一种柔弹性薄膜传感阵列及其制备方法

技术领域

本发明涉及柔弹性传感器制备技术领域，尤其涉及一种柔弹性薄膜传感阵列及其制备方法。

背景技术

传感器作为信息采集过程中不可或缺的功能器件，是信息技术的基础核心元器件。常用的传感器类型包括电感式、电容式、电磁式、电阻式、摩擦电式等。作为一种新型传感技术，摩擦电传感器基于摩擦起电和静电感应耦合作用的工作原理，可以将力学信号等小尺度能量收集和转化成为电信号，通过对电信号识别可以分析外力详细信息，被广泛运用于自驱传感、植入医疗器件、电子皮肤、可穿戴设备，医疗电子和环境监测等领域。

目前，传感器制造技术如沉积、磁控溅射、刻蚀、光刻等难以避免使用高价值设备和复杂制造流程，使得制备成本较高。

发明内容

鉴于上述现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种柔弹性薄膜传感阵列及其制备方法，旨在解决现有柔弹性传感器生产工艺复杂和制造成本高的问题。

一种柔弹性薄膜传感阵列，其中，包括：

柔弹性薄膜传感层，由第一薄膜传感层和层叠在所述第一薄膜传感层表面的第二薄膜传感层组成，所述第一薄膜传感层和所述第二薄膜传感层中均设置有若干第一导电电极；

若干第二导电电极，所述若干第二导电电极分别与所述若干第一导电电极一一对应连接。

可选地，所述的柔弹性薄膜传感阵列，其中，所述第一薄膜传感层中的所述第一导电电极的排列方向与所述第二薄膜传感层中的所述第一导电电极的排列方向垂直。

可选地，所述的柔弹性薄膜传感阵列，其中，所述若干第一导电电极的厚度为0.1-1.8mm。

可选地，所述的柔弹性薄膜传感阵列，其中，所述若干第一导电电极为镓基液态金属导电电极。

可选地，所述的柔弹性薄膜传感阵列，其中，所述第二薄膜传感层的表面具有表面微沟槽-平面复合结构或平面结构。

一种上述所述的柔弹性薄膜传感阵列的制备方法，其中，包括：

提供衬底层；

采用墨水同轴直写3D打印方法，在所述衬底层的表面打印第一薄膜传感层，在所述第一薄膜传感层的表面打印第二薄膜传感层，得到柔弹性薄膜传感层；其中，所述第一薄膜传感层和所述第二薄膜传感层中均含有第一导电电极，

将所述衬底层与所述柔弹性薄膜传感层分离，采用第二导电电极与所述第一导电电极相连接，得到所述柔弹性薄膜传感阵列。

可选地，所述的柔弹性薄膜传感阵列，其中，所述采用墨水同轴直写3D打印方法，在所述衬底层的表面打印第一薄膜传感层，在所述第一薄膜传感层的表面打印第二薄膜传感层，得到柔弹性薄膜传感层，具体包括：

提供同轴直写3D打印用的外层墨水和内层墨水；

设定3D打印设备参数，利用所述外层墨水和所述内层墨水沿打印路径在所述衬底层的表面打印第一薄膜传感层，在所述第一薄膜传感层垂直方向上打印第二薄膜传感层，得到柔弹性薄膜传感层。

可选地，所述的柔弹性薄膜传感阵列，其中，所述外层墨水包括：电负性弹性材料和粘度调节剂；所述内层墨水包括液态金属和导电助剂。

可选地，所述的柔弹性薄膜传感阵列，其中，所述电负性弹性材料包括：硅胶、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺；所述粘度调节剂包括二氧化硅、聚四氟乙烯、丝蛋白以及纤维素。

可选地，所述的柔弹性薄膜传感阵列，其中，导电助剂包括微纳米尺度的石墨烯、碳纳米管、金属颗粒以及MXene等。

有益效果：与现有技术相比，本发明所提供的柔弹性薄膜传感阵列，将原本需要多层的传感器结构设计，降低为两层，降低了生产成本。

附图说明

图1为本发明实施例提供的柔弹性薄膜传感阵列结构示意图；

图2为柔弹性薄膜传感层打印路径示意图；

图3为本发明实施例提供的柔弹性薄膜传感层的截面示意图；

图4为本发明提供的柔弹性薄膜传感阵列制备方法流程图。

具体实施方式

本发明提供一种柔弹性薄膜传感阵列及其制备方法，为使本发明的目的、技术方案及效果更加清楚、明确，以下对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明所提供的柔弹性薄膜传感阵列包括：柔弹性薄膜传感层10和与所述柔弹性薄膜传感层10连接的第二导电电极20。其中，所述柔弹性薄膜传感层10由两层薄膜传感层组成，即第一薄膜传感层11和第二薄膜传感层12组成，且所述第一薄膜传感层11和第二薄膜传感层12均含有第一导电电极13，容易理解的是，所述第二导电电极20与所述第一导电电极13相连接。

