一种微结构、柔性压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及柔性传感器技术，特别是涉及一种微结构、柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术

柔性压力传感器在机器人、可穿戴器件等领域有广阔应用前景，微结构设计是常用的提高传感器灵敏度、减小弛豫时间的方案。

目前已经报道的多种微结构设计方案方案有各自的性能特点。将参数可设计微结构柔性压力传感器与天然模板微结构(包括以自然材料为模板和直接用自然材料改性)柔性压力传感器进行对比发现，参数可设计微结构传感器的灵敏度和应用压力范围存在Trade-Off关系，即可以在低压区域(<50kPa)实现高灵敏度(>100kPa

虽然能够在大范围内保持高灵敏度，天然模板微结构由于其不可设计性，难以针对具体应用做出针对性的设计，另外，由于需要使用天然材料作为传感器材料或模板，大规模制造过程中器件一致性的保证面临很大的挑战。

柔性压力传感器微结构设计本质上是对传感器的敏感元件进行优化，合理的微结构设计使得在一定的压力变化下，敏感元件能够产生更多的变形，从而带来更大的接触电阻、电容和感应电荷变化，进而提升器件灵敏度。目前提出的微结构设计方案——基于标准参数加工的微结构设计、以自然材料为模板的微结构设计和基于天然材料的微结构设计各有其特点。虽然后者往往更容易获得高灵敏度传感器，但天然材料的不规则性使得其作为材料和模板时难以保证一致性，且由于天然微结构的复杂性，难以针对具体的应用场景进行针对性的设计。因此，面向动态血压监测的柔性压力传感器，需要采用基于标准参数加工的微结构设计方案，且为了实现更高的器件性能和更广的应用范围，需要突破传统微结构的设计方案，拓展一种新的设计思路。

需要说明的是，在上述背景技术部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。

发明内容

本发明旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。

本发明的一个目的在于提出一种能够提升传感器灵敏度、拓宽传感器压力范围的微结构。

本发明的第二个目的在于提出一种柔性压力传感器。

本发明的第三个目的在于提出一种柔性压力传感器的制备方法。

为达到上述目的，本发明第一方面实施例提出了一种微结构，包括柔性材料的基底和微柱体阵列，所述微柱体阵列以与竖直方向成倾斜角度的方式一体地形成在所述基底上，所述微结构的中心轴在三维空间内与沿竖直方向的竖直轴不重合，或者说所述微结构的中心轴在三维空间内仅存在一个竖直对称面，可以看成在三维空间内仅存在多个竖直对称面的微结构相对于竖直方向偏移一定角度形成。

本发明实施例的微结构，与传统微结构相比，具有更高的灵敏度和压力范围。

进一步可选地，所述微柱体的底面形状选自圆形、半圆形、扇形、三角形、矩形、菱形、梯形、多边形；

进一步可选地，所述微柱体的底面直径或边长为1μm～500μm；

进一步可选地，所述微柱体的高度为1μm～1000μm；

进一步可选地，所述微柱体的顶面形状选自圆形、半圆形、扇形、三角形、矩形、菱形、梯形、多边形；

进一步可选地，所述微柱体的底面直径或边长为1μm～500μm；

进一步可选地，所述微柱体的倾斜角度为>0°～90°；

进一步可选地，所述微柱体的横向间距为1μm～10000μm；

进一步可选地，所述微柱体的纵向间距为1μm～10000μm；

进一步可选地，所述基底厚度为>0μm～50000μm。

为达到上述目的，本发明第二方面实施例提出了一种包含上述实施例所述的微结构的柔性压力传感器。

进一步可选地，上述柔性压力传感器可以是电阻式、电容式、压电式、摩擦电式中一种或多种的组合。

为达到上述目的，本发明第三方面实施例提出了一种如上述实施例所述的柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

