CN117030079B - 一种宽量程柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公布了一种宽量程柔性压力传感器及其制备方法。所述压力传感器包括柔性传感层、柔性基底、电极层和导线，柔性传感层由不同硬度的至少三层柔性材料组成，每层柔性材料上设有微结构且每层柔性材料的微结构之间的尺寸不同；电极层布置在柔性基底层的表面且和柔性传感层表面接触，并由导线引出便于与外部检测设备连接。本发明通过在柔性传感层内部设置硬度梯度和微结构尺寸梯度，大大拓宽传感器的量程，并提高灵敏度和全量程范围内的线性度，克服压力传感器高灵敏度与宽量程难以兼得的问题，可有效拓宽应用范围。
Description
技术领域
本发明涉及柔性压力传感及制备领域，具体是涉及了一种宽量程柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
柔性压力传感器可以像人类皮肤一样感知外界压力的大小，并在智能机器人、人机交互、虚拟现实等前沿领域具有巨大的应用潜力。为了满足不同应用场景下的使用需求，柔性压力传感器需要能精准检测不同范围的压力信息，即需要在较宽的量程范围内保持较高灵敏度。此外，为了更方便地使用，避免在不同压力范围内分别进行校正，压力传感器的响应信号应尽可能在宽的范围内保持高线性度。
目前大多数柔性压力传感器通过在传感材料中设计微结构以提高灵敏度，但由于在较大压力下微结构的形变容易饱和，导致灵敏度及整体传感性能下降，不能获得足够宽的量程。因此，如何在较宽的量程范围内保持高灵敏度，是柔性压力传感器性能提升的难点。
发明内容
为了解决背景技术中存在的问题，本发明的目的是提供一种宽量程柔性压力传感器及其制备方法，克服压力传感器高灵敏度与宽量程难以兼得的问题，拓宽压力传感器的应用范围。
本发明的目的是通过以下技术方案来实现的：
一、一种宽量程柔性压力传感器：
包含依次布置的柔性基底、电极层、柔性传感层和导线；
所述的柔性传感层主要由分别不同硬度的至少三层柔性材料组成，每层柔性材料上设有微结构，且每层柔性材料的微结构的尺寸不同。
所述的柔性传感层至少三层柔性材料的硬度是逐渐增加或者逐渐减小。
每层柔性材料的微结构具体是在柔性材料的表面上设置有凸起和凹槽的微结构。
各层柔性材料的微结构的尺寸是依次递减或者增大后再减小。优选地，各层柔性材料的微结构的尺寸按照制备方向是依次递减。
本发明是通过设置微结构尺寸和硬度的梯度，能够实现大量程、高线性度的柔性压力传感功能和性能。
通过调整柔性传感层中各层柔性材料的尺寸和硬度分布关系进而调控所述柔性压力传感器的量程和线性度。
具体地，设置各层柔性材料的微结构的尺寸是依次递减，同时各层柔性材料的微结构的硬度也是依次递减，则能够提高所述柔性压力传感器的量程。
具体地，设置各层柔性材料的微结构的尺寸是依次递减，同时各层柔性材料的微结构的硬度也是依次递增，则能够提高所述柔性压力传感器的线性度。
所述的柔性传感层中的每层柔性材料的其中一侧表面具有微结构，或者两侧表面均具有微结构。可以是其中一层柔性材料的单面具有微结构，另一层柔性材料的双面具有微结构。
优选地，柔性传感层中的一层柔性材料的两侧表面均具有微结构，使得灵敏度更高。
所述宽量程柔性压力传感器包含上下两层的柔性基底和上下两层的电极层，上下两层的柔性基底间隔布置，两层电极层布置在两层柔性基底之间，柔性传感层各层柔性材料一起均布置在两层电极层之间。
每层电极层布置一层柔性基底层和柔性传感层内的一层柔性材料直接，电极层分别和柔性基底层的表面、柔性传感层表面接触，并由导线引出。
还包括导线，电极层经由导线引出连接到外部的外部检测设备。
所述的柔性基底采用聚酰亚胺、聚酯、硅胶等薄膜。
所述的电极层采用金属、碳材料。
所述的柔性传感层内的不同层柔性材料可以采用不用硬度的相同材料，也可以分别采用不同硬度的不同材料。
二、一种宽量程压力传感器制备方法：
以聚酰亚胺、聚酯、硅胶等薄膜作为柔性基底，并在柔性基底表面涂覆金属、碳材料等作为一层电极层，电极层表面粘贴用于电引出的导线；
以具有三层不同硬度和不同尺寸微结构的柔性材料作为柔性传感层，将两张上述带有电极层和导线的柔性基底分别层叠粘接在柔性传感层的上下表面得到压力传感器，其中柔性传感层与柔性基底上的电极层表面接触。
所述的柔性传感层的三层不同硬度和不同尺寸微结构的柔性材料按照以下方式制备而成：
先在硅胶（PDMS或不同硬度的ecoflex）、聚氨酯等柔性材料中掺杂金属颗粒、碳纳米管、石墨烯、炭黑等导电填料并搅拌均匀制备得到导电柔性材料；
随后选取其中一种导电柔性材料作为第一导电柔性材料，置于具有第一种目数的砂纸表面或具有第一种尺寸微结构的模板中浇注，固化后从砂纸表面或模板中取出得到具有微结构和一定导电性的第一层柔性材料，厚度为100-500μm，微结构尺寸为30-200μm；
选取另一种具有不同硬度的导电柔性材料作为第二导电柔性材料，在另一张具有另一种更高目数的砂纸表面或具有另一种更小尺寸微结构的模板中旋涂一层所述第二导电柔性材料形成薄的预聚体膜，将第一层柔性材料的具有微结构的一侧面覆盖在薄的预聚体膜表面，固化后从砂纸表面或模板中取出，得到具有两层不同硬度和不同尺寸微结构的导电柔性材料作为初步柔性材料，在第一层柔性材料上制备形成了第二层柔性材料，第二层柔性材料的厚度为15-60μm，微结构尺寸为10-30μm；
