一种具有荷叶微结构多层柔性压力传感器的制备方法

1.本发明涉及传感器的制备领域，特别涉及一种具有荷叶微结构多层柔性压力传感器的制备方法。


背景技术：

2.近十几年来，柔性压力传感器作为一种新型的压力和触觉传感方法应运而生，除了具有良好的动、静态刺激响应和轻薄的柔性器件结构外，它还具有高分辨率、可变形性、可拉伸性、重量轻、适形性好等优点。随着人工智能的发展，其可广泛应用于电子皮肤、可穿戴医疗设备、柔性压力传感器等医疗和工业领域。
3.在各种类型的传感器中，压力传感器因其结构简单、易于制造、灵敏度高、成本低而显示出巨大的应用潜力。压力传感器由柔性基底和电极层组成，为适应实际应用，所需要的传感器器件期望具有高灵敏度和宽线性响应范围。
4.在以往的研究中，科研人员通过改变传感器的结构来提升传感器的性能。目前，柔性压力传感器已被用于监测细微的运动，如触觉传感，无创血压测量，以及大压力运动，如走路、跑步和跳跃。不同的应用对应不同的压力范围：体内压力和触诊心血管活动通常低于10kpa；血压监测设备的高压可达10kpa以上，人体足底压力可达100kpa以上。宽线性范围是传感器的一个重要特性，它可以在较宽的压力范围内保持高压分辨率，并简化数据处理和转换。当线性范围较小时，所施加的压力容易超出传感器的测量范围，导致压力测量失效，失去传感功能。为了扩大线性范围，韩国科学技术研究所d kwon等人研制了一种基于三维微孔介质弹性体的宽线性范围的柔性可穿戴压力传感器，将该传感器进行测试，当压力小于5kpa时，灵敏度仅为0.601kpa-1
，当压力大于30kpa时，灵敏度下降到0.077kpa-1
。因此，如何制备同时具备高灵敏度和宽线性范围性能的柔性传感器是一个巨大的挑战。
5.传统压力传感器的灵敏度受限于基底的低压缩性，因此，设计具有较高压缩性的微结构基底已被证明是提高灵敏度的有效途径。常用的方法是在设计巧妙的硅模具或激光蚀刻模具上浇铸，另一种常用的方法是模板法。通过上述方法，可制备高灵敏度传感器所需的微柱阵列、微金字塔阵列、微圆顶阵列、微锥体和圆锥形截锥状微结构的基底。在低压范围内，这些微结构可以有效地集中载荷，从而快速增加与载荷的接触面积，大幅提高灵敏度。然而，随着压力的增加，预先存在的接触区域中的增量变形和应力积聚会导致灵敏度下降，从而偏离线性度。


