CN114858312B - 一种自驱动摩擦电式压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自驱动摩擦电式压力传感器及其制备方法。所述自驱动摩擦电式压力传感器由下至上依次包括基底、电极层、介电层、间隔层、摩擦层以及屏蔽层；所述介电层由下至上依次包括柔性衬底层、离子凝胶材料层以及微结构材料层，所述离子凝胶材料层为多孔结构，所述微结构材料层的上表面间隔开形成有多个向上凸起的微结构。本发明的自驱动压力传感器在无需外电源供电的情况下具有同时具有超高灵敏度以及超宽检测范围，能够在已施加较大压力时识别微小的压力，增加了压力传感器的应用范围，如应用至物联网系统时，使得其在降低物联网系统功耗的同时扩大了压力传感器的使用范围。

Description

一种自驱动摩擦电式压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及压力传感器技术，尤其涉及一种自驱动摩擦电式压力传感器及其制备方法。

背景技术

随着5G时代的到来，物联网技术也发展的愈加成熟。而压力传感器是物联网中获得信息最重要的节点之一，其信号输出需要测试回路持续提供电源输入，但完整的物联网体系需要数量十分庞大的传感节点，供电问题已成为制约其发展的瓶颈。自驱动压力传感器可利用外部机械刺激实时转换为电信号输出，通过电信号输出的大小判断外界压力的大小。

压电式传感器与摩擦电式传感器是现有主流的自驱动压力传感器。虽然压电式传感器具有自供电、较薄等优点，但其材料限制较多，输出响应低。基于摩擦纳米发电机的压力传感器输出响应较高，且使用的摩擦材料与现有工业产线兼容。然而，现有较高灵敏度的摩擦电式压力传感器的检测范围都较窄，扩大压力检测范围通常会牺牲灵敏度。灵敏度和压力检测范围的不匹配很大程度上限制了摩擦电式压力传感器的实际应用。

发明内容

本发明的一个目的在于提供一种无需外部电路供电的且同时具备高灵敏度与宽检测范围的压力传感器。

本发明的一个进一步的目的是提供一种在有较大压力的基础上能够识别极其微小的压力的压力传感器。

特别地，本发明提供了一种自驱动摩擦电式压力传感器，由下至上依次包括基底、电极层、介电层、间隔层、摩擦层以及屏蔽层；

所述介电层由下至上依次包括柔性衬底层、离子凝胶材料层以及微结构材料层，所述离子凝胶材料层为多孔结构，所述微结构材料层的上表面间隔开形成有多个向上凸起的微结构。

可选地，每个所述微结构的上部具有高低不同的多个尖端。

可选地，所述多个尖端包括位于所述微结构上部的中心部位的中心尖端以及围绕所述中心尖端布置的多个周围尖端。

可选地，所述中心尖端的高度高于或低于所述周围尖端的高度。

可选地，所述离子凝胶材料层内部具有多个孔，所述离子凝胶材料层的靠近所述微结构材料层一侧的孔的内径大于所述离子凝胶材料层的靠近所述柔性衬底层一侧的孔的内径；

可选地，所述离子凝胶材料层内部的由下至上的多个孔的内径逐渐增大。

可选地，所述离子凝胶材料层的靠近所述微结构材料层一侧的弹性模量小于所述离子凝胶材料层的靠近所述柔性衬底层一侧的弹性模量。

可选地，所述摩擦层和所述介电层的材料电负性的差值大于预设值。

特别地，本发明提供了一种如前述的自驱动摩擦电式压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

在基底上形成电极层；

在所述电极层上形成柔性衬底层，并在所述柔性衬底层上形成离子凝胶材料层，在所述离子凝胶材料层上再形成微结构材料层，所述柔性衬底层、所述离子凝胶材料层和所述微结构材料层一起作为介电层，所述离子凝胶材料层为多孔结构，所述微结构材料层的上表面间隔开形成有多个向上凸起的微结构；