选取再一种具有第三种不同硬度的导电柔性材料作为第三导电柔性材料，
在第三张具有第二种更高目数的砂纸表面或具有第二种更小尺寸微结构的模板中旋涂一层所述第三导电柔性材料形成薄的预聚体膜，将之前制得的具有两层微结构的初步柔性材料的具有微结构的一侧面覆盖在薄的预聚体膜表面，固化后从砂纸表面或模板中取出，得到具有三层不同硬度和不同尺寸微结构的最终导电柔性材料，使得在第二层柔性材料上制备形成了第三层柔性材料，第三层柔性材料的厚度为2-15μm，微结构尺寸为1-10μm。
所述第一层柔性材料、第二层柔性材料、第三层柔性材料选取的导电柔性材料的硬度均相互不同。
制备所述第一层柔性材料、第二层柔性材料、第三层柔性材料中所用的砂纸表面的目数依次增大，模板的微结构尺寸依次减小。
上述第一层柔性材料、第二层柔性材料、第三层柔性材料的三层柔性材料从上到下依次布置。
本发明的有益效果是：
（1）本发明通过在柔性传感层内部设置硬度梯度和微结构尺寸梯度，利用不同尺寸和硬度的微结构在不同压强下先后变形，大大拓宽传感器的量程，提高了灵敏度和全量程范围内的线性度，克服压力传感器高灵敏度与宽量程难以兼得的问题，可有效拓宽应用范围；
（2）利用微结构尺寸梯度和材料硬度梯度的协同作用，本发明的压力传感器可在较宽量程内实现信号的高线性度，便于实际使用；
（3）本发明中所述的制备方法可保证柔性传感层内的多层微结构膜之间紧密结合，避免层间界面失稳，可显著提高压力传感器的稳定性；
（3）本发明压力传感器具有较好的柔性，便于贴附在复杂表面使用。
附图说明
图1是具有三层单向排列微结构膜的压力传感器的结构示意图；
图2是不同尺寸微结构膜的电子显微镜照片；
图3是具有三层单向排列微结构膜的压力传感器的电流变化率随施加的压强的变化图；
图4是具有三层双向排列微结构膜的压力传感器的结构示意图；
图5 是具有三层双向排列微结构膜的压力传感器的电流变化率随施加的压强的变化图；
图6是具有三层单向排列微结构膜的高线性度压力传感器的电流变化率随施加的压强的变化图。
图7是具有五层单向排列微结构膜的压力传感器的电流变化率随施加的压强的变化图；
图8是具有三层硬度非单向递减的单向排列微结构膜的压力传感器的电流变化率随施加的压强的变化图；
图9是具有一层单向排列微结构膜的压力传感器的电流变化率随施加的压强的变化图；
图10是具有两层单向排列微结构膜的压力传感器的电流变化率随施加的压强的变化图；
图11具有三层相同硬度和不同尺寸的单向排列微结构膜的压力传感器的电流变化率随施加的压强的变化图；
图12具有三层相同尺寸和不同硬度的单向排列微结构膜的压力传感器的电流变化率随施加的压强的变化图图中，101-第一柔性基底，201-第一电极层，301-第一层柔性材料，302-第二层柔性材料，303-第三层柔性材料，304-第四层柔性材料，305-第五层柔性材料，102-第二柔性基底，202-第二电极层，401-第一导线，402-第二导线。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
本发明的实施例和对比例如下。
实施例1如下：
以下以图1至图3所示的实施例为例，说明本发明宽量程柔性压力传感器的结构和制备方法，及其工作机理。
如图1所示，在两张厚度为100μm的聚酰亚胺（PI）膜表面溅射厚度为30nm的金，分别得到第一柔性基底101、第一电极层201、第二柔性基底102、第二电极层202。在第一电极层201和第二电极层202表面分别粘贴导线引出。
分别选用三种不同硬度的硅胶，硬度从高到低型号分别为Mold Star 31T、Ecoflex 00-50、Ecoflex 00-10，采用了同一材料的不同型号，分别具有不同的硬度。
在Mold Star 31T的A组分中加入碳纳米管，掺杂量为5%，机械搅拌分散均匀，随后以1:1的质量比加入B组分并混合均匀，将所得预聚体涂在360目的砂纸上，固化成膜后从砂纸上取下得到第一层柔性材料301，膜厚控制为约100μm，膜表面的微结构尺寸约40μm。
在Ecoflex 00-50的A组分中加入碳纳米管，掺杂量为5%，机械搅拌分散均匀，随后以1:1的质量比加入B组分并混合均匀，将所得预聚体旋涂在800目的砂纸上，厚度控制为约25μm，膜表面的微结构尺寸约20μm。将制得的第一层柔性材料301具有微结构的一侧覆盖在未固化的Ecoflex 00-50预聚体膜表面，固化后得到紧密结合的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302。
在Ecoflex 00-10的A组分中加入碳纳米管，掺杂量为5%，机械搅拌分散均匀，随后以1:1的质量比加入B组分并混合均匀，将所得预聚体旋涂在5000目的砂纸上，膜厚度控制为约5μm，膜表面的微结构尺寸约3μm。将制得的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302具有微结构的一侧覆盖在未固化的Ecoflex 00-10预聚体膜表面，固化后得到紧密结合的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302+第三层柔性材料303，并整体作为柔性传感层3。
