一种柔性压力传感器及其制备方法与流程

本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种灵敏度高的柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术：

随着信息技术的高速发展，日常生活中人们所要处理的信息量越来越大，传统的刚性电子器件在已经不能满足人们对电子器件更轻，更快，更小，高度集成化方面的要求。未来电子学的解决途径在于发展柔性，可变性，人体友好的器件。近年来，柔性(弯曲，拉伸)电子学由于在不同领域，例如仿生机器人的传感皮肤、可穿戴的通讯器件以及仿生集成器件等方面的应用而受到人们广泛关注。

电子皮肤、电子肌肉、电子纤维等都代表了一种新，形状可塑，大面积的集成电子学。研究与人类皮肤敏感性相近的电子皮肤源于制备大面积、多传感器的表面的需求，这些表面被大量应用于人工智能仿生，医疗诊断，以及取代或代替人类的器官等的应用方面。例如，为机器人提供传感能力，将会扩展他们的应用范围，包括：老年人陪护。这些电子皮肤传感器如果应用在人的皮肤上，将能够提供高水准的诊断和身体信号监控。

发展柔性电子学最有挑战性的就是让柔性器件同时得到好的电学性能和机械稳定性。尤其是，组成柔性集成系统的材料和器件要合理地组合，以便在高应力下充分发挥他们的机械和电学功能。

近年来，可穿戴设备中的压力传感器因能够监测关节运动，脉搏跳动等人体信号等而备受关注。然而，这类可穿戴设备中包含了很多非常复杂的、昂贵的制造工艺，从而限制了它们在现实中的广泛应用。传统的基于硅金属氧化物半导体场效应晶体管有较高的灵敏度，但是他们无法折叠，因此，不适合制备柔性器件。现有的压力传感器主要有几种：压阻式压力传感器、陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器、蓝宝石压力传感器、压电式压力传感器。这些种类的压力传感器都存在四个无法避免的误差：偏移量误差、线性误差、滞后误差和灵敏度误差，而其中的灵敏度误差在各种压力传感器中不尽相同，尤其是采用应变片制成的压力传感器，其灵敏度较低便导致了现有压力传感器其应用范围受限，尤其在医疗领域的应用，因其灵敏度较低而大大受限。

在下一代的可折叠便携式的器件中，柔性，高灵敏，低成本的压力传感器已经变得受到研究者越来越多的重视。研究者制备出很多种柔性的压力传感器，这些传感器是基于复杂昂贵的橡胶介电电容器件，相互交错的压阻传感器，有机场效应晶体管，以及基于纳米线阵列的场效应晶体管等。这些柔性的压力传感器需要精心设计的纳米结构，导致他们的制作成本和方法是非常复杂和昂贵的。因此，发展一种成本低，大面积制备的柔性压力敏感的材料能够在大范围内有响应的柔性压力传感器是势在必行的。

技术实现要素：

本发明为解决现有的压力传感器灵敏度较低、成本高的问题，所采用的技术方案是：一种柔性压力传感器，包括：导电层、粘附层和修饰层，所述导电层为两层，所述修饰层通过所述粘附层设置于两层所述导电层之间，所述修饰层为小分子材料层，且两个所述导电层之间产生遂穿电流。

