[發明專利]基于聚酰亞胺基底微結構的柔性壓力傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201910861741.1
• 申請日: 2019-09-12
• 公開（公告）號: CN110608825B
• 公開（公告）日: 2021-08-20
• 發明（設計）人: 盧紅亮;劉夢洋;張衛
• 申請（專利權）人: 復旦大學
• 主分類號: G01L1/22
• 分類號: G01L1/22;G01L9/04
• 代理公司: 上海正旦專利代理有限公司 31200
• 代理人: 王潔平

本發明公開了一種基于聚酰亞胺基底微結構的柔性壓力傳感器及其制備方法。本發明的柔性壓力傳感器包括下層柔性基底、力敏結構層和上層柔性封裝層；下層柔性基底為聚酰亞胺薄膜，其上表面具有凸起的微結構陣列；力敏結構層與下層柔性基底上表面緊密貼合，其從下至上包括下部電極層、柔性壓阻材料層和上部電極層，柔性壓阻材料層是具有壓阻特性的碳基納米顆粒/聚合物壓阻材料；上層柔性封裝層與力敏結構層上表面緊密貼合，用以保護傳感器和防水。本發明通過采用自下而上的微納制造技術制備基于聚酰亞胺基底微結構的柔性壓力傳感器，具有靈敏度高、超薄超輕、工藝簡單、易于陣列化制造和應用性強的優點。

技術領域

本發明屬于壓力測量技術領域，尤其是涉及一種基于聚酰亞胺基底微結構的柔性壓力傳感器及其制備方法。

背景技術

皮膚在人類的生活中發揮出巨大的作用，在皮膚的幫助下很多工作才可以開展實施。但對于一些已經喪失部分皮膚感知功能的截肢、燒傷患者，一些高危精細的機械臂工作場合，有其他健康指標信號監測的患者，需要實時反饋出的外界信號及人身健康狀況，柔性壓力傳感器因此產生并得到發展。

柔性壓阻式壓力傳感器可以輕易得將壓縮、彎曲和扭轉等諸多形變轉化為電信號，同時壓阻式傳感器較之壓電式、電容式應變傳感器，測試簡便，干擾信號小，在對外界的壓力感知方面不亞于人類皮膚。

近年來，國內外多家研究機構為了追求柔性壓阻式壓力傳感器的高拉伸率和高靈敏度，將碳基導電顆粒與柔性聚合物相互混合制備出新型柔性壓阻材料。常見的柔性聚合物例如聚酰亞胺（PI）、聚氨酯（PU）、聚偏氟乙烯（PVDF）、苯乙烯系熱塑性彈性體（SBS）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等，賦予傳感器可拉伸性、可彎曲性和透明性等特殊屬性；碳基導電顆粒例如石墨烯、碳納米管、石墨納米片等賦予傳感器電學性能。聚合物和導電顆粒相互混合并配合特殊的結構，可容易地滿足壓力傳感器需求。但是大多數基于碳基導電顆粒摻雜聚合物的壓力傳感器存在尺寸大、工藝與結構復雜和應用性差的缺點。

發明內容

本發明旨在提供一種基于聚酰亞胺基底微結構的柔性壓力傳感器及其制備方法。本發明通過采用自下而上的微納制造技術制備基于聚酰亞胺基底微結構的柔性壓力傳感器，具有靈敏度高、超薄超輕、工藝簡單、易于陣列化制造和應用性強的優點。本發明的技術方案具體介紹如下。

本發明提供一種基于聚酰亞胺基底微結構的柔性壓力傳感器，其整體為薄膜結構，包括從下至上緊密貼合的下層柔性基底、力敏結構層和上層柔性封裝層；所述下層柔性基底為聚酰亞胺薄膜，聚酰亞胺薄膜的上表面具有凸起的微結構陣列；所述力敏結構層從下至上包括下部電極層、柔性壓阻材料層和上部電極層，柔性壓阻材料層為一種或幾種碳基納米顆粒摻雜一種聚合物的壓阻材料，其通過旋涂固化碳基納米顆粒/聚合物混合溶液制備而成。

進一步的，微結構陣列通過光刻和等離子體刻蝕工藝制備而成，微結構之間的間距為10~500 μm，微結構的橫截面為矩形、梯形或穹頂形。

進一步的，下部電極層為金屬薄膜，其材料為導電金屬，通過濺射或蒸鍍技術圖案化制造于下層柔性基底的上表面上，與下層柔性基底緊密貼合，下部電極層的厚度為100 n~1000 nm。

進一步的，柔性壓阻材料層中的碳基納米顆粒為石墨烯、碳納米管或石墨納米片，聚合物為聚酰亞胺PI、聚氨酯PU、聚偏氟乙烯PVDF、苯乙烯系熱塑性彈性體SBS或聚二甲基硅氧烷PDMS。在壓力的作用下，柔性壓阻材料層與下層柔性基底上微結構的接觸區域，會產生應力集中現象，可以增大柔性壓阻材料層的變形，進一步提高壓力傳感器的靈敏度。

進一步的，所述上部電極層為金屬薄膜，其材料為導電金屬，通過濺射或蒸鍍技術圖案化制造于柔性壓阻材料層的上表面上，上部電極層的厚度為100 ~1000 nm；上部電極層與柔性壓阻材料層緊密貼合，上下部電極層對應處形成力敏單元，用于測量所述碳基納米顆粒/聚合物壓阻層上下表面間的電阻值及其變化，根據電阻值及其變化可以檢測接觸壓力大小。