柔性压力传感器制备方法及柔性压力传感器

本发明涉及传感器，尤其涉及一种柔性压力传感器制备方法及柔性压力传感器。

背景技术：

1、柔性压力传感器具有柔顺性好、体积小、重量轻、使用方便等优点，可广泛应用于电子皮肤、可穿戴设备、智能家居、机器人和人机交互设备等领域。

2、导电聚合物复合材料(conductive polymer composites，cpc)是一种将导电填料分散在聚合物基体中的材料，具有制备工艺简单、易改性和成本低的特点，是制作柔性传感器的常用材料。其工作原理是，在外力作用下，导电聚合物复合材料发生形变，导致导电填料的导电通路改变，从而可通过检测其电阻值的变化，确定其形变信息。但是，在测量绝对压力时，仅采用导电聚合物复合材料基础的柔性压力传感器存在灵敏度较低、响应时间长、一致性差等技术问题。

3、将导电复合材料的制作与传感结构的设计有机结合，是提高传感性能的一个可行技术方案。目前常用的传感结构设计方法包括：采用特定的光刻或砂纸模板构建单一表面微结构；采用激光蚀刻、花瓣模板等手段构建多尺度、多层次的表面微结构；采用3d打印与三维多孔模板制备均匀分级的多孔结构。

4、然而，发明人在实现本发明实施例中的技术方案的过程中发现，现有的将导电复合材料的制作与传感结构的设计相结合的技术方案至少存在如下技术问题：

5、精细微结构的传感单元制造过程复杂、耗时，更适合小批量实验，不利于大规模生产。

技术实现思路

1、有鉴于此，本发明实施例的目的在于提供一种柔性压力传感器制备方法及柔性压力传感器，用于解决现有的将导电复合材料的制作与传感结构的设计相结合的技术方案存在精细微结构的传感单元制造工艺复杂、耗时的技术问题。

2、为了实现上述目的，本发明实施例中采用的技术方案如下：

3、第一方面，本发明实施例中提供一种柔性压力传感器的制备方法，所述制备方法包括：

4、通过格栅微结构涂覆模板，在涂有热塑胶的第一柔性聚合物基片上涂覆含有导电填料的导电复合油墨，涂覆完成后，分离所述格栅微结构涂覆模板，烘干固化，在所述第一柔性聚合物基片上得到具有格栅微结构凸起的传感膜层；其中，所述格栅微结构凸起的交汇处形成尖峰微结构；所述导电复合油墨具有能产生拉丝效应的流变性能，以在分离所述格栅微结构涂覆模板时在所述第一柔性聚合物基片的所述传感膜层形成所述格栅微结构凸起和所述尖峰微结构；

5、使用叉指电极成型模板，在预先洁净的第二柔性聚合物基片上涂覆导电电子浆料，烘干固化，在所述第二柔性聚合物基片上得到叉指电极层；

6、将具有所述叉指电极层的所述第二柔性聚合物基片与具有所述传感膜层的所述第一柔性聚合物基片叠合并对齐，然后进行热压塑封，形成密闭平整的传感器包层，得到所述柔性压力传感器。

7、可选地，所述在所述第一柔性聚合物基片上得到具有格栅微结构凸起的传感膜层是通过采用格栅处理技术的丝网印刷设备完成的。

8、可选地，所述第一柔性聚合物基片和所述第二柔性聚合物基片的材料为聚对苯二甲酸乙二酯(pet)、聚氯乙烯(pvc)、聚酰亚胺(pi)、聚丙烯(pp)、聚碳酸酯(pc)、聚氨酯(pu)、环氧树脂(epoxy)中的一种。