在所述介电层的上表面的周缘上形成间隔层；

在所述间隔层上形成摩擦层和屏蔽层，得到自驱动摩擦电式压力传感器。

可选地，所述离子凝胶材料层的制备方法包括如下步骤：

提供第一盒状模具；

向所述第一盒状模具中施加待固化的离子凝胶，利用直流电源控制所述离子凝胶中离子在凝胶中的排布，并利用紫外光照射预设时间，固化后得到所述离子凝胶材料层。

可选地，所述介电层的制备方法包括如下步骤：

提供第二盒状模具；

将已固化的所述柔性衬底层和所述离子凝胶材料层依次置入所述第二盒状模具内，所述离子凝胶材料层的尺寸小于所述柔性衬底层的尺寸；

在所述离子凝胶材料层上涂覆未固化的起连接作用的待固化材料；

在所述待固化材料上置入所述微结构材料层；

在所述待固化材料固化后，得到所述介电层。

根据本发明的方案，通过设计介电层的结构，在柔性衬底层上形成离子凝胶材料层，并在离子凝胶材料层上形成微结构材料层，离子凝胶材料层为多孔结构，微结构材料层的上表面间隔开形成有多个向上凸起的微结构。由于该压力传感器具有摩擦发电结构，在受到外界压力时可以在外界压力的作用下产生电流，从而无需外界电源供电。微结构材料层具有多个向上凸起的微结构，摩擦层与所述介电层接触时容易产生应力集中效应，使得压力传感器在较小压力变化下能实现较大形变，从而提高传感器检测微小压力的能力。离子凝胶材料层为多孔结构，孔的存在使得传感器可以感受到压力变化，扩大传感器的压力检测范围。

进一步地，微结构的上部具有高低不同的多个尖端，由此可以使得摩擦层与介电层件的接触面积变化较为明显，从而更容易产生应力集中效应，进一步提高压力传感在较小压力变化下的形变量，从而进一步提高传感器的检测微小压力的能力。此外，离子凝胶材料层的靠近微结构材料层一侧的孔的内径大于离子凝胶材料层的靠近柔性衬底层一侧的孔的内径，使得离子凝胶材料层的靠近微结构材料层一侧的弹性模量小于离子凝胶材料层的靠近柔性衬底层一侧的弹性模量，即离子凝胶具有弹性模量的梯度，梯度的存在可以使传感器逐步感受压力的变化，扩大传感器的压力检测范围。

因此，本发明的自驱动压力传感器在无需外电源供电的情况下具有同时具有超高灵敏度以及超宽检测范围，能够在已施加较大压力时识别微小的压力，增加了压力传感器的应用范围，如应用至物联网系统时，使得其在降低物联网系统功耗的同时扩大了压力传感器的使用范围。

根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。

附图说明

后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：

图1示出了根据本发明一个实施例的自驱动摩擦电式压力传感器的示意性结构图；

图2示出了根据本发明一个实施例的单个微结构的光学显微镜图；

图3示出了根据本发明一个实施例的离子凝胶材料层冻干后的扫描电镜截面图；

图4示出了根据本发明一个实施例的自驱动摩擦电式压力传感器的制备方法；

图5示出了根据本发明一个实施例的离子凝胶材料层的制备方法的示意性流程图；

图6示出了根据本发明一个实施例的介电层的制备方法的示意性流程图；

图7示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器与利用现有技术中的普通凝胶做成自驱动压力传感器的压力与电压变化率的曲线对比图；

图8示出了图7在小压力时的放大图；

图9示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器多次被压缩的应力应变的关系图；

图10示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器在不同频率下的开路电压、短路电流以及转移电荷量曲线图；

图11示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器压力与电压变化率的曲线图；

图12示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器分别在一滴水、两滴水和三滴水下的电压输出；

图13示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器在已有大压力的基础上对小压力响应的电压输出图；

图中：1-屏蔽层，2-摩擦层，3-微结构材料层，4-间隔层，5-柔性衬底层，6-电极层，7-基底。

具体实施方式

以下通过特定的具体实例说明本申请的实施方式，本领域技术人员可由本说明书所揭露的内容轻易地了解本申请的其他优点与功效。显然，所描述的实施例仅仅是本申请一部分实施例，而不是全部的实施例。本申请还可以通过另外不同的具体实施方式加以实施或应用，本说明书中的各项细节也可以基于不同观点与应用，在没有背离本申请的精神下进行各种修饰或改变。需说明的是，在不冲突的情况下，以下实施例及实施例中的特征可以相互组合。基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本申请保护的范围。

