CN115235656A - 一种高灵敏柔性压阻传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种高灵敏柔性压阻传感器及其制备方法。高灵敏柔性压阻传感器包括：上下对称设置两个柔性压力敏感层，每个柔性压力敏感层均包含基材层、电极层以及电阻层，两个压力敏感层之间通过柔性密封圈粘接。该柔性压阻传感器具有整体柔韧性，有利于更好地贴合被测物体，从而提高灵敏度和线性度。此外，电阻层可选压敏导电油墨或微孔压阻复合材料等，并设置有密布的微孔结构，有利于进一步提高传感器灵敏度和线性度。电阻层通过丝印或涂布工艺成型；电极层采用丝网印刷工艺成型，柔性密封圈可采用双面胶带或丝印粘接剂成型，二者的厚度可调，用以调节上下压力敏感层之间的间隙大小，从而调控压力检测的最低阈值及压力检测范围。

Description

一种高灵敏柔性压阻传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种高灵敏柔性压阻传感器及其制备方法。

背景技术

压阻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。随着信息时代的应用需求越来越广,对压力感测也提出了更高的应用要求，希望压力感测器件能够具有透明、柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特点。由于现有的压阻传感器不具有良好的延展性和柔韧性，无法较好贴合被测物体，导致被检测物非平面表面等许多特殊运用场景无法压力感测；另外市面上现有的柔性压力传感器，普遍灵敏度低，线性度较差。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种高灵敏柔性压阻传感器及其制备方法，以解决现有技术中的压阻传感器灵敏度低和线性度差的问题。

为了解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种高灵敏柔性压阻传感器，包括：

第一压力敏感层，所述第一压力敏感层包括依次层叠设置的第一基材层、第一电极层以及第一弹性电阻层，所述第一电极层部分覆盖所述第一基材层表面；

第二压力敏感层，所述第二压力敏感层包括依次层叠设置的第二基材层、第二电极层以及第二弹性电阻层，所述第二电极层部分覆盖所述第二基材层表面，所述第一弹性电阻层和所述第二弹性电阻层正对设置；

柔性密封圈，所述柔性密封圈形成于所述第一基材层的第一电极层未覆盖表面与所述第二基材层的第二电极层未覆盖表面之间；

其中，所述第一基材层与所述第二基材层中的至少一个被施加外部压力时，所述第一弹性电阻层与所述第二弹性电阻层相互接触挤压输出响应所述外部压力的电信号。

进一步的，所述第一弹性电阻层和/或所述第二弹性电阻层的表面及内部密布微孔。

进一步的，所述微孔的孔径为0.5～100μm。

进一步的，所述第一弹性电阻层采用压敏导电油墨或微孔压阻复合材料制成；

所述第二弹性电阻层采用压敏导电油墨或微孔压阻复合材料制成。

进一步的，所述微孔压阻复合材料包括MXene、碳纳米管、聚苯胺、聚吡咯和银纳米线中的一种或多种。

进一步的，所述第一弹性电阻层与所述第二弹性电阻层之间具有间隙。

进一步的，所述间隙的大小为0～100μm。

进一步的，所述第一基材层的厚度为5～200μm，所述第二基材层的厚度为5～200μm。

一种上述任一项所述的高灵敏柔性压阻传感器的制备方法，包括步骤：

提供第一压力敏感层，所述第一压力敏感层包括依次层叠设置的第一基材层、第一电极层以及第一弹性电阻层，所述第一电极层部分覆盖所述第一基材层表面；

提供第二压力敏感层，所述第二压力敏感层包括依次层叠设置的第二基材层、第二电极层以及第二弹性电阻层，所述第二电极层部分覆盖所述第二基材层表面；

使所述第一弹性电阻层和所述第二弹性电阻层正对设置；

在所述第一基材层的第一电极层未覆盖表面与所述第二基材层的第二电极层未覆盖表面之间形成柔性密封圈，得到所述高灵敏柔性压阻传感器。

进一步的，采用丝印或刮涂的方法制备所述第一弹性电阻层，采用丝印或刮涂的方法制备所述第二弹性电阻层。

本发明的有益效果在于：通过采用上、下两个压力敏感层，提高了压阻传感器的整体柔韧性和延展性，可形变程度得到提升，有利于更好地贴合被测物体，从而使灵敏度、线性度进一步提高。并且，通过柔性密封圈和基材层形成容纳弹性电阻层和金属导电层的密闭空间，避免外部介质进入空间内影响压力检测过程以及污染弹性电阻层，以保证压阻传感器的检测准确性和工作稳定性。另外，第一压力敏感层和第二压力敏感层为对称的结构设置，传感器的两侧面均可以作为受力检测面，因此，高灵敏柔性压阻传感器的设置更为灵活便捷。

