CN114305378A - 一种柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开一种柔性压力传感器及其制备方法，所述柔性压力传感器包括柔性基底、插指式电极、压力传感微结构以及柔性封装层，所述插指式电极紧密接触柔性基底，所述压力传感微结构覆盖在插指式电极上，柔性封装层将插指式电极和压力传感微结构完全覆盖，只露出插指式电极的信号传输端；所述插指式电极采用数字印刷工艺制备在柔性基底材料上，所述压力传感微结构采用筛网模板法制备。本发明可对外界压力的强度和变化过程进行连续监测，特别适用于患者的腹内压力监测，可进行大面积、低成本制备，降低患者的使用成本。
Description
技术领域
本发明涉及一种传感器，具体涉及一种柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
压力传感器是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置。柔性压力传感器作为一种新型的电子器件,它在人机交互、医疗健康、机器人触觉等应用领域具有比刚性传感器更大的优势,但灵敏度、响应时间、检测范围、稳定性等还有待提高，制造成本也较高。
在医疗领域，腹腔内压力(intra-abdominal pressure，IAP)简称腹内压，是腹腔内在的压力，是临床诊断和治疗疾病重要的生理学参数之一。腹内高压：是指腹内压持续或反复的病理性升高≧12mmHg。腹内高压在重症患者中并不鲜见，文献报道在ICU中其发生率可达30％～40％，腹内高压可引起器官组织低灌注，甚至发展至腹腔间隔室综合征(ACS)，导致出现多器官和系统功能障碍，给救治带来很大挑战。
腹膜腔内压力正常一般为0～5mmHg，当IAP>15mmHg可能引起明显的肝功能不全，甚至衰竭。
监测腹内压是临床诊断和治疗的可靠依据，在ICU内常规进行腹内压监测，可准确预测腹腔高压症患者病情变化，及早防治腹腔间室综合症的发生，降低危重患者的死亡率。
但是，目前还没有较好的用于腹内压连续监测的传感装置。
发明内容
为解决上述技术问题的缺陷和不足，本发明提供一种柔性压力传感器及其制备方法，可对外界压力的强度和变化过程进行连续监测，特别适用于患者的腹内压力监测，可进行大面积、低成本制备，降低患者的使用成本。
一种柔性压力传感器，包括柔性基底、插指式电极、压力传感微结构以及柔性封装层，所述插指式电极紧密接触柔性基底，所述压力传感微结构覆盖在插指式电极上，柔性封装层将插指式电极和压力传感微结构完全覆盖，只露出插指式电极的信号传输端。
进一步的，所述压力传感微结构为导电碳纳米管形成的导电网络，导电网络管线结构呈筛网状。
进一步的，所述柔性基底材料为常见的聚合物薄膜，如各类聚酯膜、聚酰亚胺膜。
进一步的，所述柔性封装层材料为常见的聚合物弹性体材料，如聚氨酯、硅橡胶、天然橡胶。
上述柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
第一步，选取柔性基底材料，制备柔性基底，采用数字印刷工艺将插指式电极制备在柔性基底上；
第二步，制备压力传感微结构，将压力传感微结构覆盖在指插式电极上；
第三步，制备柔性封装层，将插指式电极、压力传感微结构全部封装在柔性基底上，只露出插指式电极的信号传输端。
进一步的，所述数字印刷工艺步骤包括喷墨打印、丝网印刷、漏字板印刷、卷对卷印刷。
进一步的，所述插指式电极图案的形状尺寸、插指数量、指间间距等参数都可以通过改变数字印刷工艺参数来进行调整和优化。
进一步的，制备压力传感微结构的步骤如下：
A1，将筛网表面规整的微图案通过热压方式转移到一个聚苯乙烯薄片上，冷却后揭下筛网，在聚苯乙烯薄片上便留下了与筛网微图案构型相反的微结构；
A2，通过喷涂技术将导电碳纳米管均匀地涂覆到聚苯乙烯微结构上，形成导电网络；
A3，将硅橡胶前驱体浇筑到涂覆有碳纳米管的聚苯乙烯微结构上，硅橡胶前驱体渗透到碳纳米管导电网络中；
A4，加热聚苯乙烯微结构，硅橡胶前驱体固化后，撕下硅橡胶/碳纳米管导电微结构，即制备得到压力传感微结构。
进一步的，步骤A1所述筛网由金属丝线编织而成，具有大小均匀、尺寸可控的微孔结构和表面图案。
进一步的，步骤A1所述筛网由聚合物丝线编织而成，具有大小均匀、尺寸可控的微孔结构和表面图案。
本发明的有益效果：
1、本发明有较高的灵敏度，更低的检测极限，更宽的检测范围，可以对各种外界压力(如接触压力、液体压力)的强度和变化过程进行连续监测；