还需要说明的是，以下实施例中所提供的图示仅以示意方式说明本申请的基本构想，图式中仅显示与本申请中有关的结构而非按照实际实施时的结构数目、形状及尺寸绘制，其实际实施时各结构的型态、数量及比例可为一种随意的改变，且其结构布局型态也可能更为复杂。

另外，在以下描述中，提供具体细节是为了便于透彻理解实例。然而，所属领域的技术人员将理解，可在没有这些特定细节的情况下实践所述方面。

图1示出了根据本发明一个实施例的自驱动摩擦电式压力传感器的示意性结构图。如图1所示，该自驱动摩擦电式压力传感器由下至上依次包括基底7、电极层6、介电层、间隔层4、摩擦层2以及屏蔽层1。该介电层由下至上依次包括柔性衬底层5、离子凝胶材料层(图中被遮挡)以及微结构材料层3，离子凝胶材料层为多孔结构，微结构材料层3的上表面间隔开形成有多个向上凸起的微结构。

根据本发明的方案，通过设计介电层的结构，在柔性衬底层5上形成离子凝胶材料层，并在离子凝胶材料层上形成微结构材料层3，离子凝胶材料层为多孔结构，微结构材料层3的上表面间隔开形成有多个向上凸起的微结构。由于该压力传感器具有摩擦发电结构，在受到外界压力时可以在外界压力的作用下产生电流，从而无需外界电源供电。微结构材料层3具有多个向上凸起的微结构，摩擦层2与所述介电层接触时容易产生应力集中效应，使得压力传感器在较小压力变化下能实现较大形变，从而提高传感器检测微小压力的能力。离子凝胶材料层为多孔结构，孔的存在使得传感器可以感受到压力变化，扩大传感器的压力检测范围。

在一些实施例中，每个微结构的上部具有高低不同的多个尖端。多个尖端包括位于微结构上部的中心部位的中心尖端以及围绕中心尖端布置的多个周围尖端。中心尖端的高度高于或低于周围尖端的高度。在一个实施例中，多个尖端的布局方式组成花朵型，如图2所示。该图2中，花朵型的微结构，其中心尖端的高度高于周围尖端的高度。

在一些实施例中，离子凝胶材料层内部具有多个孔，离子凝胶材料层的靠近微结构材料层3一侧的孔的内径大于离子凝胶材料层的靠近柔性衬底层5一侧的孔的内径。在一个实施例中，如图3所示，该离子凝胶微观结构为多孔的结构，离子凝胶材料层内部的由下至上的多个孔的内径逐渐增大，该孔洞的尺寸从阴极的3μm逐渐增加至阳极的25μm。离子凝胶材料层的靠近微结构材料层3一侧的弹性模量小于离子凝胶材料层的靠近柔性衬底层5一侧的弹性模量。

本发明实施例的方案，微结构的上部具有高低不同的多个尖端，由此可以使得摩擦层2与介电层的接触面积变化较为明显，从而更容易产生应力集中效应，进一步提高压力传感在较小压力变化下的形变量，从而进一步提高传感器的检测微小压力的能力。此外，离子凝胶材料层的靠近微结构材料层3一侧的孔的内径大于离子凝胶材料层的靠近柔性衬底层5一侧的孔的内径，使得离子凝胶材料层的靠近微结构材料层3一侧的弹性模量小于离子凝胶材料层的靠近柔性衬底层5一侧的弹性模量，即离子凝胶具有弹性模量的梯度，梯度的存在可以使传感器逐步感受压力的变化，扩大传感器的压力检测范围。此处需要解释的是，一般弹性模量小的材料，更软所以更容易形变，就是微小的力就有比较大的形变，这样就会产生输出，所以弹性模量小就是能检测小压力，但是这种软的材料，受到大压力的时候就坍塌了，再施加压力就没有办法再形变了，所以软材料检测大压力的能力就很小；但是硬的材料受到再大的力都是慢慢形变的，所以检测大压力的能力就比较好。本发明方案制备的上面软下面硬也就是有弹性模量梯度的材料，就既能保证检测小压力，也能扩大检测的压力范围。