在本实施例中，所述第一导电电极13为液态金属电极或掺杂有导电助剂的液态金属电极，所述液态金属可以是镓基液态金属。通过采用液态金属作为导电电极可以使得在柔弹性薄膜传感层发生变形时，也能实现电信号的采集和传输，仍然具有传感能力。

在本实施例中，所述第一导电电极13包裹在薄膜传感层中，其厚度可以为0.10mm至0.80mm，0.80mm至1.8mm。将第一导电电极13的厚度控制在0.10mm至1.80mm内，可以在满足传感器传感性能的前提下，降低整个柔弹性薄膜传感阵列的厚度。

在本实施例中，所述第一、二薄膜传感层主体是电负性材料构成的膜层，所述第一导电电极间隔设置在所述膜层中间。所述电负性弹性材料包括但不限于硅胶、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺，通过选用弹性电负性材料作为膜层材料，可以使传感阵列具有柔弹性、可拉伸、高分辨率的特性。

在本实施例中，所述第一薄膜传感层中的第一导电电极与所述第二薄膜传感层中的第一导电电极的排布是交叉层叠排布。示例地，假设所述第一薄膜传感层11水平摆放，处于所述第一薄膜传感层11中的第一导电电极沿x轴方向同间距间隔排布，位于所述第二薄膜传感层中的第一导电电极的排布方向与位于第一薄膜传感层中的第一导电电极交叉垂直排列。容易理解的是，所述第一导电电极在第一薄膜传感层与第二薄膜传感层呈上、下交叉排布。

在本实施例的一种实现方式中，所述第一、第二薄膜传感层的表面为平面结构或者为具有微沟槽-平面复合结构，有效扩展了薄膜传感层比表面积，强化摩擦电荷的产生，提高传感阵列响应性能。

基于相同的发明构思，本发明还提供了一种柔弹性薄膜传感阵列的制备方法，如图4所示，所述方法包括如下步骤：

S10、提供衬底层。

具体来说，所述衬底层可以是金属膜，如铝膜、铜膜等，或者是水溶性薄膜。容易理解的是，所述衬底层的作用是起到支撑的作用。

在所述步骤S10之后包括步骤S20、采用墨水同轴直写3D打印方法，在所述衬底层的表面打印第一薄膜传感层，在所述第一薄膜传感层的表面打印第二薄膜传感层，得到柔弹性薄膜传感层；其中，所述第一薄膜传感层和所述第二薄膜传感层中均含有第一导电电极。

具体来说，事先配置好打印用的墨水，所述打印墨水分为外层墨水和内层墨水，其中，外层墨水用于形成柔弹性薄膜主体，内层墨水用于形成第一导电电极。外层墨水采用硅胶、PDMS、PI等电负性弹性材料，可填充适量二氧化硅、PTFE、丝蛋白、纤维素等材料，用于调节墨水粘度，同时增强电荷捕获能力。内层墨水采用镓基液态金属，内部混合适量微纳米尺度的石墨烯、碳纳米管、MXENE、金属颗粒(如Fe、Cu、Ni)等，调节粘度的同时可增强导电性。外层和内层墨水材料分别使用离心搅拌充分混合均匀，使其在负压作用下去除内部气泡，用于打印。利用墨水直写3D打印方法，设定打印参数，所述打印参数包括控制打印速度、喷嘴打印高度、喷嘴外直径，喷嘴内直径，打印间距，打印路径等打印参数，制备柔弹性薄膜传感阵列。

在打印过程中，同轴喷嘴先使一条同轴纤维沿直线挤出成型于衬底层上，待第一条打印完成之后，以固定间距平行打印第二条同轴纤维，如此往复使纤维在衬底层上呈现规律排布，形成底部柔弹性薄膜传感层，设计的打印路径如图2所示。所制造的柔弹性薄膜传感层在较低的打印高度下经界面挤压，其表面呈现完全平面结构或微沟槽-平面复合结构，这有效扩展了柔弹性薄膜传感层表面与外界物体的接触面积。将打印好的柔弹性薄膜传感层干燥固化，成型后的结构截面图如图3所示。