各层柔性材料中的微结构形貌如图2所示。
将第一柔性基底101、第一电极层201、柔性传感层3、第二电极层202、第二柔性基底102如图1所示方式依次上下层叠并粘接在一起得到压力传感器，其中柔性传感层3的上下表面分别与第一电极层201和第二电极层202接触。
当该压力传感器工作时，导线401和导线402分别连接电阻计的两端，当第一柔性基底101或第二柔性基底102表面受到压力时，柔性传感层3中的不同硬度的柔性材料中的不同尺寸微结构在不同的压力下发生不同程度的变形，其与电极层201之间的接触面积增大导致电阻下降。该电阻变化在小压力下主要由硬度较低的小尺寸微结构变形引起，而在大压力下主要由硬度较高的大尺寸微结构变形引起。如图3所示，所得压力传感器的电流变化率随施加的压强增大而不断增大，在低压力和中压力区域（<100kPa）显示出高达184.2/kPa的灵敏度（S1），高压力区域（>100kPa）灵敏度（S2）仍可达到27.8/kPa，有效提高了压力检测上限，拓宽了压力传感器量程（40Pa-300kPa），克服压力传感器高灵敏度与宽量程不可兼得的问题。
实施例2如下：
以下以图4至图5所示的实施例为例，说明本发明宽量程柔性压力传感器的结构和制备方法，及其工作机理。
如图4所示，在两张厚度为100μm的PI膜表面溅射厚度为30nm的金，分别得到第一柔性基底101、第一电极层201、第二柔性基底102、第二电极层202。在第一电极层201和第二电极层202表面分别粘贴导线引出。
分别选用三种不同硬度的硅胶，硬度从高到低型号分别为Mold Star 31T、Ecoflex 00-50、Ecoflex 00-10。
在Mold Star 31T的A组分中加入碳纳米管，掺杂量为5%，机械搅拌分散均匀，随后以1:1的质量比加入B组分并混合均匀，将所得预聚体涂在360目的砂纸上，膜厚控制为约100μm，膜表面的微结构尺寸约40μm，在未固化的预聚体膜表面再覆盖一层360目的砂纸，随后固化成膜，将两层砂纸取下，得到具有双面微结构的第一层柔性材料301。
在Ecoflex 00-50的A组分中加入碳纳米管，掺杂量为5%，机械搅拌分散均匀，随后以1:1的质量比加入B组分并混合均匀，将所得预聚体旋涂在800目的砂纸上，厚度控制为约25μm，膜表面的微结构尺寸约20μm。将制得的第一层柔性材料301具有微结构的其中一侧覆盖在未固化的Ecoflex 00-50预聚体膜表面，固化后得到紧密结合的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302。
在Ecoflex 00-10的A组分中加入碳纳米管，掺杂量为5%，机械搅拌分散均匀，随后以1:1的质量比加入B组分并混合均匀，将所得预聚体旋涂在5000目的砂纸上，厚度控制为约5μm，膜表面的微结构尺寸约3μm。将制得的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302膜具有较小尺寸微结构的一侧覆盖在未固化的Ecoflex 00-10预聚体膜表面，固化后得到紧密结合的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302+第三层柔性材料303。
在第一层柔性材料301+第二层柔性材料302+第三层柔性材料303三层膜的另一侧，即第一层柔性材料301未被覆盖的微结构一侧，重复上述工艺过程，得到具有双向排列微结构的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302+第三层柔性材料303，并整体作为柔性传感层3。
将第一柔性基底101、第一电极层201、柔性传感层3、第二电极层202、第二柔性基底102按图4所示的方式依次上下层叠并粘接在一起得到压力传感器，其中柔性传感层3的上下表面分别与第一电极层201和第二电极层202接触。
当该压力传感器工作时，导线401和导线402分别连接电阻计的两端，当第一柔性基底101或第二柔性基底102表面受到压力时，柔性传感层3中的不同硬度的柔性材料中的不同尺寸微结构在不同的压力下发生不同程度的变形，其与电极层201之间的接触面积增大导致电阻下降。该电阻变化在小压力下主要由硬度较低的小尺寸微结构变形引起，而在大压力下主要由硬度较高的大尺寸微结构变形引起。如图5所示，所得压力传感器的电流变化率随施加的压强增大而不断增大，并在低压力和中压力区域（<100kPa）显示出614.8/kPa的灵敏度（S1）；高压力区域（>100kPa）灵敏度（S2）仍可达到47.4/kPa，有效提高了压力检测上限，拓宽了压力传感器量程（40Pa-500kPa），克服压力传感器高灵敏度与宽量程不可兼得的问题。
将本实施例2与实施例1相比，可以反映出本实施例2设置具有双向排列微结构的压力传感器灵敏度更高，能够提高传感器灵敏度。
