一种二级传感结构的薄膜压阻式柔性传感器及制备工艺

本发明属于传感器，具体涉及一种二级传感结构的薄膜压阻式柔性传感器及制备工艺。

背景技术：

1、随着科技的不断进步，人们对运动检测、人机交互和健康监控方面的需求不断增加，这推动了电子皮肤、可穿戴传感器等领域的发展。在这些领域，柔性压力传感器具有巨大的潜力，因为它们可以弥补传统刚性传感器的一些不足之处，例如体积大、不易弯曲、便携性差以及佩戴时的舒适度低。基于压阻传感设计的柔性传感器具有快速的频率响应、出色的稳定性、简单的制造工艺以及易于集成等优点。

2、可穿戴压力传感器需要在监测范围内具备高灵敏度，以满足剧烈运动下脉搏检测等工作需求。然而，现有的柔性压力传感器通常难以在高灵敏度和宽监测范围之间找到平衡。在微小压力作用范围内，它们可能具有较高的灵敏度，但在大压力作用范围内，灵敏度则较低。这主要是因为随着压力的增加，微结构的压缩趋于饱和，导致单位压力下传感器的信号变化减小，从而使器件的灵敏度迅速下降。因此，在工作压力范围内保持高灵敏性，对柔性压力传感器的研发具有至关重要的意义。

技术实现思路

1、本发明主要针对现有柔性薄膜式压阻传感器设计在大压力负载下灵敏度较差、力稳定性差的缺点，基于新型二维材料mxene-ti2c3tx，通过材料复合和微纳设计创新增益传感性能。首先通过自组装和牺牲模板法构建三维多孔结构的mxene-ti2c3tx/ps微球薄膜，避免了mxene-ti2c3tx纳米片层的堆积、提高结构稳定性并提高表面活性位点利用率，进而提升传感器在全检测范围内的灵敏度反馈。其次通过模仿人类皮肤皮下层组织结构，构建微棘-褶皱二级仿生微纳结构力敏功能层，通过调控力敏功能层的二级结构，以实现传感器在宽检测范围下的本发明采用的技术方案是，一种二级传感结构的薄膜压阻式柔性传感器的制备工艺，包括以下步骤：

2、步骤一，采用湿化学法利用lif和ti3alc2制备mxene-ti2c3tx单层分散液；

3、步骤二，采用悬浮聚合法混合稳定剂（pvp）和引发剂（aibn）制备ps微球，清洗后加入（pdda）溶液进行化学改性，过滤清洗后加入所制备的mxene-ti2c3tx单层分散液中进行静电自组装，浓缩后得到mxene-ti2c3tx/ps微球分散液；

4、步骤三，通过预拉伸、化学处理等工艺制备pdms仿生微棘-褶皱二级结构柔性基底；

5、步骤四，通过热喷涂使mxene-ti2c3tx/ps微球分散液均匀附着在柔性基底表面微结构上。通过对涂层的高温退火处理，使得ps微球爆裂加强周围结构强度，形成三维多孔结构的力敏功能层；

6、步骤五，采用光刻工艺制备叉指电极，作为电极层；

7、步骤六，对上述步骤所得的力敏功能层、柔性基底、电极层进行氧等离子处理，按照封装层－电极层－力敏功能层－柔性基底－封装层的顺序，垂直平面贴合，并引出导线。

8、进一步的，所述mxene-ti2c3tx单层分散液的制备方法具体为：

9、 1）在磁力搅拌下，将1g lif粉末溶解在20ml的hcl溶液中；

10、 2）将1g max相前体（ti3alc2）缓慢添加到上述混合物中。将混合物保持在35°c，同时连续搅拌24小时；

11、 3）将完全反应的产物离心并用去离子水洗涤多次，直到ph>6，收集上清液，即为多层mxene-ti2c3tx溶液；

12、 4）将获得的mxene-ti2c3tx多层分散液，在氩气保护下冷浴超声处理120分钟，获得mxene-ti2c3tx单层分散液；

13、 5）通过真空抽滤mxene-ti2c3tx薄膜，真空干燥后确定分散液浓度，调整分散液浓度为1mg/ml用于后续制备。

14、进一步的，所述mxene-ti2c3tx/ps微球混合溶液的制备方法具体为：

15、 1）使用pvp作为稳定剂，aibn作为引发剂，通过悬浮聚合合成平均直径为2μm的ps微球；

16、 2）将制备好的ps微球溶液通过超声处理分散在阳离子聚合物聚二烯丙基二甲基氯化铵（pdda）溶液（0.1 wt%）中。剧烈搅拌12小时后，使用纤维素过滤器将混合物离心，并用去离子水洗涤多次去除过多的pdda，获得带正电的ps球体；

17、 3）将ps微球溶液逐滴添加到mxene-ti2c3tx分散液中来进行静电自组装，应注意ps微球与mxene-ti2c3tx的质量比为1：2。缓慢搅拌分散液20min，搅拌过程中，自身带负电荷的mxene-ti2c3tx纳米片通过静电自组装自发地包裹在ps微球的表面。使用高速离心（6000rpm，20分钟）进一步浓缩所制备的mxene-ti2c3tx/ps微球溶液。

