[0001] 本发明涉及柔性压力传感器的制备技术领域，尤其涉及一种具有正弦波形微结构的柔性压力传感器及其制备方法。

[0002] 柔性压力传感器是一种能够感知压力信号，并按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出电信号(如电阻、电流、电容、电压等)的元器件，在工业生产、消费电子、健康医疗等领域具有比刚性传感器更大的优势。随着5G时代的来临，电子器件高度集成化，尤其是可穿戴电子、健康监测、人机交互等新兴领域的崛起，对柔性压力传感技术提出了新需求。柔性压力传感器按照传感原理主要分为压阻式、电容式、压电式和摩擦式传感器。其中，压阻式传感器是最常见的一种传感器，主要通过外界力学刺激使电阻材料形变获取相对应的电阻信息，具有结构简单、制备工艺简单、信号易于收集检测等优点，最具应用前景。

[0003] 电阻式柔性压力传感器一般由衬底和导电材料组成，为了获得良好的柔性和可拉伸性，衬底一般会采用弹性体，如硅橡胶(PDMS)、聚氨酯(TPU)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。为了获得较高的灵敏度，研究者通常在柔性衬底或导电层表面构筑金字塔形、半球形、柱形等凸起微结构阵列，如Jonghwa Park等人在《ACS Nano》上发表的名为《Giant tunneling piezoresistance of composite elastomers with interlocked microdome arrays for ultrasensitive and multimodal electronic skins》的文章通过模板法制造出表面具有半球形凸起微结构的薄膜，将两张微结构薄膜面对面叠放在一起构筑出具有凸起微结构的电阻式柔性压力传感器，测试结果表明具有凸起微结构的柔性压力传感器的‑1 ‑1灵敏度是15.1kPa ，是不含微结构的柔性压力传感器灵敏度(0.6kPa )的24倍，但由于凸起微结构在压力下的变形很快达到饱和面积，导致传感器件的灵敏度随压力升高迅速降低，其压力监测量程仅为5kPa。因此，制备兼具高灵敏度和宽压力监测量程的电阻式柔性压力传感器仍是一个巨大的挑战。

[0031] 本发明提供了一种具有正弦波形微结构的柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

[0032] (1)将导电纳米粒子和弹性聚合物溶液混合，得到导电复合液；将导电复合液涂覆于带正弦波形微结构的模具上，进行固化，揭膜得到表面带有正弦波形微结构的柔性敏感层；

[0033] (2)对聚合物薄膜顺次进行洗涤、干燥和等离子体处理，得到预处理薄膜；将具有叉指结构的掩模板覆盖在预处理薄膜上，再将金属导电材料沉积于预处理薄膜上形成金属层，取下掩模板得到叉指电极；

[0034] (3)将柔性敏感层表面带有正弦波形微结构的一侧与叉指电极的电极面接触，使用粘合剂封装；将叉指电极的两个电极分别连接导线，使用导电胶固定，制得具有正弦波形微结构的柔性压力传感器。

[0035] 在本发明中，所述导电纳米粒子包括多壁碳纳米管、碳纤维、炭黑、金属纳米颗粒、金属粉末、金属纳米线、金属氧化物粉末、石墨烯中的一种或多种；所述弹性聚合物溶液包括聚二甲基硅氧烷前驱液、热塑性聚氨酯溶液、氢化苯乙烯‑丁二烯嵌段共聚物溶液中的一种或多种；

[0036] 聚二甲基硅氧烷前驱液为聚二甲基硅氧烷基体和固化剂的混合液，聚二甲基硅氧烷基体和固化剂的质量比优选为10:0.5～2，进一步优选为10:1～1.5；热塑性聚氨酯溶液的溶质为热塑性聚氨酯，溶剂为四氢呋喃，溶质质量分数优选为20～35％，进一步优选为25～30％；氢化苯乙烯‑丁二烯嵌段共聚物溶液的溶质为氢化苯乙烯‑丁二烯嵌段共聚物，溶剂为四氢呋喃，溶质质量分数优选为20～35％，进一步优选为25～30％。