当底部薄膜传感层成型以后，设计交叉叠层网络结构，利用同样的同轴直写3D打印-界面挤压复合成型方法，控制打印速度、喷嘴打印高度、喷嘴外直径，喷嘴内直径，打印间距，打印路径等打印参数，在垂直方向上再次进行打印，形成柔弹性薄膜传感阵列。

在所述步骤S20之后还包括步骤S30、将所述衬底层与所述柔弹性薄膜传感层分离，采用第二导电电极与所述第一导电电极相连接，得到所述柔弹性薄膜传感阵列。

具体来说，将底部衬底层与柔弹性薄膜传感层直接分离，对柔弹性薄膜传感层两端进行处理，连接导线制作电极阵列，封装形成柔弹性薄膜传感器，如图1所示。需要说明的是，将衬底层与柔弹性膜层分离技术以及封装技术均为现有技术，在此不做限定。

下面通过具体的制备实施例来对本发明所提供的柔弹性薄膜传感阵列的制备方法做进一步的解释说明。

实施例1

1.配制打印墨水

外层墨水采用硅胶、适量的二氧化硅为原料，使用离心搅拌充分混匀，在负压作用下去除墨水内部气泡，备用；内层墨水采用镓基液态金属、适量微纳米尺度的石墨烯为原料，使用离心搅拌充分混合均匀，在负压作用下去除墨水内部气泡，备用；

2.打印

选用铝膜作为衬底，将上述步骤制备的外层墨水、内层墨水加入到同轴直写3D打印设备中，控制打印速度20mm/min、喷嘴打印高度0.20mm、喷嘴外直径0.40mm，喷嘴内直径0.10mm，打印间距0.45mm，打印路径等打印参数，设计打印路径，在所述铝膜表面进行打印，在打印过程中，同轴喷嘴先使一条同轴纤维沿直线挤出成型于衬底层上，待第一条打印完成之后，以固定间距平行打印第二条同轴纤维，如此往复使纤维在衬底层上呈现规律排布，形成底部柔弹性薄膜传感层；所制造的柔弹性薄膜传感层在较低的打印高度下经界面挤压，其表面呈现完全平面结构或微沟槽-平面复合结构，这有效扩展了柔弹性薄膜传感层表面与外界物体的接触面积。将打印好的柔弹性薄膜传感层干燥固化；当底部薄膜传感层成型以后，设计交叉叠层网络结构，利用同样的同轴直写3D打印-界面挤压复合成型方法，控制打印速度20mm/min、喷嘴打印高度0.4mm、喷嘴外直径0.40mm，喷嘴内直径0.10mm，打印间距0.45mm，打印路径等打印参数，设计打印路径，在垂直方向上再次进行打印，形成柔弹性薄膜传感阵列。

3.封装

去除柔弹性薄膜传感阵列底部的衬底层，使其与柔弹性薄膜传感阵列的底部表面直接分离。对柔弹性薄膜传感层两端进行处理，连接导线制造电极阵列，封装形成柔弹性薄膜传感器。其中，所述电极厚度为0.1mm。

实施例2

1.配制打印墨水

外层墨水采用聚二甲基硅氧烷、适量的纤维素为原料，使用离心搅拌充分混匀，在负压作用下去除墨水内部气泡，备用；内层墨水采用镓基液态金属、适量微纳米尺度的铁颗粒为原料，使用离心搅拌充分混合均匀，在负压作用下去除墨水内部气泡，备用；

2.打印

选用铜膜作为衬底，将上述步骤制备的外层墨水、内层墨水加入到同轴直写3D打印设备中，控制打印速度120mm/min、喷嘴打印高度2.0mm、喷嘴外直径1.40mm，喷嘴内直径0.80mm，打印间距7.0mm，打印路径等打印参数，设计打印路径，在所述铜膜表面进行打印，在打印过程中，同轴喷嘴先使一条同轴纤维沿直线挤出成型于衬底层上，待第一条打印完成之后，以固定间距平行打印第二条同轴纤维，如此往复使纤维在衬底层上呈现规律排布，形成底部柔弹性薄膜传感层；所制造的柔弹性薄膜传感层在较低的打印高度下经界面挤压，其表面呈现完全平面结构或微沟槽-平面复合结构，这有效扩展了柔弹性薄膜传感层表面与外界物体的接触面积。将打印好的柔弹性薄膜传感层干燥固化；当底部薄膜传感层成型以后，设计交叉叠层网络结构，利用同样的同轴直写3D打印-界面挤压复合成型方法，控制打印速度100mm/min、喷嘴打印高度3.60mm、喷嘴外直径1.40mm，喷嘴内直径0.80mm，打印间距6.20mm，打印路径等打印参数，设计打印路径，在垂直方向上再次进行打印，形成柔弹性薄膜传感阵列。

