一种电阻式压力传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种电子器件，具体涉及一种基于导电性多孔弹性薄膜为敏感性层的电阻式压力传感器及其制备方法，属于电子技术领域。
【背景技术】
[0002]电阻式压力传感器是将被测量的压力变化转换成电阻变化的传感器。电阻式压力传感器包括具有电极的衬底和弹性导电薄膜，弹性导弹薄膜位于两层电极之间。弹性导弹薄膜通常采用弹性材料和导电材料的混合体，使其既具有导电性又具有受压力时的形变能力。当弹性导弹薄膜被使用者按压时，该薄膜中导电材料之间的接触增加或是薄膜与电极之间的接触面增加，使薄膜与电极之间的电流增加，从而改变器件的电阻。
[0003]随着可穿戴设备的发展，对作为其重要组成部件的压力传感器提出了更高的要求，包括可弯曲性，高灵敏度，快速响应以及与人体的兼容性。然而，目前所采用的弹性材料和导电材料的混合体系中，弹性材料的弹性性能有限，需施加较大的压力才能使薄膜产生形变以改变其电阻，从而使压力传感器不能具有高的灵敏性。因此，如何增加导电薄膜的弹性性能已成为一个重要的研究方向。现在最常用的方式是使用模板将导电薄膜的表面做成金字塔状的微结构，使薄膜与电极之间只有很小的接触面。在薄膜受外力作用时薄膜表面的微结构产生形变，薄膜和电极之间的接触面迅速增大，从而增加压力传感器的灵敏性。但这种方法存在以下弊端:(I)模板的使用增加了工艺的成本；(2)弹性导弹薄膜表面形成的微结构极容易形变被压实，只能在微小的压力范围内有较高的灵敏度。同时，如何保证薄膜表面的微结构在应用初始时不被压缩将成为一个难题。因此，如何增加这些弹性材料的形变能力在增强电阻式压力传感器的灵敏性以及增加高灵敏性的压力范围具有重要的意义。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是，提供一种电阻式压力传感器及其制备方法，解决电阻式压力传感器中弹性敏感层高灵敏性的压力范围小的问题，从而增强压力传感器高灵敏性的压力范围。
[0005]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0006]—种电阻式压力传感器，由敏感层和两片包含电极的衬底组成，所述敏感层位于两层电极之间，其特征在于，所述敏感层为导电性多孔弹性薄膜。
[0007]按照本发明所提供的电阻式压力传感器，其特征在于，所述导电性多孔弹性薄膜由热固化弹性材料、发泡材料和导电材料混合经加热固化后形成。
[0008]按照本发明所提供的电阻式压力传感器，其特征在于，所述热固化弹性材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)或铂催化硅胶(Ecoflex)。
[0009]按照本发明所提供的电阻式压力传感器，其特征在于，所述发泡材料为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、甲苯磺酰肼、氧化双(苯磺酷)肋、碳酸氢钠或碳酸氢铵。
[0010]按照本发明所提供的电阻式压力传感器，其特征在于，所述导电材料为石墨烯、石墨、炭黑、单壁和多壁碳纳米管、金属纳米线或金属及金属氧化物纳米颗粒，所述金属为金、银、铜、铝或镍，所述金属氧化物为氧化铟锡(ITO)或氟掺杂锡氧化物(FTO)。
[0011]按照本发明所提供的电阻式压力传感器，其特征在于，所述热固化弹性材料与发泡材料的混合比例在10:1-10:3之间，所述热固化弹性材料与导电材料的混合比例在20:1-5:2 之间。
[0012]按照本发明所提供的电阻式压力传感器，其特征在于，所述电极为石墨烯、石墨、炭黑、单壁和多壁碳纳米管、金属、金属氧化物、金属纳米线或金属及金属氧化物纳米颗粒，所述金属为金、银、铜、铝或镍，所述金属氧化物为氧化铟锡(ITO)或氟掺杂锡氧化物(FTO) ο
[0013]按照本发明所提供的电阻式压力传感器，其特征在于，所述透明衬底为玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚氨基甲酸酯(PU)。
[0014]本发明的另一技术方案如下:
[0015]一种电阻式压力传感器的制备方法，其包括以下步骤:
[0016]I)利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对衬底进行超声清洗，清洗后干燥，采用氧等离子体或紫外光/臭氧处理衬底表面；
[0017]2)采用真空蒸镀、磁控溅射、旋涂、喷涂、刮涂或凹版印刷的方式在衬底上制备电极；
[0018]3)分别称取热固化弹性材料、发泡材料和导电材料，将三者混合并搅拌均匀；
