CN209014173U - 可穿戴压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供一种制造效率高、成本低、微结构尺寸可控且灵敏度可以调制的可穿戴压力传感器。该传感器包括第一电极部和第二电极部，第一电极部包括具有微结构的第一PDMS薄膜、第一导电层和第一电极；第二电极部包括具有平坦表面的第二PDMS薄膜、第二导电层和第二电极；第一电极部和第二电极部以第一PDMS薄膜的微结构与第二PDMS薄膜的平坦表面相向的方式层叠；上述微结构包括多组突起，每组突起包含至少一个突起且在第一PDMS薄膜的表面上沿第一方向分布，各组突起沿着与第一方向交叉的第二方向排列。本实用新型的传感器可以通过接触电阻的变化实时监测压力的变化，在智能假肢、生物医疗、机器人等领域有广泛的应用前景。

Description

可穿戴压力传感器

技术领域

本实用新型属于压力传感器制造领域，具体涉及一种具有微结构的可穿戴压力传感器。

背景技术

皮肤是人体最大的感知器官，它既是人类与外界互动时的保护屏障，同时也赋予人类触觉、痛觉、温度感知等能力。开展电子皮肤的研究在智能假肢、实时医学监测与诊断、人工智能(机器人)等领域意义重大且前景广阔。压力是电子皮肤能感知的众多参数中非常重要的一个物理量。电阻式的压力传感器，因为其工作原理简单，制造成本低，功耗小，成为了实现压力传感的一个重要设计方向。

目前，柔性电阻式压力传感器通常是通过将纳米管(CNT)、纳米线和石墨烯等纳米材料加入软聚合物(即形成弹性复合材料)或通过在聚合物表面沉积活性物质(即形成电极)来制造。由于软聚合物有比较大的弹性模量、粘弹性，因而柔性电阻式压力传感器普遍存在较差的灵敏度。为了提高柔性电阻式压力传感器的灵敏度，往往需要构建柔性基体的微结构。

在低压力段，柔性电阻式压力传感器往往用于感知呼吸、脉搏等压力；在高压力段，柔性电阻式压力传感器往往用于感知按压、拾取物品等压力。因而在不同的场景下，柔性电阻式压力传感器往往需要有不同的灵敏度特性，需要对柔性电阻式压力传感器的灵敏度进行调制。

为了提高灵敏度，斯坦福的鲍哲南团队采用了空心小球的方法来构建柔性基体的微结构，以此获得高灵敏度。但该方法，制备方法复杂且灵敏度难以控制，不可对灵敏度进行调制。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的团队，采用对丝绸倒模的方法来构建柔性基体的微结构，该方法方便快捷，但是微结构的尺寸形状难以控制，不可对灵敏度进行调制。韩国浦项科技大学的团队采用光刻和化学方法来构建了柔性基体的微结构，该方法可以精确的控制微结构的形状尺寸，但是制备方法过于复杂，不便于快速大规模制造。

主流制备微结构的方法为光刻法和倒模法，其中，光刻法的制备工艺流程复杂(一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序)；倒模法(通过树叶、丝绸、砂纸等进行倒模)的制备流程虽然简单，但制备的微结构尺寸结构无法控制。因此，现有的微结构制备方法存在成本较高、制备工艺复杂及微结构的尺寸结构难以进行控制的问题。

因此，需要一种制造效率高、成本低、微结构尺寸可控且灵敏度可以调制的可穿戴压力传感器。

现有技术文献

非专利文献1：Chortos,A.；Liu,J.；Bao,Z.A.,Pursuing prosthetic electronicskin.Nature Materials 2016,15(9),937-950.

非专利文献2：Zang,Y.；Zhang,F.；Di,C.-a.；Zhu,D.,Advances of flexiblepressure sensors toward artificial intelligence and health careapplications.Materials Horizons 2015,2(2),140-156.

非专利文献3：Hammock,M.L.；Chortos,A.；Tee,B.C.K.；Tok,J.B.H.；Bao,Z.,25thanniversary article:The evolution of electronic skin(E-Skin):A brief history,design considerations,and recent progress.Advanced Materials 2013,25(42),5997-6038.