进一步改进为，所述修饰层为长烷基链小分子材料层。

进一步改进为，所述修饰层为一至三层长烷基链小分子层。

进一步改进为，所述修饰层为单层长烷基链小分子层，且所述长烷基链小分子层通过所述粘附层设置于任一所述导电层的内侧。

进一步改进为，所述修饰层为双层长烷基链小分子层，且两层所述长烷基链小分子层分别通过所述粘附层设置于两个所述导电层内侧。

进一步改进为，所述修饰层为十八烷基三氯硅烷、十二硫醇、1-癸硫醇、十二烷基苯磺酸钠、十八烷基二羟乙基氧化胺中任一种。

进一步改进为，所述粘附层为硅胶或银胶。

本发明还提供了一种如上述任一项所述的柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

通过气相聚合法、刮涂、旋涂或抽滤法制作导电层；

将硅胶稀释到质量百分比10％-50％的浓度，然后通过旋涂方法在导电层表面制备粘附层；

将制备有粘附层的导电层置于容器内，向容器内滴入长烷基链小分子材料，密封容器后置于真空烘箱内加热挥发，在粘附层表面形成修饰层；

将两个经过长烷基链小分子材料层修饰过的导电层，具有修饰层的一面对向叠加后，周边用硅胶或者灌封胶进行封装。

进一步改进为，所述粘附层的旋涂包括：

500转/分，匀胶10秒；

4000-8000转/分，旋涂60秒；

将旋涂有粘附层的导电层置于烘箱内，在80-150度温度下烘干固化30-90分钟。

进一步改进为，所述修饰层的制备包括：

在容器内滴入长烷基链小分子材料1-10滴；

密封容器后置于真空烘箱内在120度温度下加热烘干1小时。

本发明的有益效果是：

本发明提供的柔性压力传感器，在两层导电层之间通过设置修饰层，既能使两层导电层之间的物理隔绝，又确保了两层导电层之间在通电的情况下，可以产生遂穿电流。当本传感器即使受到微弱外力作用时，压力的挤压作用使得上下两层导电层相互靠近，使器件电阻变小，电流增加。本传感灵敏度高，而且受外界压力作用时，产生的电流跟随压力变化呈线性变化，测量精度高，且稳定。

附图说明

下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。

图1是本发明的实施例一中柔性压力传感器结构示意图；

图2是本发明的柔性压力传感器电流变化示意图；

图3是本发明的柔性压力传感器用于脉搏测量时电流变化示意图；

图4是本发明的实施例二中柔性压力传感器结构示意图；

具体实施方式

现在结合附图对本发明作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。

在发明的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”、“顺时针”、“逆时针”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

在发明中，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“固定”等术语应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在发明中的具体含义。

实施例一

如图1所示，本发明提供了一种柔性压力传感器，包括：导电层1、粘附层2和修饰层3，两层所述导电层1叠层设置，所述修饰层3通过所述粘附层2设置于两层所述导电层1之间，所述修饰层3为小分子材料层，且两个所述导电层1之间产生遂穿电流。当本柔性压力传感器收到外界压力作用时，两层导电层之间的距离会随着压力的变化而变化，而导致两者之间的电阻发生变化，此时，两层导电层之间的遂穿电流也会随着电阻的变化而发生线性的变化；如图2所示，当外界压力作用下，两层导电层相接触时，两层导电层之间的电阻不再变化，同时，两者之间的导电方式有遂穿导电变为接触导电，且电流保持稳定。

而相较于本传感器，无修饰层的压力传感器，其只有外界压力大到使得两层导电层接触时，传感器的电流才会产生相应的变化，因此灵敏度非常差，感知不到细微的压力变化。

本发明提供的柔性压力传感器，在两层导电层之间通过设置修饰层，既能使两层导电层之间绝缘，又确保了两层导电层之间能够产生遂穿电流，基于遂穿的存在，当本传感器即使受到微弱外力作用时，遂穿电流亦会发生线性的变化，进而感知到细微的外界压力变化，不仅灵敏度高，而且受外界压力作用时，本传感器产生的电流跟随压力变化呈线性变化，测量精度高，且稳定。

进一步改进为，所述修饰层3为长烷基链小分子材料层。此种材料层在起到绝缘的同时，使得两层导电层之间能够产生遂穿电流，进而对外界压力变化的测量更加灵敏。

进一步改进为，所述修饰层3为一至三层长烷基链小分子层。单层长烷基链小分子层的厚度是固定的，同时，两层导电层之间若距离过大，便不能产生遂穿电流，器件处于断路状态，因此修饰层一般不超过三层。

