一种大量程柔性压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及柔性压力传感器制备技术领域，具体涉及一种大量程柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术

随着柔性传感技术的快速发展，其广泛应用在物联网、智能穿戴、医疗健康、消费电子、智能汽车、人机交互等领域。近年来，基于柔性传感技术的柔性压力传感器在灵敏度、迟滞性、厚度等方面都有较大进步，但部分市场应用场景对柔性压力传感器的压力检测范围还需要进一步扩大，目前常规柔性压力传感器的最大检测量程在100N左右，难以满足大量程应用场景的需求。为应对这一挑战，针对现有柔性压力传感器制备技术存在的一些技术难题，本发明提供一种大量程的柔性压力传感器及其制备方法。

发明内容

本发明解决的技术问题是提供一种大量程的柔性压力传感器及其制备方法，大量程柔性压力传感器具备超强的柔韧性和力学性能，且能够实现高灵敏度的压力检测反馈和最大量程1000N的压力增强感知检测。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种大量程柔性压力传感器，包括：

下层柔性基底，所述下层柔性基底表面上设置有图案化电极层；

上层柔性基底，所述上层柔性基底表面上设置有高灵敏电阻敏感层；

位于所述下层柔性基底和所述上层柔性基底之间的弹性支撑层和柔性封装层，所述弹性支撑层和所述柔性封装层使所述上层柔性基底和所述下层柔性基底之间形成空隙，将所述图案化电极层与所述高灵敏电阻敏感层之间形成空隙；

所述弹性支撑层，设置在所述下层柔性基底表面上的图案化电极间隙处或设置在上层柔性基底表面上的高灵敏电阻敏感层上，所述弹性支撑层的厚度远大于所述高灵敏电阻敏感层的厚度；

所述柔性封装层，用于上下两层柔性基底的贴合封装，所述柔性封装层设置在所述上下两层柔性基底的外围。

进一步的，所述上下两层柔性基底采用柔性薄膜或弹性纺织面料。

进一步的，所述图案化电极层采用银纳米线、银浆或PEDOT:PSS高分子导电材料印刷、烧结、固化而成。

进一步的，所述高灵敏电阻敏感层采用碳纳米材料和弹性高聚物并通过气-固两相成孔技术印刷、烧结、固化而成，形成微孔洞结构的高灵敏电阻敏感层。

进一步的，所述支撑层为点状、条状或柱状的弹性凸起结构，通过印刷液态绝缘弹性物质再固化成型或者粘贴固态绝缘弹性物质而成。

进一步的，所述柔性封装层通过印刷或旋涂柔性绝缘高分子液体材料成膜后固化而成，或者粘贴固态柔性胶膜实行贴合封装。

一种大量程柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1、制备图案化电极层，在下层柔性基底上印刷图案化电极层，并固化成型；

S2、制备高灵敏电阻敏感层，在上层柔性基底上印刷高灵敏电阻敏感材料，并固化成型；

S3、制备弹性支撑层，在下层柔性基底表面上的图案化电极间隙处或者上层柔性基底表面的高灵敏电阻敏感层上印刷或粘贴所述弹性支撑层，所述弹性支撑层的厚度大于所述高灵敏电阻敏感层的厚度；

S4、贴合封装，在下层柔性基底上或上层柔性基底上的外围印刷或粘贴柔性封装层，将上下层柔性基底贴合封装。

本发明的有益效果是：

1、本发明通过孔洞微结构和特殊凸起结构设计实现最大量程1000N的压力增强感知检测，同时该大量程柔性器件还具有良好曲/平面共形贴附检测、较良好线性输出。

2、本发明的大量程柔性压力传感器通过柔性增材制造技术一体化成型，以保证各层之间良好的贴附性、结合力和稳定性，制备工艺简单、成本低、易于批量生产制备。

附图说明

图1为本发明大量程柔性压力传感器的结构示意图。

图2为图1的放大图。

图3为本发明大量程柔性压力传感器的制备流程图。

图4为本发明具体实施例的量程测试图。

其中：1、下层柔性基底，101、图案化电极层，2、上层柔性基底，201、高灵敏电阻敏感层，3、弹性支撑层，4、柔性封装层。

具体实施方式

为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本发明的具体实施方式做详细的说明。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明。但是本发明能够以很多不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本发明内涵的情况下做类似改进，因此本发明不受下面公开的具体实施例的限制。

除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本发明的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本发明的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本发明。本文所使用的术语“及/或”包括一个或多个相关的所列项目的任意的和所有的组合。

一种大量程柔性压力传感器，如图1和图2所示，包括上下层柔性基底、图案化电极层101、高灵敏电阻敏感层201、弹性支撑层3和柔性封装层4。图案化电极层101印刷固定在下层柔性基底1的表面，高灵敏电阻敏感层201印刷固定在上层柔性基底2的表面，弹性支撑层3和柔性封装层4位于上下层柔性基底之间，将上层柔性基底2和下层柔性基底1之间形成空隙，从而将图案化电极层101和高灵敏电阻敏感层201分离形成空隙，弹性支撑层3用于支撑电极层和敏感层使其形成合适的距离，柔性封装层4用于上下柔性基底的贴合封装在一起。

