一种基于3D打印的锥形阵列柔性压力传感器制备方法

一种基于3d打印的锥形阵列柔性压力传感器制备方法
技术领域
1.本发明涉及电子元器件生产技术领域，具体涉及一种基于3d打印制作的锥形阵列柔性压力传感器的制备方法。


背景技术：

2.作为一种新型的传感器技术，柔性压力传感器主要应用于生物医学、机器人、智能家居等领域。相较于传统的硅基压力传感器，柔性压力传感器兼具柔性、轻便、低成本且易成型等特点。在智能家居中，柔性压力传感器可用于床垫沙发等家具中，实现智能检测和调节；在人机交互技术中，柔性传感器能够提高可穿戴设备的灵活度和舒适度；在医疗领域中，通过将柔性压力传感器应用在手术器械中，不仅能够提高治疗效果，还能降低医疗风险。
3.用于评估压力传感器性能的参数包括灵敏度、压力范围、响应时间和重复性。由于压阻式压力传感器的原理是基于施加压力时接触表面电阻的变化，因此为提高柔性传感器的综合性能，可改变柔性压力传感器的表面几何结构和层次结构，从而降低传感器内部阻力并增加可压缩性。很多研究人员尝试了金字塔、圆顶或柱体等微观结构并通过聚二甲基氧烷(pdms)复制微结构，但是此类微结构的引入方法需要复杂的工艺、周期时间长且成本高昂，很难兼具较宽的压力传感范围以及高灵敏度。
4.因此，目前需要一种制备低廉且简单的工艺来创建用于柔性压力传感器高灵敏度的表面微结构。为了达到这一目的，一些研究人员将目光转向了3d打印技术，该方法技术成本低、操作简单且成本低廉。已经有人尝试使用熔融沉积型(fdm)或墨水书写型(diw)3d打印技术去制作微结构，但是这些3d打印技术精度较低。要创建更复杂、精度更高的微结构，并采用简单的制备工艺实现微结构压力传感器的高灵敏度及宽压力范围传感是柔性压力传感器领域的研究难点之一，也是实现其产业化的重要基础。