2、本发明采用插指式电极，其构型有利于通过打印技术制备特定形状的压力传感器阵列，有利于压力传感器的微型化；
3、本发明的压力传感微结构呈筛网结构，均匀、规整，其大小调节方便，便于进行大面积、低成本制备，有利于降低制造成本；
4、本发明制备的柔性压力传感器将外界压力转换成电极之间的电阻进行测量，可以提高压力传感器的灵敏度以及检测范围。
附图说明
为了更清楚地说明本申请实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本申请的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。
图1为柔性压力传感器的结构示意图；
图2为柔性压力传感器的工作原理示意图；
图3为柔性压力传感器的电阻回路示意图；
图4为柔性压力传感器整体电阻随外界压力的变化趋势示意图；
图5为柔性压力传感器对外界液压变化的响应行为示意图；
图6为柔性压力传感器的制备方法示意图；
图中：1-柔性基底材料，2-插指式电极，3-压力传感微结构，4-柔性封装材料。
具体实施方式
为使本申请实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本申请实施例中的附图，对本申请实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本申请实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
在本申请实施例的描述中，需要说明的是，指示方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，或者是本领域技术人员惯常理解的方位或位置关系，或者是该申请产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本申请实施例的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“安装”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本申请中的具体含义。
如图1所示，本发明提供一种柔性压力传感器，包括柔性基底1、插指式电极2、压力传感微结构3以及柔性封装层4，所述插指式电极2紧密接触柔性基底1，所述压力传感微结构3覆盖在插指式电极2上，柔性封装层4将插指式电极2和压力传感微结构3完全覆盖，只露出插指式电极2的信号传输端。
所述压力传感微结构3为导电碳纳米管形成的导电网络，导电网络管线结构呈筛网状。
所述柔性基底1材料可选用常见的聚合物薄膜，如各类聚酯膜、聚酰亚胺膜等，所述柔性封装层4材料可选用常见的聚合物弹性体材料，如聚氨酯、硅橡胶、天然橡胶等。
上述柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
第一步，选取柔性基底材料，制备柔性基底1，采用数字印刷工艺将插指式电极2制备在柔性基底1上；
第二步，制备压力传感微结构3，将压力传感微结构3覆盖在指插式电极2上；
第三步，制备柔性封装层4，将插指式电极2、压力传感微结构3全部封装在柔性基底1上，只露出插指式电极2的信号传输端。
所述插指式电极2的图案采用数字印刷工艺进行制备，其步骤包括喷墨打印、丝网印刷、漏字板印刷、卷对卷印刷。所述插指式电极2图案的形状尺寸、插指数量、指间间距等参数都可以通过改变数字印刷工艺参数来进行调整和优化，通过上述工艺，可实现柔性插指式电极的大面积、低成本和可控制备。
所述压力传感微结构3通过筛网模板法来进行大面积和低成本制备，筛网由金属丝线或者聚合物丝线编织而成，具有大小均匀、尺寸可控的微孔结构和表面图案，可以作为理想的制备压力传感微结构3的模板。
如图6所示，筛网模板法的步骤如下：
A1，将筛网表面规整的微图案通过热压方式转移到一个聚苯乙烯薄片上，冷却后揭下筛网，在聚苯乙烯薄片上便留下了与筛网微图案构型相反的微结构；
A2，通过喷涂技术将导电碳纳米管均匀地涂覆到聚苯乙烯微结构上，形成导电网络；
A3，将硅橡胶前驱体浇筑到涂覆有碳纳米管的聚苯乙烯微结构上，硅橡胶前驱体渗透到碳纳米管导电网络中；
A4，加热聚苯乙烯微结构，硅橡胶前驱体固化后，撕下硅橡胶/碳纳米管导电微结构。
此时碳纳米管导电网络便嵌入到硅橡胶微结构表层中，筛网上均匀、规整的微观结构转移到硅橡胶/碳纳米管导电复合材料上，形成最终的柔性压力传感微结构3。所制备的压力传感微结构3与原始筛网具有相似的形貌，这些压力传感微结构3的形貌非常均匀、规整，其大小也可以通过使用不同尺寸筛网模板来进行调节。