[0037] 在本发明中，所述导电纳米粒子优选为占柔性敏感层的质量的0.5～10％，进一步优选为占柔性敏感层的质量的1～5％；所述柔性敏感层的厚度优选为0.2～0.5mm，进一步优选为0.3～0.4mm。

[0038] 在本发明中，所述带正弦波形微结构的模具通过树脂3D打印制备，正弦波形符合函数方程y＝A sin(2πx)，其中A优选为0.1～0.5，进一步优选为0.2～0.4。

[0039] 在本发明中，所述聚合物薄膜包括聚酰亚胺、聚对苯二甲酸类塑料、聚二甲基硅氧烷中的一种或多种。

[0040] 在本发明中，所述洗涤的具体步骤为：将聚合物薄膜顺次用丙酮、乙醇和水分别进行洗涤，单次洗涤的时间优选为0.1～0.5h，进一步优选为0.2～0.4h；所述等离子体处理的时间优选为10～30min，进一步优选为15～20min。

[0041] 在本发明中，所述金属导电材料包括银、金、铜中的一种或多种；所述沉积的方法包括真空蒸镀、磁控溅射、丝网印刷中的一种或多种。

[0042] 在本发明中，所述叉指电极中金属层的厚度优选为100～200nm，进一步优选为120～150nm；叉指电极的厚度优选为0.05～0.2mm，进一步优选为0.1～0.15mm；叉指电极的长度优选为10～20mm，进一步优选为12～15mm；叉指电极的宽度优选为10～20mm，进一步优选为15～18mm；叉指电极的指宽和指间距优选为0.2～2mm，进一步优选为0.8～1.5mm。

[0043] 在本发明中，所述粘合剂包括聚二甲基硅氧烷前驱液、聚酰亚胺绝缘胶带、聚氨酯医用胶带中的一种或多种；所述导线包括铜线或铜箔；所述导电胶包括导电银浆或导电碳浆。

[0044] 本发明还提供了所述具有正弦波形微结构的柔性压力传感器的制备方法制备得到的具有正弦波形微结构的柔性压力传感器。

[0045] 本发明所述具有正弦波形微结构的柔性压力传感器的结构如图1所示，具有正弦波形微结构的柔性压力传感器包括敏感层1、正弦波形微结构2和叉指电极3，正弦波形微结构2与叉指电极3的电极面接触，连接导线的两端分别与叉指电极3的两个电极连接。

[0046] 本发明柔性压力传感器的机理为：电阻式柔性压力传感器的基本作用机理是压力作用下，敏感层与电极之间的接触面积增大，形成更多导电通路，从而使电阻降低。现有技术通常在柔性敏感层的表面构筑凸起微结构以提高传感器的灵敏度，但凸起微结构在压力下的变形很快达到饱和，导致传感器件的压力监测量程很窄。本发明在敏感层表面构筑正弦波形的微结构，同时实现凸起和凹陷的微结构，凸起微结构具有应力集中效应，可迅速提高敏感层与电极的接触面积，从而显著提升传感器的灵敏度；当凸起微结构的压缩形变达到饱和时，凹陷微结构可继续形变，进一步提高提高敏感层与电极的接触面积，从而提升柔性压力传感器的压力监测量程。因此，制备的具有正弦波形微结构的柔性压力传感器能够在保持较高灵敏度的同时具有较宽的压力监测量程。

[0047] 下面结合实施例对本发明提供的技术方案进行详细的说明，但是不能把它们理解为对本发明保护范围的限定。

[0048] 实施例1

[0049] (1)将多壁碳纳米管与聚二甲基硅氧烷前驱液共混得到导电复合液，通过3D打印法制备带有正弦波形微结构的模具，正弦波形符合函数方程y＝0.4sin (2πx)，将所述导电复合液均匀涂覆在上述带有正弦波形微结构的模具上，将所述模具放置于烘箱中固化(温度100℃，时间120min)完全，揭膜得到表面带有正弦波形微结构的柔性敏感层，如图2和图3所示。多壁碳纳米管占柔性敏感层的质量比为1.5％，柔性敏感层的厚度为0.3mm。

