[发明专利]一种基于褶皱与裂纹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褶皱与裂纹结构的柔性压力传感器及其制备方法，包括基体和附着于基体上的导电层，基体上有裂纹结构和两级褶皱结构，所述两级褶皱结构的尺度为纳米级和微米级，裂纹结构垂直于褶皱结构，基体为聚二甲基硅氧烷固化体薄片，导电层采用纯金属，导电层面对面贴合或导电层上贴合一层基体；同一传感器可以实现三种不同工作模式，使用者可以根据应用场景需求选择不同使用模式：褶皱结构主导模式，裂纹结构和褶皱结构共同主导模式，裂纹结构主导模式，可探测声波、震动等微弱信号；裂纹结构和褶皱结构共同主导模式具有适中灵敏度和压力探测范围，可实现人体全尺度生理信号的检测；裂纹结构主导模式则具有极大的压力探测范围。

技术领域

本发明属于传感器制造技术领域，具体涉及一种基于褶皱与裂纹结构的柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术

柔性压力传感器在电子皮肤、软体机器人、健康监测等领域发挥着十分重要的作用。灵敏度和检测范围是柔性压力传感器最重要的两个性能参数，通过表面微结构(微柱，微球，棱锥等)设计可有效提高传感器的灵敏度，然而压力检测范围与灵敏度之间往往存在相互掣肘的关系，有限的压力检测范围仍然是制约柔性压力传感器应用的关键问题之一。

近来，已有研究通过光刻加工技术制备了多级微结构，实现了灵敏度和检测范围的同时提升。但是，一方面光刻等微纳加工手段步骤繁琐、成分昂贵；另一方面，如何在保持足够的灵敏度下实现几百千帕(KPa)、甚至兆帕(MPa)级别的压力检测范围仍然是一个不小的挑战。

发明内容

为了解决现有技术中存在的问题，本发明提供一种褶皱结构与裂纹结构相结合的柔性压阻式压力传感器，其具有三种模式可供选择，可充分满足具体使用场景中对于高灵敏性或者超大压力探测范围的要求，同时具有制备工艺简单，生产成本低以及高稳定性等特点。这种可以在同一种传感器上实现三种不同模式的压力传感器为：第一种模式为褶皱结构主导的高灵敏性压力传感器，其具有高灵敏度可达9.6kPa^-1；第二种模式为褶皱结构和裂纹结构共同主导的较高灵敏性及大压力探测范围的压力传感器；第三种模式为裂纹结构主导的具有超大应力探测范围的压力传感器。

为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：一种基于褶皱与裂纹结构的柔性压力应变传感器，包括基体和附着于基体上的导电层，基体上有裂纹结构和两级褶皱结构，所述两级褶皱结构的尺度为纳米级和微米级，裂纹结构垂直于褶皱结构，基体为聚二甲基硅氧烷固化体薄片，导电层采用纯金属，导电层面对面贴合或导电层上贴合一层基体。

聚二甲基硅氧烷固化体薄片，厚度不超过0.8mm-1.5mm。

所述纯金属为Ag、Au、Cu或Pt。

两级褶皱结构的尺度为827.6±47.3nm和3.40±0.17μm；裂纹结构为平行裂纹结构和网格裂纹结构。

一种基于褶皱与裂纹结构的柔性压力应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：制备聚二甲基硅氧烷薄片作为基体，将所述基体拉伸至应变达到30％-40％后，进行第一次氧等离子体处理；

步骤2：对基体释放拉伸应变的一半，进行第二次氧等离子体处理后，再释放全部应变；

步骤3：在氧等离子体处理后的聚二甲基硅氧烷表面沉积一层导电薄膜，即得到柔性压力传感器所需的材料体系；

步骤4：将两个电极分别粘在两片样品长边的边缘，两样品以面对面的方式进行组装，电极接入电路；或者将两个电极分别粘在同一样品长边的两端，样品上方放置尺寸同样但未经处理的PDMS薄片。

步骤1中聚二甲基硅氧烷薄片，首先将聚二甲基硅氧烷前体与固化剂按质量比10:1混合均匀，经30min脱气处理后倒入模具中进行干燥固化，将已固化的聚二甲基硅氧烷薄片剥离。