实用新型内容

本实用新型是为了解决现有技术中存在的问题而完成的，其目的在于提供一种制造效率高、成本低、微结构尺寸可控且灵敏度可以调制的可穿戴压力传感器。

为了达到上述目的，本实用新型包括以下技术方案。

[1]一种可穿戴压力传感器，其包括第一电极部和第二电极部，

上述第一电极部包括具有微结构的第一PDMS薄膜、涂覆在上述第一PDMS薄膜上的第一导电层、和形成于上述第一PDMS薄膜的一端部的第一电极；

上述第二电极部包括具有平坦表面的第二PDMS薄膜、涂覆在上述第二PDMS薄膜上的第二导电层、和形成于上述第二PDMS薄膜的一端部的第二电极；

上述第一电极部和上述第二电极部以上述第一PDMS薄膜的微结构与上述第二PDMS薄膜的平坦表面相向的方式层叠；

上述微结构包括多组突起，每组突起包含至少一个突起且在上述第一PDMS薄膜的表面上沿第一方向分布，各组突起沿着与上述第一方向交叉的第二方向排列。

[2]如[1]所述的可穿戴压力传感器，其中，上述突起的高度为10～50μm；上述微结构的相邻突起之间的间隔距离为10～100μm。

[3]如[1]所述的可穿戴压力传感器，其中，上述突起的与上述第一方向垂直的截面大致呈三角形、长方形、正方形、梯形、拱形或半圆形；上述突起在上述第一方向上呈点状或线状分布。

[4]如[1]所述的可穿戴压力传感器，其中，上述突起以周期性点阵的方式排列。

[5]如[1]所述的可穿戴压力传感器，其中，上述第一导电层和上述第二导电层包含碳纳米管、石墨烯、导电金属粒子或导电金属纳米线中的至少一种。

[6]如[1]所述的可穿戴压力传感器，其中，上述第一导电层和上述第二导电层包含碳纳米管，且上述碳纳米管的直径为10～80nm、长度为2～10μm。

[7]如[1]所述的可穿戴压力传感器，其中，上述第一电极和上述第二电极包含银纳米颗粒。

[8]如[1]所述的可穿戴压力传感器，其中，上述第一PDMS薄膜的微结构通过以下步骤形成：

(1)制备PDMS衬底；

(2)利用飞秒激光器对上述PDMS衬底的一个表面进行蚀刻，形成具有周期性排列的微槽的图案；

(3)以形成有上述图案的PDMS衬底作为模具进行倒模，制备具有周期性排列的微结构的第一PDMS薄膜。

[9].如[8]所述的可穿戴压力传感器，其中，上述飞秒激光器的扫描速率为10～50mm/s，激光功率为1～10W，脉冲数为800～1200kHz。

[10]如[8]所述的可穿戴压力传感器，其中，上述PDMS衬底、上述第一PDMS薄膜及上述第二PDMS薄膜通过将PDMS的前驱体和固化剂按照10:1的质量比例混合，在真空中除去气泡后进行固化而得到。

技术效果

根据本实用新型的可穿戴压力传感器，通过使用具有微结构的PDMS薄膜，能够提高可穿戴压力传感器的灵敏度。在本实用新型的可穿戴压力传感器的制造中，采用飞秒激光烧蚀的方法在大气环境下对PDMS衬底进行激光直写加工，可以大规模快速形成微结构，并且可以对微结构的尺寸进行精确控制，从而能以低成本批量生产具有微结构的PDMS薄膜，通过飞秒激光烧蚀的方法可形成不同的微结构形状，能够对制得的压力传感器的灵敏度进行调制，从而能以高效率制造具有适合于不同压力下的灵敏度的可穿戴压力传感器。

附图说明

图1是本实用新型的一实施方式的可穿戴压力传感器的示意立体图。

图2是显示本实用新型实施例1的可穿戴压力传感器的制造中制备具有微结构的第一PDMS薄膜的步骤，其中，图2(a)是通过飞秒激光烧蚀的方法在PDMS衬底的表面上形成的微槽的光学显微镜照片；图2(b)是以形成有微槽的PDMS衬底为模具进行倒模而得的PDMS薄膜截面的光学显微镜照片。