实施例3如下：
以下以图1和图6所示的实施例为例，说明本发明宽量程柔性压力传感器的结构和制备方法，及其在全量程范围内获得高线性度的工作机理。
如图1所示，在两张厚度为100μm的PET表面溅射厚度为40nm的银，分别得到第一柔性基底101、第一电极层201、第二柔性基底102、第二电极层202。在第一电极层201和第二电极层202表面分别粘贴导线引出。
分别选用两种不同硬度的硅胶和一种热塑性聚氨酯（TPU），硬度从高到低分别为TPU、Ecoflex 00-30、Ecoflex 00-10。
在Ecoflex 00-10的A组分中加入石墨烯粉末，掺杂量为7%，机械搅拌分散均匀，随后以1:1的质量比加入B组分并混合均匀，将所得预聚体涂在120目的砂纸上，固化成膜后从砂纸上取下得到第一层柔性材料301，膜厚控制为约200μm，膜表面的微结构尺寸约120μm。
在Ecoflex 00-30的A组分中加入石墨烯粉末，掺杂量为7%，机械搅拌分散均匀，随后以1:1的质量比加入B组分并混合均匀，将所得预聚体旋涂在300目的砂纸上，厚度控制为约60μm，膜表面的微结构尺寸约50μm。将制得的第一层柔性材料301具有微结构的一侧覆盖在未固化的Ecoflex 00-30预聚体膜表面，固化后得到紧密结合的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302。
石墨烯粉末分散在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，石墨烯含量为1.75%，并超声处理10min。在该分散液中加入TPU搅拌溶解，质量分数为25%，其中石墨烯粉末和TPU的质量比为7%。将所得溶液旋涂在5000目的砂纸上，湿膜厚度控制为约20μm，膜表面的微结构尺寸约3μm。将制得的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302具有微结构的一侧覆盖在未固化的TPU湿膜表面，固化后得到紧密结合的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302+第三层柔性材料303，并整体作为柔性传感层3。
将第一柔性基底101、第一电极层201、柔性传感层3、第二电极层202、第二柔性基底102依次上下层叠并粘接在一起得到压力传感器，其中柔性传感层3的上下表面分别与第一电极层201和第二电极层202接触。
当该压力传感器工作时，导线401和导线402分别连接电阻计的两端，当第一柔性基底101或第二柔性基底102表面受到压力时，柔性传感层3中的不同硬度的柔性材料中的不同尺寸微结构在不同的压力下发生不同程度的变形，其与电极层201之间的接触面积增大导致电阻下降，引起传感器的电流变化率随施加的压强增大而不断增大。
由于小尺寸微结构具有较高的硬度，而大尺寸微结构具有较低的硬度，在两者的协同作用下，传感器在整个较宽的量程范围内（0.04-500kPa）均保持同一个较高的线性灵敏度（176.6/kPa），如图6所示，克服压力传感器高灵敏度与宽量程不可兼得的问题，同时提高了传感信号的线性度，更便于使用。
因此可见，通过本发明实施例能够反映出通过尺寸和硬度的分布调整能够显著提高压力传感器的传感线性度。
实施例4：（五层柔性材料）
以下以图7所示的实施例为例，说明本发明宽量程柔性压力传感器的结构和制备方法，及其工作机理。
在两张厚度为100μm的聚酰亚胺（PI）膜表面涂覆厚度约为1μm的碳纳米管导电涂层，分别得到第一柔性基底101、第一电极层201、第二柔性基底102、第二电极层202。在第一电极层201和第二电极层202表面分别粘贴导线引出。
分别选用四种不同硬度的硅胶和一种热塑性聚氨酯（TPU），硬度从高到低分别为TPU、Mold Star 31T、Ecoflex 00-50、Ecoflex 00-30、Ecoflex 00-10。
石墨烯粉末分散在N,N-二甲基甲酰胺（DMF）中，石墨烯含量为1.75%，并超声处理10min。在该分散液中加入TPU搅拌溶解，质量分数为25%，其中石墨烯粉末和TPU的质量比为7%。将所得溶液涂在120目的砂纸上，固化成膜后从砂纸上取下得到第一层柔性材料301，膜厚控制为约200μm，膜表面的微结构尺寸约120μm。
在Mold Star 31T的A组分中加入石墨烯粉末，掺杂量为7%，机械搅拌分散均匀，随后以1:1的质量比加入B组分并混合均匀，将所得预聚体旋涂在180目的砂纸上，厚度控制为约100μm，膜表面的微结构尺寸约80μm。将制得的第一层柔性材料301具有微结构的一侧覆盖在未固化的Mold Star 31T预聚体膜表面，固化后得到紧密结合的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302。
