一种柔性压阻传感器的制作方法

本发明涉及到了柔性压阻传感器，属于智能控制领域。

背景技术：

伴随着科技的不断发展，柔性压阻传感器在当代工业和民用领域发挥着重大的作用，比如：大型设备狭窄的曲面间受力情况测定、柔性电子皮肤和仿生机器触觉等领域。高分子复合材料表面微结构的研究，对于提高其压阻特性上起到了至关重要的作用。但是，传统的表面微结构的灵敏度无法胜任大灵敏度需求的场合。制备一款高灵敏度的压阻传感器势在必行。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有技术的不足，而提供一种柔性压阻传感器。

为到达到上述功能，本发明是通过以下技术方案实现的：一种柔性压阻传感器，所述柔性压阻传感器包括两个膜组件，所述膜组件由pdms和涂覆在pdms正面的rgo层构成，该膜组件正面具有与240目砂纸表面相同的峰脊结构；两个膜组件正面相对，其峰脊结构相互接触。

进一步地，柔性压阻传感器的信号输出是通过两个铜电极实现的，铜电极通过银胶粘贴于rgo层，两个铜电极关于膜组件中心对称。

进一步地，两个膜组件封装在pdms内。

进一步地，通过如下步骤制备得到：

(1)将240目砂纸剪裁成贴合部分的大小尺寸；

(2)将正庚烷，乙酸乙酯，十八烷基三甲氧基硅氧烷按照1000:50:20的质量比配置成疏水处理溶液，将步骤(1)所述的砂纸浸泡在该溶液中2小时，进行疏水处理；

(3)将pdms与交联剂按10:1质量比混合均匀后，反复真空除气泡，旋涂在步骤(2)中疏水处理后的砂纸表面；将涂有pdms的砂纸放在鼓风干燥机中，60℃加热2小时；固化后，在水中剥离砂纸，得到具有峰脊结构的pdms；

(4)对步骤(3)中获得的具有峰脊微结构的pdms表面进行氧等离子处理，增加其表面亲水性；

(5)将步骤(4)中氧等离子处理后的具有峰脊微结构的pdms反复涂抹rgo溶液。待溶液干燥后进行组装，获得具有峰脊结构的柔性压阻传感器。

进一步地，所述rgo溶液的浓度为1mg/ml。

进一步地，所述rgo层的厚度大约在500μm左右。

本发明方法的优点在于：本发明采用两个正面相对且表面具有特殊结构(近似正态分布式的峰脊结构)的膜组件构建柔性压阻传感器，相比于传统的表面微结构规则的柔性压阻传感器具有更高的灵敏度。

附图说明

图1是传感器峰脊微结构图；

图2为金字塔矩阵(图2a)、半球体矩阵(图2b)、圆柱体矩阵(图2c)以及峰脊结构的膜组件构成的柔性压阻传感器分别进行电阻变化率的测试结果(2d)。

图3是本发明峰脊结构的膜组件构成的柔性压阻传感器的工作原理图。

具体实施方式

本发明提供一种柔性压阻传感器，柔性压阻传感器包括两个膜组件，如图1所示，所述膜组件由pdms和涂覆在pdms正面的rgo层构成，该膜组件是以240目砂纸(gb/t9258-2000)为模板制备得到，其正面具有峰脊结构，各个峰脊高度不同，但整体高度分布近似呈正态分布；两个膜组件正面相对，部分峰脊接触，部分峰脊不接触，；

当两个膜组件之间在外力作用下发生相对移动，后接触的峰脊以突变电阻的形式与原先接触的峰脊电阻并联，整个电路的电信号变化巨大，而后又以接触面积变化的形式在电路中继续影响电信号，随着峰脊的不断接触，并联电阻的增加，电信号变化显著，相较于传统的单一面积变化形式的接触结构，具有更好的灵敏度，便于监测受力情况。

将本发明以240目砂纸(gb/t9258-2000)为模板获得的柔性压阻传感器、以及表面分别具有金字塔矩阵(图2a)、半球体矩阵(图2b)、圆柱体矩阵(图2c)的膜组件构成的柔性压阻传感器分别进行电阻变化率的测试，结果如图2d所示，从图中可以看出，本发明以240目砂纸(gb/t9258-2000)为模板获得的柔性压阻传感器相对于其他类型的传感器具有更高的电阻变化率。这是因为随着负载的增加，两个膜组件之间原先接触的峰脊面积发生变化，电阻逐渐增大，同时，产生新的峰脊接触，形成新的电阻并联原先接触的峰脊电阻，如图3所示。相较于表面分别具有金字塔矩阵、半球体矩阵、圆柱体矩阵的膜组件构成的柔性压阻传感器，其只能在负载增加的情况下，以接触面积变化，引起电阻变化监测形变，以240目砂纸(gb/t9258-2000)为模板获得的柔性压阻传感器，在负载增加的情况下，电阻变化不仅由原先接触峰脊的接触面积变化引起，而且后接触的峰脊还会形成新的电阻并联进入电路，改变模组之间的电阻大小，如下公式所示：

其中，rb为膜组件内阻，rd1、rd2、rd3…rdi、rd(i+1)…rdn为膜组件衍生电阻

柔性压阻传感器的信号输出可以通过两个铜电极实现的，铜电极通过银胶粘贴于rgo层，两个铜电极关于膜组件中心对称。两个膜组件可以封装在pdms内。

所述具有峰脊结构的柔性压阻传感器通过如下步骤制备得到：

(1)将240目砂纸(gb/t9258-2000)剪裁成贴合部分的大小尺寸；

(2)将正庚烷，乙酸乙酯，十八烷基三甲氧基硅氧烷按照1000:50:20的质量比配置成疏水处理溶液，将步骤(1)所述的砂纸浸泡在该溶液中2小时，进行疏水处理；

(3)将pdms与交联剂按10:1质量比混合均匀后，反复真空除气泡，旋涂在步骤(2)中疏水处理后的砂纸表面；将涂有pdms的砂纸放在鼓风干燥机中，60℃加热2小时；固化后，在水中剥离砂纸，得到具有峰脊结构的pdms；

(4)对步骤(3)中获得的具有峰脊微结构的pdms表面进行氧等离子处理，增加其表面亲水性；

(5)将步骤(4)中氧等离子处理后的具有峰脊微结构的pdms反复涂抹rgo溶液。待溶液干燥后进行组装，获得具有峰脊结构的柔性压阻传感器。

作为优选方案，所述rgo溶液的浓度为1mg/ml。所述rgo层的厚度大约在500μm左右。

技术特征：

技术总结
本发明提供了一种柔性压阻传感器，所述柔性压阻传感器包括两个膜组件，所述膜组件由PDMS和涂覆在PDMS正面的rGO层构成，该膜组件正面具有与240目砂纸表面相同的峰脊结构；两个膜组件正面相对，其峰脊结构相互接触，柔性压阻传感器中的峰脊结构随外力作用产生接触形变，继而产生一系列的电信号，实现对外力的实时监测。

技术研发人员：吴化平;林森鹏;蒋坤鹏;孙申申
受保护的技术使用者：浙江工业大学
技术研发日：2019.04.18
技术公布日：2019.08.09