一种基于互锁仿生倒刺结构的柔性压力传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及柔性压力传感技术领域，特别涉及一种基于互锁仿生倒刺结构的柔性压力传感器及制备方法。

背景技术

柔性电子器件这一领域的兴起极大地促进了人工智能、人机交互、健康检测和软体机器人的发展。柔性传感器作为最重要的柔性电子器件之一，它们可以附着在任意曲面上，并在人类活动中所产生的压力下产生电信号。人们希望柔性传感器器件能够赋予机器人通过触摸来感受外界的能力，甚至能够与人类和其他机器人友好的交流或互动。

现有的柔性传感器，都是通过开发具有各种规则和不规则的结构，来使得传感器获得较高的检测极限和更宽的工作范围，从而在健康监控和软体机器人等领域获得广泛的应用。常用的规则结构包括锥型、金字塔型、半球形、圆柱形等，通过为柔性基体引入导电材料，受力时柔性基体之间的接触面积的变化进而引起电阻的变化，这种类型的传感器只有在低压下有着较高的灵敏度，并且由于结构的机械稳定性不高，导致该类型传感器的压力检测范围不高；而常用的不规则的结构包括基于砂纸表面结构，或者荷叶、香蕉叶、芦苇叶等结构，利用模板法在柔性基体表面复刻结构，并通过在表面沉积一层导电层，受力时电极与表面直接的接触面积变化来引起电阻变化，由于结构的不可控性和随机性，在低压下的导电路径较少，从而导致了该类型传感器的传感性能较差，限制了柔性传感器的进一步应用。

发明内容

为了解决现有技术存在的问题，本发明设计了一种基于互锁仿生倒刺结构，该仿生结构能具有较好的机械稳定性和较高的接触面积变化率，赋予了该柔性传感器较高的灵敏度和宽的检测范围，适用于检测各种人体生物信号，具有制备过程简单、成本低廉、可大批量制备等特点。

