一种双重互锁结构柔性压力传感器及其制备方法

1.本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种双重互锁结构柔性压力传感器及其制备方法。


背景技术：

2.随着可穿戴电子时代的来临，柔性传感器和柔性传感器阵列的地位日益凸显。传感器作为一种信号检测装置，可以在与物体的触摸中感知物体的形状、大小、温度、软硬等多种属性，将其应用到可穿戴柔性电子设备中，可大大提高设备的性能及应用领域。基于柔性传感器的传感器阵列可与皮肤更好地贴合，在检测生命健康的生物传感器、语音传感器、面部状态监测传感器中都发挥着重要作用。同时，由于这列传感器具有制备简单、材料丰富、机械性能优秀等优点，已被广泛应用于运动健康、医疗系统、人工智能、军事航天等各个领域。
3.目前主流的电容式压力传感器中，其介电层微结构主要包括例如球形、微柱、金字塔等几何结构和以多孔海绵、仿生纤毛结构为主的仿生结构。这些结构相较于传统的平板介电层结构，在灵敏度、测量范围等方面有了很大进步，但其线性度往往较差，且在检测较小压力时效果往往不够理想。
4.因此，现需要一种线性度较好、灵敏度较高的一种双重互锁结构柔性压力传感器及其制备方法。


技术实现要素：

5.本发明的主要目的在于提供一种双重互锁结构柔性压力传感器及其制备方法，以解决现有技术中的柔性传感器的线性度往往较差，且在检测较小压力时灵敏度较低的问题。
6.为实现上述目的，本发明提供了一种双重互锁结构柔性压力传感器，包括：由上至下设置的上柔性基底层、上介电层、下介电层和下柔性基底层，上柔性基底层和下柔性基底层的相对于内侧的一面上具有多个导线和多个电极，多个电极均匀排列在上、下柔性基底层，同一列的电极之间连接导线，上介电层和下介电层相对的内侧具有多个微球结构，多个微球结构相互具有一定间距、均匀地排布在上、下介电层上，并且上、下介电层上的微球结构交叉设置。
7.进一步地，多个电极呈正方形或呈圆形或呈菱形排列。
8.进一步地，上柔性基底层和下柔性基底层的大小形状相同，上介电层和下介电层的大小和形状相同，上、下柔性基底层分别完全覆盖于上、下介电层。
9.一种双重互锁结构柔性压力传感器的制备方法，具体包括如下步骤：
10.s1，清洗柔性基底层，将pet薄膜放置在烧杯中，倒入丙酮溶液，放置于超声清洗机中，超声清洗15min；再将pet薄膜放入盛有乙醇溶液的烧杯中，超声清洗15min，以去除表面的油污和灰尘，最后用去离子水将丙酮和乙醇清洗干净，等待表面干燥后，得到柔性基底
层。
11.s2，制备电极及连接电极的导线，将由步骤s1得到的柔性基底层固定在丝网印刷机上，使用刮刀将导电银浆刮涂到柔性基底层上，重复刮涂3-5次，直至柔性基底层上形成所需的电极及导线图案，放置在加热台上加热固化10min，得到带电极的上、下柔性基底层。
12.s3，制作模具，使用计算机绘制所需大小的按照一定间距排列的带有大量微球结构的模具图案，通过光刻机打印出模具，得到用于制备介电层上的微球结构的模具。
13.s4，制备单壁碳纳米管悬浮液，称取一定体积分数的酸化处理的单壁碳纳米管并倒入烧杯中，加入一定量无水乙醇后，在超声波清洗机中超声分散2小时，得到分散良好的单壁碳纳米管悬浮液。
14.s5，制备复合材料溶液，准备质量比为聚二甲基硅氧烷：固化剂：nacl：单壁碳纳米管＝50:5:25:1的相应材料，取50g聚二甲基硅氧烷和5g固化剂于烧杯中，然后加入25gnacl粉末，再加入1g由步骤s4得到的单壁碳纳米管悬浮液，搅拌1小时，将搅拌均匀的溶液放置在真空干燥箱中，真空处理2h去除溶液中的气泡，得到复合材料溶液。
15.s6，制备介电层，将由步骤s3得到的模具固定在匀胶机托盘上，将由步骤s5得到的复合材料溶液倾倒在模具上，旋涂转速为1000rpm，旋涂时间为10-20s，将旋涂均匀的模具放置在加热台上80℃固化1小时，将固化完成的介电层从模具中取出，并放入装有去离子水的烧杯中，将烧杯放入70℃的水浴加热并不断搅拌1小时，使介电层中的nacl颗粒完全溶解，得到表面具有多个微球结构的上、下介电层。
16.s7，封装传感器，取一个由步骤s2得到的带电极的柔性基底层，在有电极的一面涂抹少量按聚二甲基硅氧烷和固化剂10:1比例混合的聚二甲基硅氧烷预聚物，将其与由步骤s6得到的一个介电层对齐叠放，并放置于加热台上80℃固化10min，将介电层粘附在柔性基底层上；以同样的方式将另一个介电层粘附在带电极的柔性基底层上；将两部分按照介电层结构交叉叠放在一起，完成传感器的封装，得到双重互锁结构柔性压力传感器。
17.本发明具有如下有益效果：