附图说明

图1为本发明实施例的高灵敏柔性压阻传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例的高灵敏柔性压阻传感器的初始状态下的示意图；

图3为本发明实施例一的高灵敏柔性压阻传感器在荷重F1下的示意图；

图4为本发明实施例一的高灵敏柔性压阻传感器在荷重F2下的示意图；

图5为本发明实施例二的高灵敏柔性压阻传感器的测试曲线图；

图6为本发明实施例三的高灵敏柔性压阻传感器的测试曲线图；

图7为本发明实施例四的高灵敏柔性压阻传感器制备方法的流程框图。

标号说明：

100、第一压力敏感层；110、第一基材层；120、第一电极层；130、第一弹性电阻层；200、第二压力敏感层；210、第二基材层；220、第二电极层；230、第二弹性电阻层；300、柔性密封圈。

具体实施方式

为详细说明本发明的技术内容、所实现目的及效果，以下结合实施方式并配合附图予以说明。

实施例一

请参照图1至图4，本发明的实施例一为：

一种高灵敏柔性压阻传感器，应用于医疗监控、电子皮肤、机器人皮肤和交互式输入/输出控制设备等。

所述高灵敏柔性压阻传感器，包括：第一压力敏感层100，所述第一压力敏感层100包括依次层叠设置的第一基材层110、第一电极层120以及第一弹性电阻层130，所述第一电极层120部分覆盖所述第一基材层110表面；第二压力敏感层200，所述第二压力敏感层200包括依次层叠设置的第二基材层210、第二电极层220以及第二弹性电阻层230，所述第二电极层220部分覆盖所述第二基材层210表面，所述第一弹性电阻层130和所述第二弹性电阻层230正对设置；柔性密封圈300，所述柔性密封圈300形成于所述第一基材层110的第一电极层120未覆盖表面与所述第二基材层210的第二电极层220未覆盖表面之间；其中，所述第一基材层110与所述第二基材层210中的至少一个被施加外部压力时，所述第一弹性电阻层130与所述第二弹性电阻层230相互接触挤压并输出响应所述外部压力的电信号。

本实施例中的高灵敏柔性压阻传感器的工作原理为：第一压力敏感层100和第二压力敏感层200形成上、下的两层结构，第一弹性电阻层130和第二弹性电阻层230形成一个可变电阻，第一电极层120和第二电极层220为可变电阻的两个电极。当第一基材层110和第二基材层210中的至少一个的外表面受到荷重时，第一弹性电阻层130和第二弹性电阻层230开始相互接触挤压，并输出响应所述荷重的电信号。可变电阻的阻值刚开始比较大，本实施例中该阻值为兆欧级，随着荷重越来越大，示例性地，如图3中的荷重F1状态到图4中的荷重F2状态的过程(F2＞F1)，第一弹性电阻层130和第二弹性电阻层230相互挤压，越来越紧密，可变电阻的阻值越来越小。另外，柔性密封圈300和基材层共同形成容纳弹性电阻层和金属导电层的密闭空间。

可以理解的，可变电阻的阻值与基材层受到的作用力成负相关，压阻传感器受到的作用力越大，可变电阻的阻值越小。本实施例通过采用上、下两个压力敏感层，提高了压阻传感器的整体柔韧性和延展性，使得灵敏度、线性度进一步提高，方便应用于不规则的物体表面的压力触控监测，特别是大面积的监测。并且，柔性密封圈300和基材层连接形成容纳弹性电阻层和电极层的密闭空间，避免外部介质进入空间内影响压力检测过程，以保证柔性压阻传感器的检测准确性和工作稳定性，同时也保证电阻层和电极层不受污染损坏。另外，第一压力敏感层100和第二压力敏感层200为对称的结构设置，传感器的两侧面均可以作为受力检测面，因此，柔性压阻传感器的装配简单实用，设置更为灵活便捷。