9、可选地，所述在涂有热塑胶的第一柔性聚合物基片上涂覆含有导电填料的导电复合油墨的步骤之前，所述制备方法还包括：

10、将所述导电填料加入丝印油墨中，经过1-12小时的机械搅拌，得到所述导电复合油墨；其中，所述导电填料与所述丝印油墨的质量比为1:3～15。

11、可选地，所述导电填料为导电石墨、导电炭黑、导电聚合物、石墨片、金属纳米颗粒、mxenes材料中的至少一种。

12、可选地，所述丝印油墨为pet油墨、pvc油墨、tpu油墨、epoxy油墨中的一种。

13、可选地，所述丝印油墨为采用杨氏模量大于1gpa的高分子基体材料制成的油墨。

14、第二方面，本发明实施例中提供一种柔性压力传感器，所述柔性压力传感器通过前述柔性压力传感器的制备方法制备得到；所述柔性压力传感器包括：

15、第一柔性聚合物基片；

16、传感膜层；所述传感膜层具有格栅微结构凸起，所述格栅微结构凸起的交汇处为尖峰微结构；所述传感膜层是通过格栅微结构涂覆模板将能够产生拉丝效应的导电复合油墨涂覆在所述第一柔性聚合物基片上并经烘干固化而得到；

17、第二柔性聚合物基片；

18、叉指电极层；所述叉指电极层是通过叉指电极成型模板将导电电子浆料涂覆在所述第二柔性聚合物基片上并经烘干而得到；

19、所述柔性应变传感器是通过热压塑封将具有所述叉指电极层的所述第二柔性聚合物基片与具有所述传感膜层的所述第一柔性聚合物基片叠合封装而得到；其中，所述叉指电极层与所述传感膜层在位置上面对面且相接触。

20、基于上述技术方案，本发明实施例中的柔性压力传感器制备方法，通过简单、成熟、通用、成本低的厚膜涂覆工艺在所述第二柔性聚合物基片上涂覆导电电子浆料，烘干固化后形成具有良好导电性和机械强度的所述叉指电极层。使用能够产生拉丝效应的所述导电复合油墨，通过简单、成熟、通用、成本低的厚膜涂覆工艺，在所述第一柔性聚合物基片上制备油墨层，利用所述格栅微结构涂布模板与油墨层剥离时对油墨层的牵拉作用，在油墨层表面形成与所述格栅微结构涂布模板的格栅微结构相对应的下层格栅微结构和上层尖峰微结构两级微结构，油墨层烘干固化后形成所述传感膜层，下层格栅微结构和上层尖峰微结构两级微结构成为传感膜层的传感微结构；其中，上层尖峰微结构作为微小压力的传感微结构，下层格栅微结构作为较大压力的传感微结构，进而通过两级微结构实现宽压力范围内生成高灵敏度和高线性度的测量电信号；采用所述叉指电极层与所述传感膜层面对面且相接触的方式；将具有叉指电极层的第二柔性聚合物基片与具有传感膜层的第一柔性聚合物基片叠合热压封装，得到高可靠性的柔性压力传感器。

21、通过该制备方法制备得到的柔性压力传感器，在微小压力下，所述传感膜层的上层尖峰微结构先与所述叉指电极层接触，并快速变形增加接触面积，所述传感膜层与所述叉指电极层间的接触电阻值快速减小；随着压力持续增加，上层尖峰微结构的形变达到极限，其对总电阻值变化的贡献减小，同时下层格栅微结构与所述叉指电极层逐渐接触，接触面积的增加所述传感膜层与所述叉指电极层间的接触电阻值明显减小，从而使柔性压力传感器在较大压力下也保持高灵敏度。与采用无微结构的压力传感单元的现有柔性压力传感器相比，本发明实施例中的柔性压力传感器，在0-20kpa压力范围内，灵敏度由10-2kpa-1量级提升至kpa-1量级，且具有接近1的高线性度。也即，本发明实施例中的柔性压力传感器实现在宽压力范围内输出高灵敏度和高线性度的测量效果。

22、此外，由下层格栅微结构和上层尖峰微结构构成的两级微结构区域，其仅在所述传感膜层的表层，且该区域所占传所述感膜层的区域较小，两级微结构区域的电阻值只是整个所述传感膜层的电阻值的很小一部分，因此，两级微结构区域的蠕变变形对整个所述传感膜层的电阻值的影响很小，进而提升了柔性压力传感器的蠕变性能。

23、因此，与现有精细微结构的传感单元制造工艺相比，本发明实施例中制备方法，采用工艺流程简单、通用、成熟且能够全自动化实现的厚膜工艺与热压封装相结合，实现柔性压力传感器的全自动化、规模化、低成本生产，有利于柔性压力传感器的大规模商业应用。同时制备得到的柔性压力传感器能够在宽压力范围内输出高灵敏度和高线性度的测量效果。