一种穿戴式柔性压力传感器及其制备方法与流程

本发明属于柔性电子与传感器技术领域，更具体地，涉及一种穿戴式柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术：

随着电子信息技术的发展，可穿戴式智能设备已逐步走进人们的生活，能够实时地监测人体的运动、健康等信息，极大地方便和丰富了我们的生活。但是，目前的可穿戴式智能设备却几乎没有测量压力的模块，无法直接测量人体的一些压力信号，比如人体脉搏的跳动(反映人体的心率、血压等健康信息)。目前的可穿戴式智能设备，如37度智能手环大多都是采用光学测量的方式，对人体的血压信息进行估算，另外也极大地受到环境光、肤色等因素的影响。另外，目前的可穿戴式智能设备大多都是硬质的测量模块加橡胶的表带的半柔性设计，不能很好地适应人体表皮的舒适性穿戴。专利【CN103582451A】采用光传感器测量脉搏，无法直接测量压力信号；专利【CN204147018U】虽然能测压力，但是还包含气囊、处理器等部件，装置复杂，体积过大；专利【CN203619542U】虽然是超薄型脉搏传感器，但是传感器整体厚度还是较大，且器件完全非柔性，影响佩戴的舒适性，并且该传感器的过载能力不强，适应性和使用寿命有限。总的来说，这些传感器都有着体积过大、非柔性、过载能力不够、适应性不强的特点无法应用于可穿戴电子设备。

针对上述技术问题，目前还没有看到一种体积小巧、柔韧性好且适应性强的压力传感器，如何解决上述技术难点，设计种适合穿戴的压力传感器，使其能够准确地测量到人体的压力信号，且适合长期佩戴使用，是本发明要解决的问题。

技术实现要素：

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提出了一种穿戴式柔性压力传感器及其制备方法。该穿戴式柔性压力传感器包括上支撑基体，超柔软Ecoflex压力探测头，PVDF压电薄膜，阵列化微凸台支撑结构，下支撑基体五个部分。脉搏跳动力使超柔软Ecoflex压力探测头发生变形，进而压迫PVDF压电薄膜发生变形而输出电学信号。本发明提出采用超柔性探头来完成对微小的脉搏跳动力的灵敏感知的方案，极大程度地减小了柔性压力传感器的整体厚度，提高了其柔性，使其适合穿戴使用。这种超柔性探头加鼓形基体能很灵敏地感知测量到人体的微弱的脉搏跳动力，解决了穿戴智能设备中无法测量压力信号、非柔性的问题。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种穿戴式柔性压力传感器，其特征在于，其包括上支撑基体、压力探头和下支撑基体，

所述下支撑基体为中间凹陷的圆盘结构，该下支撑基体的凹陷区域放置有支撑结构，所述支撑结构表面设置有阵列化微凸台，所述压力探头套设在所述下支撑基体外部，所述压力探头和支撑结构之间设置有一压电薄膜，

所述上支撑基体套设在压力探头外部，所述压力探头的中间有凸出结构，所述压力探头的凸出结构从上支撑基体上端的开孔中穿出，略高于所述上支撑基体，以探测外部压力。

优选地，所述上支撑基体和下支撑基体均用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料浇铸而成，所述压力探头和支撑结构均采用超软铂催化硅橡胶(Ecoflex)材料制备而成，所述压电薄膜采用聚偏氟乙烯(PVDF)材料制备而成。

优选地，所述支撑结构先采用光的衍射效应对厚光刻胶光刻显影，制备出具有阵列化微凸台的支撑结构的微模具，再采用制得的微模具利用Ecoflex材料浇铸得到所述支撑结构。

优选地，所述压力探头和下支撑基体上设置有一引线接出口，将与压电薄膜连接的引线从该引线接出口中引出。

优选地，所述压电薄膜厚30μm，所述穿戴式柔性压力传感器的整体厚度为3mm。

较多的比较试验表明，上下基体均用硅胶材料PDMS材料浇铸而成，压力探头用杨氏模量更小、超柔软超弹性的Ecoflex材料浇铸而成能够提高压电传感器的测量精确度和佩戴舒适性。由PDMS制备的上下基体对整个器件而言是柔性的，但是相对于更柔软的Ecoflex硅胶压力探头和微弱的脉搏跳动力而言，由PDMS制备的上下基体又是相对“硬质”的支撑基体。阵列化微凸台支撑结构也是使用Ecoflex材料。PVDF压电薄膜厚30μm，也有一定的柔性。整个器件均用柔性材料制成，总厚度3mm左右，因而具有一定的柔性，能够很好地通过自身的一定变形而贴在人体皮肤上，从而准确地测量人体脉搏。