在Ecoflex 00-50的A组分中加入碳纳米管，掺杂量为5%，机械搅拌分散均匀，随后以1:1的质量比加入B组分并混合均匀，将所得预聚体旋涂在300目的砂纸上，膜厚度控制为约60μm，膜表面的微结构尺寸约50μm。将制得的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302具有微结构的一侧覆盖在未固化的Ecoflex 00-50预聚体膜表面，固化后得到紧密结合的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302+第三层柔性材料303。
在Ecoflex 00-30的A组分中加入碳纳米管，掺杂量为5%，机械搅拌分散均匀，随后以1:1的质量比加入B组分并混合均匀，将所得预聚体旋涂在800目的砂纸上，厚度控制为约25μm，膜表面的微结构尺寸约20μm。将制得的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302+第三层柔性材料303具有微结构的一侧覆盖在未固化的Ecoflex 00-50预聚体膜表面，固化后得到紧密结合的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302+第三层柔性材料303+第四层柔性材料304。
在Ecoflex 00-10的A组分中加入碳纳米管，掺杂量为5%，机械搅拌分散均匀，随后以1:1的质量比加入B组分并混合均匀，将所得预聚体旋涂在5000目的砂纸上，膜厚度控制为约5μm，膜表面的微结构尺寸约3μm。将制得的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302+第三层柔性材料303+第四层柔性材料304具有微结构的一侧覆盖在未固化的Ecoflex 00-10预聚体膜表面，固化后得到紧密结合的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302+第三层柔性材料303+第四层柔性材料304+第五层柔性材料305，并整体作为柔性传感层3。
将第一柔性基底101、第一电极层201、柔性传感层3、第二电极层202、第二柔性基底102依次上下层叠并粘接在一起得到压力传感器，其中柔性传感层3的上下表面分别与第一电极层201和第二电极层202接触。
当该压力传感器工作时，导线401和导线402分别连接电阻计的两端，当第一柔性基底101或第二柔性基底102表面受到压力时，柔性传感层3中的不同硬度的柔性材料中的不同尺寸微结构在不同的压力下发生不同程度的变形，其与电极层201之间的接触面积增大导致电阻下降。该电阻变化在小压力下主要由硬度较低的小尺寸微结构变形引起，而在大压力下主要由硬度较高的大尺寸微结构变形引起。如图7所示，所得压力传感器的电流变化率随施加的压强增大而不断增大，在较低压力区域（<50kPa）显示出高达194.6/kPa的灵敏度（S1），中等压力区域（50-200kPa）灵敏度（S2）可达到45.7/kPa，高压力区域（>200kPa）灵敏度（S3）仍可达15.7/kPa，有效提高了压力检测上限，拓宽了压力传感器量程（40Pa-500kPa），克服压力传感器高灵敏度与宽量程不可兼得的问题。
实施例5：（硬度非单方向递增递减）
以下以图1和图8所示的实施例为例，说明本发明宽量程柔性压力传感器的结构和制备方法，及其工作机理。
如图1所示，在两张厚度为100μm的聚酰亚胺（PI）膜表面溅射厚度为30nm的金，分别得到第一柔性基底101、第一电极层201、第二柔性基底102、第二电极层202。在第一电极层201和第二电极层202表面分别粘贴导线引出。
分别选用三种不同硬度的硅胶，硬度从高到低型号分别为Mold Star 31T、Ecoflex 00-30、Ecoflex 00-10，采用了同一材料的不同型号，分别具有不同的硬度。
在Ecoflex 00-30的A组分中加入碳纳米管，掺杂量为5%，机械搅拌分散均匀，随后以1:1的质量比加入B组分并混合均匀，将所得预聚体涂在360目的砂纸上，固化成膜后从砂纸上取下得到第一层柔性材料301，膜厚控制为约100μm，膜表面的微结构尺寸约40μm。
在Ecoflex 00-10的A组分中加入碳纳米管，掺杂量为5%，机械搅拌分散均匀，随后以1:1的质量比加入B组分并混合均匀，将所得预聚体旋涂在800目的砂纸上，厚度控制为约25μm，膜表面的微结构尺寸约20μm。将制得的第一层柔性材料301具有微结构的一侧覆盖在未固化的Ecoflex 00-30预聚体膜表面，固化后得到紧密结合的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302。
Mold Star 31T的A组分中加入碳纳米管，掺杂量为5%，机械搅拌分散均匀，随后以1:1的质量比加入B组分并混合均匀，将所得预聚体旋涂在5000目的砂纸上，膜厚度控制为约5μm，膜表面的微结构尺寸约3μm。将制得的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302具有微结构的一侧覆盖在未固化的Ecoflex 00-10预聚体膜表面，固化后得到紧密结合的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302+第三层柔性材料303，并整体作为柔性传感层3。