本实施例中，所述第一弹性电阻层130和/或所述第二弹性电阻层230的表面及内部密布微孔。可以理解的，本实施例中的第一弹性电阻层130和第二弹性电阻层230为具有多个微孔的弹性结构，所述第一弹性电阻层与所述第二弹性电阻层由于外部压力相互接触挤压时，改变了两者的有效接触面积，并且弹性电阻层上的微孔结构发生变化，导致阻值发生改变，从而输出响应所述外部压力的电信号。示例性地，利用导电填料作为第二相加入到导电性较差的高分子材料中形成微孔弹性结构，当微孔弹性结构内部的导电相间隔发生改变，其电阻会产生明显变化，具体体现为可变电阻的阻值随第一弹性电阻层130和第二弹性电阻层230之间的接触松紧度和微孔闭合变形程度发生改变。

可选的，所述微孔的孔径为0.5～100μm。可以理解的，所述微孔的孔径的大小以及密度会影响弹性电阻层的可变形程度以及形变恢复速度。相应提高微孔的孔径和密度，可以增加弹性电阻层的可变形程度，同时提高弹性电阻层的延展性。可变电阻的阻值受到弹性电阻层之间的接触松紧度和自身的微孔闭合变形程度的影响，当弹性电阻层的可变形程度提高时，在相同外部荷重的作用下，弹性电阻层的形变量增大，对应的可变电阻的阻值变化量增大。因此，第一弹性电阻层130和第二弹性电阻层230采用多微孔结构，并且对微孔的孔径和密度进行合理设置，有利于提高高灵敏柔性压阻传感器的灵敏度。在实际应用中可以对微孔孔径和密度进行调整，以满足不同的需求。

可选的，所述第一弹性电阻层采用压敏导电油墨或微孔压阻复合材料制成，所述第二弹性电阻层采用压敏导电油墨或微孔压阻复合材料制成。

示例性地，压敏导电油墨包括碳纳米管、石墨烯、导电炭黑或金属纳米颗粒等，在其他实施例中，压敏导电油墨可以采用其它制备配方。微孔压阻复合材料独自选自MXene、碳纳米管、聚苯胺、聚吡咯和银纳米线等中的一种或多种。示例性地，将上述导电材料与氧化石墨烯、一维纤维素等制备成混合液，将混合液与海绵多孔弹性材料共同制备形成微孔压阻复合材料，其中，海绵多孔弹性材料选自PDMS海绵、Ecoflex海绵、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)海绵、聚氨酯(PU)海绵、三聚氰胺海绵和聚酰亚胺泡沫等中的一种或多种，但不限于此。

可选的，所述第一弹性电阻层130与所述第二弹性电阻层230之间具有间隙。本实施例中，所述间隙的大小为0～100μm。间隙范围的设置有利于调节电阻初始值大小，从而减少后端电路能耗，以及调节可测压力范围。可以理解的，间隙值越小，可检测压力范围的最低阈值越小，压力检测范围越大。在初始的间隙状态下，第一弹性电阻层130和第二弹性电阻层230之间未接触，可变电阻相当于断开，阻值为无穷大；随着荷重的不断增加，第一弹性电阻层130和第二弹性电阻层230之间开始接触，形成通电回路，随后相互挤压，使可变电阻的阻值逐渐减小，并根据阻值输出对应的电信号。

在其他实施例中，可以通过外部预压力或者依靠柔性密封圈300的预拉力，使第一弹性电阻层130和第二弹性电阻层230处于开始接触状态或初始挤压状态，此时第一弹性电阻层130和第二弹性电阻层230为通电状态，存在响应于所述预压力或预拉力的初始电信号。对所述初始电信号进行校正，以使预压力或预拉力的检测压力值计零，从而在施加外部荷重时可以从零值开始进行计算检测，得出准确的检测值。

可选的，所述第一基材层110和所述第二基材层210的材料独立地选自PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PI(聚酰亚胺)、PDMS(聚二甲基硅氧烷)、PC(聚碳酸酯)和PVA(聚乙烯醇)等中的一种或多种，但不限于此。基材层的厚度会影响高灵敏柔性压阻传感器的质量和柔韧性，在任意实施例中，需要结合应用场景以及基材层的面积选择合适的厚度。本实施例中，所述第一基材层110的厚度为5～200μm，所述第二基材层210的厚度为5～200μm。

