一种具有仿芦竹叶微结构的柔性压力传感器及其制备方法

本发明涉及柔性压力传感器，更具体的说是一种具有仿芦竹叶微结构的柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，随着智能可穿戴设备领域的需求不断增加，具有柔性、可折叠、可穿戴等特点的柔性传感器已成为传感领域的一大研究热点。柔性压力传感器能在进行弯曲、拉伸或嵌入曲面的复杂环境下将外力转换为电信号，实现对人体各项指标实时、准确监测，广泛应用于智能可穿戴电子设备、人机交互系统、智能机器人等。根据工作原理，柔性压力传感器分可分为电阻式、电容式、压电式、摩擦电式等。其中电阻式柔性压力传感器具有结构简单、灵敏度高、稳定性和可靠性强等优势。

2、电阻式柔性压力传感器的敏感微结构是将所受外界刺激转变为电信号的核心敏感元件。在外界施加力刺激之后，敏感微结构与电极的接触面积随所受压力发生显著变化，引起接触电阻和体电阻改变，实现压力测量。因此，敏感微结构直接决定传感灵敏度、线性度和有效测量范围等。然而，传统敏感微结构以微柱阵列、微金字塔阵列、微圆顶阵列、微锥体等为主，存在上下敏感层接触面积有限、灵敏度受限，且在在压力作用下上下敏感层接触面积显著下降，传感器线型检测范围受限，对超高、超低强度的外部刺激不敏感。此外，现有压力传感器敏感微结构多采用工艺复杂、成本高昂的微机电加工技术制备，其批量化生产面临成本高、效率低的难题。

技术实现思路

1、针对现有技术中存在的问题，本发明受天然植物芦竹的叶片结构启发，提供一种具有仿芦竹叶微结构的柔性压力传感器及其制备方法，能在提高灵敏度的同时有效拓宽线性检测范围。

2、本发明采用的技术方案如下：

3、一种具有仿芦竹叶微结构的柔性压力传感器，包括上保护层、下电极层，以及设置在上保护层和下电极层之间的敏感微结构层，敏感微结构层与下电极层相接触构成导通电路；

4、所述敏感微结构层的下表面设有多条平行微槽，平行微槽均布在敏感微结构层表面并贯穿整个敏感微结构层，平行微槽横截面为“v”字形，其两侧壁面形成的夹角为锐角；每条平行微槽侧壁面均设置有多个次级微棱结构，次级微棱结构横截面形状为倒“v”字形，且顶端夹角为锐角。

5、所述下电极层由微结构叉指电极和柔性基底组成，微结构叉指电极设置在柔性基底上；

6、所述下电极层的上表面具有平行微突脊，所述敏感微结构层下表面的多个平行微槽分别与所述多个平行微突脊的位置对应并互相接触，构成导电通路。

7、所述敏感微结构层下表面平行微槽宽度为100-300μm，深度为100-200μm，相邻平行微槽间距为100-300μm；

8、所述微敏感微结构层下表面槽侧壁面次级微棱结构高度为20-80μm；

9、所述下电极层上表面平行微突脊宽度为100-300μm，高度为100-200μm，相邻平行微突脊间距为100-300μm，且其宽度、间距和分布方式与敏感微结构层下表面的平行微槽相同。

10、所述上保护层材料为聚酰亚胺、ecoflex、聚乙烯醇、vhb胶带中的一种。

11、所述敏感微结构层的材料为碳系导电硅胶；

12、所述下电极层中的微结构叉指电极材料为碳系导电硅胶；

13、所述柔性基底材料为dowsil se1700硅胶。

14、一种具有仿芦竹叶微结构的柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

15、s1，配置环氧树脂前驱体，将其旋涂于新鲜芦竹叶片表面，室温固化、剥离得到具有芦竹表面相反微结构的模具；

16、s2，将硅胶与固化剂混合，搅拌均匀后加入碳系导电材料，并进一步进行搅拌、超声分散和真空除泡，得到碳系导电硅胶，并将其浇注在s1中所得模具上，旋涂后放入真空干燥箱进行加热固化，剥离得到具有平行微槽的敏感微结构层；

