一种柔性压力传感器及其制备方法和应用与流程

本发明涉及压力传感器，具体地，涉及一种柔性压力传感器及其制备方法和应用。

背景技术：

1、柔性压力传感器可分为电容式、电阻式及压电式三类，电容式柔性压力传感器基于平行板电容器原理构成器件，电容值与极板间距成反比，与介电常数、有效极板面积成正比，该类传感器主要通过极板间距、介电常数的变化来感知外力的变化，一般具有较高的响应速度和动态范围；电阻式柔性压力传感器是由一层力敏复合材料组成，在外界力的作用下引起敏感材料电阻的变化，不需要复杂的传感器结构，工艺简单，适合用作医疗检测、体育锻炼、密封性检测等领域；压电式柔性压力传感器基于压电效应基本原理，主要由压电敏感材料组成，可以将机械能与电能相互转化，当压力作用于传感器时，引起敏感材料两端产生等量的正负电荷形成电压，撤销外力时，电荷也同时消失，达到检测外力的作用，该类传感器动态范围宽，机械性能稳定。

2、近年来，基于柔性压力传感器的可穿戴健康医疗设备应运而生，并逐步渗透到电子皮肤、智能机器人等各领域。例如，含压力传感器的地毯可实时监测并通知医护人员或家人，告知老人、孩子是否跌倒在地，从而避免严重事故发生。电子皮肤通过在柔性载体表面覆盖一系列的传感器，如压力传感器、温度传感器、湿度传感器等，从而模拟人体皮肤的各种感知功能。其中，微小接触压力的测量是电子皮肤的关键与难点之一，具备微小压力感知的电子皮肤可用于人体血压、心电、脑电和肌肉抖动等方面的监控，并实现无线数据传递，甚至可以结合疗法，对人身体状况进行有限干预。具有仿生电子皮肤功能的机器人能够识别接触物品的轮廓及外观，控制不规则形状物品的受力点及外力大小，实现拿取易碎鸡蛋、平稳摆放可口饭菜、以及往咖啡里精准添加一粒方糖等细微动作。可见柔性压力传感器对于电子皮肤、智能机器人以及各种可穿戴设备至关重要，是接触宏观世界的窗口。

3、但是现有的柔性压力传感器灵敏度不高、响应时间滞后。因此，开发一种灵敏度高、响应时间短的传感器是亟需的。

技术实现思路

1、本发明的目的是提供一种柔性压力传感器及其制备方法和应用，该柔性压力传感器灵敏度高，响应时间短，可精准识别事物外观形状及尺寸并能完成细微动作。

2、为了实现上述目的，本发明第一方面提供一种柔性压力传感器，所述柔性压力传感器包括上电极层、下电极层和微结构化介电层，所述微结构化介电层设置在所述上电极层和所述下电极层之间；所述上电极层和所述下电极层为石墨烯导电油墨，所述微结构化介电层为ecoflex硅胶。

3、可选地，所述微结构为棱柱、棱锥、圆柱、圆锥和曲面凸起中的一种；所述微结构的直径为60-100μm，高度为20-40μm，相邻的两个所述微结构的中心距为100-140μm；所述石墨烯导电油墨的厚度为10-40μm。

4、可选地，所述上电极层和所述下电极层上分别设置有电极阵列，所述电极阵列呈垂直交叉的结构放置；所述电极阵列中的每个电极单元的大小为2mm*2mm，每个电极单元相互间隔2mm。

5、本发明第二方面提供一种制备本发明第一方面提供的柔性压力传感器的方法，该方法包括：

6、制备微结构化介电层，所述微结构化介电层为ecoflex硅胶；

7、制备上电极层和下电极层，所述上电极层和所述下电极层为石墨烯导电油墨；

8、在所述上电极层和所述下电极层两端分别引出铜导线；

9、将制备的上电极层和下电极层垂直放置，将所述微结构化介电层设置于所述上电极层和所述下电极层之间，使用胶黏剂进行封装，制得柔性压力传感器。

10、可选地，所述微结构化介电层的制备包括以下步骤：将液态ecoflex和ecoflex固化剂按质量比8-10：1混合均匀，旋涂于预处理后的微结构硅片上，然后进行固化；所述固化温度为60-80℃，固化时间为1-3h；将固化后的ecoflex与微结构硅片进行剥离，得到所述微结构化介电层。