按照本发明的另一方面，提供了一种如上所述的穿戴式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：

S1.配置PDMS和Ecoflex溶液，将PDMS溶液浇铸到上支撑基体和下支撑基体对应的模具中，将Ecoflex溶液浇铸到压力探头对应的模具中，将上述模具放入真空干燥箱100度加热20分钟，制备出上支撑基体、压力探头和下支撑基体；

S2.将压电薄膜切割成设计尺寸大小，同时配置好导电银胶，然后用导电银胶将上下两极的引出线粘接在压电薄膜上，在室温下固化24小时；

S3.在洗净干燥后的硅片上旋涂光刻胶，将旋涂有光刻胶的硅片放置在热板上固化，然后透过掩膜版对硅片上旋涂的光刻胶曝光，经显影液显影后，硅片上的光刻胶形成阵列化的圆形微凸台结构，以此为模具，浇铸步骤S1中配置好的Ecoflex溶液，制备出具有阵列化的微凸台的支撑结构；

S4.将步骤S1-S3中制备出的各个组件进行组装，并将压电薄膜的引线从引线接出口中引出，制得穿戴式柔性压力传感器。

进一步优选地，在步骤S1中，配置PDMS溶液时，将预聚体和固化剂两种组分按照10:1的质量比混合后充分搅拌，再通过抽真空将PDMS溶液内部的气泡抽到溶液表面，静置30min等待气泡破裂即可使用。

进一步优选地，在步骤S1中，配置Ecoflex溶液时，预聚物和交联剂的质量比为1:1，然后经过充分搅拌、抽真空、静置后待用。

进一步优选地，在步骤S3中，旋涂有光刻硅的硅片的固化温度为110°，固化时间为60S，曝光时采用紫外光。

具体地，利用精密数控加工技术制备尺寸精度、表面粗糙度较高的模具，包括下基体、上基体和压力探头这三种模具。再通过浇铸两种不同杨氏模量的弹性材料完成上下基体和压力探头的制备。利用光的衍射效应对厚光刻胶(采用AZ4620)光刻显影，制备出阵列化微凸台支撑结构的微模具，再用Ecoflex浇铸得到阵列化微凸台支撑结构。再将各部分组装起来，用胶固定好，即完成穿戴式柔性压力传感器的制备。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，具有以下优点和有益效果：

(1)本发明采用超柔性探头来完成对微小的脉搏跳动力的灵敏感知的方案，采用带有中空腔体的PDMS(聚二甲基硅氧烷)基体上的PVDF(聚偏氟乙烯)压电薄膜接收Ecoflex(超软铂催化硅橡胶)探头测量到的微小压力，从而转换成电荷输出。其中，基体的中空部分由阵列化微凸台支撑结构构成，既有助于PVDF压电薄膜在卸载后回复初始状态，又提高了传感器的使用寿命和过载能力，另一方面极大程度地减小了柔性压力传感器的整体厚度，从而进一步地提高了其柔性。这种超柔性探头加鼓形基体能很灵敏地感知测量到人体的微弱的脉搏跳动力，解决了可穿戴智能设备中无法测量压力信号、非柔性的问题。

(2)本发明所设计的超柔软Ecoflex压力探头的杨氏模量比上下基体低了两个数量级，极易发生变形。用于测脉搏时，脉搏跳动的能量主要被压力探头所吸收，探头通过变形将压力传递到下方张紧的PVDF压电薄膜上，从而有较大的电学信号输出。本发明解决了一些薄膜式表皮电子传感器中能量损失严重，信号幅值微弱的问题，能够测量比较微小的压力信号，且有着较大幅值(几百毫伏)的电压输出。

(3)本发明所设计的阵列化的微凸台支撑结构，不仅能够起到辅助PVDF压电薄膜在外力撤去后回复到初始未变形的状态，提高测量的精度和灵敏度；还能够在外力过大时，通过自身的变形支撑PVDF，保证PVDF不会因为变形过大而破裂，从而大大提高了器件的使用寿命和过载能力。