技术实现要素：

5.本发明针对现有技术的不足，提出一种基于3d打印制作的锥形阵列柔性压力传感器及制备方法，在宽压力范围实现力信号到电信号的高灵敏传感，响应速度快且响应信号重复性好。在3d建模模具下可重复性高且制备成本低。
6.技术方案
7.本发明目的在于提供一种基于3d打印的锥形阵列柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
8.s1、设计锥形孔洞阵列模具的3d模型
9.使用建模软件设计出凹槽模具，所述凹槽模具内设有密排的圆锥状小孔阵列，
10.基于设计出的凹槽模具模型，使用光固化打印机，按预设角度将所述光固化打印机的打印平台固定，在所述打印平台上进行逐层打印，得到凹槽模具；
11.所述凹槽模具上的锥形小孔，均具有通过所述光固化打印机逐层打印形成的褶皱
微结构；
12.s2、锥形阵列pdms制备
13.将pdms主剂和固化剂混合后倒入所述凹槽模具中，固化后从所述凹槽模具中脱模，得到锥形阵列pdms；
14.s3、锥形阵列pdms表面的导电集成
15.按质量比1:10配置cnt和去离子水混合液，将所述锥形阵列pdms浸入上述混合溶液，磁力搅拌后取出置于70～90℃的烘箱中干燥，得到cnt均匀涂覆的锥形阵列cnt/pdms导电功能层；
16.s4、锥形阵列微结构的柔性压力传感器制备
17.将上电极和下电极分别平行放置于锥形阵列cnt/pdms导电功能层的上下侧，得到锥形阵列微结构的柔性压力传感器。
18.作为优选，所述步骤s1中，建模时在草图设计中设置间距，圆锥两两之间的间隔为0.1-0.3mm，在打印时根据模型的间隔设置打印精度为0.1-0.3mm；
19.所述光固化打印机使用耐高温光敏树脂，
20.设所述预设角度为a，a的范围如下：
21.设所述光固化打印机的打印平台的最佳打印角度为b，0.99b《a《b,或b《a《1.01b
22.所述最佳打印角度b按如下式所示计算得到：
23.b＝arctan(c/d)
24.其中c为在所述光固化打印机上设置的层高参数，d为在所述光固化打印机h设置的像素宽度参数；
25.所述褶皱微结构，是指：由于光固化逐层打印的原理，待打印的模型会首先被横向分为一层一层的结构，光固化打印机会将前一层模型的形状投影在光敏树脂上进行光固化成型，在前一层成型后模型会稍微升高，接着打印后一层模型的形状，如此反复层叠式打印出所需模具，打印结束后会在整个模具表面留下褶皱结构；模具中圆锥体部分的锥面上，褶皱微结构按螺纹状从上到下排列，模具中平面部分的褶皱微结构按条纹状平行排列；所述褶皱微结构中条纹的间距为50～100微米；所述褶皱微结构中螺纹的间距为50～100微米。
26.作为优选，所述步骤s2中，制备的锥形阵列pdms的每个圆锥底面圆直径约1～3mm，圆锥高度约0.5～3mm，pdms块厚度约1～2mm。
27.作为优选，所述步骤s2中，主剂为聚二甲基-甲基乙烯基硅氧烷，固化剂为聚二甲基-甲基氢硅氧烷。
28.作为优选，所述上电极和下电极均为导电铜箔，所述步骤s4中得到的锥形阵列微结构的柔性压力传感器的响应和恢复时间分别为15ms和13ms；在0-0.11kpa压力范围的灵敏度达到32.24kpa-1
。
29.本发明具有以下的特点和有益效果：
30.采用上述技术方案，将聚二甲基硅氧烷(pdms)作为柔性基底，利用光固化3d打印技术在模具表面构造密排的锥形阵列，每个锥形阵列以及基底上均匀分布50～100微米左右的褶皱微结构。脱模后在该微结构pdms表面浸涂碳纳米管，以此作为微结构导电功能层。所使用的3d建模模具引入微结构方法价格低廉且可以重复使用，能够人为调控结构参数，重复利用率高，确保了该柔性传感器的生产效率。
31.将微结构导电功能层与两个铜箔电极以“三明治式”构造柔性压阻式压力传感器，在宽压力范围实现力信号到电信号的高灵敏传感，响应速度快且响应信号重复性好。
32.另外，制备工艺简单低廉，模具可重复使用，能人为调控模具参数，大大降低了制备成本。所使用的模具原材料价格低廉，无毒无污染，绿色环保，适合批量生产。
33.其整体结构轻薄、柔软，可用于新型可穿戴设备，具有极高的市场价值和产业化潜力。
附图说明
34.为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例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，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
