基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器及方法

1.本发明属于压力传感器技术领域，具体涉及基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器及方法。


背景技术：

2.智能感知是实现可穿戴设备功能的重要角色，而柔性压力传感器则是起到这一作用的关键核心，它的应用场景非常广泛，包括医疗健康、智能假肢、运动检测、触觉传感等方面。柔性压力传感器可以将外界施加的压力转换为电学信号，包括电容、电阻、电压等，按照可转换的信号不同主要可分为电容式压力传感器、电阻式压力传感器、压电式压力传感器和摩擦电式传感器。其中，微结构设计是目前调控压力传感器传感性能的常用手段，通过在传感层构筑微结构可以使其在较小的压力下产生较大的变形。
3.目前使用多孔结构制作传感器的方法多为在多孔结构的骨架中掺杂导电填料，当施加应力时导电通路发生变化，最终作为电阻型压力传感器，但电阻型传感器较不稳定，受应力变形影响较大，电容式传感器的稳定性好，结构简单，更适合用于长期佩戴。同时，导电填料的选取也是一个问题，目前常用的导电填料为碳基、金属基材料，制备复杂，价格昂贵，亟需寻找制备简单、导电性良好且具有柔性的导电填料。除此之外，目前关于传感器的结构设计单一，传感性能受限，将多重微结构相结合的方法可以实现高性能传感器的制备，成为传感器设计下一步需要考虑的重要方向。