将模板材料置于与水平面成预设角度的加工平台；

沿竖直方向在所述模板材料上加工出微柱体阵列模腔，制得模板；

在所述模板表面制备预设软材料；

将包含微结构的预设软材料从所述模板取出；

将包含微结构的软材料装配成柔性压力传感器。

进一步可选地，上述模板材料包括聚碳酸酯、亚克力、有机玻璃、双色板、ABS塑料、电木、实木、硅片等一种或多种的组合，所述模板材料的厚度为1μm～1000μm。

进一步可选地，所述预设角度为>0°～90°。

进一步可选地，所述加工的工艺为微型雕刻、激光雕刻、3D打印、压印等一种或多种的组合。

进一步可选地，所述制备预设软材料的方法为旋涂、喷涂、热压或直接沉积等一种或多种的组合。

进一步可选地，所述预设软材料为聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、硅胶、橡胶、聚氨酯、热塑性弹性体与NaCl、KCl、HCl、H

本发明实施例的柔性压力传感器的制备方法，相比于传统柔性压力传感器制备方法，制备工艺简单，易于进行批量生产，且能够制备特殊图案微结构，提升柔性压力传感器灵敏度。

该方法制备的具有所述微结构的柔性压力传感器，具有灵敏度高、压力范围广的特点，在高分辨率压力感应、加压信号识别等领域有广泛应用前景。

附图说明

图1为作为本发明改进基础的微结构的结构示意图；

图2为根据本发明实施例的微结构的结构示意图；

图3为根据本发明实施例的柔性压力传感器的结构示意图；

图4为根据本发明实施例的微结构和柔性压力传感器的制备方法的流程图；

图5为根据本发明实施例1的柔性压力传感器和对比例的柔性压力传感器的结构示意图；

图6为根据本发明实施例1的柔性压力传感器和对比例的柔性压力传感器的灵敏度曲线。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

图2是本发明一个实施例的微结构的结构示意图。

如图2所示，该微结构包括柔性材料(或称软材料)的基底和微柱体阵列，所述微柱体阵列以与竖直方向成倾斜角度的方式一体地形成在所述基底上，所述微结构的中心轴在三维空间内与沿竖直方向的竖直轴不重合，或者说所述微结构的中心轴在三维空间内仅存在一个竖直对称面，可以看成在三维空间内仅存在多个竖直对称面的微结构相对于竖直方向偏移一定角度形成。

如图2所示，该微结构包含的可设计结构尺寸包括：微柱体的底面形状；微柱体的底面直径或边长Φ；微柱体的高度h；微柱体的顶面形状；微柱体的顶面直径或边长

进一步地，在一些实施例中，微柱体的底面形状可以是圆形、半圆形、扇形、三角形、矩形、菱形、梯形、多边形。

进一步地，在一些实施例中，微柱体的底面直径或边长为1μm～500μm。

进一步地，在一些实施例中，微柱体的微结构高度为1μm～1000μm。

进一步地，在一些实施例中，微柱体的顶面形状选自圆形、半圆形、扇形、三角形、矩形、菱形、梯形、多边形。

进一步地，在一些实施例中，微柱体的底面直径或边长为1μm～500μm。

进一步地，在一些实施例中，微柱体的倾斜度为>0°～90°。

进一步地，在一些实施例中，上述微结构的微柱体横向间距为1μm～10000μm。

进一步地，在一些实施例中，上述微结构的微柱体纵向间距为1μm～10000μm。

进一步地，在一些实施例中，上述微结构的基底厚度为>0μm～50000μm。

根据本发明实施例的微结构，在受压过程中保持在三维空间内仅存在一个竖直对称面的特性，同时在受压时出现结构不稳定的塌陷现象，可以增加软材料在大压力下的形变能力。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的包含上述实施例的微结构的柔性压力传感器。

