[发明专利]一种摩擦电式压力传感器及其制备方法

说明书

本发明提供了一种摩擦电式压力传感器及其制备方法。该制备方法包括如下步骤：提供一具有凹腔的模具，并在凹腔内置入磁流体；在模具的下方放置永磁体，以在永磁体产生的磁场下将磁流体的形状改变为阵列式布置的多个永磁体尖端结构；将可固化聚合物混合溶液施加在凹腔内，且浸没多个永磁体尖端结构，在可固化聚合物混合溶液完全固化后进行剥离操作，以获得聚合物模板；将可拉伸材料前驱体填充在聚合物模板内，并在可拉伸材料前驱体完全固化后进行剥离操作，以获得其第一表面具有阵列式布置的多个摩擦层尖端结构的可拉伸摩擦层；将可拉伸摩擦层、间隔层、第一电极层和第二电极层进行组装，制备获得摩擦电式压力传感器。该摩擦电式压力传感器具有较高的灵敏度。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种摩擦电式压力传感器及其制备方法。

背景技术

随着5G技术的日益发展及普及，以“万物互联”为核心的物联网时代逐渐到来。摩擦电式压力传感器作为物联网系统中必不可少的一部分，越来越受到人们的重视。然而，现有摩擦电式压力传感器大多存在灵敏度低、空间分辨率不足及需要外部供电等弊端，难以满足小型化、智能化发展趋势，极大地限制了其实际应用。

摩擦纳米发电机能将外部压力刺激等物理信号实时转换为电信号输出，无需任何外部能源供电，为零功耗摩擦电式压力传感器提供了解决方案。同时，为了获得较高的灵敏度，常在摩擦电式压力传感器材料表面成型微观结构，从而有效降低非理想平面摩擦膜的表面刚度，增加界面摩擦时接触面积。

然而，现有微观结构制备方法多依赖于光刻、激光刻蚀或3D打印技术，不仅制作成本较高，而且难以对其结构进行动态调控。例如微金字塔、微线、微柱和微纳米线等结构大多表现出垂直特性。在摩擦纳米发电机接触/分离过程中，垂直性导致摩擦起电作用的界面接触面积通常不超过微结构顶部的总面积，显著小于摩擦膜的表观面积，这明显降低了摩擦纳米发电机的输出，进而影响其作为摩擦电式压力传感器时的灵敏度。因此，要进一步提高摩擦电式压力传感器灵敏度，必须解决与微结构垂直度有关的缺陷。

发明内容

本发明的一个目的是要提供一种新的方法来制备获得灵敏度较高的摩擦电式压力传感器。

本发明的一个进一步的目的在于解决现有技术中的基于摩擦起电的摩擦电式压力传感器的材料表面的微结构大多表现为垂直特性，从而降低其灵敏度的技术问题。

本发明的另一个目的是要提供一种具有较高灵敏度的摩擦电式压力传感器。

特别地，本发明提供了一种摩擦电式压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

提供一具有凹腔的模具，并在所述凹腔内置入磁流体；

在所述模具的下方放置永磁体，以在所述永磁体产生的磁场下将所述磁流体的形状改变为阵列式布置的多个永磁体尖端结构；

将可固化聚合物混合溶液施加在所述凹腔内，且浸没所述多个永磁体尖端结构，在所述可固化聚合物混合溶液完全固化后进行剥离操作，以获得聚合物模板；

将可拉伸材料前驱体填充在所述聚合物模板内，并在所述可拉伸材料前驱体完全固化后进行剥离操作，以获得其第一表面具有阵列式布置的多个摩擦层尖端结构的可拉伸摩擦层；

将所述可拉伸摩擦层、间隔层、第一电极层和第二电极层进行组装，以使所述间隔层位于所述可拉伸摩擦层上，所述第一电极层和所述第二电极层分别位于所述间隔层的两侧，并使所述第一电极层与所述可拉伸摩擦层的所述多个摩擦层尖端结构之间具有间隔，从而制备获得摩擦电式压力传感器。

可选地，在所述模具的下方放置永磁体，以在所述永磁体产生的磁场下将所述磁流体的形状改变为阵列式布置的多个永磁体尖端结构的步骤中：

通过调节所述永磁体和所述模具之间的角度来改变所述永磁体尖端结构与所述第一表面之间的夹角。