[發明專利]一種摩擦電式壓力傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 202010954548.5
• 申請日: 2020-09-11
• 公開（公告）號: CN112097962B
• 公開（公告）日: 2022-02-22
• 發明（設計）人: 文震;孫旭輝;張婷婷;劉伊娜
• 申請（專利權）人: 蘇州慧聞納米科技有限公司
• 主分類號: G01L1/00
• 分類號: G01L1/00;G01L9/00;B32B33/00
• 代理公司: 北京智匯東方知識產權代理事務所(普通合伙) 11391
• 代理人: 張玉濤

本發明提供了一種摩擦電式壓力傳感器及其制備方法。該制備方法包括如下步驟：提供一具有凹腔的模具，并在凹腔內置入磁流體；在模具的下方放置永磁體，以在永磁體產生的磁場下將磁流體的形狀改變為陣列式布置的多個永磁體尖端結構；將可固化聚合物混合溶液施加在凹腔內，且浸沒多個永磁體尖端結構，在可固化聚合物混合溶液完全固化后進行剝離操作，以獲得聚合物模板；將可拉伸材料前驅體填充在聚合物模板內，并在可拉伸材料前驅體完全固化后進行剝離操作，以獲得其第一表面具有陣列式布置的多個摩擦層尖端結構的可拉伸摩擦層；將可拉伸摩擦層、間隔層、第一電極層和第二電極層進行組裝，制備獲得摩擦電式壓力傳感器。該摩擦電式壓力傳感器具有較高的靈敏度。

技術領域

本發明涉及傳感器技術領域，尤其涉及一種摩擦電式壓力傳感器及其制備方法。

背景技術

隨著5G技術的日益發展及普及，以“萬物互聯”為核心的物聯網時代逐漸到來。摩擦電式壓力傳感器作為物聯網系統中必不可少的一部分，越來越受到人們的重視。然而，現有摩擦電式壓力傳感器大多存在靈敏度低、空間分辨率不足及需要外部供電等弊端，難以滿足小型化、智能化發展趨勢，極大地限制了其實際應用。

摩擦納米發電機能將外部壓力刺激等物理信號實時轉換為電信號輸出，無需任何外部能源供電，為零功耗摩擦電式壓力傳感器提供了解決方案。同時，為了獲得較高的靈敏度，常在摩擦電式壓力傳感器材料表面成型微觀結構，從而有效降低非理想平面摩擦膜的表面剛度，增加界面摩擦時接觸面積。

然而，現有微觀結構制備方法多依賴于光刻、激光刻蝕或3D打印技術，不僅制作成本較高，而且難以對其結構進行動態調控。例如微金字塔、微線、微柱和微納米線等結構大多表現出垂直特性。在摩擦納米發電機接觸/分離過程中，垂直性導致摩擦起電作用的界面接觸面積通常不超過微結構頂部的總面積，顯著小于摩擦膜的表觀面積，這明顯降低了摩擦納米發電機的輸出，進而影響其作為摩擦電式壓力傳感器時的靈敏度。因此，要進一步提高摩擦電式壓力傳感器靈敏度，必須解決與微結構垂直度有關的缺陷。

發明內容

本發明的一個目的是要提供一種新的方法來制備獲得靈敏度較高的摩擦電式壓力傳感器。

本發明的一個進一步的目的在于解決現有技術中的基于摩擦起電的摩擦電式壓力傳感器的材料表面的微結構大多表現為垂直特性，從而降低其靈敏度的技術問題。

本發明的另一個目的是要提供一種具有較高靈敏度的摩擦電式壓力傳感器。

特別地，本發明提供了一種摩擦電式壓力傳感器的制備方法，包括如下步驟：

提供一具有凹腔的模具，并在所述凹腔內置入磁流體；

在所述模具的下方放置永磁體，以在所述永磁體產生的磁場下將所述磁流體的形狀改變為陣列式布置的多個永磁體尖端結構；

將可固化聚合物混合溶液施加在所述凹腔內，且浸沒所述多個永磁體尖端結構，在所述可固化聚合物混合溶液完全固化后進行剝離操作，以獲得聚合物模板；

將可拉伸材料前驅體填充在所述聚合物模板內，并在所述可拉伸材料前驅體完全固化后進行剝離操作，以獲得其第一表面具有陣列式布置的多個摩擦層尖端結構的可拉伸摩擦層；

將所述可拉伸摩擦層、間隔層、第一電極層和第二電極層進行組裝，以使所述間隔層位于所述可拉伸摩擦層上，所述第一電極層和所述第二電極層分別位于所述間隔層的兩側，并使所述第一電極層與所述可拉伸摩擦層的所述多個摩擦層尖端結構之間具有間隔，從而制備獲得摩擦電式壓力傳感器。

可選地，在所述模具的下方放置永磁體，以在所述永磁體產生的磁場下將所述磁流體的形狀改變為陣列式布置的多個永磁體尖端結構的步驟中：

通過調節所述永磁體和所述模具之間的角度來改變所述永磁體尖端結構與所述第一表面之間的夾角。