一种碳基电阻式柔性压力传感器的制作方法

本实用新型属于新型传感器技术领域，涉及一种碳基电阻式柔性压力传感器。

背景技术：

压力传感器是一种将压力、应变等物理量转化为电信号的电子器件装置。压力在自然界中是一种十分重要的物理量，在人类的身体上就有无数的压力传感器在感知环境中的压力类信号，从而使得我们可以适应环境、规避危险。当下随着可穿戴设备、机器人、电子皮肤等领域迅速发展，为了让这些人造机器具备类似人的智能，对环境中压力类信号这一物理量的全方位感知和精确测量具有十分重要的意义。

然而传统的压力传感器一般是非柔性的刚性材质，在受到较大机械形变时容易毁损，无法工作。因此难以用于可穿戴设备、电子皮肤、机器人的各个关节处等机械形变较大的工作场合。若能有可以正常工作于大范围机械形变的柔性压力传感器，用以采集这些场合的压力、应变等信号，将大大提升机器的感知压力能力。

受这类需求的驱动，柔性压力传感器近些年来取得了不少研究进展。不过目前可以工作于大范围机械形变的柔性压力传感器采用的材料往往是杨氏模量低的高分子聚合物等材料，将导电物质填充于这些高分子聚合物中，利用压力产生形变的方法改变聚合物中导电填充物之间的间距，从而改变材料电阻，达到检测压力的目的。这种柔性压力传感器对压力变化的响应时间和恢复时间慢，难以用于测量高频变化的动态压力信号。目前柔性压力传感器中可测得最高动态高频压力信号的是Dan Li课题组的研究成果，可分辨测出2kHz的动态压力信号。但是这仍然不能满足高频压力信号测量的需求。

技术实现要素：

本实用新型的目的是提供一种碳基电阻式柔性压力传感器。该压力传感器具有优良的柔性性质，可以在弯曲任意角度的状态下正常工作，当该压力传感器受到压力作用或者发生弯曲应变时，从聚酰亚胺上两端银电极测得的电阻值发生相应变化，从而感知压力信号。该压力传感器不仅利用材料本身受压形变导致阻变的原理，同时利用材料特殊结构与电极之间形成受压力调控的接触电阻的原理。其灵敏度高，应变系数为2.1-3之间；压力测量范围广，为10Pa至900kPa；具有很高的分辨率和动态响应，能测出高达10kHz的动态高频压力信号；稳定性质好，通过了8000次以上的稳定性重复测试。这种碳基电阻式柔性压力传感器制备工艺简单，设备成本低，该电阻式柔性压力传感器适用于可穿戴设备，可用于压力、应变等物理量测量。

实现本实用新型目的的具体技术方案是：

一种碳基电阻式柔性压力传感器，特点是：该传感器呈四层薄膜结构，包括柔性聚酰亚胺薄膜层、银电极层、柔性石墨烯和氧化石墨烯的复合薄膜层以及氧化石墨烯薄膜绝缘保护层，其中，聚酰亚胺薄膜层厚度为20μm-200μm；银电极层厚度500nm-5μm，生长在聚酰亚胺薄膜层两端；柔性石墨烯和氧化石墨烯的复合薄膜层厚度为50μm-600μm，该层呈蜂窝式多孔层状结构；使用的材料为石墨烯和氧化石墨烯的混合物，石墨烯和氧化石墨烯混合比例在10-3:1-2，石墨烯含量越多则压力传感器初始不受压力时电阻越小；氧化石墨烯薄膜绝缘保护层，厚度20μm-300μm；柔性石墨烯和氧化石墨烯的复合薄膜层与氧化石墨烯绝缘保护层生长在一起，与银电极层粘结在一起。

所述压力传感器的制备包括以下步骤：

步骤1：制备衬底

采用化学离子交换和喷墨打印相结合的方法，在20μm-200μm厚的聚酰亚胺薄膜两端生长一层500nm-5μm厚的银电极层；

步骤2：制备功能层

将石墨烯和氧化石墨烯以质量比为10-3:1-2的比例混合，并配制成悬浊液，浓度为0.2-1.8mg/ml，同时再配制一份氧化石墨烯悬浊液，浓度为0.2-1.8mg/ml，然后通过顺序真空抽滤的方法分别连续对这两种悬浊液抽滤，得到厚度为20μm-300μm的氧化石墨烯绝缘保护层以及厚度为50μm-600μm的石墨烯和氧化石墨烯的复合层，两层牢固生长在一起；

步骤3：制作压力传感器

将衬底的银电极层与功能层的石墨烯和氧化石墨烯的复合层通过导电银浆粘结在一起，并在银电极层两端引出导线，得到所述柔性压力传感器。

本实用新型的聚酰亚胺薄膜层厚度为20μm-200μm，聚酰亚胺薄膜具有优良的柔性性质，可任意弯曲而不会毁损。银电极层厚度约500nm至5μm。银电极层采用化学离子交换和喷墨打印相结合的方法，生长在聚酰亚胺薄膜层两端。这两层牢固生长在一起作为整个传感器的衬底，测量电极从两端银电极引出。

柔性的石墨烯和氧化石墨烯的复合薄膜层厚度为50μm至600μm，该层呈蜂窝式多孔层状结构，使用的材料为石墨烯和氧化石墨烯的混合物，两者混合比例在10:1到3:2之间可调，石墨烯含量越多则压力传感器初始不受压力时电阻越小。最顶层的氧化石墨烯层作为绝缘保护层，厚度20μm至300μm。这两层材料通过顺序真空抽滤的加工方法牢固生长在一起，作为传感器功能层。