弹性支撑层3使图案化电极层101和高灵敏电阻敏感层201分离形成空隙，为图案化电极层和敏感层起一定的支撑作用，一方面为图案化电极层和电阻敏感层提供相应大量程，另外一方面通过其自身的弹性，方便按压检测压力后快速的分离图案化电极层和高灵敏电阻层，从而增加传感器的灵敏性。弹性支撑层3的厚度远大于高灵敏电阻敏感层201和图案化电极层101的厚度，从而将图案化电极层和高灵敏电阻敏感层支撑隔离。弹性支撑层3设置在下层柔性基底表面上的图案化电极间隙处，如图2所示，以叉指电极为例，可以设置在叉指电极的左右叉指的上下间隙之间，或设置在叉指前端。弹性支撑层3还可以设置在高灵敏电阻敏感层201上，当设置在敏感层上时，需要避免下层柔性基底表面上的柔性图案化电极层，避免影响敏感层和电极层的接触面积，从而提高压力检测的灵敏度。

柔性封装层4用于将上下层柔性基底进行贴合封装在一起，设置在上下层柔性基底的外围，将图案化电极层101的柔性电极和高灵敏电阻敏感层201包围封装起来形成本发明的大量程柔性压力传感器。

其中，上述的上下层柔性基底柔性薄膜或弹性纺织面料，优选采用柔性薄膜，可根据具体应用需要选择不同厚度(1μm—1mm)、不同柔软度(如2H、4H)、不同透光度(可选择全透明、半透明或不透明中的一种)的柔性薄膜，选自但不限于PET、PEN、PI、PC、PDMS、EVA、PVA、TPU、TPE(聚酯、聚萘二甲酯乙二醇酯、聚酰亚胺、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚乙烯醇和聚乙烯等材料的一种)中的一种。选用弹性纺织面料作为柔性基底时，可在印刷图案化电极层和电阻敏感层时先印刷一层弹性高聚物薄膜起致密的支撑作用，弹性高聚物薄膜采用TPU、TPE、PDMS或硅胶等。

上述图案化电极层101通过在柔性基底上印刷导电材料(银纳米线、银浆或PEDOT:PSS高分子导电材料)，烧结固化而成，包括但不限于叉指状、螺旋状，具体根据需求进行定制化。图案化电极层包括与高灵敏电阻敏感层接触的感应区域(所述感应区域的形状为上述的叉指状或螺旋状)，还包括从感应区域引出的具体引线，引线引出柔性封装层进行信号传输。

上述高灵敏电阻敏感层201采用具有超强柔韧性和力学性能的碳纳米材料和弹性高聚物印刷在上层柔性基底上，并通过气-固两相成孔技术烧结、固化而成，形成微孔洞结构的高灵敏电阻敏感层。碳纳米材料优选碳纳米管、石墨烯、还原氧化石墨烯RGO等，可以选择其中的一项或多项结合而成，弹性高聚物优选TPU、TPE、PDMS、硅胶等高分子材料，可以选择其中一项或者多项结合而成。气-固两相成孔技术原理是通过粘度较大的液体在烧结固化过程中，随着液体中的挥发性溶剂挥发，固化时会在材料表面形成许多微凹槽和微孔洞。根据隧穿效应，压敏材料的空洞形变对外界压力的线性范围和检测量程会比无空洞的更宽，从而实现最大量程1000N的压力增强感知检测，而且通过超强柔韧性和力学性能的碳纳米材料和弹性高聚物材料，可实现较良好线性输出，且与柔性基底的贴附性和稳定性更好。

上述弹性支撑层3采用点状、条状或柱状的弹性凸起结构，通过印刷液态绝缘弹性物质再固化成型或者粘贴固态绝缘弹性物质而成。上述柔性封装层4通过印刷或旋涂柔性绝缘高分子液体材料成膜后固化而成，或者直接粘贴固态柔性胶膜实行贴合封装。

本发明还提供了一种大量程柔性压力传感器的制备方法，如图3所示，包括以下步骤：

S1、制备图案化电极层，在下层柔性基底上印刷图案化电极层浆料，通过高温干燥固化成型；

S2、制备高灵敏电阻敏感层，在上层柔性基底上印刷高灵敏电阻敏感浆料，通过高温干燥固化成型，随着浆料中的挥发性溶剂挥发，在敏感层表面形成若干微孔洞；

S3、制备弹性支撑层，在下层柔性基底表面上的图案化电极间隙处或者上层柔性基底表面的高灵敏电阻敏感层上印刷或粘贴弹性支撑层，弹性支撑层的厚度大于高灵敏电阻敏感层的厚度；

S4、贴合封装，在下层柔性基底上或上层柔性基底上的外围印刷或粘贴柔性封装层，将上下层柔性基底贴合封装。

如图4所示，为本发明的大量程柔性压力传感器的量程测试图，通过图中可知，传感器可实现0-1000N之间的压力增强感知检测，同时该大量程柔性器件还具有良好曲/平面共形贴附检测、较良好线性输出。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。