另外，柔性密封圈300在高灵敏柔性压阻传感器中不仅起到支撑和连接第一压力敏感层100和第二压力敏感层200的作用，还起到对电阻层以及电极层的密封作用。需要注意的是，当第一弹性电阻层130和第二弹性电阻层230之间设置有间隙时，柔性密封圈300、电极层以及弹性电阻层的厚度决定了间隙的大小，存在一个阈值荷重使弹性电阻层从初始的间隙状态到开始接触状态，高灵敏柔性压阻传感器无法检测出比该阈值荷重还小的力。因此，通过改变柔性密封圈300、电极层以及弹性电阻层的厚度以控制间隙的大小。示例性地，传感器的每层电极层厚度为7μm，每层电阻层厚度为15μm，即上、下两层电阻层以及电极层的厚度总和为44μm。本实施例选用50μm厚度的柔性密封圈300，可以将间隙控制在6μm。

实施例二

本实施例提供第二种高灵敏柔性压阻传感器，在实施例一的基础上，第一弹性电阻层130和第二弹性电阻层230均采用压敏导电油墨制成。

请参照图5，本实施例的高灵敏柔性压阻传感器的测量曲线图中包括电阻-荷重的关系曲线、电导-荷重的关系曲线以及电导-荷重的关系曲线的线性拟合曲线(虚线)，荷重范围为0.2～18N，根据曲线所获得的灵敏度为k＝1.0430，以及线性度为R^2＝0.998487。

实施例三

本实施例提供第三种高灵敏柔性压阻传感器，在实施例一的基础上，第一弹性电阻层130和第二弹性电阻层230分别采用压敏导电油墨和微孔压阻复合材料制成。

请参照图6，本实施例的高灵敏柔性压阻传感器的测试曲线图中包括电阻-荷重的关系曲线、电导-荷重的关系曲线以及电导-荷重的关系曲线的线性拟合曲线(虚线)，荷重范围为0.2～5N，根据曲线所获得的灵敏度为k＝0.0730，以及线性度为R^2＝0.951628。

由实施例二和实施例三可见，第一弹性电阻层130和第二弹性电阻层230均采用压敏导电油墨制成，以及第一弹性电阻层130和第二弹性电阻层230分别采用压敏导电油墨和微孔压阻复合材料，均具有良好的灵敏度和线性度。

实施例四

请参照图1、图2和图7，本实施例公开一种上述任一项所述的高灵敏柔性压阻传感器的制备方法，包括步骤：

S10、提供第一压力敏感层100，所述第一压力敏感层100包括依次层叠设置的第一基材层110、第一电极层120以及第一弹性电阻层130，所述第一电极层120部分覆盖所述第一基材层110表面；

S20、提供第二压力敏感层200，所述第二压力敏感层200包括依次层叠设置的第二基材层210、第二电极层220以及第二弹性电阻层230，所述第二电极层220部分覆盖所述第二基材层210表面；

S30、使所述第一弹性电阻层130和所述第二弹性电阻层230正对设置；

S40、在所述第一基材层110的第一电极层120未覆盖表面与所述第二基材层210的第二电极层220未覆盖表面之间形成柔性密封圈300，得到所述高灵敏柔性压阻传感器。

可选的，采用丝印的方法制备第一电极层120，同时采用丝印的方法制备第二电极层220。具体的，第一电极层120和第二电极层220的丝印材料选自铜浆、银浆或碳浆等中的一种或多种。为了进一步提高延展性和柔韧性，电极层的丝印结构可以为阵列的多条线束，也可以为网格。

可选的，采用丝印或刮涂的方法制备所述第一弹性电阻层130，采用丝印或刮涂的方法制备所述第二弹性电阻层230。弹性电阻层所采用的丝印或刮涂材料选自实施例一中的压敏导电油墨或微孔压阻复合材料，但不限于此。

在基材层上制备完成电极层后，在电极层上丝印或刮涂多微孔结构复合材料，以形成弹性电阻层。

可选的，采用丝印的方法制备柔性密封圈300，通过在至少一个基材层的电极层未覆盖表面上丝印丙烯酸胶，并使两个基材层通过丙烯酸胶进行粘接。其中，通过提高柔性密封圈300的截面宽度以提高密封性，以及通过调节柔性密封圈300的厚度调节弹性电阻层之间的间隙大小。采用丝印或点胶等工艺在基材层上设置柔性密封圈300，可以提高柔性密封圈300的厚度精度，有利于对间隙的精确调节。可以理解的，电极层与柔性密封圈300采用丝网印刷成形，二者的印刷厚度可调，用以调节上下压力敏感层之间的间隙大小，从而调控压力检测的最低阈值及压力检测范围。在另一实施例中，柔性密封圈300也可以直接采用成品双面胶带。