传感器功能层的石墨烯和氧化石墨烯复合层和衬底的银电极层之间通过导电胶或者导电银浆面对面粘结在一起，这使得在银电极层和蜂窝式多孔层状结构的石墨烯和氧化石墨烯复合层之间形成较大的接触电阻。当传感器受压力作用或者发生弯曲应变时，该接触电阻会随着压力的增大而减小，同时复合层的蜂窝式多孔层状结构由疏松变得致密，其电阻也会随着压力的增大而减小，在这两种机制的共同作用下，压力传感器可以精确感知压力变化。

银电极层和蜂窝式多孔层状结构的石墨烯和氧化石墨烯复合层之间形成的接触电阻可通过以下公式计算：

R_c＝{ρ²ηπH/4F}^1/2 (1)

其中，R_c为接触电阻，ρ是电阻率，η为经验参数，H为材料硬度，F为压力。从公式(1)可知，在接触材料确定的情况下，接触电阻只与传感器所受的压力有关，负载力越大，接触电阻越小。

蜂窝式多孔层状结构的石墨烯和氧化石墨烯复合层的电阻可通过以下公式计算：

R_a＝ρl/S (2)

其中，R_a为复合层电阻，ρ为电阻率，l为复合层长度，S为复合层横截面积。因为石墨烯和氧化石墨烯复合层呈蜂窝式多孔层状结构，传感器上受的压力会使得这种孔状结构由疏松变得致密，从而减小其横截面积S。从公式(2)可知，传感器所受压力会使得复合层电阻R_a减小。

因此，银电极两端测得的总电阻值可由以下公式计算：

R＝R_c+R_a (3)

其中R为总电阻，由公式(1)和(2)知R_c和R_a都随着压力传感器所受压力的增大而减小，因此R和压力F成反比关系。

在以上两种机制的共同作用下，这种柔性压力传感器可以精确感知作用其上的压力变化。本实用新型的有益效果

1)整体呈薄膜状结构，柔性性质好，可在弯曲任意角度的状态下正常工作；

2)灵敏度高，应变系数在2.1-3之间；

3)压力测量范围广，为10Pa至900kPa；

4)具有很高的分辨率和动态响应，能测出高达10kHz的动态高频压力信号；

5)稳定性质好，通过了8000次以上的稳定性重复测试。

附图说明

图1为本实用新型结构示意图；

图2为本实用新型电阻变化率与压力关系曲线图；

图3为流经本实用新型的电流与压力变化跟随关系曲线图；

图4为本实用新型在100Hz、2kHz、8kHz、10kHz周期性压力作用下的电压变化曲线图；

图5为图4的测试电路图；

图6为本实用新型重复稳定性测试曲线图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例，对本实用新型作进一步阐述。

实施例

参阅图1，是本实用新型整体呈薄膜结构，包含四层结构薄膜，柔性聚酰亚胺薄膜层1、银电极层2、柔性石墨烯和氧化石墨烯的复合薄膜层3以及氧化石墨烯薄膜绝缘保护层4。本实用新型的制作组装过程如下：

首先制作压力传感器的衬底：通过成熟的离子交换和喷墨打印技术，在50μm厚的干净聚酰亚胺薄膜两端生长一层2μm厚的银电极层。

然后制作压力传感器的上层功能层：将石墨烯和氧化石墨烯以5:1的比例混合，并配制成悬浊液，浓度为1.5mg/ml，同时再配制一份单纯的氧化石墨烯悬浊液，浓度为1.5mg/ml。然后通过顺序真空抽滤的方法连续分别对这两种悬浊液抽滤，得到氧化石墨烯绝缘保护层(厚度约100μm)以及石墨烯和氧化石墨烯复合层(厚度约200μm)，并且这两层因为连续抽滤的原因牢固生长在一起。

最后，传感器上层功能层的石墨烯和氧化石墨烯复合层和衬底的银电极层之间通过导电银浆面对面粘结在一起，并在银电极两端引出测试导线进行性能测试。

银电极两端测得的传感器电阻值包含银电极层和复合层之间的接触电阻R_c以及复合层本身的电阻R_a，这个电阻值都受到作用在传感器上压力的影响，并且与压力成反比关系。

参阅图2，是本实用新型本实施例银电极两端测得的电阻变化率与压力的关系曲线。从电阻变化率与压力的关系曲线可以看出，在0至900kPa的压力范围内，压力传感器银电极两端测得的电阻值随着压力的增大而逐渐减小，两者成反比关系。

参阅图3，是流经本实施例柔性电阻式压力传感器的电流与压力变化跟随关系曲线。测试该曲线时，在压力传感器上施加了0.01V电压，然后以逐渐增大的压力脉冲作用其上，测试流经传感器电流的变化情况。压力传感器反应灵敏，能灵敏地反映出压力的变化情况。

参阅图4和图5，是本实施例在100Hz、2kHz、8kHz、10kHz周期性压力作用下的电压变化曲线以及测试电路。测试该组高频响应曲线时，将本实施例的压力传感器与一定值电阻串联，作用于压力传感器和定值电阻上的总电压恒定不变，测试电路参阅图5。然后通过高频电磁起震平台产生振动信号，从而施加高频压力信号于压力传感器上，并通过示波器观察定值电阻两端的电压信号变化。该组频率响应曲线说明这种电阻式柔性压力传感器具有很高的分辨率和动态响应，能分辨出高达10kHz的高频压力信号。

参阅图6，是本实施例柔性电阻式压力传感器重复稳定性测试曲线，重复测试了8000次以上，重复8000多次之后较之初始时性能几乎不变，具有良好的工作稳定性和耐久性。