一种蜂窝状结构压力传感器的制作方法

本实用新型属于压力传感器，特别涉及一种蜂窝状结构压力传感器。

背景技术：

压力传感器(Pressure Transducer)是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置，其在医疗健康、智能家居、环境保护、安全生产、国防等领域发挥积极的作用。

近年来，随着电子信息技术、材料技术的不断发展，智能可穿戴设备迅速兴起并得到了极大的提高，在方便人们生活的同时，也为信息技术的发展开辟了新的领域。可用于医疗健康领域的可穿戴式压力传感器受到人们的广泛关注。可穿戴式压力传感器要求柔软、轻便、舒适，有机薄膜如PDMS、PET等满足上述要求，然而，这些有机薄膜通常是不导电的，因此，为了获得良好的电学性能，会在PDMS中掺入金属纳米线、碳纳米管、石墨烯等。但是，这类压力传感器普遍存在灵敏度低可测范围小等问题，在应用上也受到了一定的限制。为了克服上述问题，现有技术中，研究人员也尝试在PDMS引入各种微结构，例如复制丝绸的微结构、荷叶的微结构、纳米级倒金字塔结构、纳米柱、纳米长条阵列等等，而这些微结构均存在缺陷，如复制丝绸的微结构、荷叶的微结构，由于微结构过于粗大，均一性差，器件灵敏度还需要进一步提高。纳米级倒金字塔结构、纳米柱、纳米长条阵列，抗褶皱性能较差。

综上，需要开发一种具有良好灵敏度和耐褶皱性能的可穿戴的压力传感器，以适应市场的需要。

技术实现要素：

针对现有技术存在的问题，本实用新型提供了一种蜂窝状结构压力传感器。

为了实现上述目的，本实用新型采用以下技术方案：

一种蜂窝状结构压力传感器，包括依次排列的第一薄膜层1、第一氧化铟锡层2、第一 Ag纳米线层3、PDMS和/或有机硅弹性体层4、第二Ag纳米线层5、第二氧化铟锡层6、第二薄膜层7；其中，所述PDMS和/或有机硅弹性体层4的上、下面为蜂窝状结构，Ag纳米线分布在PDMS和/或有机硅弹性体层的上表面和下表面。所述PDMS和/或有机硅弹性体层 4的上面的蜂窝状结构中的凹孔与下面的蜂窝状结构中的凹孔的位置可以是呈上下对称，也可以是相互错开的，优选上面的蜂窝状结构中的凹孔与下面的蜂窝状结构中的凹孔是相互错开，在压力的作用下，更有利于蜂窝状结构的变形，进而提高压力传感器的灵敏性，以及抗褶皱性。

优选地，所述PDMS和/或有机硅弹性体层4的上、下面上的凹孔的顶部边长为 400-2500nm，底部边长为200-1000nm；顶部线宽5-80nm，底部线宽30-500nm。其中，所述凹孔的顶部均是指靠近ITO层的一侧。

优选地，所述PDMS和/或有机硅弹性体层4的上、下面上的凹孔的高度为1-20μm。所述PDMS和/或有机硅弹性体层的上、下面上的凹孔的高度是指凹孔的顶部到凹孔的底部的距离。优选地，所述PDMS和/或有机硅弹性体层的上、下面上相对的2个凹孔的底部之间的距离为40-200μm。

优选地，所述PDMS和/或有机硅弹性体层的厚度为42-240μm。所述PDMS和/或有机硅弹性体层的厚度是指所述PDMS和/或有机硅弹性体层的上、下面上相对的2个凹孔的顶部之间的距离。

优选地，所述第一薄膜层1和第二薄膜层7为PET、PI、PU、PEN或PC。

优选地，所述第一薄膜层1和第二薄膜层7的厚度为200-700μm。所述第一薄膜层1和第二薄膜层7的厚度可以相同，也可以不同；优选第一薄膜层1与第二薄膜层7的厚度相同。

优选地，所述第一氧化铟锡层2和第二氧化铟锡层6的厚度分别为80-200nm。其中，所述第一氧化铟锡层2和第二氧化铟锡层6是分别镀覆在第一薄膜层1和第二薄膜层7上。所述第一氧化铟锡层2和第二氧化铟锡层6的的厚度可以相同，也可以不同；优选第一氧化铟锡层2与第二氧化铟锡层6的厚度相同。

