[發明專利]一種可貼附柔性壓力傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201410471871.1
• 申請日: 2014-09-16
• 公開（公告）號: CN104257367A
• 公開（公告）日: 2015-01-07
• 發明（設計）人: 張珽;熊作平
• 申請（專利權）人: 蘇州能斯達電子科技有限公司
• 主分類號: A61B5/0205
• 分類號: A61B5/0205;A61B5/11
• 代理公司: 廣州三環專利代理有限公司 44202
• 代理人: 郝傳鑫

技術領域

本發明涉及一種傳感器，尤其涉及一種可貼附柔性壓力傳感器及其制備方法。

背景技術

近年來，隨著柔性電子學的發展，電子皮膚和可貼附電子器件在消費電子市場、醫療健康、軍事等產業領域表現出了極大的應用潛力。因此，利用不同材料來制備具有結構獨特、靈敏度高、穩定性好的新型可穿戴、可貼附電子皮膚或柔性電子器件的研究備受國內外研究者廣泛關注，并逐漸成為當前重要的前沿研究領域之一。

壓力傳感器是一種能感測到外界壓力改變的傳感器，并廣泛應用于可穿戴、可貼附電子皮膚和電子器件中。為了能夠與信息時代信息量激增、要求捕獲和處理信息的能力日益增強的技術發展趨勢保持一致，電子皮膚或電子器件對柔性、精確性、可靠性、靈敏性等性能指標的要求越來越嚴格，相應地，對壓力傳感器的性能指標要求也越來越嚴格。而傳統的大體積弱功能傳感器往往很難滿足上述要求，因此，它們已逐步被各種不同類型的高性能微型傳感器所取代。

目前，有文獻報道如美國斯坦福大學的鮑哲南教授課題組利用聚吡咯(Polypyrrole,PPY)水凝膠材料通過多相反應來制備具有空心微球結構的彈性導電薄膜用于壓力傳感器，但由于PPY是一種高分子聚合物材料，長期放置空氣中會慢慢降解，且該壓力傳感器制備工藝復雜、周期長，因此限制了其廣泛的商業應用；此外，類似于微球這種傳統密封結構的材料，其在外界壓力作用下，壓力與材料形變是非線性的，這會導致壓力與電信號改變的線性區域較窄，即該壓力傳感器的穩定性不好。

另外，中國科技大學的俞書宏教授組通過還原氧化石墨烯包覆的聚氨酯海綿材料制備出具有纖維網狀結構的多孔導電海綿,并將其用于電阻式壓力傳感器，該壓力傳感器雖檢測限低(0.8Pa)，但靈敏度(1KPa^-1)不夠高；且還原氧化石墨烯包覆的聚氨酯海綿材料很難做薄、耐磨性不好、生物相容性差，不適合應用于電子皮膚中。因此，如何制備出具有柔性、生物相容性好、穩定性好、靈敏度高、最低檢測限低且能做薄的壓力傳感器是目前研究的重要課題。

發明內容

本發明所要解決的技術問題在于如何克服現有的壓力傳感器很難做薄、穩定性不好、生物相容性差、靈敏度低、最低檢測限高的缺陷。

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種可貼附柔性壓力傳感器，其包括：柔性襯底、敏感層、電極層和柔性保護層，所述敏感層形成于柔性襯底表面且具有三維孔狀結構，所述電極層包括至少兩條電極，所述電極從敏感層表面引出，所述柔性保護層形成于敏感層表面和電極層位于敏感層表面的部分。

其中，所述可揮發性溶劑可以與碳材料進行混合，而且在三維孔狀結構形成的過程中發揮非常重要的作用。在三維孔狀結構形成的過程中隨著可揮發性溶劑的揮發，會在柔性高分子聚合物中形成排氣孔道而引入氣相，實現材料中氣-固兩相的存在，進而形成類似螞蟻窩狀的三維孔狀結構的敏感材料。

進一步地，所述敏感層的孔的大小為0.2～20μm，且孔與孔之間的間隙為10～200μm。

其中，所述碳材料、可揮發性溶劑和柔性高分子聚合物三者之間不同的質量比，所制備的具有三維孔狀結構的敏感材料中孔的大小不一、孔與孔之間的間隙不等，只有當制備的三維孔狀結構中孔的大小為0.2～20μm，且孔與孔之間的間隙為10～200μm時，所述敏感材料的靈敏度最高和最低檢測限最低。

進一步地，所述柔性襯底和柔性保護層均具有良好的生物相容性；所述電極通過粘貼、印刷或物理切割的方式從敏感層或敏感層表面引出。

其中，所述柔性襯底和柔性保護層均具有良好的生物相容性，是指材料與皮膚接觸時，無毒性、無過敏或炎癥反應等反應。

進一步地，所述電極層的材料為導電無紡布、銅箔、漆包線或帶有壓敏膠粘劑的扁平銅箔膠帶，所述導電無紡布的厚度為10～1000μm，寬度為0.5～5mm；所述銅箔的厚度為5～1000μm，寬度為0.5～5mm；所述漆包線直徑為50～500μm，所述帶有壓敏膠粘劑的扁平銅箔膠帶厚度為10～200μm。

進一步地，所述電極層的材料選自金、鉑、鎳、銀、銦、碳納米管、石墨烯、銀納米線中的一種或多種的組合。

進一步地，所述柔性襯底的厚度為10～2000μm，所述柔性襯底為乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚對苯二甲酸乙二酯、聚酰亞胺和聚乙烯的一種；所述柔性保護層厚度為5～50μm，所述柔性保護層為聚二甲基硅氧烷、聚乙烯或乙烯-醋酸乙烯共聚物薄膜。

相應地，本發明還提供了一種壓力傳感器的制備方法，所述制備方法包括以下步驟：

S1、對柔性襯底進行清洗和干燥；