技术实现要素：

4.为了克服以上现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供一种基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器及方法，该方法使用多重微结构相结合的方式制备的传感器具有高灵敏度、稳定性好的特点，具有在健康监测和运动监测等领域的应用前景。
5.为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：
6.一种基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器，包括上下两个平行电极1，两个平行电极1之间设有多孔结构泡沫层3，在多孔结构泡沫层3的上下表面化学合成导电聚合物，再附加带有微结构弹性体层2，所述上下平行电极1采用导电胶带或导电薄膜，分别直接延伸用作与外接设备相连接的引线。
7.所述多孔结构泡沫层3中的孔洞是闭合孔洞，孔洞之间互不相连，尺寸在微米级范围；
8.所述多孔结构泡沫层3的厚度范围10-2000微米；微结构弹性体层2的厚度范围1-100微米；
9.多孔结构泡沫层3的孔洞直径约为30-50微米；导电聚合物均匀分散在多孔结构泡沫层3表面，嵌入表面孔内，且不会脱落；微结构弹性体层2为金字塔阵列结构，宽度、高度和间距均在5-20微米之间，根据三者与器件灵敏度的相关性设定其具体尺寸。一种基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器的制备方法，包括以下步骤；
10.s1.采用气相氧化聚合的方式将导电聚合物沉积在泡沫材料中；得到多孔结构泡沫层3；
11.s2.将弹性体材料涂于微结构化的模板上，得到微结构弹性体层2，将聚合好的多孔结构泡沫层3轻置于其上，粘附在一起后进行加热固化，重复此步骤制备双面微结构；
12.s3.将导电胶带或导电薄膜置于上下两侧作为上下平行电极1，并直接延伸用作与外界设备相连的引线，使用防水透气胶带进行封装。
13.所述s1中，气相氧化聚合方法包括以下步骤：
14.s1-1.将氧化剂溶于有机溶剂中，混合均匀，得到氧化剂溶液；
15.s1-2.将泡沫材料置于氧化剂溶液中浸泡，然后取出后烘干除去多余的溶剂；
16.s1-3.将烘干后泡沫材料置于自制氧化聚合装置中，即玻璃培养皿中，将3,4-乙烯二氧噻吩单体滴于下方，泡沫材料使用胶带粘于上方，将整个装置置于热台加热，温度为60～80℃，加热时间为1～3h；
17.s1-4.将掺杂后的泡沫材料使用无水乙醇和去离子水分别清洗多次，后干燥储存，得到多孔结构泡沫层3。
18.所述多孔结构泡沫层3通过气相原位氧化聚合的方式将导电聚合物单体掺杂其中，导电聚合物材料为聚乙烯二氧噻吩；聚合过程所用氧化剂为氯化铁、六水合氯化铁、六水合对甲苯磺酸铁或对甲苯磺酸铁中的一种，溶解氧化剂的有机溶剂为甲醇、乙醇、丙醇中的一种。
19.所述单体含量为50～300μl之间。
20.所述泡沫材料的厚度在0.5～2mm之间，所述氧化剂溶液浓度在2.5％～7.5％之间。
21.所述多孔结构泡沫层3为采用发泡技术制备的弹性层，所述多孔结构泡沫层3的材料为弹性体材料，所述弹性体材料为热塑性聚氨酯、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、ecoflex中的一种。所述上下两层带有微结构弹性体层2的介电层所用材料为弹性体材料，弹性体材料包括聚二甲基硅氧烷、热塑性聚氨酯、ecoflex、聚氨酯、聚酰亚胺中任意一种或者至少两种的组合，微结构化的模板包括微金字塔、微柱、微锥、微圆点、微槽中任意一种或者至少两种的组合。
22.所述带有微结构弹性体层2的制备方法为模板制备法，包括在模板上旋涂、刮涂、喷涂或滴涂弹性体材料中的一种方式。
23.所述旋涂工艺的旋转速度为600rpm～1200rpm，旋涂时间为30～60s。
24.所述基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器适用于运动监测、关节弯曲、按压等，能够制成智能手套帮助手功能障碍患者识别抓握物体，制成智能坐垫/床垫用于瘫痪患者的坐姿/睡姿识别以避免出现压疮的情况。
25.本发明的有益效果：
26.(1)在本发明中，采用发泡技术制备的多孔结构作为介电层内层，该技术制备的孔洞互不相连，当掺杂导电填料时可以保证传感器为电容型传感器而非电阻型传感器，更加稳定，可靠性好。
27.(2)本发明采用多重结构相结合的方法提高传感器性能，通过将多孔结构与表面微结构相结合，将微米尺度与纳米尺度的结构相结合，有效地提高了传感器的灵敏度，同
时，传感范围也有所增加。
28.(3)本发明选择掺杂导电聚合物，相比较传统的碳基材料和金属纳米材料，更具有轻质性和柔性，且制备简单，成本相对低廉。
附图说明
29.图1为本发明实施例提供的一种基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器的器件结构示意图。
30.其中，1为平行电极，2为微结构弹性体层，3为多孔结构泡沫层。
31.图2为本发明实施例1提供的多孔结构热塑性聚氨酯泡沫的扫描电子显微镜图。
32.图3为本发明实施例1提供的微金字塔结构聚二甲基硅氧烷膜的俯视图。
33.图4为本发明实施例1提供的微金字塔结构聚二甲基硅氧烷膜的截面图。
34.图5为本发明实施例1提供的整体介电层的截面图。
35.图6为本发明实施例1中所涉及的一种基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器对压力的响应。