图3是本实用新型实施例1的可穿戴压力传感器中的第一PDMS薄膜的微结构的光学显微镜照片。

图4是本实用新型实施例2的可穿戴压力传感器中的第一PDMS薄膜的微结构的光学显微镜照片。

图5是本实用新型实施例3的可穿戴压力传感器中的第一PDMS薄膜的微结构的电子显微镜照片。

图6是本实用新型实施例1的可穿戴压力传感器的灵敏度试验结果图。

图7是本实用新型实施例2的可穿戴压力传感器的灵敏度试验结果图。

图8是本实用新型实施例3的可穿戴压力传感器的灵敏度试验结果图。

图9是本实用新型实施例1的可穿戴压力传感器在循环测试下的时间-电阻响应曲线图。

符号说明

1 第一PDMS薄膜

2 第一导电层

3 第一电极

1’ 第二PDMS薄膜

2’ 第二导电层

3’ 第二电极

10 可穿戴压力传感器

11 第一电极部

12 第二电极部

具体实施方式

以下结合优选的实施方式及附图说明本实用新型的技术特征，这旨在说明本实用新型而不是限制本实用新型。附图被大大简化以便于进行说明，但不一定按比例绘制。

应当了解，附图中所示的仅仅是本实用新型的较佳实施例，其并不构成对本实用新型的范围的限制。本领域的技术人员可以在附图所示的实施例的基础上对本实用新型进行各种显而易见的修改、变型、等效替换，并且在不相矛盾的前提下，在以下所描述的不同实施例中的技术特征可以任意组合，而这些都落在本实用新型的保护范围之内。

〔可穿戴压力传感器〕

首先，参照图1对本实用新型的一个实施方式的可穿戴压力传感器进行说明。图1是本实用新型的一实施方式的可穿戴压力传感器的示意立体图。

如图1所示，本实用新型的可穿戴压力传感器10包括第一电极部11和第二电极部12，其中，第一电极部11包括第一PDMS薄膜1、第一导电层2和第一电极3，第二电极部12包括第二PDMS薄膜1’、第二导电层2’和第二电极3’。

第一PDMS薄膜1是由聚二甲基硅氧烷制成的具有柔性的衬底，在受到极小的压力时也能发生变形。由于第一PDMS薄膜1具有柔性，在较小的压力下可发生变形，由此传感器在较小的压力下产生响应，可确保传感器的灵敏度。对于第一PDMS薄膜1的形状及尺寸没有特别限定，可根据需要进行选择。第一PDMS薄膜1优选形成为长条形，且可以具有一定的厚度，例如1～2mm。通过使厚度在该范围内，可以使可穿戴压力传感器10在受到外力作用时容易发生形变，确保传感器的灵敏度，而且还可以使可穿戴压力传感器10整体的尺寸变得小型化。

第一PDMS薄膜1在一侧的表面具有微结构，该微结构包括多组突起，每组突起包含至少一个突起。当每组突起仅包含一个突起时，该突起为长线状且横跨第一PDMS薄膜1的表面，如图1所示沿第一方向Y延伸分布，并且沿着与第一方向Y交叉的第二方向X排列有多个上述突起，上述第一方向Y优选与上述第二方向X正交。当每组突起包含两个以上的突起时，该突起可以在第一PDMS薄膜1的表面上沿第一方向Y呈短线状或点状分布，并且多组突起沿着与第一方向Y交叉的第二方向X排列，特别优选的是，第二方向X与第一方向Y正交。

这里，“长线状”和“短线状”的用语是相对于第一PDMS薄膜1在第一方向Y上的宽度而言的，“长线状”是指线状突起的长度为第一方向Y上的上述宽度的50％以上，“短线状”是指线状突起的长度为第一方向Y上的上述宽度的5％以上且小于50％。