[0019]4)将PET薄膜放置于平整的底板上，PET薄膜两侧设置高度一致的垫片，将均匀混合的固化弹性材料、发泡材料和导电材料倒于PET薄膜上；
[0020]5)将另一张PET薄膜覆盖到混合的固化弹性材料、发泡材料和导电材料上，用玻璃棒或金属棒在PET薄膜表面滚动或推动，使材料均匀分布于两层PET薄膜中；
[0021]6)用表面平整的盖板覆盖在顶上的PET薄膜之上，固定底板和盖板之间的相对位置和高度，然后将其整体转移至加热台上加热，加热过程中发泡材料产生气体同时伴随热固化弹性材料固化，形成内部的多孔结构；
[0022]7)去除底板、盖板及PET薄膜，得到所需的导电性多孔弹性薄膜；
[0023]8)将两片包含电极的衬底贴合到导电性多孔弹性薄膜的上下两侧，得到所需的电阻式压力传感器，其中，电极与导电性多孔弹性薄膜接触，衬底在最外侧。
[0024]按照本发明所提供的电阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤3)中，所述热固化弹性材料与发泡材料的混合比例在10:1-10:3之间，所述热固化弹性材料与导电材料的混合比例在20:1-5:2之间。
[0025]本发明的有益效果在于:本发明所述电阻式压力传感器的敏感层采用导电性多孔弹性薄膜，该薄膜在受压力作用时，薄膜的形变量增加，减小了薄膜中导电材料之间的接触电阻，增强了压力传感器对压力的敏感性；导电性多孔弹性薄膜需施加大的压力才能被压实，增加了电阻式压力传感器高敏感性的压力范围；薄膜所采用的材料价格低，加工工艺简单，降低了压力传感器的成本。
【附图说明】
[0026]图1是本发明的结构示意图。
[0027]图2是本发明实施例2中电阻式压力传感器对压力的响应。
[0028]图中，I衬底，2电极，3敏感层。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，该实施例以本发明技术方案为前提给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0030]如图1所示，本发明所述的电阻式压力传感器由敏感层3和两片包含电极2的衬底I组成；电极2位于透明的衬底I之上，且位于敏感层3的上下两侧，所述敏感层3位于两层电极2之间，为导电性多孔弹性薄膜。
[0031]所述导电性多孔弹性薄膜由热固化弹性材料、发泡材料和导电材料混合经加热固化后形成。所述热固化弹性材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)或铂催化硅胶(Ecoflex) ο所述发泡材料为偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、甲苯磺酰肼、氧化双(苯磺酷)肋、碳酸氢钠或碳酸氢铵。所述导电材料为石墨烯、石墨、炭黑、单壁和多壁碳纳米管、金属纳米线或金属及金属氧化物纳米颗粒，所述金属为金、银、铜、铝或镍，所述金属氧化物为氧化铟锡(ITO)或氟掺杂锡氧化物(FTO)。所述热固化弹性材料与发泡材料的混合比例在10:1-10:3之间，所述热固化弹性材料与导电材料的混合比例在20:1-5:2之间。
[0032]所述电极2为石墨烯、石墨、炭黑、单壁和多壁碳纳米管、金属、金属氧化物、金属纳米线或金属及金属氧化物纳米颗粒，所述金属为金、银、铜、铝或镍，所述金属氧化物为氧化铟锡(ITO)或氟掺杂锡氧化物(FTO)。
[0033]所述透明的衬底I为玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)或聚氨基甲酸酯(PU)。
[0034]本发明所述的电阻式压力传感器的制备方法包括以下步骤:
[0035]I)利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对衬底I进行超声清洗，清洗后干燥，采用氧等离子体或紫外光/臭氧处理衬底表面；
[0036]2)采用真空蒸镀、磁控溅射、旋涂、喷涂、刮涂或凹版印刷的方式在衬底I上制备电极2 ；
[0037]3)分别称取热固化弹性材料、发泡材料和导电材料，将三者混合并搅拌均匀，其中，所述热固化弹性材料与发泡材料的混合比例在10:1-10:3之间，所述热固化弹性材料与导电材料的混合比例在20:1-5:2之间；
[0038]4)将PET薄膜放置于平整的底板上，PET薄膜两侧设置高度一致的垫片，将均匀混合的固化弹性材料、发泡材料和导电材料倒于PET薄膜上；
[0039]5)将另一张PET薄膜覆盖到混合的固化弹性材料、发泡材料和导电材料上，用玻璃棒或金属棒在PET薄膜表面滚动或推动，使材料均匀分布于两层PET薄膜中；
[0040]6)用表面平整的盖板覆盖在顶上的PET薄膜之上，固定底板和盖板之间的相对位置和高度，然后将其整体转移至加热台上加