优选地，所述第一Ag纳米线层3和第二Ag纳米线层5的厚度分别为50-900nm。所述第一Ag纳米线层3和第二Ag纳米线层5的厚度可以相同，也可以不同；优选第一Ag纳米线层3与第二Ag纳米线层5的厚度相同。

进一步优选地，所述Ag纳米线的直径为10-150nm。

优选地，所述压力传感器包括第一引出电极8和第二引出电极9。所述引出电极为Cu箔，它们分别固定在第一氧化铟锡层2和第二氧化铟锡层6上，并与Ag纳米线连接。

上述蜂窝状结构压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备模具，所述模具上均匀分布有棱台状凸起，其顶部边长为200-1000nm，底部边长为400-2500nm；顶部线宽为30-500nm，底部线宽为5-80nm；

(2)在模具上均匀涂覆Ag纳米线；

(3)在经过步骤(2)处理的模具上均匀涂覆PDMS和/或有机硅弹性体，其中，使所述 PDMS和/或有机硅弹性体填满模具上的凹坑，并且PDMS和/或有机硅弹性体的上表面到棱台状凸起的上表面的距离为20-100μm，得到粗产品A；

(4)重复步骤(1)-(3)，得到粗产品B；

(5)采用机械压印技术，将粗产品A和粗产品B上的PDMS和/或有机硅弹性体相接合；

(6)固化，脱模，得到Ag纳米线增强的上、下面同时具有蜂窝状结构的PDMS和/或有机硅弹性体层；

(7)将镀有氧化铟锡(ITO)的薄膜分别封装在PDMS和/或有机硅弹性体层的上、下面上；

(8)分别在ITO上引出两个电极，即得所述蜂窝状结构压力传感器。

所述电极为Cu箔，它们分别固定在第一氧化铟锡层2和第二氧化铟锡层6上，并与Ag 纳米线连接。

本实用新型的有益效果：

(1)本实用新型的压力传感器具有蜂窝状微纳结构，具有稳定性好、灵敏度高、抗褶皱能力强等特点，提高压力传感器的寿命；

(2)Ag纳米线进入微纳结构当中，一旦微纳结构发生变形，即可迅速产生响应，有利于提高器件的响应的灵敏度；

(3)本实用新型的压力传感器成本低、无毒无污染，绿色环保；同时，其制备工艺简单，适合批量生产，具有极高的市场价值；

(4)本实用新型的压力传感器轻薄、柔软，可用于新型可穿戴设备，具有极高的市场价值和产业化潜力。

附图说明

图1为本实用新型的蜂窝状结构压力传感器的截面示意图；

图2为PDMS和/或有机硅弹性体层的俯视图。

具体实施方式

现以以下实施例来说明本实用新型，但不用来限制本实用新型的范围。实施例中使用的手段，如无特别说明，均使用本领域常规的手段。

实施例1

一种蜂窝状结构压力传感器，包括依次排列的第一薄膜层1、第一氧化铟锡层2、第一 Ag纳米线层3、PDMS层、第二Ag纳米线层5、第二氧化铟锡层6、第二薄膜层7，所述第一薄膜层1为PET，所述第二薄膜层7为PET；其中，所述PDMS层的上、下面均为蜂窝状结构，Ag纳米线分别分布在PDMS层的上表面和下表面上。所述PDMS层的上面的蜂窝状结构中的凹孔与下面的蜂窝状结构中的凹孔的位置相对称，凹孔均为顶部边长为1500nm，底部边长为300nm；顶部线宽为30nm，底部线宽为100nm。凹孔的高度为10μm。所述PDMS 层的上、下面上相对称的2个凹孔的底部之间的距离为120μm。所述PDMS层的厚度为140 μm。所述第一薄膜层1和第二薄膜层7的厚度分别为500μm。所述第一氧化铟锡层2和第二氧化铟锡层6的厚度分别为150nm。所述第一Ag纳米线层3和第二Ag纳米线层5的厚度分别为400nm。其中，所述，Ag纳米线的直径为50nm。所述压力传感器包括第一电极8和第二电极9。所述电极为Cu箔，它们分别固定在第一氧化铟锡层2和第二氧化铟锡层6上，并与Ag纳米线连接。