本发明所制备的柔性压力传感器的工作原理如图2-5所示，当受到外界压力时，压力传感微结构3与下方指插式电极2之间的接触面积变化，进而导致二者之间的接触电阻发生相应变化，此时连接电极传输端，对整个柔性压力传感器回路中的总体电阻R进行测量，可以将外界压力的变化转化为压力传感器回路中的总体电阻R的变化上，实现对外界压力的随时检测和实时监测。随着外界压力的增加，两个接触电阻逐渐减小，压力传感器回路中的总体电阻R也随之降低。
本发明制备的柔性压力传感器与传统压力传感器工作机制不同，本发明通过测量插指式电极2之间的电阻来测量外界压力，基于这种工作原理的压力传感器具有更好的优势，包括更高的灵敏度、更低的检测极限和更宽的检测范围。基于该种柔性压力传感器，可以对各种外界压力，如接触压力、液体压力的强度和变化过程进行连续监测。
当然，本发明还可有其它多种实施例，在不背离本发明精神及其实质的情况下，熟悉本领域的技术人员可根据本发明作出各种相应的改变和变形，但这些相应的改变和变形都应属于本发明所附的权利要求的保护范围。
Claims (10)
1.一种柔性压力传感器，其特征在于：所述柔性压力传感器包括柔性基底(1)、插指式电极(2)、压力传感微结构(3)以及柔性封装层(4)，所述插指式电极(2)紧密接触柔性基底(1)，所述压力传感微结构(3)覆盖在插指式电极(2)上，柔性封装层(4)将插指式电极(2)和压力传感微结构(3)完全覆盖，只露出插指式电极(2)的信号传输端。
2.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于：所述压力传感微结构(3)为导电碳纳米管形成的导电网络，导电网络管线结构呈筛网状。
3.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于：所述柔性基底(1)材料为聚合物薄膜。
4.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于：所述柔性封装层(4)材料为聚合物弹性体材料。
5.根据权利要求1-4任一项所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：该方法包括如下步骤：
第一步，选取柔性基底材料，制备柔性基底(1)，采用数字印刷工艺将插指式电极(2)制备在柔性基底(1)上；
第二步，制备压力传感微结构(3)，将压力传感微结构(3)覆盖在指插式电极(2)上；
第三步，制备柔性封装层(4)，将插指式电极(2)、压力传感微结构(3)全部封装在柔性基底(1)上，只露出插指式电极(2)的信号传输端。
6.根据权利要求5所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：所述数字印刷工艺步骤包括喷墨打印、丝网印刷、漏字板印刷、卷对卷印刷。
7.根据权利要求5所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：所述插指式电极(2)图案的形状尺寸、插指数量、指间间距等参数都可以通过改变数字印刷工艺参数来进行调整和优化。
8.根据权利要求5所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：制备压力传感微结构(3)的步骤如下：
A1，将筛网表面规整的微图案通过热压方式转移到一个聚苯乙烯薄片上，冷却后揭下筛网，在聚苯乙烯薄片上便留下了与筛网微图案构型相反的微结构；
A2，通过喷涂技术将导电碳纳米管均匀地涂覆到聚苯乙烯微结构上，形成导电网络；
A3，将硅橡胶前驱体浇筑到涂覆有碳纳米管的聚苯乙烯微结构上，硅橡胶前驱体渗透到碳纳米管导电网络中；
A4，加热聚苯乙烯微结构，硅橡胶前驱体固化后，撕下硅橡胶/碳纳米管导电微结构，即制备得到压力传感微结构(3)。
9.根据权利要求8所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：步骤A1所述筛网由金属丝线编织而成，具有大小均匀、尺寸可控的微孔结构和表面图案。
10.根据权利要求8所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：步骤A1所述筛网由聚合物丝线编织而成，具有大小均匀、尺寸可控的微孔结构和表面图案。
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