一种骨架细化微结构的柔性电容式压力传感器及制备方法

本发明涉及柔性可穿戴电子设备，具体涉及一种骨架细化微结构的柔性电容式压力传感器及制备方法。

背景技术：

1、随着人工智能与物联网的快速发展，可穿戴电子设备因为其多功能和实用性，一直受到研究人员的关注。柔性压力传感器作为直接收集这些指标数据的器件，在可穿戴电子设备工作中发挥着至关重要的作用。当前主流的柔性压力传感器主要有以下几种类型：压阻式、电容式、压电式。其中电容式压力传感器(cps)因其结构简单、功耗低、信号稳定、响应时间快和容易大规模生产等优点吸引了许多研究者的兴趣。聚二甲基硅氧烷(pdms)由于其优异的回弹性、低弹性模量和热稳定性以及良好的生物相容性而被广泛用于与人体直接接触的电容式压力传感器制备。研究人员通过将碳纳米管和石墨烯等填料与pdms混合，从而提高了传感器的相关性能。然而这些填料如果与人体直接接触，会对人的身体造成一定的危害。并且使用pdms作为介电层的柔性电容式压力传感器依然面临着难以兼容高灵敏度和宽检测范围的问题。因此如何使用简单、低成本的方法制备兼具高灵敏度和宽的检测范围的不混合任何填料的柔性电容式压力传感器依旧是一项具有难度的挑战。

2、现有中国专利文件cn202111213456.2，一种柔性电容式传感器及其制备方法，包括第一保护层、第一电极层、介电层、第二电极层以及第二保护层，第一保护层与第二保护层相对设置，第一电极层与第二电极层相对设置，介电层设置于第一电极层与第二电极层之间；其中介电层远离第二电极层的表面具有空心凸起状结构。上述柔性电容式传感器制备时，通过在柔性电容式传感器的介电层表面形成具有均匀分布的空心凸起状结构，使得上述发明的柔性电容式传感器在受到压力作用时，介电层表面的空心凸起状结构能产生较大的变形，可以改变介电层的有效介电常数，使测试电容迅速增大，从而提高传感器的灵敏度。现有技术这种在介电层表面构造微结构的方法可以在受到压力的初期让受力集中在微结构顶端，让这些突起的微结构产生较大的形变，从而提高传感器前期的灵敏度。但是，当这些表面的微结构在低压作用下完全变形后，继续施加压力之后的灵敏度便会急剧下降。因此使用这种方法难以兼容较高的灵敏度和较宽的检测范围。

3、本发明采用的骨架细化微结构的柔性电容式压力传感器有着独特的稀释的骨架多孔结构，这就使得介电层拥有着较大的孔隙率和良好的回弹性能。在受到较小压力的时候小孔闭合、大孔微微变形，在受到较大压力的时候，大孔闭合。在不同的受力阶段有着对应的维持高灵敏度的结构，通过这种方式赋予了本发明的传感器较好地兼容高灵敏度和宽检测范围的能力。

4、本发明相比现有技术能更好的兼容高的灵敏度和宽的检测范围，同时还具有优异的耐用性。该柔性电容式压力传感器相关性能稳定，并且所用材料均对人体无害，能够与人体直接接触。本发明柔性电容式压力传感器制作流程简单，制作成本低，具有大规模生产的潜力。所用材料均属于环境友好型，可适用于多种不规则表面以及多种类应用场景。

技术实现思路

1、本发明的目的在于提供一种骨架细化微结构的柔性电容式压力传感器及制备方法，以解决使用简单、低成本的方法制备兼具高灵敏度和宽的检测范围的不混合任何填料的柔性电容式压力传感器的问题。

2、为实现上述技术目的，达到上述技术效果，本发明是通过以下技术方案实现：

3、一种骨架细化微结构的柔性电容式压力传感器，所述柔性电容式压力传感器为多孔pdms泡沫压力传感器，包括：上下两层基于高分子聚合物材料基底的薄膜电极，和使用固液态双模板法所制备而成的实现骨架细化微结构的多孔pdms泡沫介电层。