将第一柔性基底101、第一电极层201、柔性传感层3、第二电极层202、第二柔性基底102如图1所示方式依次上下层叠并粘接在一起得到压力传感器，其中柔性传感层3的上下表面分别与第一电极层201和第二电极层202接触。
当该压力传感器工作时，导线401和导线402分别连接电阻计的两端，当第一柔性基底101或第二柔性基底102表面受到压力时，柔性传感层3中的不同硬度的柔性材料中的不同尺寸微结构在不同的压力下发生不同程度的变形，其与电极层201之间的接触面积增大导致电阻下降。如图8所示，所得压力传感器的电流变化率随施加的压强增大而不断增大，在较低压力区域（<60kPa）显示出高达233.4/kPa的灵敏度（S1），较高压力区域（>60kPa）灵敏度（S2）仍可达到81.3/kPa，有效提高了压力检测上限，拓宽了压力传感器量程（40Pa-250kPa），克服压力传感器高灵敏度与宽量程不可兼得的问题。
对比例1：（一层柔性材料）
本对比例目的是说明具有多层不同尺寸和硬度微结构对于压力传感器性能的重要性。
在两张厚度为100μm聚酰亚胺（PI）表面溅射厚度为30nm的金，分别得到第一柔性基底101、第一电极层201、第二柔性基底102、第二电极层202。在第一电极层201和第二电极层202表面分别粘贴导线引出。
在Ecoflex 00-50硅胶的A组分中加入碳纳米管，掺杂量为5%，机械搅拌分散均匀，随后以1:1的质量比加入B组分并混合均匀，将所得预聚体涂在800目的砂纸上，固化成膜后从砂纸上取下得到单层具有微结构的柔性材料301，膜表面的微结构尺寸约20μm，作为柔性传感层3。将第一柔性基底101、第一电极层201、柔性传感层3、第二电极层202、第二柔性基底102依次上下层叠并粘接在一起得到压力传感器，其中柔性传感层3的上下表面分别与第一电极层201和第二电极层202接触。
当该压力传感器工作时，导线401和导线402分别连接电阻计的两端，当第一柔性基底101或第二柔性基底102表面受到压力时，柔性传感层3中的微结构在不同的压力下发生不同程度的变形，其与电极层201之间的接触面积增大导致电阻下降，使压力传感器的电流变化率随施加的压强增大而不断增大，如图9所示。但由于单层微结构膜的形变易发生饱和，虽然在两段线性区仍分别具有136.0/kPa（S1，<20kPa）和18.6/kPa（S2，20kPa-60kPa）的灵敏度，但其量程只有40Pa-60kPa，压力检测上限较低，无法兼顾宽量程和高灵敏度。
将本对比例1与实施例1相比，可以反映出实施例1设置不同尺寸和硬度梯度的微结构的压力传感器灵敏度更高、量程更宽，能够提高传感器灵敏度和量程，表明柔性传感层内部设计多层不同尺寸和不同硬度的微结构对于压力传感器同时获得宽量程和高灵敏度至关重要。
对比例2：（二层柔性材料）本对比例目的是说明具有至少3层不同尺寸和硬度微结构对于压力传感器性能的重要性。
在两张厚度为100μm的聚酰亚胺（PI）膜表面溅射厚度为30nm的金，分别得到第一柔性基底101、第一电极层201、第二柔性基底102、第二电极层202。在第一电极层201和第二电极层202表面分别粘贴导线引出。
分别选用两种不同硬度的硅胶，硬度从高到低型号分别为Mold Star 31T、和Ecoflex 00-10，采用了同一材料的不同型号，分别具有不同的硬度。
在Mold Star 31T的A组分中加入碳纳米管，掺杂量为5%，机械搅拌分散均匀，随后以1:1的质量比加入B组分并混合均匀，将所得预聚体涂在360目的砂纸上，固化成膜后从砂纸上取下得到第一层柔性材料301，膜厚控制为约100μm，膜表面的微结构尺寸约40μm。
在Ecoflex 00-10的A组分中加入碳纳米管，掺杂量为5%，机械搅拌分散均匀，随后以1:1的质量比加入B组分并混合均匀，将所得预聚体旋涂在5000目的砂纸上，膜厚度控制为约5μm，膜表面的微结构尺寸约3μm。将制得的第一层柔性材料301具有微结构的一侧覆盖在未固化的Ecoflex 00-10预聚体膜表面，固化后得到紧密结合的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302，并整体作为柔性传感层3。
将第一柔性基底101、第一电极层201、柔性传感层3、第二电极层202、第二柔性基底102依次上下层叠并粘接在一起得到压力传感器，其中柔性传感层3的上下表面分别与第一电极层201和第二电极层202接触。
当该压力传感器工作时，导线401和导线402分别连接电阻计的两端，当第一柔性基底101或第二柔性基底102表面受到压力时，柔性传感层3中的不同硬度的柔性材料中的不同尺寸微结构在不同的压力下发生不同程度的变形，其与电极层201之间的接触面积增大导致电阻下降，如图10所示。但由于两层微结构膜的形变易发生饱和，虽然在两段线性区仍分别具有153.5/kPa（S1，<30kPa）和26.3/kPa（S2，30kPa-90kPa）的灵敏度，但其量程只有40Pa-90kPa，压力检测上限较低，无法兼顾宽量程和高灵敏度。