因此，本发明的自驱动压力传感器在无需外电源供电的情况下具有同时具有超高灵敏度以及超宽检测范围，能够在已施加较大压力时识别微小的压力，增加了压力传感器的应用范围，如应用至物联网系统时，使得其在降低物联网系统功耗的同时扩大了压力传感器的使用范围。

在材料选择上，摩擦层2和微结构材料层3的材料电负性的差值大于预设值。在一个实施例中，微结构材料层3与柔性衬底层5的材料例如可以选择为聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚丙烯酸酯(VHB)、硅橡胶等容易实现从液体转变为固体的柔性材料。摩擦层2例如可以选择为尼龙、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、纤维等与微结构层电负性差值较大的柔性材料。离子凝胶材料层的材料为离子凝胶。其他材料的选择可以根据需求来进行选择，基底7的材料例如可以为PET、PDMS和硅橡胶等贴合于人体皮肤的柔性材料。电极层6以及屏蔽层1的材料可以选择为导电材料，例如金属导电材料、ITO等。

图4示出了根据本发明一个实施例的自驱动摩擦电式压力传感器的制备方法。该制备方法包括：

步骤S100，在基底上形成电极层；

步骤S200，在电极层上形成柔性衬底层，并在柔性衬底层上形成离子凝胶材料层，在离子凝胶材料层上再形成微结构材料层，柔性衬底层、离子凝胶材料层和微结构材料层一起作为介电层，离子凝胶材料层为多孔结构，微结构材料层的上表面间隔开形成有多个向上凸起的微结构；

步骤S300，在介电层的上表面的周缘上形成间隔层；

步骤S400，在间隔层上形成摩擦层和屏蔽层，得到自驱动摩擦电式压力传感器。

图5示出了根据本发明一个实施例的离子凝胶材料层的制备方法的示意性流程图。如图5所示，该制备方法包括：

步骤S201，提供第一盒状模具；

步骤S202，向第一盒状模具中施加待固化的离子凝胶，利用直流电源控制离子凝胶中离子在凝胶中的排布，并利用紫外光照射预设时间，固化后得到离子凝胶材料层。

该步骤S201中，第一盒状模具的形状例如可以为上方开口的长方体形状。当然，该第一盒状模具的形状并不局限于长方体形状，也可以为其他形状，例如正方体形状等，可以根据需要进行设计。此处以上方开口的长方体形状为例进行说明。该第一盒状模具例如可以在激光雕刻机中制造，例如利用激光雕刻机切割出一定形状的亚克力板并于两块对立的面贴上导电薄膜如ITO薄膜，利用胶水将亚克力板进行粘黏，形成上方开口的长方体模具。

该步骤S202中，该第一盒状模具的内高和内长例如可以为1cm、2cm、3cm、4cm或5cm，也可以为1-5cm中任一值，当然并不限于此，此处仅为举例说明。该第一盒状模具的内宽例如可以为1mm、2mm、3mm、4mm或5mm，也可以为1-5mm中任一值，当然并不限于此，此处仅为举例说明。

在一个实施例中，待固化的离子凝胶的制备方法可以包括如下步骤：

1)向去离子水中加入甘油；

2)在油水混合溶液中加入丙烯酰胺与羟乙基纤维素；

3)向前驱体凝胶溶液中加入甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵；

4)向步骤3)的溶液中依次加入过硫酸铵、四甲基乙二胺以及N,N’-亚甲基双丙烯酰胺，以获得预固化的离子凝胶。

在步骤1)中，甘油与去离子水的体积比例如可以为1:1、1:2、1:3、1:4、1:5、1:6或1:7，也可以为1:1-7中任一值。并且，可以控制甘油与去离子水的总体积不变，通过调节去离子水与甘油的体积比例，从而可以动态定制离子凝胶的弹性模量与压缩稳定性。例如，甘油体积为0ml，去离子水为15ml时，离子凝胶的弹性模量为9.29kPa且多次循环力学曲线几乎无差别。甘油体积为1.875ml，去离子水为13.125ml时，弹性模量为3.33kPa且多次循环力学曲线几乎无差别。甘油体积为3.75ml，去离子水为11.25ml时，弹性模量为3.65kPa但多次循环力学曲线不稳定。甘油体积为5.625ml，去离子水为9.375ml时，弹性模量为5.76kPa且多次循环力学曲线不稳定。甘油体积为7.5ml，去离子水为7.5ml时，已无法固化离子凝胶。