为了实现上述目的，本发明提供了一种基于互锁仿生倒刺结构的柔性压力传感器，包括以面对面互锁的方式组装的成对电极，所述电极包括基底、基底上搭载的仿生倒刺结构阵列；

所述仿生倒刺结构阵列和所述基底还带有导电网络；

所述仿生倒刺结构阵列由若干个仿生倒刺结构单元组成；

所述仿生倒刺结构阵列内的仿生倒刺结构单元相同或不同，其高度为0.1～1.0mm、长度为0.5～1.5mm、曲率半径为0.5～1mm。

进一步地，所述仿生倒刺结构阵列的排布方式并无严格限定，可以为四方、六方、斜方、同心圆、定制图案或无规则排列中任意一种或多种组合

进一步地，所述仿生倒刺结构单元的形状包括勾状、月牙状、半月牙状，所述仿生倒刺结构单元的横截面包括半圆形、半椭圆形、圆形、曲面、双曲面的一种或多种组合。

进一步地，所述仿生倒刺结构单元的构造包括实心结构、多孔结构、空心结构、梯度结构、核壳结构的一种或多种组合。

进一步地，所述基底包括实心结构或多孔结构。

进一步地，所述仿生倒刺结构阵列和所述基底的材料各自独立地包括橡胶、树脂、水凝胶、气凝胶、油凝胶、聚氨酯、聚酰亚胺、聚烯烃、聚乳酸的一种或多种组合。

进一步地，所述成对电极包括上电极和下电极，所述上电极与所述下电极的结构和材料相同或不同；

所述上电极与所述下电极还设置有电流引出部件。

进一步地，所述电流引出部件为电性连接在所述上电极与所述下电极的导电材料。

进一步地，所述导电网络形成于所述仿生倒刺结构阵列表面并于所述基底电性连接；

或，所述导电网络存在于所述仿生倒刺结构阵列内部并于所述基底电性连接；

所述导电网络的材料包括金属、碳材料、导电聚合物中的任一种或多种组合。

本发明也提供了一种制备上述的基于互锁仿生倒刺结构的柔性压力传感器的方法，包括，

获取基底和仿生倒刺结构阵列的材料，并制备上电极和下电极；

将所述上电极与所述下电极的仿生倒刺结构阵列以面对面互锁的方式组装，得到基于互锁仿生倒刺结构的柔性压力传感器。

需要说明的是，基底和仿生倒刺结构阵列在制备得到上电极和下电极时，可以是一次加工或分开加工后再粘合到一起。

本发明还提供了上述的基于互锁仿生倒刺结构的柔性压力传感器在压力检测的应用。

相对于现有技术，本发明具有以下的有益效果：

本发明所提供的基于互锁仿生倒刺结构的柔性压力传感器，其仿生倒刺结构灵感来源于猫科动物舌头上的倒刺结构。因为设计的倒刺结构呈倾斜勾状，在变形的过程中能够有效增加接触面积，同时该结构还具有良好的机械应力分布，因此基于该结构的柔性压力传感器具有优异的机械性能和良好的接触面积变化率，这赋予了柔性压力传感器良好的灵敏度和宽的检测范围，解决了现有压力传感器无法兼具高灵敏度和宽检测范围的问题。

附图说明

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的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1示出了实施例1制备的仿生倒刺结构的扫描电镜图；

图2示出了实施例1制备的柔性力学传感器的结构示意图；

图3示出了实施例1制备的柔性力学传感器的扫描电镜图；

图4示出了实施例2制备的仿生倒刺结构的结构示意图；

图5示出了实施例3制备的仿生倒刺结构的结构示意图；

图6示出了实施例1制备的柔性力学传感器用于监测脉搏响应曲线；

图7示出了实施例1和对比例1制备的柔性力学传感器的灵敏度曲线；

图8示出了实施例1、对比例2、对比例3制备的柔性力学传感器的力学传感性能模拟结果。

具体实施方式

在本发明中所披露的范围的端点和任何值都不限于该精确的范围或值，这些范围或值应当理解为包含接近这些范围或值的值。对于数值范围来说，各个范围的端点值之间、各个范围的端点值和单独的点值之间，以及单独的点值之间可以彼此组合而得到一个或多个新的数值范围，这些数值范围应被视为在本发明中具体公开。

下面将结合本发明具体实施例和说明书附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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。

实施例1

一种基于互锁仿生倒刺结构的柔性压力传感器的制备方法，包括以下的步骤，

步骤一，利用画图软件设计得到方形的仿生倒刺结构阵列和基底，仿生倒刺结构阵列高度统一设置为0.5mm，长度统一设置为1mm、曲率半径统一设置为0.7mm，形状统一设置为半月牙状，横截面统一设置为半圆形，并利用3D光固化打印机打印出该模型；

步骤二，将获得的光固化树脂模型氟硅烷处理后，将预聚物浇筑在该光固化树脂模型上固化脱模获得凹模，所述预聚物由聚二甲基硅氧烷(PDMS)和固化剂以质量比10：1混合而成；

步骤三，将获得的凹模氟硅烷处理后浇筑导电预聚物(PDMS和固化剂按质量比10：1，碳纳米管含量为6wt％)固化脱模，获得实心结构的仿生倒刺结构的电极，其仿生倒刺结构的扫描电镜图如图1所示；

步骤四，将获得的仿生倒刺结构的两个电极面对面互锁组装，采用导电银浆将铜箔粘接到电极上，并采用PI(聚酰亚胺)胶带进行封装，获得柔性力学传感器，图2和图3分别示出了相应的结构示意图和扫描电镜图。

实施例2

一种基于互锁仿生倒刺结构的柔性压力传感器的制备方法，包括以下的步骤，

步骤一，利用画图软件设计得到环形的仿生倒刺结构阵列和方形的基底，仿生倒刺结构阵列高度按列梯度设置为0.5mm、0.3mm、0.1mm，长度统一设置为1mm、曲率半径统一设置为0.7mm，形状统一设置为半月牙状，横截面统一设置为半圆形，并利用3D光固化打印机打印出该模型；