将本对比例2与实施例1和实施例4相比，可以反映出实施例1和实施例4设置至少3层不同尺寸和硬度梯度的微结构的压力传感器灵敏度更高、量程更宽，能够提高传感器灵敏度和量程，表明柔性传感层内部设计至少3层不同尺寸和不同硬度的微结构对于压力传感器同时获得宽量程和高灵敏度至关重要。
对比例3：（硬度不变、仅尺寸递减的柔性材料）
本对比例目的是说明微结构中同时存在硬度和尺寸梯度对于压力传感器性能的重要性。
在两张厚度为100μm的聚酰亚胺（PI）膜表面溅射厚度为30nm的金，分别得到第一柔性基底101、第一电极层201、第二柔性基底102、第二电极层202。在第一电极层201和第二电极层202表面分别粘贴导线引出。
在Ecoflex 00-50的A组分中加入碳纳米管，掺杂量为5%，机械搅拌分散均匀，随后以1:1的质量比加入B组分并混合均匀，得到硅胶/碳纳米管预聚体。
将硅胶/碳纳米管预聚体涂在360目的砂纸上，固化成膜后从砂纸上取下得到第一层柔性材料301，膜厚控制为约100μm，膜表面的微结构尺寸约40μm。
将硅胶/碳纳米管预聚体旋涂在800目的砂纸上，厚度控制为约25μm，膜表面的微结构尺寸约20μm。将制得的第一层柔性材料301具有微结构的一侧覆盖在未固化的预聚体膜表面，固化后得到紧密结合的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302。
将硅胶/碳纳米管预聚体旋涂在5000目的砂纸上，膜厚度控制为约5μm，膜表面的微结构尺寸约3μm。将制得的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302具有微结构的一侧覆盖在未固化的预聚体膜表面，固化后得到紧密结合的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302+第三层柔性材料303，并整体作为柔性传感层3。
将第一柔性基底101、第一电极层201、柔性传感层3、第二电极层202、第二柔性基底102依次上下层叠并粘接在一起得到压力传感器，其中柔性传感层3的上下表面分别与第一电极层201和第二电极层202接触。
当该压力传感器工作时，导线401和导线402分别连接电阻计的两端，当第一柔性基底101或第二柔性基底102表面受到压力时，柔性传感层3中的微结构在不同的压力下发生不同程度的变形，其与电极层201之间的接触面积增大导致电阻下降，如图11所示。但由于微结构膜内仅存在尺寸梯度，各层柔性材料的硬度相同，形变易发生饱和，在两段线性区仍分别只有92.7/kPa（S1，<60kPa）和12.4/kPa（S2，60kPa-150kPa）的灵敏度，量程只有40Pa-150kPa，无法兼顾宽量程和高灵敏度。
将本对比例3与实施例1相比，可以反映出实施例1设置不同尺寸和硬度梯度的微结构的压力传感器灵敏度更高、量程更宽，能够提高传感器灵敏度和量程，表明柔性传感层内部设计不同尺寸和不同硬度的微结构对于压力传感器同时获得宽量程和高灵敏度至关重要。
对比例4：（尺寸不变、仅硬度递减的柔性材料）
本对比例目的是说明微结构中同时存在硬度和尺寸梯度对于压力传感器性能的重要性。
在两张厚度为100μm的聚酰亚胺（PI）膜表面溅射厚度为30nm的金，分别得到第一柔性基底101、第一电极层201、第二柔性基底102、第二电极层202。在第一电极层201和第二电极层202表面分别粘贴导线引出。
分别选用三种不同硬度的硅胶，硬度从高到低型号分别为Mold Star 31T、Ecoflex 00-50、Ecoflex 00-10，采用了同一材料的不同型号，分别具有不同的硬度。
在Mold Star 31T的A组分中加入碳纳米管，掺杂量为5%，机械搅拌分散均匀，随后以1:1的质量比加入B组分并混合均匀，将所得预聚体涂在800目的砂纸上，固化成膜后从砂纸上取下得到第一层柔性材料301，膜厚控制为约100μm，膜表面的微结构尺寸约20μm。
在Ecoflex 00-50的A组分中加入碳纳米管，掺杂量为5%，机械搅拌分散均匀，随后以1:1的质量比加入B组分并混合均匀，将所得预聚体旋涂在800目的砂纸上，厚度控制为约25μm，膜表面的微结构尺寸约20μm。将制得的第一层柔性材料301具有微结构的一侧覆盖在未固化的Ecoflex 00-50预聚体膜表面，固化后得到紧密结合的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302。
在Ecoflex 00-10的A组分中加入碳纳米管，掺杂量为5%，机械搅拌分散均匀，随后以1:1的质量比加入B组分并混合均匀，将所得预聚体旋涂在800目的砂纸上，膜厚度控制为约25μm，膜表面的微结构尺寸约20μm。将制得的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302具有微结构的一侧覆盖在未固化的Ecoflex 00-10预聚体膜表面，固化后得到紧密结合的第一层柔性材料301+第二层柔性材料302+第三层柔性材料303，并整体作为柔性传感层3。