[0050] (2)首先将聚酰亚胺薄膜依次在丙酮、乙醇和去离子水中分别超声(频率50kHz)清洗0.1h，干燥(温度80℃，时间30min)后在薄膜表面进行等离子体处理30min，然后将具有叉指结构的掩模板覆盖在聚酰亚胺薄膜上，再将银通过真空蒸镀沉积于聚酰亚胺薄膜上得到银层，取下掩模板得到叉指电极。叉指电极的银层的厚度为120nm，叉指电极的厚度为0.2mm，长度为15mm，宽度为15mm，叉指的指宽和指间距为0.5mm。

[0051] (3)将步骤(1)制备的柔性敏感层表面带有正弦波形微结构的一侧与步骤(2)制备的叉指电极的电极面接触，并使用聚二甲基硅氧烷封装器件；叉指电极的两个电极分别连接铜导线，使用导电银浆固定，制得具有正弦波形微结构的柔性压力传感器。

[0052] 通过数字源表测量柔性压力传感器在压力作用下的电流信号变化，可以得到柔性压力传感器件的传感性能。如图4所示，经检测，本实施例所得柔性压力传感器的压力监测量程超过1500kPa，且具有良好的灵敏度，压力范围0～1100kPa范围内传感器的灵敏度为‑1 ‑165.7kPa ，压力范围1100～1500kPa范围内传感器的灵敏度为18.9kPa ，因此本实施例所得柔性压力传感器兼具高灵敏度和宽压力监测量程。

[0053] 对比例1

[0054] 采用与实施例1相同的原料及方法，区别在于：将导电复合液均匀涂覆在不含微结构的模具上，将所述模具放置于烘箱中固化完全，揭膜得到表面不含微结构的柔性敏感层。然后按照实施例1中步骤(2)和(3)的方法制得不含微结构的柔性压力传感器。

[0055] 该对比例所得柔性压力传感器的电阻变化率与压力关系曲线如图5所示。由图5可‑1知，该柔性压力传感器的压力监测量程仅为17kPa，灵敏度仅为0.3kPa 。

[0056] 由实施例1与对比例1进行对比可以看出，正弦波形微结构的引入可以显著提升柔性压力传感器的传感性能，在提高灵敏度的同时拓宽压力监测量程。

[0057] 对比例2

[0058] 采用与实施例1相同的原料及方法，区别在于：通过3D打印法制备带有半球形凹槽微结构的模具，将导电复合液均匀涂覆在上述带有半球形凹槽微结构的模具上，将所述模具放置于烘箱中固化完全，揭膜得到表面只带有半球形凸起微结构的柔性敏感层，半球形直径为1.0mm，柔性敏感层的厚度为0.3mm。然后按照实施例1中步骤(2)和(3)的方法制得表面只带有半球形凸起微结构的柔性压力传感器。

[0059] 该对比例所得柔性压力传感器的电阻变化率与压力关系曲线如图6所示。由图6可知，该柔性压力传感器的压力监测量程为550kPa，且灵敏度较低，压力范围0～250kPa范围‑1 ‑1内传感器的灵敏度为14.7kPa ，压力范围250～550kPa范围内传感器的灵敏度为8.6kPa 。

[0060] 由实施例1与对比例2进行对比可以看出，正弦波形微结构与全是凸起的微结构相比，可进一步提升柔性压力传感器的灵敏的和压力监测量程。这是由于正弦波形微结构兼具凸起和凹陷的微结构，凸起微结构可显著提升柔性传感器的灵敏度，凹陷微结构可显著提升柔性传感器的压力监测量程。

[0061] 以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。