对于上述突起的形状没有特别限定，例如，突起的与第一方向Y垂直的截面可以是大致呈三角形、长方形、正方形、梯形、拱形或半圆形，优选三角形或半圆形。对于上述突起的尺寸没有特别限定，例如，突起的高度可以是10～50μm，相邻突起之间的间隔距离可以是10～100μm。在一个优选的实施方式中，突起以周期性点阵的方式排列。

第一导电层2涂覆在上述第一PDMS薄膜1的具有微结构的表面上，可通过涂覆导电涂料来形成。作为导电涂料中所含的导电材料，可以是碳纳米管、石墨烯、导电金属粒子或导电金属纳米线中的至少一种，优选碳纳米管。导电涂料包含碳纳米管作为导电材料的情况下，碳纳米管优选直径为10～80nm、长度为2～10μm。

第一电极3形成在上述第一导电层2上且形成于第一PDMS薄膜1的一端部。第一电极3与第一导电层2形成导电通路，且可通过导线与另设的电阻信号检测器连接，将传感器的电阻信号导出。第一电极3可通过将包含银纳米颗粒的导电糊料涂布在第一导电层2上，进行干燥而形成。

第二电极部12中的第二PDMS薄膜1’具有平坦的表面，与具有微结构表面的第一PDMS薄膜1的表面结构不同，除此以外，与第一PDMS薄膜1同样，由聚二甲基硅氧烷制成，并且具有第一PDMS薄膜1相应的尺寸和厚度等，由此有利于将第二PDMS薄膜1’与第一PDMS薄膜1适当地层叠封装。

第二导电层2’形成于上述第二PDMS薄膜1’的平坦表面上，可通过涂覆导电涂料来形成。作为导电涂料中所含的导电材料，可以是碳纳米管、石墨烯、导电金属粒子或导电金属纳米线中的至少一种，优选碳纳米管。导电涂料包含碳纳米管作为导电材料的情况下，碳纳米管优选直径为10～80nm、长度为2～10μm。

第二电极3’形成在上述第二导电层2’上且形成于第二PDMS薄膜1’的一端部。第二电极3’与第二导电层2’形成导电通路，且可通过导线与另设的电阻信号检测器连接，将传感器的电阻信号导出。第二电极3’可通过将包含银纳米颗粒的导电糊料涂布在第二导电层2’上，进行干燥而形成。

通过将如上形成的第一电极部11和第二电极部12以第一PDMS薄膜1的微结构与第二PDMS薄膜1’的平坦表面相向的方式层叠，并根据需要进行封装，从而构成本实用新型的可穿戴压力传感器。

根据本实用新型的可穿戴压力传感器，第一PDMS薄膜具有微结构，构成微结构的突起在受到外界压力时被压缩或发生变形，由此突起与第二PDMS薄膜表面的接触面积发生变化。具体而言，当可穿戴压力传感器受到外部压力时，第一PDMS薄膜上的突起部分与第二PDMS薄膜的接触面积变大，由于接触面积变大，可穿戴压力传感器两电极部间的电阻变小。第一PDMS薄膜上的突起部分与第二PDMS薄膜的接触面积增量越大，相应的可穿戴压力传感器的电阻变小的程度越大，即压力传感器的灵敏度越好。此外，本实用新型的可穿戴压力传感器中第二PDMS薄膜表面上的微结构可以根据需要形成为长线状、短线状或点阵状等，适合于不同压力下对灵敏度的需要。

〔可穿戴压力传感器的制造方法〕

以下，参照图1例示的可穿戴压力传感器的结构对制造本实用新型的可穿戴压力传感器的方法进行说明。

在下述的说明中，当没有说明条件时，本领域技术人员可从本实用新型的角度出发，按常规试验容易地提供所述条件实施本实用新型的可穿戴压力传感器的制造。在所公开的实施方式中，出于预期的目的，实施方式中使用的任何要素可用与其等效的任何要素替代，包括本文明确地公开的要素。

本实用新型的可穿戴压力传感器通过下述步骤(1)～(6)来制造，以下进行详细说明。

步骤(1)