将第一柔性基底101、第一电极层201、柔性传感层3、第二电极层202、第二柔性基底102依次上下层叠并粘接在一起得到压力传感器，其中柔性传感层3的上下表面分别与第一电极层201和第二电极层202接触。
当该压力传感器工作时，导线401和导线402分别连接电阻计的两端，当第一柔性基底101或第二柔性基底102表面受到压力时，柔性传感层3中的微结构在不同的压力下发生不同程度的变形，其与电极层201之间的接触面积增大导致电阻下降，如图12所示。但由于微结构膜内仅存在硬度梯度，各层柔性材料的微结构尺寸相同，形变易发生饱和，在两段线性区仍分别只有103.4/kPa（S1，<50kPa）和25.5/kPa（S2，50kPa-90kPa）的灵敏度，量程只有40Pa-90kPa，无法兼顾宽量程和高灵敏度。
将本对比例4与实施例1相比，可以反映出实施例1设置不同尺寸和硬度梯度的微结构的压力传感器灵敏度更高、量程更宽，能够提高传感器灵敏度和量程，表明柔性传感层内部设计不同尺寸和不同硬度的微结构对于压力传感器同时获得宽量程和高灵敏度至关重要。
Claims (6)
1.一种宽量程柔性压力传感器，其特征在于：
包含依次布置的柔性基底、电极层、柔性传感层；
所述的柔性传感层由不同硬度的至少三层柔性材料组成，每层柔性材料上设有微结构，且每层柔性材料的微结构的尺寸不同；通过调整柔性传感层中各层柔性材料的尺寸和硬度分布关系进而调控所述柔性压力传感器的量程和线性度；
所述的柔性传感层至少三层柔性材料的硬度是逐渐增加或者逐渐减小；
所述的柔性传感层内的不同层柔性材料采用多种不同硬度的硅胶或者不同硬度的热塑性聚氨酯TPU和硅胶的组合；
各层柔性材料的微结构的尺寸是依次递减或者增大后再减小；
所述的柔性传感层的三层不同硬度和不同尺寸微结构的柔性材料按照以下方式制备而成：
先制备得到导电柔性材料；
随后选取其中一种导电柔性材料作为第一导电柔性材料，置于具有第一种目数的砂纸表面或具有第一种尺寸微结构的模板中浇注，固化后从砂纸表面或模板中取出得到具有微结构和导电性的第一层柔性材料；
选取第二种具有不同硬度的导电柔性材料作为第二导电柔性材料，在另一张具有第二种更高目数的砂纸表面或具有第二种更小尺寸微结构的模板中旋涂一层所述第二导电柔性材料形成预聚体膜，将第一层柔性材料的具有微结构的一侧面覆盖在预聚体膜表面，固化后从砂纸表面或模板中取出，得到具有两层不同硬度和不同尺寸微结构的导电柔性材料作为初步柔性材料；
选取再一种具有第三种不同硬度的导电柔性材料作为第三导电柔性材料，在第三张具有第三种更高目数的砂纸表面或具有第三种更小尺寸微结构的模板中旋涂一层所述第三导电柔性材料形成预聚体膜，将之前制得的具有两层微结构的初步柔性材料的具有微结构的一侧面覆盖在预聚体膜表面，固化后从砂纸表面或模板中取出，得到具有三层不同硬度和不同尺寸微结构的最终导电柔性材料。
2.根据权利要求1所述的一种宽量程柔性压力传感器，其特征在于：
所述的柔性传感层中的每层柔性材料的其中一侧表面具有微结构，或者两侧表面均具有微结构。
3.根据权利要求1所述的一种宽量程柔性压力传感器，其特征在于：
包含上下两层的柔性基底和上下两层的电极层，两层电极层布置在两层柔性基底之间，柔性传感层各层柔性材料一起均布置在两层电极层之间。
4.根据权利要求1所述的一种宽量程柔性压力传感器，其特征在于：
还包括导线，电极层经由导线引出连接到外部的外部检测设备。
5.应用于权利要求1-4任一所述宽量程柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：在柔性基底表面涂覆一层电极层，电极层表面粘贴导线；以具有三层不同硬度和不同尺寸微结构的柔性材料作为柔性传感层，将两张带有电极层和导线的柔性基底分别层叠粘接在柔性传感层的上下表面得到压力传感器，其中柔性传感层与电极层表面接触。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：所述的柔性传感层的三层不同硬度和不同尺寸微结构的柔性材料按照以下方式制备而成：
先制备得到导电柔性材料；
随后选取其中一种导电柔性材料作为第一导电柔性材料，置于具有第一种目数的砂纸表面或具有第一种尺寸微结构的模板中浇注，固化后从砂纸表面或模板中取出得到具有微结构和导电性的第一层柔性材料；
选取第二种具有不同硬度的导电柔性材料作为第二导电柔性材料，在另一张具有第二种更高目数的砂纸表面或具有第二种更小尺寸微结构的模板中旋涂一层所述第二导电柔性材料形成预聚体膜，将第一层柔性材料的具有微结构的一侧面覆盖在预聚体膜表面，固化后从砂纸表面或模板中取出，得到具有两层不同硬度和不同尺寸微结构的导电柔性材料作为初步柔性材料；
选取再一种具有第三种不同硬度的导电柔性材料作为第三导电柔性材料，在第三张具有第三种更高目数的砂纸表面或具有第三种更小尺寸微结构的模板中旋涂一层所述第三导电柔性材料形成预聚体膜，将之前制得的具有两层微结构的初步柔性材料的具有微结构的一侧面覆盖在预聚体膜表面，固化后从砂纸表面或模板中取出，得到具有三层不同硬度和不同尺寸微结构的最终导电柔性材料。
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