在步骤2)中，羟乙基纤维素与丙烯酰胺的质量比例如可以为1:5、1:7、1:9或1:10，也可以为1:5-10中的任一比值。在步骤3)中，甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵的质量例如可以为0.5g、0.8g或1g，也可以为0.5-1g中任一值。过硫酸铵的质量例如可以为9mg、9.5mg、10mg、10.5mg或11mg，也可以为9-11mg中任一值。四甲基乙二胺的体积例如可以为9.5μL、10μL、10.5μL、11μL，也可以为9.5-11μL中任一值。N,N’-亚甲基双丙烯酰胺的质量例如可以为1mg、1.5mg、2mg、2.5mg或3mg，也可以为1-3mg中任一值。通过向离子凝胶体系中依次加入羟乙基纤维素、甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵以及甘油，离子凝胶的保水性能都进一步提高，加热到50℃时质量损耗从5.6％变为5.8％、3.1％、2.3％。

上述步骤2)中的丙烯酰胺是一种单体，可以替换为例如乙烯醇、壳聚糖、丙烯酸乙酯等。羟乙基纤维素是一条长链，用于增加整个凝胶的拉伸性能，可以替换为其他能够增加凝胶的拉伸性能的成分，例如丝素蛋白、多巴胺、丙烯酸等。

上述步骤3)中甲基丙烯酰氧乙基三甲基氯化铵可以替换为例如1-乙烯基-3-乙基咪唑二炔酰胺、1-丁基-2,3-二甲基咪唑鎓双-(三氟甲基磺酰基)亚胺等结构中带有离子的成分。

其中，可以用鳄鱼夹将第一盒状模具的导电薄膜与直流电源连接，直流电源的电压例如可以控制在1V、2V、3V、4V或5V，也可以为1-5V中任一值。该直流电源可以控制离子在凝胶中的排布，使得最终形成的离子凝胶材料层具有阴极和阳极。利用紫外光照射固化后得到离子凝胶材料层，再将该离子凝胶材料层从第一盒状模具剥离出即可。该紫外光的波长为365-405nm中任一波长值，能量密度例如可以为750mW/cm^-2，光照时间例如可以为8h、9h、10h、11h或12h，也可以为8-12h中任一值。

该离子凝胶材料层具有弹性模量梯度，由此使得该离子凝胶材料层的弹性模量从阴极到阳极递减的特性，并且该离子凝胶材料层内形成的孔具有从阳极到阴极孔洞大小递减的特性，由此压力传感器能够逐渐感受到压力，使其能扩大压力检测的范围。并且，可以通过增加直流电源强度，得到阴阳极弹性模量差别更大的离子凝胶，使得压力传感器的测量范围得到更进一步的提升。

在步骤S200中，微结构材料层的制备方法包括如下步骤：将微结构材料层的材料涂覆在微结构模板的表面，并放置在旋涂机中旋涂，再将涂覆有微结构材料层的材料的微结构模板放入真空干燥箱中，以去除气泡，再将其放置在干燥箱中固化，得到微结构材料层，再将该微结构材料层剥离出。其中，在旋涂机中旋涂时，例如可以在400rpm转速的旋涂机中旋涂20s，当然可以根据需要设定其他条件，并不限于此。将涂覆有微结构材料层的材料的微结构模板放入真空干燥箱中时，例如可以是在20℃、0.1torr的真空干燥箱中5min，当然可以根据需要设定其他条件，并不限于此。将其放置在干燥箱中固化时，例如是可以在50℃的干燥箱中固化1h。

其中，微结构模板的制备方法包括如下步骤：在3D MAX软件中绘制所需要的微结构的形状；将绘制好的结构形状文件导入与3D打印机连接的电脑中，利用3D打印技术打印出微结构材料层。在微结构为花朵形状时，在一个实施例中，在3D MAX软件中绘制所需要的微结构的形状包括如下步骤：在3D MAX软件中绘制向长方体内部延伸的中空花朵结构；长方体尺寸可以为例如3.5×3.5×0.5cm，花朵微结构的密度可以为例如5×5，单个花朵微结构的高度可以为例如3mm。

