一种结构功能一体化柔性压力传感器及其制作方法与流程

1.本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种结构功能一体化柔性压力传感器及其制作方法。


背景技术：

2.柔性压力传感器作为一种新型电子器件,它在人机交互、医疗健康、机器人触觉等应用领域具有广泛的应用。然而，现有柔性压力传感器常存在灵敏度较低、检测范围小等问题。复杂三维微纳结构可以在有限空间内实现更高性能，柔性压力传感系统中的功能结构已朝着三维（3d）几何特征结构发展。如通过引入中空三维结构或者是引入三维微纳结构（金字塔、圆柱体、半球等），减小承受应力面积，可以提高柔性压力传感器灵敏度和最低检测极限。当前基于mems等传统工艺制造三维复杂结构存在诸多问题，如成本高、无法制作真三维结构、复杂曲面适应性不足、大面积键合率及一致性难以控制、与功能结构制作工艺难以兼容、需封装及液态金属导电层易泄漏等。


技术实现要素：

3.本发明的目的在于，提供一种结构功能一体化柔性压力传感器及其制作方法。本发明具有灵敏度高、工艺适用范围广，加工方便的优点。
4.本发明的技术方案：一种结构功能一体化柔性压力传感器，包括柔性基底，柔性基底内设有空间互联导电网络；液态金属或液态金属复合材料，填充在空间互联导电网络中；两个电极，嵌入柔性基底并分别连接空间互联导电网络的上层和下层。
5.上述的结构功能一体化柔性压力传感器，所述柔性基底为pegda、pdms、tpu、ecoflex或硅橡胶。
6.前述的结构功能一体化柔性压力传感器，所述柔性基底厚度为0.5mm-2mm；前述的结构功能一体化柔性压力传感器，所述液态金属为ga基合金。
7.前述的结构功能一体化柔性压力传感器，所述液态金属复合材料为ga基合金与碳纳米管、铜和/或石墨烯的混合物。
8.前述的结构功能一体化柔性压力传感器，所述电极的材质为ga基合金。
9.前述的结构功能一体化柔性压力传感器，所述电极厚度为0.1mm-0.3mm；前述的结构功能一体化柔性压力传感器，所述空间互联导电网络为八面体互联结构或十二面体互联结构。
10.前述的结构功能一体化柔性压力传感器，所述空间互联导电网络的边直径为0.05mm-0.1mm。
11.前述的结构功能一体化柔性压力传感器的制作方法，包括以下步骤：s1：根据压力范围设计柔性压力传感器结构并建模；s2：根据建模利用3d打印来加工制造柔性基底；
s3：将柔性基底浸入装有液态金属或液态金属复合材料的容器中；s4：将容器放入真空干燥箱中，抽真空至-0.1mpa并保持10min-20min；s5：打开真空箱阀门使真空箱内部与大气压连通，并保持10min-20min；s6：待液态金属或液态金属复合材料填充满空间互联导电网络后，将电极引线插入柔性基底的上下电极入口处并固化密封。
12.与现有技术相比，本发明的柔性压力传感器采用空间互联导电网络，其结构灵敏度高，可通过调整网络尺寸调节、控制压力范围。本发明的制备方法有效地结合了3d打印工艺与液态金属或液态金属复合材料易填充的优势，能够实现柔性传感器的结构-功能一体化制造，避免多层键合、封装，防止液态金属泄露，提高器件稳定性。本发明的工艺适应性强，为实现各种复杂三维导电结构柔性传感器制造提供了新思路。
附图说明
13.图1是本发明的结构示意图；图2是本发明的制作流程示意图。
具体实施方式
14.下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但并不作为对本发明限制的依据。
15.实施例1：一种结构功能一体化柔性压力传感器，如图1所示，包括柔性基底1，柔性基底1内设有空间互联导电网络2；液态金属3，填充在空间互联导电网络2中；两个电极4，嵌入柔性基底1并分别连接空间互联导电网络2的上层液态金属3和下层液态金属3。
