器使用区域，通过图像识别技术确定传感器的长度和宽度，分别记为A和B，根据所需测量的力的大小，按1000N/μV得到量程。

步骤二、传感器建模设计：

按0.5μV/mm，根据量程最大值确定传感器厚度，记为H。

根据二硫化钼胶体的交叉式网状结构设计硅胶模中二硫化钼胶体通道的排布：

由量程最大值，按2mm/μV确定纵向二硫化钼胶体通道横截面的长，记为a；按1.5mm/μV确定横向二硫化钼胶体通道横截面的长，记为b；并取二硫化钼胶体通道的高为0.9H，上下各留0.05H的硅胶包裹；

二硫化钼通道之间均有硅胶隔离，取其宽度为0.1mm；沿长方体传感器长边均匀分布的二硫化钼通道的列数(即二硫化钼填充路径列数)，记为m，m＝A/(a+0.05)，沿长方体传感器短边均匀分布的二硫化钼通道的列数(即二硫化钼填充路径列数)，记为n，n＝B/(b+0.05)；

除了电极接口外，每条二硫化钼通道两端均留有0.1-0.2mm的硅胶包裹，即二硫化钼通道两端与硅胶模边缘留有0.1-0.2mm的距离。

根据以上纵向二硫化钼胶体通道横截面的长、横向二硫化钼胶体通道横截面的长、二硫化钼胶体通道的高、长边均匀分布的二硫化钼通道的列数、短边均匀分布的二硫化钼通道的列数设计出硅胶模中二硫化钼胶体通道的排布。

在二硫化钼通道的端部中，选择直线距离最远的两个端延续预留为电极接口。

根据硅胶模中二硫化钼胶体通道和电极接口的排布进行3D打印硅胶模的建模。

步骤三、硅胶模制作：根据建模3D打印出具有二硫化钼胶体通道和电极接口的硅胶模。

步骤四、填充二硫化钼胶体：用导电银胶将铜镀银电极片黏贴在电极接头上，将其中一个电极接头装入硅胶膜的一个电极接口中，并用密封胶密封。

将包埋剂与纳米二硫化钼分散液混合并干燥至粘稠状，注入硅胶模的二硫化钼胶体通道中至完全填充并干燥。

步骤五、将另一个已安装电极的电极接头插入另一个电极接口中，密封胶密封，引线外连信号放大器。

其中，步骤四和步骤五均在氮气环境下完成。

Claims (6)

1.一种基于3D打印的柔性压力传感器，其特征在于：

包括硅胶模和填充在硅胶模内的二硫化钼胶体，二硫化钼胶体由纳米二硫化钼分散液与包埋剂混合干燥而成，包埋剂由PVA和PEG组成；填充在硅胶模内的二硫化钼胶体呈交叉式网状结构；

柔性压力传感器还包括两个电极接头，硅胶模的边缘设有两个与二硫化钼胶体连续相接的电极接口，两个电极接头分别嵌入在电极接口中；

柔性压力传感器的制作工艺包括以下步骤：

步骤一、采集用户信息：通过3D扫描收集传感器使用区域，通过图像识别技术确定传感器的尺寸范围，根据所需测量的力的大小确定量程范围；

步骤二、传感器建模设计：根据量程范围确定传感器厚度；根据二硫化钼胶体的交叉式网状结构设计硅胶模中二硫化钼胶体通道和电极接口的排布，并依此进行3D打印硅胶模的建模；

步骤三、硅胶模制作：根据建模3D打印出具有二硫化钼胶体通道和电极接口的硅胶模；

步骤四、填充二硫化钼胶体：将电极片黏贴在电极接头上，将其中一个电极接头装入硅胶膜的一个电极接口中，并用密封胶密封；

将包埋剂与纳米二硫化钼分散液混合并干燥至粘稠状，注入硅胶模的二硫化钼胶体通道中至完全填充并干燥；

步骤五、将另一个已安装电极的电极接头插入另一个电极接口中，密封胶密封，引线外连信号放大器；

其中，步骤四和步骤五均在氮气环境下完成。

2.根据权利要求1所述的基于3D打印的柔性压力传感器，其特征在于：

其中，所述PVA与PEG的质量比为3∶1；

纳米二硫化钼分散液的浓度为1mg/ml；

纳米二硫化钼分散液与包埋剂的质量比为1∶3。

3.根据权利要求1所述的基于3D打印的柔性压力传感器，其特征在于：

其中，步骤一中，根据所需测量的力的大小，按1000N/μV得到量程。

4.根据权利要求1所述的基于3D打印的柔性压力传感器，其特征在于：

其中，步骤二中，按0.5μV/mm，根据量程最大值确定传感器厚度。

5.根据权利要求1所述的基于3D打印的柔性压力传感器，其特征在于：

其中，步骤二中，在二硫化钼通道的端部中，选择直线距离最远的两个端延续预留为电极接口。

6.根据权利要求1所述的基于3D打印的柔性压力传感器，其特征在于：

其中，所述柔性压力传感器为长方体，二硫化钼胶体呈正交的交叉式网状结构，其制作工艺如下：

步骤一、采集用户信息：通过3D扫描收集传感器使用区域，通过图像识别技术确定传感器的长度和宽度，分别记为A和B，根据所需测量的力的大小，按1000N/μV得到量程；

步骤二、传感器建模设计：

按0.5μV/mm，根据量程最大值确定传感器厚度，记为H；

根据二硫化钼胶体的交叉式网状结构设计硅胶模中二硫化钼胶体通道的排布：

由量程最大值，按2mm/μV确定纵向二硫化钼胶体通道横截面的长，记为a；按1.5mm/μV确定横向二硫化钼胶体通道横截面的长，记为b；并取二硫化钼胶体通道的高为0.9H，上下各留0.05H的硅胶包裹；

二硫化钼通道之间均有硅胶隔离，取其宽度为0.1mm；沿长方体传感器长边均匀分布的二硫化钼通道的列数，记为m，m＝A/(a+0.05)，沿长方体传感器短边均匀分布的二硫化钼通道的列数，记为n，n＝B/(b+0.05)；

除了电极接口外，每条二硫化钼通道两端均留有0.1-0.2mm的硅胶包裹；

根据纵向二硫化钼胶体通道横截面的长、横向二硫化钼胶体通道横截面的长、二硫化钼胶体通道的高、长边均匀分布的二硫化钼通道的列数、短边均匀分布的二硫化钼通道的列数设计出硅胶模中二硫化钼胶体通道的排布；

在二硫化钼通道的端部中，选择直线距离最远的两个端延续预留为电极接口；

根据硅胶模中二硫化钼胶体通道和电极接口的排布进行3D打印硅胶模的建模；

步骤三、硅胶模制作：根据建模3D打印出具有二硫化钼胶体通道和电极接口的硅胶模；

步骤四、填充二硫化钼胶体：用导电银胶将铜镀银电极片黏贴在电极接头上，将其中一个电极接头装入硅胶膜的一个电极接口中，并用密封胶密封；

将包埋剂与纳米二硫化钼分散液混合并干燥至粘稠状，注入硅胶模的二硫化钼胶体通道中至完全填充并干燥；

步骤五、将另一个已安装电极的电极接头插入另一个电极接口中，密封胶密封，引线外连信号放大器；

其中，步骤四和步骤五均在氮气环境下完成。

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