上述蜂窝状结构压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备模具，所述模具上均匀分布有棱台状凸起，其顶部边长为300nm，底部边长为 1500nm；顶部线宽为100nm，底部线宽为30nm；

(2)在模具上均匀涂覆Ag纳米线；

(3)在经过步骤(2)处理的模具上均匀涂覆PDMS，其中，使所述PDMS填满模具上的凹坑，并且PDMS的上表面到棱台状凸起的上表面的距离为60μm，得到粗产品A；

(4)重复步骤(1)-(3)，得到粗产品B；

(5)采用机械压印技术，将粗产品A和粗产品B上的PDMS相结合；

(6)固化，脱模，得到Ag纳米线增强的上、下两面同时具有蜂窝状结构的PDMS层；

(7)将镀有氧化铟锡(ITO)的薄膜分别封装在PDMS层的上、下面上；

(8)使用Cu箔作为引出电极，即得所述蜂窝状结构压力传感器。

实施例2

参见图1，一种蜂窝状结构压力传感器，包括依次排列的第一薄膜层1、第一氧化铟锡层 2、第一Ag纳米线层3、PDMS层、第二Ag纳米线层5、第二氧化铟锡层6、第二薄膜层7，所述第一薄膜层1为PET，所述第二薄膜层7为PET；其中，所述PDMS层的上、下面均为蜂窝状结构，Ag纳米线分别分布在PDMS层的上表面和下表面上。所述PDMS层的上面的蜂窝状结构中的凹孔与下面的蜂窝状结构中的凹孔的位置相错开。所述PDMS层的上、下面上的凹孔均为顶部边长为1500nm，底部边长为300nm；顶部线宽30nm，底部线宽100nm。凹孔的高度为10μm。所述PDMS层的上、下面上相对称的2个凹孔的底部之间的距离为 120μm。所述PDMS层的厚度为140μm。所述第一薄膜层1和第二薄膜层7的厚度分别为 500μm。所述第一氧化铟锡层2和第二氧化铟锡层6的厚度分别为150nm。所述第一Ag纳米线层3和第二Ag纳米线层5的厚度分别为400nm。其中，所述，Ag纳米线的直径为50nm。所述压力传感器包括引出第一电极8和第二引出电极9。所述引出电极为Cu箔，它们分别固定在第一氧化铟锡层2和第二氧化铟锡层6上，并与Ag纳米线连接。

上述蜂窝状结构压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备模具，所述模具上均匀分布有棱台状凸起，其顶部边长为300nm，底部边长为 1500nm；顶部线宽为100nm，底部线宽为30nm；

(2)在模具上均匀涂覆Ag纳米线；

(3)在经过步骤(2)处理的模具上均匀涂覆PDMS，其中，使所述PDMS填满模具上的凹坑，并且PDMS的上表面到棱台状凸起的上表面的距离为60μm，得到粗产品A；

(4)重复步骤(1)-(3)，得到粗产品B；

(5)采用机械压印技术，将粗产品A和粗产品B上的PDMS相结合；

(6)固化，脱模，得到Ag纳米线增强的上、下面上同时具有蜂窝状结构的PDMS层；

(7)将镀有氧化铟锡(ITO)的薄膜分别封装在PDMS层的上、下面上；

(8)使用Cu箔作为引出电极，即得所述蜂窝状结构压力传感器。

分别使用阻抗分析仪和半导体参数分析仪测试实施例1和实施例2的压力传感器，在相同的作用力下(26KPa)，实施例1和实施例2的压力传感器的响应值分别为50和58。与实施例1的压力传感器相比，实施例2的压力传感器的响应值提高了10-20％。此外，实施例1的压力传感器的响应时间为60ms，而实施例2的响应时间为45ms。由此可知，压力传感器中PDMS层的上面的蜂窝状结构中的凹孔与下面的蜂窝状结构中的凹孔的位置相错开(如实施例2)性能优于PDMS层的上面的蜂窝状结构中的凹孔与下面的蜂窝状结构中的凹孔的位置相对称(如实施例1)。