18、进一步的，所述二级微棘-褶皱仿生结构的制备方法具体为：

19、 1）选用具有微棘结构的砂纸作为模版，清理表面杂质及松动颗粒；

20、 2）按10:1的质量比混合pdms的a胶（pdms基本组分）和b胶（固化剂），充分搅拌后，应在20pa的真空压力下静置10min去除气泡。得到pdms在模板上旋涂pdms，设置均胶机转速为3000rpm，后80摄氏度真空干燥1h；

21、 3）固化后，应进行除油处理和氧气等离子清洗。通过磁控溅射，在微结构表面沉积约10nm金属铜层，作为倒模板；

22、 4）在倒模板上旋涂一层pdms，设置均胶机转速为3000rpm，后80摄氏度真空干燥1h。固化后进行除油处理，纵向预拉伸20%，并固定12小时。在微结构面滴涂10mol/l的naoh静置10min，撤去应力，获得褶皱效果，清洗后最终得到仿生二级微棘-褶皱仿生结构的pdms柔性基底；

23、 5）将上述柔性基底置于等离子清洗机中，30sccm的氧气260w处理5min，进行亲水化处理。

24、进一步的，模板均应黏附在硅片上保证平整度，且模板应经过丙酮、无水乙醇和di清洗。

25、进一步的，选用的砂纸模板应为600目，不同的粗糙度对传感效果影响极大。

26、进一步的，所有亲水处理后10min内应进行下一步骤。

27、进一步的，所述mxene-ti2c3tx导电功能层的制备方法具体为：

28、 1）使用喷枪将高导电率的mxene-ti2c3tx/ps微球溶液均匀沉积在二级微棘-褶皱仿生结构的pdms柔性基底上，控制微结构表面的喷涂量为0.2mg/cm2并辅以60摄氏度的加热干燥，获得功能层表面微结构；

29、 2）在氩气保护下进行300°c退火，此温度下mxene-ti2c3tx包裹的ps微球爆裂形成孔洞，熔融态的聚苯乙烯与周围mxene-ti2c3tx片层结合，加强周围结构强度，形成三维多孔结构的mxene-ti2c3tx功能层。

30、进一步的，所述叉指电极的制备方法具体为：

31、 1）清洗0.01mm厚度的聚酰亚胺（pi）薄膜作为基底，均匀喷涂光刻胶（负胶），将附有光刻胶的聚酰亚胺薄膜在恒温加热台上80℃烘干30min固化光刻胶；

32、 2）使用喷墨打印机在菲林片（pet）上打印所需的叉指电极图案作为掩模板；

33、 3）将掩模板图案面紧贴固化后的光刻胶涂层，紫外曝光3min，使用显影剂浸泡去除图案部分的光刻胶；

34、 4）样品进行氩气和氧气的等离子清洗后，在表面依次磁控溅射钛层、铜层、金层；

35、 5）通过脱模剂去除剩余光刻胶及之上的金属层，得到图案化的叉指电极层。

36、进一步的，所述传感器封装方法具体为：

37、 1）使用铜线通过导电银浆与叉指电极的两个电极相连，建立外电路。在顶层涂覆pdms作为固定剂；

38、 2）对上述步骤所得的力敏功能层、柔性基底、电极层进行氧等离子处理，按照封装层－电极层－力敏功能层－柔性基底－封装层的顺序，垂直平面贴合。使用热塑性聚合物聚酰亚胺（pi）薄膜作为封装层将上述组件组装成柔性传感器。

39、本发明的目的在于解决现有柔性薄膜压阻式压力传感器在用于健康监测过程中灵敏度低可靠性差的技术问题，而提供一种二级传感结构的薄膜压阻式柔性传感器的制备工艺及传感器。

40、本发明采用逐层叠加的方式制成的叠层结构依次为封装层、电极层、力敏功能层、柔性基底和封装层构成。本发明提出了一种二级传感结构的薄膜压阻式柔性传感器结构，其特殊之处在于：柔性传感器力敏功能层微棘-褶皱二级结构及内部ps微球强化的mxene-ti2c3tx多孔中空结构。

41、相较现有的成果，本发明的有益效果在于：

42、 1）本发明通过结构创新，传感结构简单，稳定可靠性高，采用mxene-ti2c3tx等多种优异性能材料，实现了柔性传感器的机械强度和传感性能的提高；

43、 2）发明的二级压力传感结构在受到压力时电阻的分级式增长趋势保证了较大压力作用下电阻变化量的增大，进而提高了较大压力作用下器件的灵敏度可以据此构筑出多种具有高灵敏度的压力传感结构；

44、 3）同时本发明压力传感结构还能保持柔性薄膜压阻式压力传感器较为稳定的力电性能，以适应可穿戴设备的设计要求；

45、 4）采用自组装、模板法、化学改性等工艺，实现了制备工艺的优化并提高了材料的利用率，对于加工技术要求低，成本低廉，可适用于规模化制造；

46、 5）结构上进行垂直层叠式设计，达到轻量化、微小型的目的，依据本发明所构筑的压力敏感器件的灵敏度提升范围大。

47、本发明的其他优点、目标和特征将部分通过下面的说明体现，部分还将通过对本发明的研究和实践而为本领域的技术人员理解。