综上所述，本发明提供的高灵敏柔性压阻传感器及其制备方法，通过采用上、下两个压力敏感层，每个柔性压力敏感层均包含基材层、电极层以及电阻层，两个压力敏感层之间通过柔性密封圈粘接，提高了整体的柔韧性和延展性，可形变程度得到提升，有利于更好地贴合被测物体，从而提高压阻传感器的灵敏度和线性度。同时，第一压力敏感层和第二压力敏感层为对称的结构设置，传感器的两侧面均可以作为受力检测面，因此，高灵敏柔性压阻传感器的设置更为灵活便捷。

除此之外，电阻层采用可选用压敏导电油墨或微孔压阻复合材料等，有利于进一步提高灵敏度。电阻层通过丝印或涂布工艺成型；电极层与粘接密封圈采用丝网印刷成形，二者的印刷厚度可调，用以调节上下压力敏感层之间的间隙大小，从而调节电阻初始值大小，减少后端电路能耗，并且有利于调控压力检测的最低阈值及压力检测范围，同时可以使高灵敏柔性压阻传感器更加轻薄，整体性更好，结构更加稳定。

以上所述仅为本发明的实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等同变换，或直接或间接运用在相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围。

Claims (10)

1.一种高灵敏柔性压阻传感器，其特征在于，包括：

第一压力敏感层，所述第一压力敏感层包括依次层叠设置的第一基材层、第一电极层以及第一弹性电阻层，所述第一电极层部分覆盖所述第一基材层表面；

第二压力敏感层，所述第二压力敏感层包括依次层叠设置的第二基材层、第二电极层以及第二弹性电阻层，所述第二电极层部分覆盖所述第二基材层表面，所述第一弹性电阻层和所述第二弹性电阻层正对设置；

柔性密封圈，所述柔性密封圈形成于所述第一基材层的第一电极层未覆盖表面与所述第二基材层的第二电极层未覆盖表面之间；

其中，所述第一基材层与所述第二基材层中的至少一个被施加外部压力时，所述第一弹性电阻层与所述第二弹性电阻层相互接触挤压输出响应所述外部压力的电信号。

2.根据权利要求1所述的高灵敏柔性压阻传感器，其特征在于，所述第一弹性电阻层和/或所述第二弹性电阻层的表面及内部密布微孔。

3.根据权利要求2所述的高灵敏柔性压阻传感器，其特征在于，所述微孔的孔径为0.5～100μm。

4.根据权利要求2所述的高灵敏柔性压阻传感器，其特征在于，所述第一弹性电阻层采用压敏导电油墨或微孔压阻复合材料制成；

所述第二弹性电阻层采用压敏导电油墨或微孔压阻复合材料制成。

5.根据权利要求4所述的高灵敏柔性压阻传感器，其特征在于，所述微孔压阻复合材料包括MXene、碳纳米管、聚苯胺、聚吡咯和银纳米线中的一种或多种。

6.根据权利要求1所述的高灵敏柔性压阻传感器，其特征在于，所述第一弹性电阻层与所述第二弹性电阻层之间具有间隙。

7.根据权利要求6所述的高灵敏柔性压阻传感器，其特征在于，所述间隙的大小为0～100μm。

8.根据权利要求1所述的高灵敏柔性压阻传感器，其特征在于，所述第一基材层的厚度为5～200μm，所述第二基材层的厚度为5～200μm。

9.一种权利要求1-8任一项所述的高灵敏柔性压阻传感器的制备方法，其特征在于，包括步骤：

提供第一压力敏感层，所述第一压力敏感层包括依次层叠设置的第一基材层、第一电极层以及第一弹性电阻层，所述第一电极层部分覆盖所述第一基材层表面；

提供第二压力敏感层，所述第二压力敏感层包括依次层叠设置的第二基材层、第二电极层以及第二弹性电阻层，所述第二电极层部分覆盖所述第二基材层表面；

使所述第一弹性电阻层和所述第二弹性电阻层正对设置；

在所述第一基材层的第一电极层未覆盖表面与所述第二基材层的第二电极层未覆盖表面之间形成柔性密封圈，得到所述高灵敏柔性压阻传感器。

10.根据权利要求9所述的高灵敏柔性压阻传感器的制备方法，其特征在于，采用丝印或刮涂的方法制备所述第一弹性电阻层，采用丝印或刮涂的方法制备所述第二弹性电阻层。

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