36.图7为本发明实施例1中所涉及的一种基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器在不同频率的应力加载下的响应结果。
37.图8为本发明实施例1中所涉及的一种基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器在不同大小的应力加载下的响应结果。
具体实施方式
38.下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
39.实施例1
40.本实验例中，采用如图1所示的基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器器件结构，上下电极层采用铜带，介电层采用热塑性聚氨酯泡沫，泡沫层上下的弹性层使用微金字塔状的热塑性聚氨酯薄膜，其中，所述上下铜带电极层分别直接将铜带延伸用作与外接设备相连接的引线。
41.通过下列具体步骤完成一种基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器的制备：
42.s1.称量0.2g氯化铁颗粒溶于4ml甲醇溶剂中，混合均匀；
43.s2.将热塑性聚氨酯泡沫置于上述配好的氯化铁溶液中，共浸泡15分钟，取出后置于70℃热台加热15分钟以除去多余的溶剂；
44.s3.将烘干后的泡沫置于自制氧化聚合装置中，即玻璃培养皿中，取200μl3,4-乙烯二氧噻吩单体滴于下方，泡沫材料使用胶带粘于上方，将整个装置置于热台加热，温度为75℃，加热时间为2h；
45.s4.将泡沫取下，用无水乙醇超声清洗3遍，然后用去离子水超声清洗3遍；
46.s5.置于80℃热台加热烘干水分，干燥后保存；
47.s6.将按照质量比10:1配好的聚二甲基硅氧烷溶液涂于微金字塔的硅片模板上；
48.s7.将聚合好的热塑性聚氨酯泡沫轻置于其上，粘附在一起后置于80℃热台加热3h进行固化；
49.s8.换另一面继续重复s3操作，双面都制备一层微金字塔结构的弹性层；
50.s9.将铜带置于上下两侧作为电极，并直接延伸出去用作与外界设备相连的引线；
51.s10.按照图1所示器件结构顺序，使用胶带依次进行封装。
52.本实验例中，对所制备的介电层进行扫描电镜观测如图3、4、5所示，可以看到表面微金字塔结构完整的制作出来，所用热塑性聚氨酯泡沫的扫描电镜图如图2所示，可以看到微米级孔洞形成，各孔洞之间互不相连，将上述制备的柔性电容式压力传感器用来测试力敏性能，将该传感器与便携式测试装置相连接，使用万能材料试验机对其连续施加压力并测试其压力响应性能如图6所示，制得的一种基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器的最大灵敏度达到55.4233kpa-1
,可以实现很高的灵敏度，传感范围在0-30kpa之间。并且，在不同频率、不同大小的应力循环加载在该传感器上时测得其压力响应情况如图7、8所示，不同频率的压力对其电学响应几乎无影响，可以稳定正常工作，当施加不同大小应力时，电学响应稳定，随着应力的增加而增大。本发明涉及的基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器具有高灵敏度、高稳定性和宽检测范围的特征，适用于运动监测、关节弯曲、按压等多种压力传感需求，可以制成智能手套帮助手功能障碍患者识别抓握物体，制成智能坐垫/床垫用于瘫痪患者的坐姿/睡姿识别以避免出现压疮的情况。
53.实施例2
54.本实验例中，采用如图1所示的基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器器件结构，上下电极层采用铜带，介电层采用热塑性聚氨酯泡沫，泡沫层上下的弹性层使用微金字塔状的热塑性聚氨酯薄膜，其中，所述上下铜带电极层分别直接将铜带延伸用作与外接设备相连接的引线。
55.通过下列具体步骤完成一种基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器的制备：
56.s1.称量0.4g氯化铁颗粒溶于4ml甲醇溶剂中，混合均匀；
57.s2.将热塑性聚氨酯泡沫置于上述配好的氯化铁溶液中，共浸泡15分钟，取出后置于70℃热台加热15分钟以除去多余的溶剂；
58.s3.将烘干后的泡沫置于自制氧化聚合装置中，即玻璃培养皿中，取100μl3,4-乙烯二氧噻吩单体滴于下方，泡沫材料使用胶带粘于上方，将整个装置置于热台加热，温度为75℃，加热时间为2h；
59.s4.将泡沫取下，用无水乙醇超声清洗3遍，然后用去离子水超声清洗3遍；
60.s5.置于80℃热台加热烘干水分，干燥后保存；
61.s6.将按照质量比10:1配好的聚二甲基硅氧烷溶液涂于微金字塔的硅片模板上；
62.s7.将聚合好的热塑性聚氨酯泡沫轻置于其上，粘附在一起后置于80℃热台加热3h进行固化；
63.s8.换另一面继续重复s3操作，双面都制备一层微金字塔结构的弹性层；
64.s9.将铜带置于上下两侧作为电极，并直接延伸出去用作与外界设备相连的引线；
65.s10.按照图1所示器件结构顺序，使用胶带依次进行封装。
66.同样测量其力电特性，通过对比发现，实施例1制备的传感器具有更优异的性能。
67.最后，本技术的方法仅为较佳的实施方案，并非用于限定本发明的保护范围。凡在本发明的保护和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护
范围之内。