进一步改进为，所述修饰层3为单层长烷基链小分子层，且所述长烷基链小分子层通过所述粘附层设置于任一所述导电层的内侧。

进一步改进为，所述修饰层3为十八烷基三氯硅烷、十二硫醇、1-癸硫醇、十二烷基苯磺酸钠、十八烷基二羟乙基氧化胺中任一种。

进一步改进为，所述粘附层2为硅胶或银胶。

导电层可以为碳纳米管薄膜,聚3,4-乙烯二氧噻吩薄膜,石墨烯薄膜,聚苯胺薄膜中的任一种。

如图3所示，本传感器的一种具体应用，例如用于脉搏测量时，本传感器的测量不仅能够对脉搏的微弱变化产生响应，而且通过图中波形变化可以发现，本传感器基于脉搏变化响应产生的电流变化的频率、幅度，不仅测量出的精度高，而且一致性也非常高。

而普通的刚性传感器只能通过间接方法来检测用户的生理信息，其精准性与便携性无法同时实现，同时，刚性压力传感器由于其易碎的特性，无法实现有大形变表面信号的监测。而且本柔性压力传感器与普通的刚性的压力传感器相比，能够与皮肤完美贴合，行成良好的生物兼容，避开了刚性传感器在生理信息监测方面的所有缺陷，在便携性、超高灵敏度、超高精准性，以及低能耗方面相较于传统的刚性传感器具有绝对优势。

实施例二

如图4所示，本实施例与实施例一的区别在于，所述修饰层3为双层长烷基链小分子层，且两层所述长烷基链小分子层分别通过所述粘附层设置于两个所述导电层内侧，即两层导电层上具有修饰层的一面对向叠加在一起。

实施例三

本发明还提供了一种如上述任一项所述的柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

通过气相聚合法(vpp)、刮涂、旋涂或抽滤法制作导电层；

用硅胶稀释剂将硅胶稀释到质量百分比10％-50％的浓度，然后通过旋涂方法在导电层表面制备粘附层；

将制备有粘附层的导电层置于培养皿内，向培养皿内滴入长烷基链小分子材料，密封容器后置于真空烘箱内加热挥发，在粘附层表面形成修饰层；

将两个经过长烷基链小分子材料层修饰过的导电层，具有修饰层的一面对向叠加后，周边用硅胶或者灌封胶进行封装。

导电层的制作在本领域中方法较多，本实施例中可通过vpp成膜法制备聚3,4-乙烯二氧噻吩(pedot)薄膜作为导电层：

虽然聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)基板已知会导致具有更高导电性(高于1000s/cm)的薄膜[7,13,19]，但玻璃载玻片被选作拉曼光谱和xrd表征的基板。以40wt％的对甲苯磺酸铁(工业级，aldrich)在正丁醇中作为氧化剂。每摩尔氧化剂使用0.5摩尔的吡啶来抑制vpp。单体3，4-乙烯二氧杂噻吩(edot)是从aldrich中提取的，纯度为97％，其它化学试剂为分析级。为了减少对甲苯磺酸铁(iii)的晶体形成，在一个充满n2的手套箱中对基底进行氧化沉积。在40％的相对湿度下，以150ml/min的氮气流量进行vpp工艺。使用夹套反应烧瓶作为vpp室，其温度由超恒温槽(±0.01℃)控制。通过温度计(±1℃)读取室中基板的实际温度。

还可以通过cvd(化学气相沉积法)、抽滤法制备(单壁，少数壁，多壁)碳纳米管薄膜作为导电层：

将纯化的碳纳米管超声分散于1wt％十二烷基苯磺酸钠(sdbs)水溶液中，形成浓度为200mg/ml的悬浮液。单壁碳纳米管(swnt)溶液通过硝化纤维素膜(孔径0.22mm)真空过滤，并用去离子水冲洗swnt以去除sdb。

进一步改进为，所述粘附层的旋涂包括：

500转/分，匀胶10秒；

4000-8000转/分，旋涂60秒；

将旋涂有粘附层的导电层置于烘箱内，在100度温度下烘干固化30分钟。

进一步改进为，所述修饰层的制备包括：

在容器内滴入长烷基链小分子材料1-10滴；

密封容器后置于真空烘箱内在120度温度下加热烘干1小时。

最后，在上下两层导电层表面或上导电层表面制备电极的方法为本领域常规手段，例如：蒸镀、贴合、打印等方法都可用来制备电极，本案不再详细赘述。

以上述依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。