18.本发明提供的传感器根据外界施加的压力的变化，介电层会产生相应地压缩量，导致上、下电极间的距离发生变化，进而使得各个传感单元的输出信号发生变化。进而使传感器的灵敏度较高，可以检测到微小的压力变化。
附图说明
19.为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：
20.图1示出了本发明的一种双重互锁结构柔性压力传感器的整体结构示意图；
21.图2示出了图1的传感器的侧面剖视图；
22.图3为图1的传感器阵列中部分介电层结构的侧视图；
23.图4示出了本发明的种双重互锁结构柔性压力传感器的制备方法的流程图。
24.其中，上述附图中的附图标记为：
25.1、导线；2、电极；3、上柔性基底层；4、上介电层；41、微球结构；5、下介电层；6、下柔
性基底层。
具体实施方式
26.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
27.如图1、图2和图3所示的一种双重互锁结构柔性压力传感器，包括：由上至下设置的上柔性基底层3、上介电层4、下介电层5和下柔性基底层6，上柔性基底层3和下柔性基底层6的相对于内侧的一面上具有多个导线1和多个电极2，多个电极2均匀排列在上、下柔性基底层，同一列的电极2之间连接导线1，上介电层4和下介电层5相对的内侧具有多个微球结构41，多个微球结构41相互具有一定间距、均匀地排布在上、下介电层上，并且上、下介电层上的微球结构41交叉设置。
28.本发明提供的传感器根据外界施加的压力的变化，介电层会产生相应地压缩量，导致上、下电极间的距离发生变化，进而使得各个传感单元的输出信号发生变化。进而使传感器的灵敏度较高，可以检测到微小的压力变化。
29.具体地，多个电极2呈正方形或呈圆形或呈菱形排列。
30.具体地，上柔性基底层3和下柔性基底层6的大小形状相同，上介电层4和下介电层5的大小和形状相同，上、下柔性基底层分别完全覆盖于上、下介电层。
31.如图4所示，本发明还提供一种双重互锁结构柔性压力传感器的制备方法，具体包括如下步骤：
32.s1，清洗柔性基底层(即上、下柔性基底层)，将pet薄膜放置在烧杯中，倒入丙酮溶液，放置于超声清洗机中，超声清洗15min；再将pet薄膜放入盛有乙醇溶液的烧杯中，超声清洗15min，以去除表面的油污和灰尘，最后用去离子水将丙酮和乙醇清洗干净，等待表面干燥后，得到柔性基底层。
33.s2，制备电极2及连接电极2的导线1，将由步骤s1得到的柔性基底层固定在丝网印刷机上，使用刮刀将导电银浆刮涂到柔性基底层上，重复刮涂3-5次，直至柔性基底层上形成所需的电极2及导线1图案，放置在加热台上加热固化10min，得到带电极2的上、下柔性基底层。
34.s3，制作模具，使用计算机绘制所需大小的按照一定间距排列的带有大量微球结构41的模具图案，通过光刻机打印出模具，得到用于制备介电层上的微球结构41的模具。
35.s4，制备单壁碳纳米管悬浮液，称取一定体积分数的酸化处理的单壁碳纳米管并倒入烧杯中，加入一定量无水乙醇后，在超声波清洗机中超声分散2小时，得到分散良好的单壁碳纳米管悬浮液。
36.s5，制备复合材料溶液，准备质量比为聚二甲基硅氧烷：固化剂：nacl：单壁碳纳米管＝50:5:25:1的相应材料，取50g聚二甲基硅氧烷和5g固化剂于烧杯中，然后加入25gnacl粉末，再加入1g由步骤s4得到的单壁碳纳米管悬浮液，搅拌1小时，将搅拌均匀的溶液放置在真空干燥箱中，真空处理2h去除溶液中的气泡，得到复合材料溶液。
37.s6，制备介电层(即上、下介电层)，将由步骤s3得到的模具固定在匀胶机托盘上，将由步骤s5得到的复合材料溶液倾倒在模具上，旋涂转速为1000rpm，旋涂时间为10-20s，
将旋涂均匀的模具放置在加热台上80℃固化1小时，将固化完成的介电层从模具中取出，并放入装有去离子水的烧杯中，将烧杯放入70℃的水浴加热并不断搅拌1小时，使介电层中的nacl颗粒完全溶解，得到表面具有多个微球结构41的上、下介电层。
38.s7，封装传感器，取一个由步骤s2得到的带电极2的柔性基底层，在有电极2的一面涂抹少量按聚二甲基硅氧烷和固化剂10:1比例混合的聚二甲基硅氧烷预聚物，将其与由步骤s6得到的一个介电层对齐叠放，并放置于加热台上80℃固化10min，将介电层粘附在柔性基底层上；以同样的方式将另一个介电层粘附在带电极2的柔性基底层上；将两部分按照介电层结构交叉叠放在一起，完成传感器的封装，得到双重互锁结构柔性压力传感器。
39.当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