16.本实施例中，柔性基底选用pegda（聚乙二醇（二醇）二丙烯酸酯）；也可以是pdms（聚二甲基硅氧烷），tpu(热塑性聚氨酯弹性体)；tpu（脂肪族芳香族无规共聚酯）或硅橡胶。
17.柔性基底厚度为2mm；液态金属选用质量分数为68.5% 的ga、21.5%的in和10%的sn组成的合金，也可以是ga基合金与碳纳米管、铜和/或石墨烯的混合物；电极厚度为0.1mm，电极的材质与液态金属一致；空间互联导电网络为十二面体结构，也可以是八面体结构。空间互联导电网络的边直径为0.05mm。
18.如图2所示，制造步骤如下：s1：根据上述柔性压力传感器结构尺寸建模，导出stl或obj等格式文件；s2：将stl等格式文件导入dlp光固化微纳3d打印机中，选用pegda（99%）为结构材料、irgacure2959（1%）为光引发剂打印加工；s3：样品后处理，将带有柔性基底浸入装有液态金属（68.5% ga、21.5% in和10% sn）的容器中；s4：将上述容器放入真空干燥箱中，抽真空至-0.1mpa并保持15min，将空腔内的空气抽出；s5：打开真空箱阀门使真空箱内部与大气压连通，并保持15min，利用大气压力将液态金属填充进互联网络空腔结构（也即空间互联导电网络）中；
s6：待液态金属填充满空间互联导电网络后，将电极引线插入上下电极入口处并涂覆pegda（99%）与irgacure2959（1%）的混合物，用365nm uv光源照射固化密封。
19.实施例2：一种结构功能一体化柔性压力传感器，如图1所示，包括柔性基底1，柔性基底1内设有空间互联导电网络2；液态金属复合材料3，填充在空间互联导电网络2中；两个电极4，嵌入柔性基底1并分别连接空间互联导电网络2的上层液态金属3和下层液态金属3。
20.本实施例中，柔性基底选用agilus30(stratasys)；agilus30 是一种具有卓越抗撕裂强度且能够经受反复弯折的 polyjet 光敏树脂。柔性基底厚度为2mm；液态金属复合材料是由质量分数为68.5% 的ga、21.5%的in和10%的sn组成的合金与铜纳米粉末（50nm）混合组成；电极厚度为0.1mm，材质为质量分数为68.5% 的ga、21.5%的in和10%的sn组成的合金；空间互联导电网络为十二面体结构；空间互联导电网络的边直径为0.05mm。
21.制造步骤如下：s1：根据上述柔性压力传感器结构尺寸建模，导出stl或obj等格式文件；s2：将stl格式文件导入喷墨打印机j750中，选用agilus30为结构材料打印加工；s3：将质量分数为68.5% 的ga、21.5%的in和10%的sn组成的合金与铜纳米粉末（50nm）组成的液态金属复合材料搅拌均匀，混合物中的铜质量分数为5%；s4：3d打印样品后处理，将带有空腔结构的柔性基底浸入装有液态金属复合材料的容器中；s5：将上述容器放入真空干燥箱中，抽真空至-0.1mpa并保持15min，将空腔内的空气抽出；s6：打开真空箱阀门使真空箱内部与大气压连通，并保持15min，利用大气压力将混合物填充进互联网络空腔结构中；s7：待液态金属复合材料填充满空间互联导电网络后，将电极引线插入上下电极入口处并涂覆agilus30固化密封。
22.本发明的柔性压力传感器采用空间互联导电网络，其结构灵敏度高，可通过调整网络尺寸调节、控制压力范围。本发明的制备方法有效地结合了3d打印工艺与液态金属易填充的优势，能够实现柔性传感器的结构-功能一体化制造，避免多层键合、封装，防止液态金属泄露，提高器件稳定性。本发明的工艺适应性强，为实现各种复杂三维导电结构柔性传感器制造提供了新思路。