11、可选地，所述微结构硅片的制备包括以下步骤：在硅片表面形成sio2薄膜层，在所述sio2薄膜层表面旋涂光刻胶，干燥后进行曝光、显影和刻蚀，然后去除光刻胶，得到所述微结构硅片；所述微结构为棱柱、棱锥、圆柱、圆锥和曲面凸起中的一种；所述微结构的直径为30-50μm，高度为20-40μm，相邻的两个所述微结构的中心距为100-140μm。

12、可选地，所述预处理包括：使所述微结构硅片依次在丙酮、乙醇、去离子水中分别超声，然后在高纯氮气下吹干，将全氟硅烷与微结构硅片接触并进行烘干处理；所述超声时间为10-20min；所述烘干温度为60-80℃，时间为4-6h。

13、可选地，通过丝网印刷将石墨烯导电油墨印刷到pet基材表面，以制备所述上电极层和下电极层；所述上电极层和所述下电极层上分别设置有电极阵列。

14、可选地，所述石墨烯导电油墨的固含量为5-10％；所述石墨烯导电油墨的d50粒径为10-30μm；所述石墨烯导电油墨在25℃下的粘度为1000-5000mpa·s。

15、本发明第三方面提供本发明第一方面提供的柔性压力传感器在物体形状检测中的应用。

16、通过上述技术方案，本发明将微结构化的介电层夹于两电极层中，以三明治的形式进行封装得到柔性压力传感器；通过对介电层微结构化处理，可以获得较大的极板间距变化，从而提高传感器的灵敏度。本发明传感器敏感单元个数多，分辨率大，对压力的定位及分布更准确，响应时间短。且该传感器稳定性好、各敏感区域相互干扰弱，可用于二维力精确分布的测试，用于监测物体形状。

17、本发明的其他特征和优点将在随后的具体实施方式部分予以详细说明。

技术特征：

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上电极层、下电极层和微结构化介电层，所述微结构化介电层设置在所述上电极层和所述下电极层之间；

2.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其中，所述微结构为棱柱、棱锥、圆柱、圆锥和曲面凸起中的一种；

3.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其中，所述上电极层和所述下电极层上分别设置有电极阵列，所述电极阵列呈垂直交叉的结构放置；

4.一种制备权利要求1-3中任一项所述的柔性压力传感器的方法，其特征在于，该方法包括：

5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述微结构化介电层的制备包括以下步骤：

6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述微结构硅片的制备包括以下步骤：

7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述预处理包括：使所述微结构硅片依次在丙酮、乙醇、去离子水中分别超声，然后在高纯氮气下吹干，将全氟硅烷与微结构硅片接触并进行烘干处理；

8.根据权利要求4所述的方法，其中，通过丝网印刷将石墨烯导电油墨印刷到pet基材表面，以制备所述上电极层和下电极层；所述上电极层和所述下电极层上分别设置有电极阵列。

9.根据权利要求8所述的方法，其中，所述石墨烯导电油墨的固含量为5-10％；所述石墨烯导电油墨的d50粒径为10-30μm；所述石墨烯导电油墨在25℃下的粘度为1000-5000mpa·s。

10.权利要求1-3中任一项所述的柔性压力传感器在物体形状检测中的应用。

技术总结
本发明涉及一种柔性压力传感器及其制备方法和应用，所述柔性压力传感器包括上电极层、下电极层和微结构化介电层，所述微结构化介电层设置在所述上电极层和所述下电极层之间；所述上电极层和所述下电极层为石墨烯导电油墨，所述微结构化介电层为Ecoflex硅胶。本发明将微结构化的介电层夹于两电极层中，以三明治的形式进行封装得到柔性压力传感器；通过对介电层微结构化处理，可以获得较大的极板间距变化，从而提高传感器的灵敏度。

技术研发人员：翟庆彬,马贺然,张佑专,曹春雷,周杨,宋亚滨
受保护的技术使用者：甘肃旭碳新材料有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/9/23