技术特征：
1.一种基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器，其特征在于，包括上下两个平行电极(1)，两个平行电极(1)之间设有多孔结构泡沫层(3)，在多孔结构泡沫层(3)的上下表面化学合成导电聚合物，再附加带有微结构的弹性体层(2)，所述上下平行电极(1)采用导电胶带或导电薄膜，分别直接延伸用作与外接设备相连接的引线。2.根据权利要求1所述的一种基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器，其特征在于，所述多孔结构泡沫层(3)中的孔洞是闭合孔洞，孔洞之间互不相连，尺寸在微米级范围；所述多孔结构泡沫层(3)的厚度范围10-2000微米；微结构弹性体层(2)的厚度范围1-100微米；多孔结构泡沫层(3)的孔洞直径约为30-50微米，导电聚合物均匀分散在多孔结构泡沫层(3)表面，嵌入表面孔内，且不会脱落，微结构弹性体层(2)为金字塔阵列结构，宽度、高度和间距均在5-20微米之间。3.基于权利要求1或2所述的一种基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；s1.采用气相氧化聚合的方式将导电聚合物沉积在泡沫材料中；得到多孔结构泡沫层(3)；s2.将弹性体材料涂于微结构化的模板上，得到微结构弹性体层(2)，将聚合好的多孔结构泡沫层(3)轻置于其上，粘附在一起后进行加热固化，重复此步骤制备双面微结构；s3.将导电胶带或导电薄膜置于上下两侧作为上下平行电极(1)，并直接延伸用作与外界设备相连的引线，使用防水透气胶带进行封装。4.根据权利要求3所述的一种基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述s1中，气相氧化聚合方法包括以下步骤：s1-1.将氧化剂溶于有机溶剂中，混合均匀，得到氧化剂溶液；s1-2.将泡沫材料置于氧化剂溶液中浸泡，然后取出后烘干除去多余的溶剂；s1-3.将烘干后泡沫材料置于自制氧化聚合装置中，即玻璃培养皿中，将3,4-乙烯二氧噻吩单体滴于下方，泡沫材料使用胶带粘于上方，将整个装置置于热台加热，温度为60～80℃，加热时间为1～3h；s1-4.将掺杂后的泡沫材料使用无水乙醇和去离子水分别清洗多次，后干燥储存，得到多孔结构泡沫层(3)。5.根据权利要求4所述的一种基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述多孔结构泡沫层(3)通过气相原位氧化聚合的方式将导电聚合物单体掺杂其中，导电聚合物材料为聚乙烯二氧噻吩；聚合过程所用氧化剂为氯化铁、六水合氯化铁、六水合对甲苯磺酸铁或对甲苯磺酸铁中的一种，溶解氧化剂的有机溶剂为甲醇、乙醇、丙醇中的一种。6.根据权利要求5所述的一种基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述单体含量为50～300μl之间。7.根据权利要求4所述的一种基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述泡沫材料的厚度在0.5～2mm之间，所述氧化剂溶液浓度在2.5％～7.5％之间；
所述多孔结构泡沫层(3)为采用发泡技术制备的弹性层，所述多孔结构泡沫层(3)的材料为弹性体材料，所述弹性体材料为热塑性聚氨酯、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷、ecoflex中的一种。8.根据权利要求3所述的一种基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述上下两层带有微结构弹性体层(2)的介电层所用材料为弹性体材料，弹性体材料包括聚二甲基硅氧烷、热塑性聚氨酯、ecoflex、聚氨酯、聚酰亚胺中任意一种或者至少两种的组合，微结构化的模板包括微金字塔、微柱、微锥、微圆点、微槽中任意一种或者至少两种的组合。9.根据权利要求3所述的一种基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述带有微结构弹性体层(2)的制备方法为模板制备法，包括在模板上旋涂、刮涂、喷涂或滴涂弹性体材料中的一种方式；所述旋涂工艺的旋转速度为600rpm～1200rpm，旋涂时间为30～60s。10.根据权利要求1-9任一项所述的多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器，其特征在于，所述基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器适用于运动监测、关节弯曲、按压，能够制成智能手套帮助手功能障碍患者识别抓握物体，制成智能坐垫/床垫用于瘫痪患者的坐姿/睡姿识别以避免出现压疮的情况。

技术总结
基于多孔结构和微结构的柔性电容式压力传感器及方法，包括上下两个平行电极，两个平行电极之间设有多孔结构泡沫层，在多孔结构泡沫层的上下表面化学合成导电聚合物，再附加带有微结构弹性体层，上下平行电极采用导电胶带或导电薄膜，分别直接延伸用作与外接设备相连接的引线。该方法采用气相氧化聚合的方式将导电聚合物沉积在泡沫材料中；将弹性体材料涂于微结构化的模板上，得到微结构弹性体层，将聚合好的多孔结构泡沫层轻置于其上，粘附后进行加热固化，重复此步骤制备双面微结构；将导电胶带或导电薄膜置于上下两侧作为上下平行电极，并直接延伸用作与外界设备相连的引线，使用防水透气胶带进行封装。本发明具有高灵敏度、稳定性好的特点。稳定性好的特点。稳定性好的特点。


技术研发人员：李迎春 李欣樾 刘彦楠 常晶晶 白建斌 康乐海 林宸旭
受保护的技术使用者：西安电子科技大学
技术研发日：2023.05.11
技术公布日：2023/7/7