4、另一方面，本发明提出上述柔性电容式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

5、s1：将细白糖颗粒与去离子水按照一定质量比例均匀混合后，进行热压处理，制备方糖块。之后将糖块切割成糖片，放置干燥/阴凉处备用。

6、s2：将pdms预聚物、固化剂和正己烷使用磁力搅拌机均匀混合为无沉淀、无分层的透明混合溶液。

7、s3：将s1中制备的糖片浸泡到混合溶液中，然后使用抽气机对其进行真空处理。

8、s4：将浸润了正己烷和pdms混合溶液的的糖片放进烘箱中，挥发正己烷并固化pdms骨架。

9、s5：将糖片放入去离子水中完全溶解糖片，之后放入烘箱中进行干燥处理，得到pdms介电层。

10、s6：将基于高分子聚合物材料基底的薄膜电极切割后作为上下电极，使用铜箔连出，最后使用绝缘pi胶带将其封装，得到柔性电容式压力传感器。

11、进一步的，所述s1中白糖颗粒与去离子水的质量比为20：1。

12、进一步的，所述s1中所切割糖片的尺寸为10mm×10mm×2.5mm。

13、进一步的，所述s2中pdms预聚物、固化剂和正己烷的质量比为10：1：(0/5/10/15)。

14、进一步的，所述s2中用于混合pdms预聚物、固化剂和正己烷的磁力搅拌机的转速为500r/min，混合时间为40min。

15、进一步的，所述s3中真空处理的时间为直到溶液无气泡产生、存在即可停止。

16、进一步的，所述s4中烘箱的温度设置为80℃，固化时间为2h。

17、进一步的，所述s6中的上下薄膜电极均为基于聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)的涂有100nm厚度的氧化铟锡(ito)导电层的薄膜电极，单层薄膜电极的厚度为125μm。

18、进一步的，所述s6中薄膜电极裁剪尺寸为10mm×10mm。

19、本发明的有益效果：

20、1.优异的生物相容性和用于人体直接使用的安全性：

21、本技术方案使用的介电层完全由pdms材料构成，pdms是一种对人体无害的材料，拥有良好的生物相容性。这个特性使得本发明的压力传感器适合用于需要与人体皮肤直接接触的应用场景，例如医疗监测和健康追踪等。现有技术中常见的填料如碳纳米管、石墨烯和银纳米线等。这些高介电常数的填料虽然可以提高传感器的传感性能，但伴随着较高的制备成本的同时，与人体直接接触还会对人体健康产生不良的影响。本技术方案只由pdms构造的介电层就较好的避免了这些问题，减少了传感器用于人体检测场景时对人体健康的危害。

22、2.较好的兼容了高的灵敏度和宽检测范围：

23、固液态双模板法制备的骨架细化微结构pdms泡沫介电层，赋予了泡沫介电层更大的孔隙率和更低的弹性模量。使得传感器在受到压力时，介电层的形变更加显著，从而提高了传感器的相关传感性能。传统的pdms基电容式传感器难以同时实现高灵敏度和宽检测范围，而本发明通过对pdms泡沫的细化微结构设计，改善了介电层的微观结构，有效地扩宽了传感器的压力检测范围，并且提高了对细微压力变化的响应能力。

24、3.优秀的机械性能和相关传感性能的稳定性：

25、利用pdms材料本身优秀的机械性能和弹性，在此材料基础上结合骨架细化微结构设计，本技术方案的传感器在受到外力作用时能够产生良好的机械变形，并在去除压力后能够迅速恢复原状，展现了优秀的回弹性和实用性。这些性能使得传感器即便在反复压缩和释放过程中也能保持性能的稳定，延长了产品的使用寿命和可靠性。与传统的刚性传感器相比，本发明的柔性电容式压力传感器能被较为轻松地切割为各种形状来适应有着不同环境结构的应用环境，赋予了其适应各恶劣环境表面的能力。

26、4.简单的制备过程和较低的制备成本：

27、本发明采用的固液态双模板法大大简化了制备流程的同时，还降低了生产成本。与现有技术相比，这一制备技术不需要复杂的设备和昂贵的材料，且生产过程易于控制，非常适合于大规模生产。这种简单的制备方法不仅减少了生产成本，还降低了制备的过程对环境的影响。本发明在整个制备过程中均使用环境友好型材料，对环境的影响非常小。这种绿色制造的理念，加上所述制备方法的可扩展性，在未来的大规模产业化生产的环境下有着巨大的潜力。

28、本发明的骨架细化微结构的柔性电容式压力传感器，其核心原理是通过微结构设计优化了介电层材料的物理性能。这种微结构不仅增加了材料的形变程度，还使得介电层在微观尺度上形成了许多微小的空气隙，这些空气隙在压力作用下的形变能够有效地转化为电容的变化，从而提高了压力变化检测的灵敏度，并提升了传感器对不同压力级别的区分能力。通过这种方式，本发明实现了高灵敏度、宽检测范围与优良的稳定性的有效结合。

29、当然，实施本发明的任一产品并不一定需要同时达到以上所述的所有优点。