35.图1为本发明实施例中锥形阵列cnt/pdms模型和结构示意图，结构示意图中为步骤s2中制备得到的锥形阵列pdms，包括：pdms块、位于所述pdms块上表面的圆锥凸起，其中d为圆锥凸起的间距，h1为圆锥高度，h2为pdms块厚度；
36.图2为本发明实施例制备的传感器性能测试示意图，由步进电机、控制器、精密天平电脑和数字源仪表构成。
37.图3为本发明实施例中传感器的压力-电流阶梯响应曲线图，记录了四段不同的压强下传感器的电流反馈。
38.图4为本发明实施例中传感器的压力-电流响应/恢复时间曲线图，左侧为施加压力后的响应时间，右侧为释放压力后的恢复时间。
39.图5为本发明实施例中圆锥阵列cnt/pdms导电功能层制备的传感器压力与电流变化关系图，其中在低压部分传感器表现出较好的灵敏度(灵敏度为图中电流-压强曲线的斜率)。
具体实施方式
40.本发明提供了一种基于3d打印制作的锥形阵列柔性压力传感器及制备方法，包括如下步骤：
41.s1、设计锥形孔洞阵列模具的3d模型
42.使用建模软件设计凹槽模具，在凹槽内设计密排的圆锥状小孔阵列，光固化打印机逐层打印后得到锥形表面的褶皱微结构；
43.与常见的熔融沉积成型(fdm)打印不同，s1中使用光固化打印(sla),通过紫外线照射光敏树脂来构建3d实体。首先利用solidworks建模软件制定出需要打印的3d结构设计模型，将光敏树脂导入打印机的打印槽中，利用定位夹具将打印平台固定，调整好其位置和角度。由于光固化打印精度极高，合适的角度打印表面平整并不会有褶皱结构，需要将控制打印时的角度arctan(层高/像素宽度)在45
°
上下1％，不包括最佳打印角度45
°
，此时打印出来的模型会具有锯齿状结构，s2中用pdms倒模这种锯齿状结构后倒模才具有褶皱结构。
44.一切布置好之后启动打印机开始工作，将紫外线聚焦在指定的位置，当紫外线照射到光敏树脂的表面时，紫外线使光敏树脂发生聚合反应，逐层固化打印物件的每一个截
面。随着打印的进行，打印机将逐渐把打印平台从槽内升起，继续打印下一层结构，直到逐层打印完整个模型。
45.s2、锥形阵列pdms(聚二甲基硅氧烷)制备
46.将主剂和固化剂以10:1的质量比加入培养皿中混合均匀，置入真空箱中抽真空消除气泡后倒入3d打印的模具中，然后置于70～90℃烤胶机上，固化后从模具中脱模，将固化后的pdms块裁切成矩形小块；
47.s3、锥形阵列pdms表面的导电集成
48.按质量比1:10配置cnt和去离子水混合液，将锥形阵列pdms浸入上述混合溶液，磁力搅拌后取出置于烘箱中干燥若干小时，得到cnt均匀涂覆的锥形阵列cnt/pdms导电功能层；
49.s4、锥形阵列微结构的柔性压力传感器制备
50.将导电铜箔分别平行放置于锥形阵列cnt/pdms导电功能层的上下侧，构成上电极和下电极，并从上、下电极引出导线。
51.本发明还公开了一种基于3d打印制作的锥形阵列柔性压力传感器，如图1所示，由上述实施例提供的基于3d打印制作的锥形阵列柔性压力传感器制备方法制得。
52.本实施例中通过对制备压力传感器的性能进行测试，通过测试数据对其进行进一步的说明：
53.测试时，如图2所示，将上电极固定在竖直位移的电控位移平台上，下电极置于精密天平表面，上下电极用铜箔引出与数字源表连接，所述电控位移平台通过步进电机驱动，对所述锥形阵列柔性压力传感器的上电极施加压力；通过所述数字源表测得电流信号随不同压力的变化。
54.通过测试结果，如图3所示，本发明制备的锥形阵列微结构柔性压力传感器对不同压力均可快速响应且响应信号重复性好。图4表明本发明制备的锥形阵列微结构柔性压力传感器对压力具有快速响应和恢复能力，响应和恢复时间分别为15和13ms。此外，如图5所示，本发明制备的蜂窝状微结构柔性压力传感器可在宽压力范围实现力信号到电信号的高灵敏传感，灵敏度高达32.24kpa-1
。
55.综上上述测试结果，可以看出，本发明实施例所提供的技术方案，不仅简化工艺、降低成本，而且在制得的柔性压力传感器性能有了明显的提升。
56.以上结合附图对本发明的实施方式作了详细说明，但本发明不限于所描述的实施方式。对于本领域的技术人员而言，在不脱离本发明原理和精神的情况下，对这些实施方式包括部件进行多种变化、修改、替换和变型，仍落入本发明的保护范围内。