技术特征：
1.一种双重互锁结构柔性压力传感器，其特征在于，包括：由上至下设置的上柔性基底层、上介电层、下介电层和下柔性基底层，所述上柔性基底层和所述下柔性基底层的相对于内侧的一面上具有多个导线和多个电极，多个所述电极均匀排列在上、下柔性基底层，同一列的所述电极之间连接所述导线，所述上介电层和所述下介电层相对的内侧具有多个微球结构，多个所述微球结构相互具有一定间距、均匀地排布在上、下介电层上，并且上、下介电层上的微球结构交叉设置。2.根据权利要求1所述的一种双重互锁结构柔性压力传感器，其特征在于，所述多个电极呈正方形或呈圆形或呈菱形排列。3.根据权利要求1所述的一种双重互锁结构柔性压力传感器，其特征在于，所述上柔性基底层和所述下柔性基底层的大小形状相同，所述上介电层和所述下介电层的大小和形状相同，上、下柔性基底层分别完全覆盖于上、下介电层。4.一种双重互锁结构柔性压力传感器的制备方法，制备如权利要求1-3中任意一项所述的传感器，其特征在于，具体包括如下步骤：s1，清洗柔性基底层，将pet薄膜放置在烧杯中，倒入丙酮溶液，放置于超声清洗机中，超声清洗15min；再将pet薄膜放入盛有乙醇溶液的烧杯中，超声清洗15min，以去除表面的油污和灰尘，最后用去离子水将丙酮和乙醇清洗干净，等待表面干燥后，得到柔性基底层；s2，制备电极及连接电极的导线，将由步骤s1得到的柔性基底层固定在丝网印刷机上，使用刮刀将导电银浆刮涂到柔性基底层上，重复刮涂3-5次，直至柔性基底层上形成所需的电极及导线图案，放置在加热台上加热固化10min，得到带电极的上、下柔性基底层；s3，制作模具，使用计算机绘制所需大小的按照一定间距排列的带有大量微球结构的模具图案，通过光刻机打印出模具，得到用于制备介电层上的微球结构的模具；s4，制备单壁碳纳米管悬浮液，称取一定体积分数的酸化处理的单壁碳纳米管并倒入烧杯中，加入一定量无水乙醇后，在超声波清洗机中超声分散2小时，得到分散良好的单壁碳纳米管悬浮液；s5，制备复合材料溶液，准备质量比为聚二甲基硅氧烷：固化剂：nacl：单壁碳纳米管＝50:5:25:1的相应材料，取50g聚二甲基硅氧烷和5g固化剂于烧杯中，然后加入25gnacl粉末，再加入1g由步骤s4得到的单壁碳纳米管悬浮液，搅拌1小时，将搅拌均匀的溶液放置在真空干燥箱中，真空处理2h去除溶液中的气泡，得到复合材料溶液；s6，制备介电层，将由步骤s3得到的模具固定在匀胶机托盘上，将由步骤s5得到的复合材料溶液倾倒在模具上，旋涂转速为1000rpm，旋涂时间为10-20s，将旋涂均匀的模具放置在加热台上80℃固化1小时，将固化完成的介电层从模具中取出，并放入装有去离子水的烧杯中，将烧杯放入70℃的水浴加热并不断搅拌1小时，使介电层中的nacl颗粒完全溶解，得到表面具有多个微球结构的上、下介电层；s7，封装传感器，取一个由步骤s2得到的带电极的柔性基底层，在有电极的一面涂抹少量按聚二甲基硅氧烷和固化剂10:1比例混合的聚二甲基硅氧烷预聚物，将其与由步骤s6得到的一个介电层对齐叠放，并放置于加热台上80℃固化10min，将介电层粘附在柔性基底层上；以同样的方式将另一个介电层粘附在带电极的柔性基底层上；将两部分按照介电层结构交叉叠放在一起，完成传感器的封装，得到双重互锁结构柔性压力传感器。

技术总结
本发明提供了一种双重互锁结构柔性压力传感器及其制备方法，传感器包括：由上至下设置的上柔性基底层、上介电层、下介电层和下柔性基底层，上柔性基底层和下柔性基底层的相对于内侧的一面上具有多个导线和多个电极，多个电极均匀排列在上、下柔性基底层，同一列的电极之间连接导线，上介电层和下介电层相对的内侧具有多个微球结构，多个微球结构相互具有一定间距、均匀地排布在上、下介电层上，并且上、下介电层上的微球结构交叉设置。本发明的技术方案克服现有技术中的柔性压力传感器的线性度较差，且在检测较小压力时不够灵敏的问题。且在检测较小压力时不够灵敏的问题。且在检测较小压力时不够灵敏的问题。


技术研发人员：张鹏 刘斌 黄梁松 郭常波 吴思 王云龙 张坤 李玉霞 杜明超 赵晨阳 臧博 姜迎
受保护的技术使用者：青岛大学附属医院
技术研发日：2023.05.31
技术公布日：2023/9/22