17、s3，向碳系导电硅胶中加入正己烷溶液进行稀释、分散和蒸干，并加入少量3-丁炔-1-醇作为增塑剂，获得碳系导电硅胶墨水；

18、s4，利用墨水直写3d打印方法制备出柔性基底，采用碳系导电硅胶墨水在柔性基底上直写打印出表面具有平行微突脊的微结构叉指电极，加热固化，得到下电极层；

19、s5，将敏感微结构层和下电极层相互配合封装，并在敏感微结构层上表面覆盖上保护层进行封装保护，得到具有仿芦竹叶微结构的柔性压力传感器。

20、所述碳系导电材料为碳纳米管、碳纤维、石墨烯、导电炭黑中的一种。

21、与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：

22、(1)在敏感微结构层下表面设有具有次级微棱结构的平行微槽，下电极层上表面具有平行微突脊，两者一一对应并互相接触，显著增大了上、下敏感层敏感结构的接触面积，增加了导电通路，从而提高了传感器灵敏度。当承受压力较小时，平行微槽中的次级微棱与平行微突脊接触位点受应力集中影响，产生较大接触面积变化，实现传感器的高灵敏度；当压力增大时，平行微槽主体结构开始与平行微突脊进一步接触、变形，可提升传感器的线性检测范围。

23、(2)利用天然植物芦竹的叶片结构复印，采用工艺简单、成本低廉的二次倒模方法直接将芦竹叶片表面的微槽结构拓印到传感器的敏感微结构层上，工艺简单，而且模具可反复利用，易于实现大批量、低成本制造。

24、(3)利用多材料墨水直写打印一步成形制备具有平行微突脊的下电极层，制备步骤简单、打印过程易于控制和调整，适合大批量、工业化生产。

技术特征：

1.一种具有仿芦竹叶微结构的柔性压力传感器，其特征在于，包括上保护层(100)、下电极层(300)，以及设置在上保护层(100)和下电极层(300)之间的敏感微结构层(200)，敏感微结构层(200)与下电极层(300)相接触构成导通电路；

2.根据权利要求1所述的一种具有仿芦竹叶微结构的柔性压力传感器，其特征在于：所述敏感微结构层(200)下表面平行微槽(210)宽度为100-300μm，深度为100-200μm，相邻平行微槽(210)间距为100-300μm；

3.根据权利要求1所述的一种具有仿芦竹叶微结构的柔性压力传感器，其特征在于：所述下电极层(300)上表面平行微突脊宽度为100-300μm，高度为100-200μm，相邻平行微突脊间距为100-300μm，且其宽度、间距和分布方式与敏感微结构层(200)下表面的平行微槽(210)相同。

4.根据权利要求1所述的一种具有仿芦竹叶微结构的柔性压力传感器，其特征在于：所述上保护层(100)材料为聚酰亚胺、ecoflex、聚乙烯醇、vhb胶带中的一种。

5.根据权利要求1所述的一种具有仿芦竹叶微结构的柔性压力传感器，其特征在于：所述敏感微结构层(200)的材料为碳系导电硅胶。

6.根据权利要求1所述的一种具有仿芦竹叶微结构的柔性压力传感器，其特征在于：所述下电极层(300)中的微结构叉指电极(310)材料为碳系导电硅胶。

7.根据权利要求1所述的一种具有仿芦竹叶微结构的柔性压力传感器，其特征在于：所述柔性基底(320)材料为dowsil se1700硅胶。

8.一种具有仿芦竹叶微结构的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

9.根据权利要求8所述的一种具有仿芦竹叶微结构的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：所述碳系导电材料为碳纳米管、碳纤维、石墨烯、导电炭黑中的一种。

技术总结
本发明涉及一种具有仿芦竹叶微结构的的柔性压力传感器及其制备方法，该传感器由上保护层、敏感微结构层以及下电极层三部分组成。敏感微结构层下表面分布有平行微槽，微槽侧壁面具有次级微棱结构；下电极层的上表面具有平行微突脊，且平行微突脊与敏感微结构层下表面的平行微槽一一对应并互相接触，构成导电通路。制备时，敏感微结构层下表面和下电极层上表面相互配合封装，并在敏感微结构层上表面覆盖上保护层进行封装保护。本发明中的传感器能够在提高灵敏度的同时拓宽线性检测范围，而且具备工艺简单、成本低、易控制等优点。

技术研发人员：邓大祥,王惠民,陈如香,翟振杰,朱霖野,江宇杰
受保护的技术使用者：哈尔滨工业大学（深圳）（哈尔滨工业大学深圳科技创新研究院）
技术研发日：
技术公布日：2024/1/5