技术特征：
1.一种基于3d打印的锥形阵列柔性压力传感器制备方法，其特征在于，包括如下步骤：s1、设计锥形孔洞阵列模具的3d模型使用建模软件设计出凹槽模具，所述凹槽模具内设有密排的圆锥状小孔阵列，基于设计出的凹槽模具模型，使用光固化打印机，按预设角度将所述光固化打印机的打印平台固定，在所述打印平台上进行逐层打印，得到凹槽模具；所述凹槽模具上的锥形小孔，均具有通过所述光固化打印机逐层打印形成的褶皱微结构；s2、锥形阵列pdms制备将pdms主剂和固化剂混合后倒入所述凹槽模具中，固化后从所述凹槽模具中脱模，得到锥形阵列pdms；s3、锥形阵列pdms表面的导电集成按质量比1:10配置cnt和去离子水混合液，将所述锥形阵列pdms浸入上述混合溶液，磁力搅拌后取出置于70～90℃的烘箱中干燥，得到cnt均匀涂覆的锥形阵列cnt/pdms导电功能层；s4、锥形阵列微结构的柔性压力传感器制备将上电极和下电极分别平行放置于锥形阵列cnt/pdms导电功能层的上下侧，得到锥形阵列微结构的柔性压力传感器。2.根据权利要求1所述的基于3d打印的锥形阵列柔性压力传感器制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，建模时在草图设计中设置间距，圆锥两两之间的间隔为0.1-0.3mm，在打印时根据模型的间隔设置打印精度为0.1-0.3mm；所述光固化打印机使用耐高温光敏树脂，设所述预设角度为a，a的范围如下：设所述光固化打印机的打印平台的最佳打印角度为b，0.99b<a<b,或b<a<1.01b所述最佳打印角度b按如下式所示计算得到：b＝arctan(c/d)其中c为在所述光固化打印机上设置的层高参数，d为在所述光固化打印机h设置的像素宽度参数；所述褶皱微结构，是指：由于光固化逐层打印的原理，待打印的模型会首先被横向分为一层一层的结构，光固化打印机会将前一层模型的形状投影在光敏树脂上进行光固化成型，在前一层成型后模型会稍微升高，接着打印后一层模型的形状，如此反复层叠式打印出所需模具，打印结束后会在整个模具表面留下褶皱结构；模具中圆锥体部分的锥面上，褶皱微结构按螺纹状从上到下排列，模具中平面部分的褶皱微结构按条纹状平行排列；所述褶皱微结构中条纹的间距为50～100微米；所述褶皱微结构中螺纹的间距为50～100微米。3.根据权利要求1所述的基于3d打印的锥形阵列柔性压力传感器制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，制备的锥形阵列pdms的每个圆锥底面圆直径约1～3mm，圆锥高度约0.5～3mm，pdms块厚度约1～2mm。4.根据权利要求1所述的基于3d打印的锥形阵列柔性压力传感器制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，主剂为聚二甲基-甲基乙烯基硅氧烷。5.根据权利要求1所述的基于3d打印的锥形阵列柔性压力传感器制备方法，其特征在
于，所述步骤s2中，固化剂为聚二甲基-甲基氢硅氧烷。6.根据权利要求1所述的基于3d打印的锥形阵列柔性压力传感器制备方法，其特征在于，所述上电极和下电极均为导电铜箔。7.如权利要求6所述的基于3d打印的锥形阵列柔性压力传感器制备方法，其特征在于，所述步骤s4中得到的锥形阵列微结构的柔性压力传感器的响应和恢复时间分别为15ms和13ms；在0-0.11kpa压力范围的灵敏度达到32.24kpa-1
。

技术总结
本发明公布了一种基于3D打印的锥形阵列柔性压力传感器制备方法：首先通过建模软件制作所需模具的3D模型，利用光固化3D打印技术打印出所需模型。接着制备柔性有机物，将其加入到模具后置入真空箱消除气泡，随后置于70℃烤胶机上固化5小时后从模具中脱模，最后将样品浸入碳纳米管(CNT)溶液中，搅拌后得到CNT均匀涂覆的带有表面褶皱微结构的锥形阵列柔性压力传感器。本发明利用光固化3D打印实现了微米级褶皱微结构的锥形阵列柔性压力传感器，该制备方法简单、使用重复率高、周期短且易于控制。使用重复率高、周期短且易于控制。使用重复率高、周期短且易于控制。


技术研发人员：顾瑀鸣 王昕 陈浩然 张义坤 李领伟
受保护的技术使用者：杭州电子科技大学
技术研发日：2023.07.04
技术公布日：2023/10/5