技术实现要素：

6.本发明提供了一种采用荷叶乳突微结构作为仿生模板，将其仿生微结构转印到柔性基底层，并采用电极层-基底层多层叠加的方法，设计并制备了一种柔性、灵敏、宽线性范围的压阻式压力传感器，用于解决上述背景技术中的问题。
7.一种具有荷叶微结构多层柔性压力传感器的制备方法，本技术方案是以荷叶乳突微结构作为仿生模板，将其仿生微结构转印到柔性基底层，并采用电极层-基底层多层叠加
的方法，将四层荷叶微结构pdms导电薄膜叠加在一起，以荷叶为模板，经过两次复制成型法，制备出具有高纵横比和低密度乳突状结构的微图案化pdms柔性基底，将金属银溅射到柔性基板上制备金属电极层，将导电铜胶带和不导电的普通胶带分别粘贴在柔性基底的两端，将四层带银电极的微结构pdms柔性基底粗糙表面面对面放置，粘结平整表面，粘有导电铜胶带的基底放置在同一端，再次用导电铜胶带将中间两层的粘有导电铜胶带的一端粘结，将铜线粘结在上下两层粘有导电铜胶带的一侧，最后用聚对苯二甲酸乙二醇酯将其进行封装，至此，制得具有荷叶微结构多层柔性压力传感器。
8.一种具有荷叶微结构多层柔性压力传感器的制备方法，具体工艺过程如下：
9.1)荷叶微结构pdms导电薄膜的制备：
10.a)将新鲜荷叶切成4
×
2.5cm2大小的长方形，选择大的扁平叶片，避免粗大叶脉，用去离子水洗涤3次，室温烘干，用双面胶带将烘干后的荷叶固定在玻璃基片上；
11.b)荷叶微结构pdms柔性膜的制备：将环氧树脂基料和固化剂按重量比3：1进行混合，机械搅拌至少10分钟，脱气后，将混合物倒在处理好的荷叶上，再次脱气，在室温下固化20小时，荷叶剥落后，制得负型荷叶微结构的环氧树脂模具，将道康宁dc184有机硅聚合体和交联剂按重量比10:1配制pdms溶液，搅拌15分钟，脱气后倒在负型环氧树脂模具上，再次脱气以促进pdms的浸润，放入80℃的干燥箱中固化2小时，具有荷叶微结构的pdms薄膜很容易从环氧树脂模具上剥离；
12.c)用全自动高性能离子溅射镀膜仪将金属银磁控溅射在微结构pdms薄膜上制备金属柔性电极，通过调节喷涂时间90s和喷涂电流30ma来控制导电金属银层的厚度，得到荷叶形微结构pdms导电薄膜；
13.2)柔性压力传感器的制备：
14.在荷叶微结构pdms导电膜的两端分别粘贴导电铜胶带和不导电的普通胶带，将有图案的pdms导电薄膜面对面堆叠在一起，其中，粘贴有导电铜胶带的薄膜与另一粘贴不导电普通胶带的薄膜堆叠在同一侧，将堆叠好的薄膜平整面通过胶水将其粘贴在一起，其中，将贴有导电铜胶带的薄膜放置在同一侧，最后，用导电铜胶带再次将中间两层粘贴有导电胶带的薄膜端再一次进行粘贴，使堆叠的四层薄膜具有良好的导电性，在上下两层的粘贴有导电胶带的一端分别粘贴导电铜线，再次用导电胶带将导电铜线固定，最后，用聚对苯二甲酸乙二醇酯将其封装，至此，制得表面具有荷叶图案的多层结构柔性压力传感器。
15.本发明的有益效果：
16.1)本发明的设计理念是将四层银-pdms薄膜堆叠在一起，在保证高灵敏度的同时，大大扩宽了压力线性范围，与传统的双层传感器相比，新型四层结构的银-pdms传感器具有优异的压敏性能，压力线性范围提高了一个数量级。
17.2)本发明所涉及多层柔性压阻式压力传感器的制备方法，采用简单的方法制备了性能优越的传感器，具有良好的灵敏度、稳定性、宽线性范围、低检测限、低制备成本、高鲁棒性等特点。该柔性压力传感器已被证实可用于检测手腕脉搏、颈动脉脉搏、声波等微小振动，还被用于测量大型运动，如行走、跑步和跳跃时的足底压力。
18.3)采用本发明方法所制备出的传感器既能识别声带振动、脉搏振动等微小的人体信号，其较宽的压力线性范围，还使其可以监测多种运动模式下较大的足底压力，这些显著的特性表明，该传感器在可穿戴电子设备、运动监测、健康监测，特别是在大压力范围的应
用中具有巨大的应用潜力，为生物医学、可穿戴设备、电子皮肤和人工智能等领域内，柔性传感器的设计与开发提供一种行之有效的新方法。
附图说明
19.图1是本发明具有荷叶微结构多层柔性压力传感器的制作示意图；
20.图2是扫描电镜下的具有荷叶微结构多层柔性压力传感器表面图像；
21.图3是四层和两层传感器的电阻变化图；
22.图4是传感器响应时间的电流变化图；
23.图5是1000次装卸载循环实验的电阻变化图；
24.图6是1v电压下颈动脉脉搏监测实时输出电流变化图；
25.图7是1v电压下桡动脉脉冲监测实时输出电流变化图；
26.图8是“hello”发声时声带振动监测实时输出电流变化图；
27.图9是检测人体步态的电阻变化图。
具体实施方式
28.请参阅图1至图9所示，下面将结合本发明实施例中的附图，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。
29.实施例1：
30.制备多层柔性压阻式压力传感器；
31.将新鲜荷叶切成4
×
2.5cm2大小，选择大的扁平叶片，避免粗大叶脉，用去离子水洗涤3次，室温烘干，用双面胶将荷叶带固定在平板玻璃基片上。