步骤二，将获得的光固化树脂模型氟硅烷处理后，将预聚物浇筑在该光固化树脂模型上固化脱模获得凹模，所述预聚物由PDMS和固化剂质量比以10：1混合而成；

步骤三，将获得的凹模氟硅烷处理后浇筑导电预聚物(PDMS和固化剂按质量比10：1，碳纳米管含量为6wt％)固化脱模，获得实心结构的仿生倒刺结构的电极，图4示出了其结构示意图；

步骤四，将获得的仿生倒刺结构的两个电极面对面互锁组装，采用导电银浆将铜箔粘接到电极上，并采用PI胶带进行封装，获得柔性力学传感器。

实施例3

一种基于互锁仿生倒刺结构的柔性压力传感器的制备方法，包括以下的步骤，

步骤一，利用画图软件设计得到环形的仿生倒刺结构阵列和方形的基底，仿生倒刺结构阵列高度按列梯度设置为500μm、300μm、100μm，长度统一设置为1mm、曲率半径统一设置为0.7mm，形状统一设置为半月牙状，横截面统一设置为半圆形，并利用3D光固化打印机打印出该模型；

步骤二，将获得的光固化树脂模型氟硅烷处理后，将预聚物浇筑在该光固化树脂模型上固化脱模获得凹模，所述预聚物由PDMS和固化剂质量比以10：1混合而成；

步骤三，将获得的凹模氟硅烷处理后浇筑导电预聚物(PDMS和固化剂按质量比10：1，碳纳米管含量为6wt％，NaCl的含量为30wt％)固化脱模，获得实心结构的仿生倒刺结构的电极；

步骤四，将上述实心结构的仿生倒刺结构电极浸泡在100℃热水中4h用以去除NaCl获得多孔结构的仿生倒刺结构的电极，图5示出了其结构示意图；

步骤五，将获得的具有多孔的仿生倒刺结构的两个电极面对面互锁组装，采用导电银浆将铜箔粘接到电极上，并采用PI胶带进行封装，获得柔性力学传感器。

对比例1

与实施例1基本相同，区别之处在于：步骤三中还用导电预聚物制备一个平板基底，步骤四中使用平板基底与仿生倒刺结构的电极组装成柔性力学传感器。

对比例2

与实施例1基本相同，区别之处在于：步骤一中利用画图软件设计得到四棱方锥的结构阵列(高度0.5mm，底面边长0.432mm)和基底。

对比例3

与实施例1基本相同，区别之处在于：步骤一中利用画图软件设计得到方形的圆锥阵列(高度0.5mm，底面半径0.244mm)和基底。

测试例

将实施例1制备的柔性力学传感器用于监测脉搏响应，相对电阻变化量随脉搏的时间变化如图6所示，可以看出，此柔性压力传感器的电阻响应较稳定、快速，可以应用于人体生物信号的检测。

使用采用万能力学试验机(UTM2503)结合数字源表(Keithley 2450)测试实施例1和对比例1制备的柔性力学传感器在1V电压下的灵敏度曲线，结果如图7所示。在图7中，I

此外，通过图8所示的实施例1、对比例2和对比例3制备的柔性传感器的模拟实验结果，可以看出实施例1的传感性能远远高于对比例2和对比例3的柔性力学传感器。

综上所述，本发明所提供的基于互锁仿生倒刺结构的柔性压力传感器，其仿生倒刺结构灵感来源于猫科动物舌头上的倒刺结构。因为设计的倒刺结构呈倾斜勾状，在变形的过程中能够有效增加接触面积，同时该结构还具有良好的机械应力分布，因此基于该结构的柔性压力传感器具有优异的机械性能和良好的接触面积变化率，这赋予了柔性压力传感器良好的灵敏度和宽的检测范围，解决了现有压力传感器无法兼具高灵敏度和宽检测范围的问题。同时本发明中仿生倒刺结构单元可以设计为多孔结构，通过向多孔结构中复合多种传感材料来满足传感器在不同场景中的传感需求。基底也可以设计为多孔结构，这将进一步提升传感器的透气性和舒适性。通过将传感器的上电极和下电极设置成不同的材质和结构时，可以进一步提升柔性压力传感器的传感性能和机械性能。

最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。