图3是本发明一个实施例的柔性压力传感器的结构示意图。

如图3所示，该柔性压力传感器包含本发明一个实施例的微结构以及进一步增加的电极加基底材料。

在不同的实施例中，该柔性压力传感器可以为电阻式、电容式、压电式、摩擦电式中一种或多种的组合。

根据本发明实施例的柔性压力传感器，其灵敏度和压力范围相对于传统的柔性压力传感器有提升。

其次参照附图描述根据本发明实施例提出的包含上述实施例的微结构和柔性压力传感器的制备方法。

图4是本发明一个实施例的柔性压力传感器的制备方法的流程图。

如图4所示，该微结构和柔性压力传感器的制备方法包括以下步骤：

在步骤S401中，将预设模板材料置于与水平面成预设角度的加工平台。

其中，预设模板材料可以为聚碳酸酯、亚克力、有机玻璃、双色板、ABS塑料、电木、实木、硅片等一种或多种的组合，所述预设模板的厚度可以为1μm～1000μm。

其中，预设角度可以为>0°～90°。

在步骤S402中，通过预设工艺加工预设微结构。

其中，预设工艺为微型雕刻、激光雕刻、3D打印、压印等一种或多种的组合。

在步骤S403中，在模板表面通过预设方法制备预设软材料。

其中，预设方法可以为旋涂、喷涂、热压或直接沉积等一种或两种的组合。

其中，预设软材料为聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、硅胶、橡胶、聚氨酯、热塑性弹性体与NaCl、KCl、HCl、H

在步骤S404中，将预设软材料从模板取出。

在步骤S405中，将包含微结构的软材料装配成柔性压力传感器。

根据本发明实施例提出的柔性压力传感器的制备方法，比于传统柔性压力传感器制备方法，制备工艺简单，易于进行批量生产，且能够制备特殊图案微结构，提升柔性压力传感器灵敏度。

下面将通过实施例对微结构、柔性压力传感器及其制备方法进行进一步说明。

实施例1，其中，实施例1的微结构的结构如图5所示，实施例1具体包括：

S1.剪裁80mm×80mm的聚碳酸酯片材，片材厚度为0.5mm；

S2.将聚碳酸酯片材表面膜去除；

S3.以浸泡去离子水的纤维纸和干燥的纤维纸依次擦拭聚碳酸酯片材表面三次；

S4.按表1分别将两片聚碳酸酯片材置于定制铝合金材质加工平面；其中，表1为与水平面成不同角度的加工平面：

表1

S5.按表2通过工业软件设计微结构图案；其中，表2为所设计微结构的特征参数：

表2

S6.按表3设置进行激光雕刻加工；其中，表3为激光雕刻机设置参数：

表3

S7.将激光雕刻后的聚碳酸酯片材取出；

S8.以浸泡去离子水的纤维纸和干燥的纤维纸依次擦拭聚碳酸酯片材表面三次；

S9.称量100g去离子水与20g聚乙烯醇混合；

S10.在90℃水浴环境中以100rpm的转速持续加热搅拌聚乙烯醇混合液2h；

S11.在搅拌状态下使聚乙烯醇混合液在水浴环境下自然冷却4h至室温；

S12.将聚乙烯醇混合液与10g浓磷酸溶液(85％)混合，持续搅拌2h；

S13.将混合液以20mL·cm

S14.将混合液与模板置于-9psi环境中静置30min去除气泡；

S15.将混合液与模板置于50℃空气氛围中静置24h干燥成膜；

S16.以聚酰亚胺铜胶带将聚乙烯醇薄膜从模板上取出；

S17.取另一块聚酰亚胺铜胶带贴附于聚乙烯醇薄膜另一侧，装配成电容式的柔性压力传感器。

进一步地，将实施例所制柔性压力传感器置于三周位移台，以测力计和多功能电桥分别测量柔性压力传感器所受压力和电容值，测试范围为0～100kPa。

综上，实施例1灵敏度曲线测试结果如图6所示。实施例1表明本发明微结构和柔性压力传感器及其制备方法有利于提升柔性压力传感器灵敏度，表明本发明的微结构和柔性压力传感器的制备方法应用于柔性压力传感器，对于传感器性能的提升具有明显作用。

需要说明的是，前述对微结构实施例的解释说明也适用于该实施例的微结构和柔性压力传感器的制备方法，此处不再赘述。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。