首先，制备PDMS衬底。将聚二甲基硅氧烷的前驱体和固化剂按照10:1的比例混合，将混合后的组合物倒入模具中，在真空中除去气泡后进行固化而得到PDMS衬底。作为固化条件，优选在60～80℃下固化2～4小时。

步骤(2)

将PDMS衬底放置于平台上，利用飞秒激光器并配合扫描振镜，在大气环境下对步骤(1)中制得的PDMS衬底的一个表面进行蚀刻，形成具有周期性排列的微槽的图案。作为蚀刻的条件，飞秒激光器的扫描速率为10～50mm/s，优选20～50mm/s；激光功率为1～10W，优选6～10W；脉冲数为800～1200kHz，优选1000～1200kHz。

将蚀刻后的PDMS衬底清洗后进行干燥，备用。

步骤(3)

以步骤(2)中制得的形成有上述图案的PDMS衬底作为模具，将其放入适当的容器中，将聚二甲基硅氧烷的前驱体和固化剂按照10:1的比例混合而得的混合物倒入PDMS衬底之上进行倒模，在真空中除去气泡后进行固化，优选在60～80℃下固化2～4小时。将固化后的PDMS薄膜剥离后，得到具有周期性排列的微结构的第一PDMS薄膜1，该周期性排列的微结构是与PDMS衬底模具的图案对应的周期性排列的突起。

具体而言，上述微结构包括多个突起，上述多个突起从第一PDMS薄膜1的表面突出，且在第一PDMS薄膜1的表面上沿第一方向(图1中的Y方向)延伸，并且沿与上述第一方向交叉的第二方向(图1中的X方向)排列，优选第一方向与第二方向正交。在一些优选的实施方式中，所形成的突起呈长线状、短线状或点状分布，特别优选以周期性点阵的方式排列。

步骤(4)

在上述第一PDMS薄膜1上涂布导电涂料，然后加热干燥，以形成第一导电层2，接着，在上述第一导电层2上的一端涂布纳米银导电糊料，经干燥后形成第一电极3，从而制得第一电极部11。

在上述导电涂料中，作为导电填料，包含碳纳米管、石墨烯、导电金属粒子或导电金属纳米线中的至少一种。导电涂料中导电填料的浓度为5～10mg/ml。在一个优选的实施方式中，导电涂料中包含6～10mg/ml的碳纳米管。在使用碳纳米管作为导电填料的情况下，所使用的碳纳米管较好是直径为10～80nm、长度为2～10μm。

作为导电涂料的溶剂，可使用水。为了获得分散均匀的导电涂料，可以在溶液中添加SDBS等表面活性剂，并利用超声波分散器进行分散。

作为导电涂料的涂布方法，可例举刷涂、旋转涂布、喷涂等，但优选旋转涂布法。

通过调节导电涂料的浓度、旋转涂布的转速和时间，可以控制所形成的导电层的厚度，以得到导电性良好的导电层。

在本实用新型的实施方式中，作为导电层例示了碳纳米管导电层，但也可以是石墨烯导电层或金属薄膜，只要能形成导电性良好的导电层即可。由于碳纳米管与石墨烯相比，能以较少的用量形成导电网链，且密度比金属颗粒小，不容易因重力的作用而沉降，因而优选使用碳纳米管形成导电层。

此外，作为本实施方式中使用的纳米银导电糊料，没有特别限定，可使用市售的纳米银胶等，只要能在干燥后形成导电性良好的电极即可。

步骤(5)

将聚二甲基硅氧烷的前驱体和固化剂按照10:1的比例混合，将混合后的组合物倒入适当的模具中，在真空中除去气泡后进行固化而得到具有平坦表面的第二PDMS薄膜1’。作为固化条件，优选在60～80℃下固化2～4小时。

通过与上述步骤(4)中同样的方法，在第二PDMS薄膜1’的平坦表面上涂布导电涂料，进行干燥后形成第二导电层2’，接着，在第二导电层2’上的一端涂布纳米银导电糊料，经干燥后形成第二电极3’，从而制得第二电极部12。