根据本发明实施例的方案，通过3D打印技术构建中间高四周低的花朵式结构，摩擦层与介电层间的接触面积变化较为明显且很容易产生应力集中效应，使得压力传感器在较小压力变化下便能实现较大的形变，从而提高传感器的检测微小压力的能力。并且，3D打印技术可控制花朵微结构的大小，能简单便捷地改变传感器的灵敏度。

图6示出了根据本发明一个实施例的介电层的制备方法的示意性流程图。如图6所示，该制备方法包括：

步骤S210，提供第二盒状模具；

步骤S220，将已固化的柔性衬底层和离子凝胶材料层依次置入第二盒状模具内，离子凝胶材料层的尺寸小于柔性衬底层的尺寸；

步骤S230，在离子凝胶材料层上涂覆未固化的起连接作用的待固化材料；

步骤S240，在待固化材料上置入微结构材料层，在待固化材料固化后，得到介电层。

该步骤S210中，第二盒状模具与第一盒状模具的形状可以保持一致，大小可以不同，此处不再赘述。该步骤S220中，已固化的柔性衬底层的厚度例如可以为0.5mm，已固化的离子凝胶材料层的厚度例如可以为1mm，其中，离子凝胶材料层的表面尺寸例如可以为2.7cm×2.7cm，硅胶大概可以为3.5cm×3.5cm。在步骤S230中，待固化材料例如可以选择为与柔性衬底层的材料一致，也可以选择性能差不多的其他材料。在步骤S240中，需要将介电层从第二盒状模具中剥离出。

在步骤S300中，该间隔层具体是形成在柔性衬底层的上表面边缘区域的。该间隔层的高度与微结构齐平或高于该微结构。该间隔层是可发生弹性形变的。该间隔层的材料例如可以为聚二甲基硅氧烷。该间隔层可以通过涂覆的方式涂覆在介电层的上表面的周缘处。在步骤S400中，首先将屏蔽层形成在摩擦层上，再将摩擦层一面覆盖在间隔层上，得到自驱动摩擦电式压力传感器，其中屏蔽层用于屏蔽外界的电磁干扰。这既保证了该压力传感器整体的低弹性模量并能将介电层与摩擦层分离，从而使得最终制备获得的压力传感器既能检测超小的压力。

图7示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器与利用现有技术中的普通凝胶做成自驱动压力传感器的压力与电压变化率的曲线对比图，图中标注普通凝胶的是指利用现有技术中的普通凝胶做成自驱动压力传感器，标注梯度凝胶的是指本发明实施例的自驱动压力传感器。由图7可知，当压力不断增加时，电压的变化率线性增加，且当压力超过50kPa时，本发明实施例的自驱动压力传感器在高压力区仍然具有0.45kPa^-1的灵敏度，对大压力的变化仍然具有较高的灵敏度，而对于利用现有技术中的普通凝胶做成自驱动压力传感器来说，对于大压力的变化响应度远远不如本发明实施例的自驱动压力传感器，仅有0.11kPa^-1的灵敏度。图8示出了图7在小压力时的放大图，在压力区间为0-5kPa时，有梯度凝胶的传感器斜率可达25.05，这表明该自驱动压力传感器对小压力变化具有较高的灵敏度，而普通凝胶的传感器无论是在小压力区还是大压力区都逊色于本发明梯度凝胶的传感器。

图9示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器多次被压缩的应力应变的关系图。由图9可知，该自驱动压力传感器可以被压缩至自身原本厚度的20％，且经过五次压缩回弹以后，该器件的应力应变曲线并没有发生较大改变，应力应变曲线一致的行为表明，该压力传感器的稳定性很好，并不会因为外界多次刺激而改变自身结构。

图10示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器在不同频率下的开路电压、短路电流以及转移电荷量曲线图。如图10所示，在外界物理冲击的运动频率由0.5Hz增大至1.5Hz时，自驱动压力传感器的开路电压保持在123V左右，转移电荷量保持在17nC，在不同频率下的数值基本保持一致。而短路电流随着频率的增加呈逐步增大的趋势，最大时达到0.6μA。