(4)本发明所设计的穿戴式柔性压力传感器整体是柔性的，十分适合人体表皮的舒适性佩戴。本传感器能非常灵敏地测量比较微小的压力，比如作为脉搏传感器测量人体脉搏跳动的压力。另一方面，本传感器由于有着优秀的过载能力，所以还能作为能量捕获器使用，用于对其他可穿戴电子设备功能。

附图说明

图1为本发明设计的穿戴式柔性压力传感器的整体结构图和爆炸图。

图2为本发明设计的穿戴式柔性压力传感器的半剖结构图。

图3为本发明的制备工艺流程图。

图4为本发明中关键结构阵列化微凸台结构的制备工艺示意图。

图5为本发明应用在无线智能手环中测量人体脉搏血压信号的场景示意图。

图6为本发明的另一扩展应用，作为能量捕获器为可穿戴电子设备(如智能鞋垫)供能的示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

1-上支撑基体，2-压力探头，3-压电薄膜，4-支撑结构，5-下支撑基体，6-引线接出口，7-穿戴式柔性压力传感器，8-柔性无线PCB电路，9-智能鞋垫。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。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。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

本发明所设计的穿戴式柔性压力传感器的整体结构如图1所示，主要包括5个部分。1和5是用PDMS浇铸在精密模具里制备而成的上下基体，起到固定、支撑和封装的作用；2是用杨氏模量极小的Ecoflex材料浇铸在精密模具里制备而成的超柔软的压力探头，起到压力传递的作用，可以将比较微弱的压力传递到传感器的感芯上，有效地减小了能量的损失；3是PVDF压电薄膜，当收到外界压力作用而产生应变时，由于压电效应能在其表面产生极化的电荷，从而有电信号输出，是整个传感器的感芯部分；4是通过光刻工艺制备而成的阵列化的微凸台支撑结构，对PVDF压电薄膜起支撑作用，同时对电学输出信号影响不大。

如图2所示为本发明所设计的穿戴式柔性压力传感器沿图1中A-A方向的半剖截面图。4(阵列化微凸台结构)与5(传感器的下支撑基体)之间采用强粘接，5与3(PVDF压电薄膜)之间采用具有超强粘性的硅胶粘硅胶专用胶水(康利邦)粘接，既能保证二者完全贴合，又有一定的柔性。从而形成一个鼓形结构，PVDF压电薄膜就像张紧的鼓面，对微小的压力比较敏感。

但是当压力信号过小(如脉搏跳动力)时，能量大多时候会被其他部分吸收掉，比如同样是弹性材料制作的上下支撑基体，而PVDF压电薄膜所承受的应变非常小，信号输出幅值过低。因此，设计一个容易变形的压力探头2，用来传递压力。2与3之间也采用专用胶水粘接，再由1和5之间的过盈配合和最后用专用胶水封装再一次压紧，保证二者能同步变形。当整个传感器贴到手腕处时，因为压力探头2比上基体1要突出一部分，且2的样式模量比1要低两个数量级，脉搏跳动的压力就主要作用于2上，2极易变形，瞬间通过自身形变将压力传递给下方的PVDF压电薄膜，压电薄膜由于下方是中空的结构，所以也发生变形，变形产生的大应变使得传感器有一个较大的电学信号输出。当压力撤去时，微凸台结构4的回复变形使PVDF也回到初始状态。这即是本发明测量脉搏跳动等微小力时的测量原理。

另一方面，若当外界载荷力过大时，如果没有阵列化的微凸台结构4，PVDF压电薄膜会直接接触到下基体5的空腔底部，而依靠3自身的材料特性难以回复原状，器件由此损坏。因此，设计阵列化微凸台结构4非常关键，不仅能够起到辅助PVDF压电薄膜在外力撤去后回复到初始未变形的状态，提高测量的精度和灵敏度；还能够在外力过大时，通过自身的变形支撑PVDF，保证PVDF不会因为变形过大而破裂，从而大大提高了器件的过载能力和使用寿命。

