[发明专利]一种三维力温度复合柔性传感阵列及其制备方法

权利要求书

1.一种三维力温度复合柔性传感阵列，其特征在于：包括由从上至下依次设置的表面硬化层(1)、温敏层(2)、半球凸台层(3)、上硬化梁状凸台层(4)、上基底层(5)、可拉伸电极层(6)、压敏层(7)、下硬化梁状凸台层(8)和下基底层(9)；所述的半球凸台层(3)上包括多个PDMS半球凸台(16)，每个PDMS半球凸台(16)上设有温敏单元(14)，温敏单元(14)上设有顶部硬化层(13)；所述上硬化梁状凸台层(4)包括多个上硬化梁状凸台(17)，下硬化梁状凸台层(8)包括多个下硬化梁状凸台(20)，上硬化梁状凸台(17)与下硬化梁状凸台(20)一一对应设置，PDMS半球凸台(16)正压于上硬化梁状凸台(17)上；所述的上基底层(5)包括上基底(18)。

2.根据权利要求1所述的三维力温度复合柔性传感阵列，其特征在于：每个所述温敏单元(14)为轴对称结构，由多个同心圆弧形温敏电阻线按S型串联而成；所述压敏层(7)包括柔性薄膜基底层(11)和设置在柔性薄膜基底层(11)上的三维力敏感单元(10)；所述三维力敏感单元(10)由四个扇形的压敏片(22)组成，压敏片(22)按圆周阵列均布于柔性薄膜基底层(11)上。

3.根据权利要求2所述的三维力温度复合柔性传感阵列，其特征在于：所述的温敏单元(14)和三维力敏感单元(10)形成复合传感单元，复合传感单元按三行两列排列，空间分辨率为空间分辨率为8mm。

4.根据权利要求2所述的三维力温度复合柔性传感阵列，其特征在于：每个所述的压敏片(22)占圆形区域的1/4，压敏片(22)由六个不同半径的同心圆弧按S型串联而成，各圆弧之间的间距为0.2mm。

5.根据权利要求1所述的三维力温度复合柔性传感阵列，其特征在于：所述表面硬化层(1)为球冠体形。

6.根据权利要求1所述的三维力温度复合柔性传感阵列，其特征在于：所述的上硬化梁状凸台(17)由十二个0.1×1×0.1mm的长方体组成，长方体以上基底(18)上的两个通孔的中心为圆心按圆周阵列均匀排布。

7.根据权利要求1所述的三维力温度复合柔性传感阵列，其特征在于：所述的PDMS半球凸台(16)中间设有两个直径为0.1mm的第一通孔(16a)和第二通孔(16b)，两通孔圆心之间的距离为0.2mm；所述的上基底(18)上设有两个直径为0.1mm的第一圆孔(18a)和第二圆孔(18b)，第一通孔(16a)与第一圆孔(18a)的圆心在同一直线上，第二通孔(16b)与第二圆孔(18b)的圆心在同一直线上。

8.实现权利要求1所述的三维力温度复合柔性传感阵列的制备方法，其特征在于：具体按下述步骤进行：

S1：将Sylgard 184PDMS的主剂与固化剂以10:1的质量比均匀混合，采用真空干燥箱进行脱泡处理，在涂好脱模剂的玻璃片上旋涂一层100um厚的PDMS，在80℃加热2小时固化得到下基底层，再采用同样的方法制得柔性薄膜基底层；将Sylgard 184PDMS的主剂、固化剂和纳米二氧化硅以5:1:0.1的质量比混合均匀、抽真空除去气泡，注入到带有四十八个梁状凹坑阵列的铝合金模具中，然后将上述制备好的下基底层的上表面覆盖在梁状凹坑阵列上，在80℃加热2小时固化得到下硬化梁状凸台层；

S2：将硫化硅橡胶、银纳米粉、单层石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮和四氢呋喃以1：1.25：0.8：0.01：4的质量比混合，密封好后置于磁力搅拌器上搅拌1小时，再用超声分散仪分散2小时，使其混合均匀，然后揭开密封盖将分散后的混合液置于磁力搅拌器上搅拌1小时使四氢呋喃挥发，得到糊状混合物，之后将100um厚的具有图案化阵列的钢网掩膜板贴在柔性薄膜基底层的上表面，用刮刀将配制好的糊状物透过掩膜板刮涂在柔性薄膜基底层的上表面，撤开掩膜板后在80℃下加热2小时使其固化成型，制得压敏层；将硫化硅橡胶、银纳米粉、单层石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮和四氢呋喃以1：1.72：0.12：0.01：4的质量比混合，密封搅拌、分散，在敞开搅拌，配得糊状物；将100um厚的具有行、列条状阵列的钢网掩膜板贴在压敏层上，用刮刀将配制好的糊状物透过掩膜板刮涂在柔性薄膜基底层和压敏层上，撤开掩膜板，80℃加热2小时得到可拉伸电极层，对柔性薄膜基底层的下表面和下基底层的上表面进行氧等离子活化，并将这两个表面对准贴合；

S3：将Sylgard 184PDMS的主剂与固化剂以10:1均匀混合，抽真空去除气泡，在涂好脱模剂的玻璃片上旋涂100um厚的PDMS薄膜，80℃下加热半小时至半固化，粘贴到可拉伸电极层的上表面，80℃加热2小时固化成型后剥离，得到上基底层；将Sylgard 184 PDMS的主剂、固化剂和纳米二氧化硅以5:1:0.1的质量比混合均匀后，进行脱泡处理；将混合液倒入带有七十二个硬化梁状凹坑阵列的铝合金模具中，然后将制备好的上基底层的上表面覆盖在梁状凹坑阵列上，80℃加热2小时形成上硬化梁状凸台层；将脱泡后的PDMS混合液注入带有半球凹坑阵列的铝合金模具中，在80℃的恒温箱中加热2小时固化成型，制造成半球凸台层，对半球凸台层的下表面与上基底层的上表面进行氧等离子活化，并将这两个表面对准贴合；

S4：将硫化硅橡胶、银纳米粉、单层石墨烯、聚乙烯吡咯烷酮和四氢呋喃以1：1.25：0.8：0.01：4的质量比混合，密封搅拌、分散，在敞开搅拌，配得糊状物，再用注射器将其注入半球凸台层上的各通孔中，与可拉伸电极层相连；将100um厚的钢网掩膜板贴在半球凸台层上表面，用刮刀将配制好的糊状物透过掩膜板刮涂半球凸台层上表面，撤开掩膜板，80℃加热2小时固化成型，得到温敏层；

S5：将Sylgard 184PDMS的主剂、固化剂和纳米二氧化硅以5:1:0.1的质量比混合均匀，除去气泡，注入到带有球冠体凹坑的铝合金模具中，80℃加热半小时至半固化状态，将其粘贴在半球凸台层上表面，室温下静置24小时，从模具上剥离得到表面硬化层，制备出三维力温度复合柔性传感阵列。