步骤(6)

接着，将如上制得的第一电极部11和第二电极部12以第一PDMS薄膜1的微结构与第二PDMS薄膜1’的平坦表面相向的方式进行层叠，根据需要将层叠后的层叠体封装，从而制得本实用新型的可穿戴压力传感器10。

在上述步骤(2)中，通过控制蚀刻条件中的扫描速率、激光功率，能够对所形成的具有周期性排列的微槽的图案进行精确控制和设计，从而通过倒模能够获得具有尺寸精确控制的微结构的第一PDMS薄膜。

在上述的制造方法中，采用飞秒激光烧蚀的方法在大气环境下对PDMS衬底进行激光直写加工，可以大规模快速形成微结构(微槽)，并且通过控制飞秒激光烧蚀的条件可以对微结构的尺寸进行精确控制，从而能以低成本批量生产具有微结构的PDMS薄膜，通过飞秒激光烧蚀的方法可形成不同的微结构形状，能够对制得的压力传感器的灵敏度进行调制，从而能以高效率制造具有适合于不同压力下的灵敏度的可穿戴压力传感器。

实施例

以下，通过实施例对本实用新型的可穿戴压力传感器及其制造方法进行例示说明。应清楚地理解，以下的实施例仅用于说明而不是为了限制本实用新型的范围。

<可穿戴压力传感器的制造>

(实施例1)

通过以下步骤制造本实用新型实施例1的可穿戴压力传感器。

将聚二甲基硅氧烷的前驱体和固化剂按照10:1的比例均匀混合，将混合后的组合物倒入模具中，在0.5Torr的真空环境下除去气泡，然后在60℃温度下固化2小时，制得PDMS衬底。

将制得的PDMS衬底切成条状，放置于平台上，使用飞秒激光器并配合扫描振镜，在大气环境下以20mm/s的速度对PDMS衬底进行烧蚀，激光功率为6W，脉冲数为1000kHz，从而形成具有周期性排列的微槽的图案。将蚀刻后的PDMS衬底清洗后进行干燥，备用。图2(a)中显示了通过飞秒激光烧蚀所制备的具有微结构(微槽)的PDMS衬底的光学显微镜照片。

以如上制得的PDMS衬底作为模具，将聚二甲基硅氧烷的前驱体和固化剂按照10:1的比例混合而得的混合物倒入PDMS衬底之上进行倒模，在0.5Torr的真空中除去气泡后，在60℃下固化2小时。将固化后的PDMS薄膜剥离，得到具有周期性排列的突起的第一PDMS薄膜。图2(b)显示了利用形成有图2(a)所示的图案的PDMS衬底作为模具进行倒模后，制得的第一PDMS薄膜的截面的光学显微镜照片。图3显示该第一PDMS薄膜上的突起在放大200倍时的光学显微镜照片，由此可以看出，在第一PDMS薄膜上形成了周期性排列的长线状突起。

在20ml去离子水中添加120mg碳纳米管和50mg的SDBS表面活性剂，超声分散2小时，得到碳纳米管导电涂料。利用旋转涂布仪以1000rpm的转速将该碳纳米管导电涂料旋涂于第一PDMS薄膜的具有突起的表面上，于80℃干燥1小时，形成第一导电层。然后，在第一导电层上且在PDMS薄膜的一端涂布纳米银导电胶，在60℃下加热干燥，从而制得第一导电部。

将聚二甲基硅氧烷的前驱体和固化剂按照10:1的比例混合，将混合后的组合物倒入模具中，在真空中除去气泡后，在60℃下固化2小时，得到具有平坦表面的第二PDMS薄膜，对其进行适当裁剪以形成具有与第一PDMS薄膜的尺寸相适应的尺寸。

通过与形成第一导电层同样的方法，在第二PDMS薄膜1的平坦表面上涂布导电涂料，进行干燥后形成第二导电层2，接着，同样地在第二导电层2上的一端涂布纳米银导电糊料，经干燥后形成第二电极3，从而制得第二电极部。