32.微结构pdms柔性膜的制备：将环氧树脂基料和固化剂按照重量比为3：1进行混合，机械搅拌至少10分钟，脱气后，将混合物倒在处理好的荷叶上，再次脱气，在室温下固化20小时，荷叶剥落后，得到负型环氧树脂模具，将道康宁dc184有机硅聚合体和交联剂按重量比10:1配制pdms溶液，搅拌15分钟，脱气后倒在负型环氧树脂模具上，再次脱气以促进pdms的浸润，放置在80℃的烘箱中固化2小时，便于微结构pdms薄膜从环氧树脂模具上剥离，由于环氧树脂模具是一种热固性材料，强度高，耐腐蚀，不变形；因此，环氧树脂模具可以长期使用，得到的聚二甲基硅氧烷基底层微结构形态稳定；
33.用全自动高性能离子溅射镀膜仪将金属银通过溅射涂层法在微结构pdms薄膜上制备柔性金属电极。通过调节喷涂时间90s和喷涂电流30ma来控制银膜的厚度，得到荷叶微结构pdms导电膜。
34.在荷叶微结构pdms导电膜的两端分别粘贴导电铜胶带和不导电的普通胶带，将有图案的荷叶微结构pdms导电薄膜面对面堆叠在一起，其中，粘贴有导电胶带的薄膜与另一粘贴不导电胶带的薄膜堆叠在同一侧，将堆叠好的薄膜平整面通过胶水将其粘贴在一起，其中，将贴有导电胶带的薄膜放置在同一侧，最后，用导电胶带再次将中间两层粘贴有导电胶带的薄膜端再一次进行粘贴，使堆叠的四层薄膜具有良好的导电性，在上下两层的粘贴有导电胶带的一端分别粘贴导电铜线，再次用导电胶带将导电铜线固定，最后，用聚对苯二
甲酸乙二醇酯将其封装，至此，制得表面具有荷叶微图案的多层结构柔性压阻式压力传感器。
35.实施例2
36.用万能试验机测试所制备传感器的传感性能。
37.为了研究四层荷叶微结构pdms电极叠加对传感性能的影响，制作了一种传统的两层微结构pdms电极传感器进行比较，用万能试验机测试传感器传感性能，将所制备的传感器两端的导电铜线连接在万能试验机的接口上。
38.在1v的电压下，设备垂直加载逐渐增加的压力，同时记录实时电流，如图3所示，相对电流的变化随着负载压力的增加而增加，观察到电流变化率随施加压力变化的两个线性区域。对于四层传感器，当施加压力小于30kpa时，器件的灵敏度达到2.525kpa-1
。在30kpa～312kpa的压力范围内，器件的灵敏度为0.172kpa-1
，相比之下，双层传感器在低于和高于34kpa的压力区域的灵敏度分别为0.525和0.006kpa-1
。由此可知，四层传感器的灵敏度比传统的两层传感器大5倍，四层传感器的压力线性范围比两层传感器提高了一个数量级。在四层结构中，是将四层荷叶微结构pdms电极层进行叠加。四层结构的压力测量范围高达312kpa，灵敏度也足够满足人体各部位和各种运动模式的压力测量，所以四层传感器的传感性能是足够的。与两层传感器相比，四层传感器可以在更大的压力下使接触面饱和，因此压力范围要大得多。同时，在相同压力下，四层传感器的接触面积越大，电流增大越大，灵敏度越高。
39.为了研究传感器的响应时间，用手指按压传感器的表面。如图4所示，传感器的电流在50ms的快速响应时间内迅速上升，相当于人体皮肤的响应时间(30-50ms)，然后保持在一个稳定值释放压力后，传感器电流随着短时间内的原件恢复状态约100ms内迅速下降，然后衰减到初始值。
40.为了测试所制备的多层柔性压力传感器的稳定性，在6kpa压力下进行1000次加载、卸载循环实验。实验结果如图5所示，显示了重复试验的三个阶段的信号，波形非常稳定，表明在1000次加卸载循环中没有出现疲劳，薄膜的金属表面没有明显的裂纹，表面的金属电极不易起球脱落，这表明所制备的传感器具有良好的稳定性和可靠性。
41.实施例3
42.利用所制备的传感器检测微小信号。
43.制备的传感器可作为穿戴设备，将传感器两端的导线连接在数字精密万用表的接口处。将传感器固定在脖子上，实时监测颈动脉脉搏，监测结果如图6所示，在6秒内约有8个峰值(～80次/min)。在单脉冲周期放大图中，可以清楚地分辨出冲击波(p1)、潮汐波(p2)和分异波(p3)的脉冲波形特征。
44.将传感器固定在手腕处，实时监测桡动脉的脉搏，检测结果如图7所示，在16秒内约有四个峰值(～80次/min)，在单脉冲周期放大图中，可以清晰地分辨出冲击波(p1)、潮汐波(p2)和分异波(p3)的脉冲波特征。
45.除了脉搏信号外，该传感器还可以检测到声带的振动。
46.将传感器固定在脖子喉咙处，实时监测发声带的震动，用英语说“hello”时的实时电流输出结果如图8所示，可以看出压力传感器可以产生具有高重复性和可识别性的强电流信号。通过放大“hello”峰值信号，右图中显示短语的波形略有变化。这个观察结果表明
压力传感器能够“识别”和“说话”。
47.上述实施例表明所制备的压力传感器可以很好地监测人体的微小运动。
48.实施例4
49.利用所制备的传感器监测人体步态。
50.此外，由于该传感器在宽线性范围内具有良好的稳定性和灵敏度，因此将该传感器应用于人体步态监测。成年男性(75公斤，穿8.5码鞋)在静态站立状态下足底压力平均约为35kpa，该传感器能在足底的持续压力下工作。我们首先在脚底和脚后跟分别安装一个多层柔性压力传感器(如图9a、b所示)。两个传感器分别连接两个数字万用表，同时检测缓慢行走时脚底压力引起的电流变化。图9为足底和足跟传感器电流变化的实时信号波形图，其中图9b为一个周期的变化图，波峰较高的曲线对应的是脚后跟产生的电流变化曲线，波峰较低的曲线对应的是脚底产生的电流变化曲线，从图中可看出该传感器具有良好的运动检测性能。