[发明专利]基于聚酰亚胺基底微结构的柔性压力传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于聚酰亚胺基底微结构的柔性压力传感器及其制备方法。本发明的柔性压力传感器包括下层柔性基底、力敏结构层和上层柔性封装层；下层柔性基底为聚酰亚胺薄膜，其上表面具有凸起的微结构阵列；力敏结构层与下层柔性基底上表面紧密贴合，其从下至上包括下部电极层、柔性压阻材料层和上部电极层，柔性压阻材料层是具有压阻特性的碳基纳米颗粒/聚合物压阻材料；上层柔性封装层与力敏结构层上表面紧密贴合，用以保护传感器和防水。本发明通过采用自下而上的微纳制造技术制备基于聚酰亚胺基底微结构的柔性压力传感器，具有灵敏度高、超薄超轻、工艺简单、易于阵列化制造和应用性强的优点。

技术领域

本发明属于压力测量技术领域，尤其是涉及一种基于聚酰亚胺基底微结构的柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术

皮肤在人类的生活中发挥出巨大的作用，在皮肤的帮助下很多工作才可以开展实施。但对于一些已经丧失部分皮肤感知功能的截肢、烧伤患者，一些高危精细的机械臂工作场合，有其他健康指标信号监测的患者，需要实时反馈出的外界信号及人身健康状况，柔性压力传感器因此产生并得到发展。

柔性压阻式压力传感器可以轻易得将压缩、弯曲和扭转等诸多形变转化为电信号，同时压阻式传感器较之压电式、电容式应变传感器，测试简便，干扰信号小，在对外界的压力感知方面不亚于人类皮肤。

近年来，国内外多家研究机构为了追求柔性压阻式压力传感器的高拉伸率和高灵敏度，将碳基导电颗粒与柔性聚合物相互混合制备出新型柔性压阻材料。常见的柔性聚合物例如聚酰亚胺（PI）、聚氨酯（PU）、聚偏氟乙烯（PVDF）、苯乙烯系热塑性弹性体（SBS）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等，赋予传感器可拉伸性、可弯曲性和透明性等特殊属性；碳基导电颗粒例如石墨烯、碳纳米管、石墨纳米片等赋予传感器电学性能。聚合物和导电颗粒相互混合并配合特殊的结构，可容易地满足压力传感器需求。但是大多数基于碳基导电颗粒掺杂聚合物的压力传感器存在尺寸大、工艺与结构复杂和应用性差的缺点。

发明内容

本发明旨在提供一种基于聚酰亚胺基底微结构的柔性压力传感器及其制备方法。本发明通过采用自下而上的微纳制造技术制备基于聚酰亚胺基底微结构的柔性压力传感器，具有灵敏度高、超薄超轻、工艺简单、易于阵列化制造和应用性强的优点。本发明的技术方案具体介绍如下。

本发明提供一种基于聚酰亚胺基底微结构的柔性压力传感器，其整体为薄膜结构，包括从下至上紧密贴合的下层柔性基底、力敏结构层和上层柔性封装层；所述下层柔性基底为聚酰亚胺薄膜，聚酰亚胺薄膜的上表面具有凸起的微结构阵列；所述力敏结构层从下至上包括下部电极层、柔性压阻材料层和上部电极层，柔性压阻材料层为一种或几种碳基纳米颗粒掺杂一种聚合物的压阻材料，其通过旋涂固化碳基纳米颗粒/聚合物混合溶液制备而成。

进一步的，微结构阵列通过光刻和等离子体刻蚀工艺制备而成，微结构之间的间距为10~500 μm，微结构的横截面为矩形、梯形或穹顶形。

进一步的，下部电极层为金属薄膜，其材料为导电金属，通过溅射或蒸镀技术图案化制造于下层柔性基底的上表面上，与下层柔性基底紧密贴合，下部电极层的厚度为100 n~1000 nm。

进一步的，柔性压阻材料层中的碳基纳米颗粒为石墨烯、碳纳米管或石墨纳米片，聚合物为聚酰亚胺PI、聚氨酯PU、聚偏氟乙烯PVDF、苯乙烯系热塑性弹性体SBS或聚二甲基硅氧烷PDMS。在压力的作用下，柔性压阻材料层与下层柔性基底上微结构的接触区域，会产生应力集中现象，可以增大柔性压阻材料层的变形，进一步提高压力传感器的灵敏度。

进一步的，所述上部电极层为金属薄膜，其材料为导电金属，通过溅射或蒸镀技术图案化制造于柔性压阻材料层的上表面上，上部电极层的厚度为100 ~1000 nm；上部电极层与柔性压阻材料层紧密贴合，上下部电极层对应处形成力敏单元，用于测量所述碳基纳米颗粒/聚合物压阻层上下表面间的电阻值及其变化，根据电阻值及其变化可以检测接触压力大小。