接着，将制得的第一电极部和第二电极部以第一PDMS薄膜的微结构与第二PDMS薄膜的平坦表面相向的方式层叠后封装，从而制得本实用新型实施例1的可穿戴压力传感器。

(实施例2)

除了利用飞秒激光器对PDMS衬底进行烧蚀，形成的具有周期性排列的微槽的图案，并以此为模具进行倒模，形成具有周期性排列的短线状突起的第一PDMS薄膜以外，使用同样的条件和方法，制得实施例2的可穿戴压力传感器。

图4显示实施例2的第一PDMS薄膜上的突起在放大200倍时的光学显微镜照片，由此可以看出，在第一PDMS薄膜上形成了周期性排列的短线状突起。

(实施例3)

除了利用飞秒激光器对PDMS衬底进行烧蚀，形成的具有周期性排列的微槽的图案，并以此为模具进行倒模，形成以周期性点阵的方式排列的点状突起的第一PDMS薄膜以外，使用同样的条件和方法，制得实施例3的可穿戴压力传感器。

图5显示实施例3的第一PDMS薄膜上的突起在放大500倍时的电子显微镜照片，由此可以看出，在第一PDMS薄膜上形成了周期性点阵排列的点状突起。

<可穿戴压力传感器的灵敏度试验>

对实施例1～3中得到的可穿戴压力传感器进行压力－电阻响应测试，并根据测试结果算出可穿戴压力传感器的灵敏度。图6显示实施例1的可穿戴压力传感器的灵敏度试验结果，图7显示本实用新型实施例2的可穿戴压力传感器的灵敏度试验结果，图8显示本实用新型实施例3的可穿戴压力传感器的灵敏度试验结果。

可穿戴压力传感器的灵敏度通过下述算出。

如图6～8所示，横坐标为对压力传感器施加的压力(kPa)，纵坐标表示各压力下的电阻变化率，由ΔR/R₀进行表示，其中R₀表示未施加压力时的电阻值，ΔR表示施加压力后的电阻值R与R₀的差。对电阻变化率较大部分的曲线绘制切线，该切线的值表征传感器的灵敏度，该值的绝对值越大，表示灵敏度越高。

由图6可以看出，实施例1的具有长线状突起的压力传感器的灵敏度为-0.107kPa^-1。

由图7可以看出，实施例2的具有短线状突起的压力传感器的灵敏度为-0.345kPa^-1。

由图8可以看出，实施例3的具有以周期性点阵排列的点状突起的压力传感器的灵敏度为-1.82kPa^-1。

由上述结果可以看出，具有以周期性点阵排列的点状突起的压力传感器的灵敏度最高，具有短线状突起的压力传感器的灵敏度次之，具有长线状突起的压力传感器的灵敏度相对较小。可认为，相对于长线状突起或短线状突起，第一PDMS薄膜上的点状突起的接触面积小，当可穿戴压力传感器受到外部压力时，第一PDMS薄膜上的点状突起与第二PDMS薄膜的接触面积增量较大，相应的可穿戴压力传感器的电阻变小的程度越大，因此灵敏度较高。通过飞秒激光烧蚀的方法可形成不同的微结构形状，能够对制得的压力传感器的灵敏度进行调制，从而能以高效率制造具有适合于不同压力下的灵敏度的可穿戴压力传感器。

<可穿戴压力传感器的循环测试试验>

对实施例1制得的可穿戴压力传感器进行循环测试试验，测试对压力传感器施加5kPa的压力及卸压时的电阻响应曲线，测试结果示于图9。图中横坐标为周期，纵坐标为电阻(kΩ)，由图中结果可以看出，本实用新型制备的可穿戴压力传感器在经过10000次以上的循环时，仍表现出良好的电阻响应，具有良好的灵敏度和可靠性。

最后，应当理解，上述实施方式及实施例的说明在所有方面均为例示，不构成限制，在不背离本实用新型的精神的范围内可进行各种改进。本实用新型的范围是由权利要求书来表示的，而不是由上述实施方式或实施例来表示的。此外本实用新型的范围包括与权利要求书等同的意思和范围内的所有变更。

