[发明专利]柔性压力传感器及其制备方法

说明书

一种柔性压力传感器的制备方法，包括：制备圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜；对碳纳米管粉末进行预处理；制备预制碳纳米管薄膜；从所述预制碳纳米管薄膜剥离出碳纳米管薄膜；将所述碳纳米管薄膜风干；将所述碳纳米管薄膜置于所述圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜上，并在180‑220℃温度下加热20‑40分钟；制备半固化平滑PDMS薄膜；将所述半固化平滑PDMS薄膜贴合在所述碳纳米管薄膜和圆锥形微阵列结构的PDMS薄膜上，并在70‑90℃温度下加热20‑30分钟，得到柔性压力传感器。还提供一种柔性压力传感器。上述柔性压力传感器精度较高、响应时间较短且不易受干扰。

技术领域

本发明属于柔性压力传感器技术领域，特别涉及一种柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术

近些年来，随着机器人领域的不断发展，越来越多的人开始关注机器人手的触觉感应的研究和开发。柔性压力传感器不仅是促进诸如医疗装置精确力反馈系统和人形机器人发展的必要装置，也是下一代可穿戴电子器件用于监测人体生理信号的重要部件。在实际使用过程中要求传感器透明、柔韧、延展、高灵敏度等特点，特别是工作环境在人体复杂不规则的皮肤表面。随着柔性基质材料的发展，满足上述特点的柔性压力传感器在此基础上应运而生。

随着信息时代的应用需求越来越高，对被测量信息的范围、精度和稳定情况等各性能参数的期望值和理想化要求逐步提高。可穿戴设备的传感器系统在一些运用上逐渐表现出其局限性，包括目前的传感器柔性不足，精度不高，感测范围小，响应滞后以及容易受到人体生理信号噪声的干扰等，造成穿戴不舒适、信号采集模糊和不完整、不精确等。

目前的柔性压力传感器制备方法主要有以下几种：

将聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane,PDMS)涂覆在丝绸上，PDMS得到与丝绸纹路相反的图案；通过渗漏的方法得到碳纳米管薄膜；将碳纳米管薄膜与图案化的PDMS贴合之后加热；在碳纳米管薄膜另一侧贴合一层光滑的PDMS薄膜；最后在薄膜两侧加上电极组成传感器，此压力传感器最小可以感测到0.1的压力，响应恢复时间在毫秒范围之内。

碳纳米管加入N-甲基吡咯烷酮中超声30分钟，离心30分钟；然后在200摄氏度下将其喷涂在硅片表面形成电极，将聚氨酯弹性体溶液旋涂在此电极上，之后将此电极转印到聚氨酯基底上；碳纳米管粉末和氯仿溶液超声20分钟后，加入聚-3-己基噻吩超声60分钟，离心20分钟，将处理后的碳纳米管混合聚氨酯后加入氯仿溶液中，将其旋涂到具有金字塔结构的PDMS模具上形成压阻聚合物；将碳纳米管电极层压在压阻金字塔的顶部，并在60℃下加热5分钟以确保良好的结合，然后将碳纳米管电极/压阻聚合物从模具中取出，在嵌入的PDMS中喷涂银纳米线形成压力传感器。由于金字塔的结构降低了有效模量并且集中了电场，从而提高了相对于非结构化膜的压阻特性，提高了传感器的灵敏度。

将EcoFlex的A与B以1:1的比例混合、脱泡，旋涂在3D打印或光刻制备的的三维模具上，静置4小时使EcoFlex完全晾干，撕下薄膜；另将EcoFlex在1100rpm转速下旋涂在一片光滑的基底上，得到厚度为1mm的Ecoflex薄膜，在60度的干燥箱中加热40秒；将已准备好的有图案的另一层薄膜覆盖在上面，在室温下干燥数小时到其完全干燥；用注射器将镓铟合金注入两层膜的通道中，通道的两端用EcoFlex密封。此方法可以得到在0-100KPa范围内，分辨率达到1KPa的柔性压力传感器。

将包含基础预聚物和交联剂(重量比10：1)的PDMS溶液涂覆在玻璃片上之后脱泡，将PDMS置于120度下加热1小时；用氧等离子体处理PDMS表面以形成亲水表层；将用化学气相沉积法得到的石墨烯转印到PDMS表面；使用光刻和反应离子蚀刻进行图案化；然后在对准器标记的引导下将两个通道垂直地层压。此方法得到的柔性压力传感器的感测范围为0-450KPa，最小可以感测到0.5KPa的压力，响应时间小于0.2s。