3.封装

去除柔弹性薄膜传感阵列底部的衬底层，使其与柔弹性薄膜传感阵列的底部表面直接分离。对柔弹性薄膜传感层两端进行处理，连接导线制造电极阵列，封装形成柔弹性薄膜传感器。其中，所述电极厚度为0.60mm。

实施例3

1.配制打印墨水

外层墨水采用聚酰亚胺、适量的丝蛋白为原料，使用离心搅拌充分混匀，在负压作用下去除墨水内部气泡，备用；内层墨水采用镓基液态金属、适量微纳米尺度的MXene为原料，使用离心搅拌充分混合均匀，在负压作用下去除墨水内部气泡，备用；

2.打印

选用水溶性纤维膜作为衬底，将上述步骤制备的外层墨水、内层墨水加入到同轴直写3D打印设备中，控制打印速度240mm/min、喷嘴打印高度3.0mm、喷嘴外直径3.0mm，喷嘴内直径2.30mm，打印间距12mm，打印路径等打印参数，设计打印路径，在所述纤维膜表面进行打印，在打印过程中，同轴喷嘴先使一条同轴纤维沿直线挤出成型于衬底层上，待第一条打印完成之后，以固定间距平行打印第二条同轴纤维，如此往复使纤维在衬底层上呈现规律排布，形成底部柔弹性薄膜传感层；所制造的柔弹性薄膜传感层在较低的打印高度下经界面挤压，其表面呈现完全平面结构或微沟槽-平面复合结构，这有效扩展了柔弹性薄膜传感层表面与外界物体的接触面积。将打印好的柔弹性薄膜传感层干燥固化；当底部薄膜传感层成型以后，设计交叉叠层网络结构，利用同样的同轴直写3D打印-界面挤压复合成型方法，控制打印速度20mm/min、喷嘴打印高度5.60mm、喷嘴外直径2.40mm，喷嘴内直径1.80mm，打印间距10mm，打印路径等打印参数，设计打印路径，在垂直方向上再次进行打印，形成柔弹性薄膜传感阵列。

3.封装

去除柔弹性薄膜传感阵列底部的衬底层，使其与柔弹性薄膜传感阵列的底部表面直接分离。对柔弹性薄膜传感层两端进行处理，连接导线制造电极阵列，封装形成柔弹性薄膜传感器。其中，所述电极厚度为1.80mm。

综上，本发明提供一种柔弹性薄膜传感阵列及其制备方法，柔弹性薄膜传感阵列包括：柔弹性薄膜传感层，由第一薄膜传感层和层叠在所述第一薄膜传感层表面的第二薄膜传感层组成，所述第一薄膜传感层和所述第二薄膜传感层中均设置有若干第一导电电极；若干第二导电电极，所述若干第二导电电极分别与所述若干第一导电电极一一对应连接。其中，所述第一薄膜传感层中的所述第一导电电极的排列方向与所述第二薄膜传感层中的所述第一导电电极的排列方向垂直。所述若干第一导电电极为镓基液态金属导电电极。所述柔弹性薄膜传感层采用同轴直写3D打印技术打印成型。

本发明利用同轴直写3D打印技术成型薄膜传感层的同轴结构，外层为电负性弹性材料，内层为液态金属导电电极，运用足够低的打印高度使成型界面挤压呈现完全平面结构或微沟槽-平面复合结构，有效扩展了薄膜传感层比表面积，强化摩擦电荷的产生，提高传感阵列响应性能；设计交叉叠层电极网络结构，将原本至少多层的传感器结构设计，降低为两层，减少了制造的工艺难度，可制造出薄膜状柔弹性传感阵列；通过外接导线连接液态金属导电电极的方式就可实现电信号的采集和传输，传感阵列在拉伸、弯曲条件下仍具有感应能力；利用3D打印方法控制打印路径，从而获得柔弹性、可拉伸、高分辨率的柔弹性薄膜摩擦电压力传感阵列，能够用于精确的识别物体的平面形状。

应当理解的是，本发明的应用不限于上述的举例，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。