本发明所设计的穿戴式柔性压力传感器的制备工艺流程图如图3所示，制备详细过程如下：

(1)制备高精度的1、2、5的模具。由于零件的尺寸较小(1的总厚度3mm，2总高3.5mm、下部分高2mm、壁厚1mm5的总厚度2mm、空腔深度1mm)而精度又要求较高，所以选择数控加工保证精度，通过表面处理保证模具的表面粗糙度。另一方面配置PDMS(道康宁硅橡胶)和Ecoflex(Smooth onEcoflex)溶液。配置PDMS溶液时，将预聚体A和固化剂B两种组分按照10:1的质量比混合后充分搅拌，再通过抽真空将PDMS溶液内部的气泡抽到溶液表面，静置30min等待气泡破裂即可使用。配置Ecoflex溶液时，预聚物C和交联剂D的质量比为1:1，类似地搅拌、抽真空、静置备用。然后将PDMS溶液浇铸到1和5对应的模具中，将Ecoflex溶液浇铸到2对应的模具中，真空干燥箱100度加热20分钟即完成上基体1、压力探头2和下基体5的制备。

(2)用精密切割机将购买的商用的PVDF压电薄膜(锦州科信电子)切割成设计尺寸大小，再配置好导电银胶(南京中贝电子)，先将A组分充分搅拌，再按A、B组分10:1的质量比混合，再次搅拌均匀即可)，然后用导电银胶粘接好PVDF上下两极的引出线，室温24小时固化即可。

(3)用光刻法制备阵列化的微凸台支撑结构，具体工艺流程图如图4所示。首先在洗净干燥后的硅片上旋涂AZ4620光刻胶(正胶、厚胶，或用SU-8光刻胶)，热板110度固化60s，然后用紫外灯透过掩膜版对硅片上旋涂的光刻胶曝光。由于光的衍射效应，紫外光遇到掩膜版上圆形的不透光区域阻挡时，以该圆形阻挡物为中心，向四周扩散，呈环形向下传播，因此光刻胶中被紫外灯找到的是一个个的圆台状的区域。经显影液显影后，硅片上的光刻胶就出现了阵列化的圆台结构。以此为模具，浇铸(1)中配置的Ecoflex溶液，就制备出了阵列化的微凸台支撑结构。

(4)制备好各部分组件后，如图1所示，先将4的下表面与5的空腔底部强粘接在一起，再将3张紧粘贴在5的上表面，再将2与3贴紧，最后安装1，通过1与5之间的过盈配合再次将2、3、5的外圈固定在一起，压电薄膜3的引线从小孔6中引出，这样就完成了本发明所设计的穿戴式柔性压力传感器的制备和安装。

由于本发明所设计的传感器采用的材料都是柔性的，传感器的整体厚度又较薄(3mm左右)，所以传感器整体是柔性的，能做一定的弯曲和变形，非常适合与可穿戴电子设备集成，能很好地满足人体表皮的舒适性佩戴。另一方面，由于阵列化微凸台支撑结构4使得传感器的过载能力和使用寿命大大提高，而对电学输出信号影响不大。所以，本发明所设计的可穿戴式柔性压力传感器不仅仅能用来测量压力，还能当做能量捕获器使用，为其他可穿戴电子设备功能。

如图5所示为所设计的穿戴式柔性压力传感器与柔性PCB电路相结合所构成的柔性手环。由于传感器7整体是柔性的，能通过自身变形与FPCB和人体表皮很好地贴合在一起，使佩戴者有着极舒适的体验。另外，上基体1和下基体5虽然也是柔性的，但在用于测量脉搏跳动这种微弱的力时，由于其弹性模量比更柔软的压力探头2要高了两个数量级，且2的形状和位置比1更能捕获到脉搏跳动力，所以脉搏跳动只会让2产生变形，而1和5几乎不变形。即“柔性”的1和5在此处又充当着“硬质”的支撑体的作用，使得PVDF压电薄膜能灵敏的接受压力探头2所传递的压力信号，从而有一个较大的电学信号输出。然后FPCB就可以直接将测量发送到手机智能终端上，这样测试者就能够通过手机上的APP实时地监测自己的脉搏信息。

如图6所示，为传感器与智能鞋垫结合在一起。人走路时，脚的压力施加于柔性压力传感器上，使得传感器有一个非常大的电压输出，再通过智能鞋垫上的电路可以对压力传感器捕获到的电压能量进行充能和储能，就可以对其他可穿戴电子设备进行供能了，解决了可穿戴电子设备外加电源过大和续航能力不足的问题。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。