[实用新型]一种碳基电阻式柔性压力传感器

说明书

技术领域

本实用新型属于新型传感器技术领域，涉及一种碳基电阻式柔性压力传感器。

背景技术

压力传感器是一种将压力、应变等物理量转化为电信号的电子器件装置。压力在自然界中是一种十分重要的物理量，在人类的身体上就有无数的压力传感器在感知环境中的压力类信号，从而使得我们可以适应环境、规避危险。当下随着可穿戴设备、机器人、电子皮肤等领域迅速发展，为了让这些人造机器具备类似人的智能，对环境中压力类信号这一物理量的全方位感知和精确测量具有十分重要的意义。

然而传统的压力传感器一般是非柔性的刚性材质，在受到较大机械形变时容易毁损，无法工作。因此难以用于可穿戴设备、电子皮肤、机器人的各个关节处等机械形变较大的工作场合。若能有可以正常工作于大范围机械形变的柔性压力传感器，用以采集这些场合的压力、应变等信号，将大大提升机器的感知压力能力。

受这类需求的驱动，柔性压力传感器近些年来取得了不少研究进展。不过目前可以工作于大范围机械形变的柔性压力传感器采用的材料往往是杨氏模量低的高分子聚合物等材料，将导电物质填充于这些高分子聚合物中，利用压力产生形变的方法改变聚合物中导电填充物之间的间距，从而改变材料电阻，达到检测压力的目的。这种柔性压力传感器对压力变化的响应时间和恢复时间慢，难以用于测量高频变化的动态压力信号。目前柔性压力传感器中可测得最高动态高频压力信号的是Dan Li课题组的研究成果，可分辨测出2kHz的动态压力信号。但是这仍然不能满足高频压力信号测量的需求。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种碳基电阻式柔性压力传感器。该压力传感器具有优良的柔性性质，可以在弯曲任意角度的状态下正常工作，当该压力传感器受到压力作用或者发生弯曲应变时，从聚酰亚胺上两端银电极测得的电阻值发生相应变化，从而感知压力信号。该压力传感器不仅利用材料本身受压形变导致阻变的原理，同时利用材料特殊结构与电极之间形成受压力调控的接触电阻的原理。其灵敏度高，应变系数为2.1-3之间；压力测量范围广，为10Pa至900kPa；具有很高的分辨率和动态响应，能测出高达10kHz的动态高频压力信号；稳定性质好，通过了8000次以上的稳定性重复测试。这种碳基电阻式柔性压力传感器制备工艺简单，设备成本低，该电阻式柔性压力传感器适用于可穿戴设备，可用于压力、应变等物理量测量。

实现本实用新型目的的具体技术方案是：

一种碳基电阻式柔性压力传感器，特点是：该传感器呈四层薄膜结构，包括柔性聚酰亚胺薄膜层、银电极层、柔性石墨烯和氧化石墨烯的复合薄膜层以及氧化石墨烯薄膜绝缘保护层，其中，聚酰亚胺薄膜层厚度为20μm-200μm；银电极层厚度500nm-5μm，生长在聚酰亚胺薄膜层两端；柔性石墨烯和氧化石墨烯的复合薄膜层厚度为50μm-600μm，该层呈蜂窝式多孔层状结构；使用的材料为石墨烯和氧化石墨烯的混合物，石墨烯和氧化石墨烯混合比例在10-3:1-2，石墨烯含量越多则压力传感器初始不受压力时电阻越小；氧化石墨烯薄膜绝缘保护层，厚度20μm-300μm；柔性石墨烯和氧化石墨烯的复合薄膜层与氧化石墨烯绝缘保护层生长在一起，与银电极层粘结在一起。

所述压力传感器的制备包括以下步骤：

步骤1：制备衬底

采用化学离子交换和喷墨打印相结合的方法，在20μm-200μm厚的聚酰亚胺薄膜两端生长一层500nm-5μm厚的银电极层；

步骤2：制备功能层

将石墨烯和氧化石墨烯以质量比为10-3:1-2的比例混合，并配制成悬浊液，浓度为0.2-1.8mg/ml，同时再配制一份氧化石墨烯悬浊液，浓度为0.2-1.8mg/ml，然后通过顺序真空抽滤的方法分别连续对这两种悬浊液抽滤，得到厚度为20μm-300μm的氧化石墨烯绝缘保护层以及厚度为50μm-600μm的石墨烯和氧化石墨烯的复合层，两层牢固生长在一起；

步骤3：制作压力传感器

将衬底的银电极层与功能层的石墨烯和氧化石墨烯的复合层通过导电银浆粘结在一起，并在银电极层两端引出导线，得到所述柔性压力传感器。

本实用新型的聚酰亚胺薄膜层厚度为20μm-200μm，聚酰亚胺薄膜具有优良的柔性性质，可任意弯曲而不会毁损。银电极层厚度约500nm至5μm。银电极层采用化学离子交换和喷墨打印相结合的方法，生长在聚酰亚胺薄膜层两端。这两层牢固生长在一起作为整个传感器的衬底，测量电极从两端银电极引出。