图11示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器压力与电压变化率的曲线图。由图11可知，当压力不断增加时，电压的变化率线性增加，且斜率为25.05，这表明该自驱动压力传感器对压力变化具有较高的灵敏度。当压力超过50kPa时，传感器在高压力区仍然具有0.45kPa^-1的灵敏度，对大压力的变化仍然具有较高的灵敏度。

图12示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器分别在一滴水、两滴水和三滴水下的电压输出，图中，水滴样图标的数量代表水滴的滴数。如图12所示，该自驱动压力传感器在一滴水的压力下也能产生很明显的分辨。这归功于花朵微结构的低弹性模量，从而使得一滴水就能产生大的形变。

图13示出了根据本发明一个实施例的自驱动压力传感器在已有大压力的基础上对小压力响应的电压输出图。如图13所示，该自驱动压力传感器在已经有100kPa的压力下，在此基础上再加上200Pa、500Pa以及1000Pa的压力，该自驱动压力传感器依旧能够产生电输出，由此证明，该自驱动压力传感器即使在大压力检测区间也有较高的灵敏度。

至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明常用理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。

Claims (10)

1.一种自驱动摩擦电式压力传感器，其特征在于，由下至上依次包括基底、电极层、介电层、间隔层、摩擦层以及屏蔽层；

所述介电层由下至上依次包括柔性衬底层、离子凝胶材料层以及微结构材料层，所述离子凝胶材料层为多孔结构，所述微结构材料层的上表面间隔开形成有多个向上凸起的微结构；

所述离子凝胶材料层内部具有多个孔，所述离子凝胶材料层的靠近所述微结构材料层一侧的孔的内径大于所述离子凝胶材料层的靠近所述柔性衬底层一侧的孔的内径。

2.根据权利要求1所述的自驱动摩擦电式压力传感器，其特征在于，每个所述微结构的上部具有高低不同的多个尖端。

3.根据权利要求2所述的自驱动摩擦电式压力传感器，其特征在于，所述多个尖端包括位于所述微结构上部的中心部位的中心尖端以及围绕所述中心尖端布置的多个周围尖端。

4.根据权利要求3所述的自驱动摩擦电式压力传感器，其特征在于，所述中心尖端的高度高于或低于所述周围尖端的高度。

5.根据权利要求1-4中任一项所述的自驱动摩擦电式压力传感器，其特征在于，

所述离子凝胶材料层内部的由下至上的多个孔的内径逐渐增大。

6.根据权利要求1-4中任一项所述的自驱动摩擦电式压力传感器，其特征在于，所述离子凝胶材料层的靠近所述微结构材料层一侧的弹性模量小于所述离子凝胶材料层的靠近所述柔性衬底层一侧的弹性模量。

7.根据权利要求1-4中任一项所述的自驱动摩擦电式压力传感器，其特征在于，所述摩擦层和所述介电层的材料电负性的差值大于预设值。

8.一种如权利要求1-7中任一项所述的自驱动摩擦电式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

在基底上形成电极层；

在所述电极层上形成柔性衬底层，并在所述柔性衬底层上形成离子凝胶材料层，在所述离子凝胶材料层上再形成微结构材料层，所述柔性衬底层、所述离子凝胶材料层和所述微结构材料层一起作为介电层，所述离子凝胶材料层为多孔结构，所述微结构材料层的上表面间隔开形成有多个向上凸起的微结构；

在所述介电层的上表面的周缘上形成间隔层；

在所述间隔层上形成摩擦层和屏蔽层，得到自驱动摩擦电式压力传感器。

9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述离子凝胶材料层的制备方法包括如下步骤：

提供第一盒状模具；

向所述第一盒状模具中施加待固化的离子凝胶，利用直流电源控制所述离子凝胶中离子在凝胶中的排布，并利用紫外光照射预设时间，固化后得到所述离子凝胶材料层。

10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述介电层的制备方法包括如下步骤：

提供第二盒状模具；

将已固化的所述柔性衬底层和所述离子凝胶材料层依次置入所述第二盒状模具内，所述离子凝胶材料层的尺寸小于所述柔性衬底层的尺寸；

在所述离子凝胶材料层上涂覆未固化的起连接作用的待固化材料；

在所述待固化材料上置入所述微结构材料层；

在所述待固化材料固化后，得到所述介电层。