工业上的可利用性

根据本实用新型的可穿戴压力传感器，通过使用具有微结构的PDMS薄膜，能够提高可穿戴压力传感器的灵敏度。本实用新型的可穿戴压力传感器中第二PDMS薄膜表面上的微结构可以根据需要形成为长线状、短线状或点阵状等，适合于不同压力下对灵敏度的需要。

本实用新型的可穿戴压力传感器的制造中，采用飞秒激光烧蚀的方法在大气环境下对PDMS衬底进行激光直写加工，可以大规模快速形成微结构，并且可以对微结构的尺寸进行精确控制，制造工艺简单、成本低，能以高效率制造具有微结构的PDMS薄膜，从而制得高灵敏度的可穿戴压力传感器。通过飞秒激光烧蚀的方法可形成不同的微结构形状，能够对制得的压力传感器的灵敏度进行调制，从而能以高效率制造具有适合于不同压力下的灵敏度的可穿戴压力传感器。本实用新型的具有微结构的可穿戴压力传感器可以通过接触电阻的变化实时监测压力的变化，这种优异的性能在智能假肢、生物医疗、机器人等领域有广泛的应用前景。

Claims (10)

1.一种可穿戴压力传感器，其特征在于，包括第一电极部和第二电极部，

所述第一电极部包括具有微结构的第一PDMS薄膜、涂覆在所述第一PDMS薄膜上的第一导电层、和形成于所述第一PDMS薄膜的一端部的第一电极；

所述第二电极部包括具有平坦表面的第二PDMS薄膜、涂覆在所述第二PDMS薄膜上的第二导电层、和形成于所述第二PDMS薄膜的一端部的第二电极；

所述第一电极部和所述第二电极部以所述第一PDMS薄膜的微结构与所述第二PDMS薄膜的平坦表面相向的方式层叠；

所述微结构包括多组突起，每组突起包含至少一个突起且在所述第一PDMS薄膜的表面上沿第一方向分布，各组突起沿着与所述第一方向交叉的第二方向排列。

2.如权利要求1所述的可穿戴压力传感器，其特征在于，所述突起的高度为10～50μm；所述微结构的相邻突起之间的间隔距离为10～100μm。

3.如权利要求1所述的可穿戴压力传感器，其特征在于，所述突起的与所述第一方向垂直的截面大致呈三角形、长方形、正方形、梯形、拱形或半圆形；所述突起在所述第一方向上呈点状或线状分布。

4.如权利要求1所述的可穿戴压力传感器，其特征在于，所述突起以周期性点阵的方式排列。

5.如权利要求1所述的可穿戴压力传感器，其特征在于，所述第一导电层和所述第二导电层包含碳纳米管、石墨烯、导电金属粒子或导电金属纳米线中的至少一种。

6.如权利要求1所述的可穿戴压力传感器，其特征在于，所述第一导电层和所述第二导电层包含碳纳米管，且所述碳纳米管的直径为10～80nm、长度为2～10μm。

7.如权利要求1所述的可穿戴压力传感器，其特征在于，所述第一电极和所述第二电极包含银纳米颗粒。

8.如权利要求1所述的可穿戴压力传感器，其特征在于，所述第一PDMS薄膜的微结构通过以下步骤形成：

(1)制备PDMS衬底；

(2)利用飞秒激光器对所述PDMS衬底的一个表面进行蚀刻，形成具有周期性排列的微槽的图案；

(3)以形成有所述图案的PDMS衬底作为模具进行倒模，制备具有周期性排列的微结构的第一PDMS薄膜。

9.如权利要求8所述的可穿戴压力传感器，其特征在于，所述飞秒激光器的扫描速率为10～50mm/s，激光功率为1～10W，脉冲数为800～1200kHz。

10.如权利要求8所述的可穿戴压力传感器，其特征在于，所述PDMS衬底、所述第一PDMS薄膜及所述第二PDMS薄膜通过将PDMS的前驱体和固化剂按照10:1的质量比例混合，在真空中除去气泡后进行固化而得到。