实施例3

一种蜂窝状结构压力传感器，包括依次排列的第一薄膜层1、第一氧化铟锡层2、第一 Ag纳米线层3、PDMS层、第二Ag纳米线层5、第二氧化铟锡层6、第二薄膜层7，所述第一薄膜层1为PET，所述第二薄膜层7为PET；其中，所述PDMS层的上、下面均为蜂窝状结构，Ag纳米线分别分布在PDMS层的上表面和下表面上。所述PDMS层的上面的蜂窝状结构中的凹孔与下面的蜂窝状结构中的凹孔的位置相错开，所述PDMS层的上、下面上的凹孔均为顶部边长为400nm，底部边长为200nm；顶部线宽5nm，底部线宽30nm。凹孔的高度为1μm。所述PDMS层的上、下面上相对称的2个凹孔的底部之间的距离为40μm。所述PDMS 层的厚度为42μm。所述第一薄膜层1和第二薄膜层7的厚度分别为200μm。所述第一氧化铟锡层2和第二氧化铟锡层6的厚度分别为80nm。所述第一Ag纳米线层3和第二Ag纳米线层5的厚度分别为50nm。其中，所述，Ag纳米线的直径为10nm。所述压力传感器包括第一引出电极8和第二引出电极9。所述引出电极为Cu箔，它们分别固定在第一氧化铟锡层 2和第二氧化铟锡层6上，并与Ag纳米线连接。

上述蜂窝状结构压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备模具，所述模具上均匀分布有棱台状凸起，其顶部边长为200nm，底部边长为 400nm；顶部线宽为30nm，底部线宽为5nm；

(2)在模具上均匀涂覆Ag纳米线；

(3)在经过步骤(2)处理的模具上均匀涂覆PDMS，其中，使所述PDMS填满模具上的凹坑，并且PDMS的上表面到棱台状凸起的上表面的距离为20μm，得到粗产品A；

(4)重复步骤(1)-(3)，得到粗产品B；

(5)采用机械压印技术，将粗产品A和粗产品B上的PDMS相结合；

(6)固化，脱模，得到Ag纳米线增强的上、下面上同时具有蜂窝状结构的PDMS层；

(7)将镀有氧化铟锡(ITO)的薄膜分别封装在PDMS层的上、下面上；

(8)使用Cu箔作为引出电极，即得所述蜂窝状结构压力传感器。

实施例4

一种蜂窝状结构压力传感器，包括依次排列的第一薄膜层1、第一氧化铟锡层2、第一 Ag纳米线层3、PDMS层、第二Ag纳米线层5、第二氧化铟锡层6、第二薄膜层7；其中，所述PDMS层的上、下面均为蜂窝状结构，Ag纳米线分别分布在PDMS层的上表面和下表面上。所述PDMS层的上面的蜂窝状结构中的凹孔与下面的蜂窝状结构中的凹孔的位置相错开，所述PDMS层的上、下面上的凹孔均为顶部边长为2500nm，底部边长为1000nm；顶部线宽80nm，底部线宽500nm。凹孔的高度为20μm。所述PDMS层的上、下面上相对称的2 个凹孔的底部之间的距离为200μm。所述PDMS层的厚度为240μm。所述第一薄膜层1和第二薄膜层7的厚度分别为700μm。所述第一氧化铟锡层2和第二氧化铟锡层6的厚度分别为 200nm。所述第一Ag纳米线层3和第二Ag纳米线层5的厚度分别为900nm。其中，所述， Ag纳米线的直径为10nm。所述压力传感器包括第一引出电极8和第二引出电极9。所述引出电极为Cu箔，它们分别固定在第一氧化铟锡层2和第二氧化铟锡层6上，并与Ag纳米线连接。

上述蜂窝状结构压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)制备模具，所述模具上均匀分布有棱台状凸起，其顶部边长为1000nm，底部边长为2500nm；顶部线宽为500nm，底部线宽为80nm；

(2)在模具上均匀涂覆Ag纳米线；

(3)在经过步骤(2)处理的模具上均匀涂覆PDMS，其中，使所述PDMS填满模具上的凹坑，并且PDMS的上表面到棱台状凸起的上表面的距离为100μm，得到粗产品A；

(4)重复步骤(1)-(3)，得到粗产品B；

(5)采用机械压印技术，将粗产品A和粗产品B上的PDMS相结合；

(6)固化，脱模，得到Ag纳米线增强的上、下两面同时具有蜂窝状结构的PDMS层；

(7)将镀有氧化铟锡(ITO)的薄膜分别封装在PDMS层的上、下面上；

(8)使用Cu箔作为引出电极，即得所述蜂窝状结构压力传感器。