[發明專利]一種具有超寬且可調線性范圍的柔性壓力傳感器及其制備方法

在審

• 申請號: 202210403273.5
• 申請日: 2022-04-18
• 公開（公告）號: CN114812879A
• 公開（公告）日: 2022-07-29
• 發明（設計）人: 楊小牛;李坤;張通;李宗林
• 申請（專利權）人: 中國科學院長春應用化學研究所
• 主分類號: G01L1/18
• 分類號: G01L1/18
• 代理公司: 長春眾邦菁華知識產權代理有限公司 22214
• 代理人: 王瑩

本發明涉及一種具有超寬且可調線性范圍的柔性壓力傳感器及其制備方法，屬于柔性壓力傳感器技術領域。解決了現有技術中壓阻式柔性壓力傳感器的線性范圍提升受阻的技術問題。本發明的具有超寬且可調線性范圍的柔性壓力傳感器，包括彈性體薄膜，沉積在彈性體薄膜具有表面微結構一側上的第一導電層，沉積在第一導電層上的第二導電層，以及覆蓋在第二導電層上的導電電極。本發明在具有表面微結構的彈性體薄膜表面沉積兩層具有不同的導電物質含量的導電層，通過調節第一導電層與第二導電層之間的厚度比，或第二導電層中第一導電物質的含量，即可實現對傳感器線性范圍的調節，構建了具有超寬線性范圍的柔性壓力傳感器。

技術領域

本發明屬于柔性壓力傳感器技術領域，具體涉及一種具有超寬且可調線性范圍的柔性壓力傳感器及其制備方法。

背景技術

隨著機器人技術的發展，面對越來越多的特殊信號和特殊環境，對各種傳感提出更高的要求，同時希望傳感器還能夠具有透明、柔韌、延展、可自由彎曲，甚至折疊、便于攜帶、可穿戴等特點。

柔性壓力傳感器具有出色的機械和電氣特性，例如高靈活性，高靈敏度，高分辨率和快速響應等，在人機交互、醫療健康、機器人觸覺等應用領域具有比剛性傳感器更大的優勢。根據柔性壓力傳感器的工作機制，可以將其大致分為以下幾類：壓阻式、電容式、壓電式和其它類型的壓力傳感器。

其中，壓阻式柔性傳感器因其結構和制備方法簡單、靈敏度高、檢測范圍廣、信號易讀取、能量消耗低等特點得到了人們的廣泛關注。壓阻式柔性壓力傳感器是基于壓阻效應的傳感器，在外力作用下活性材料會變形，并間接改變內部導電材料的分布和接觸狀態，從而導致活性材料的電阻有規律變化。壓阻式柔性壓力傳感器一般由具有表面微結構(如金字塔陣列、半球陣列、褶皺結構、仿荷葉結構、無規微結構等)的聚合物薄膜與沉積在薄膜表面的導電層材料(如碳納米管、石墨烯、導電納米顆粒、導電聚合物以及復合材料等)以及導電電極組成。

除表面微結構外，導電層同樣會對傳感器的線性范圍與靈敏度等器件性能造成影響。對壓阻式柔性壓力傳感器而言，電阻大致可分為兩個部分，即導電層與導電電極之間的接觸電阻以及傳感器本身主要由導電層電阻構成的體電阻。在具有表面微結構的傳感器中，隨著壓力增大，導電層與導電電極之間的接觸面積逐漸增大，接觸電阻逐漸減小，但傳感器本身的體電阻幾乎不變，這就使得當外加壓力較大時，接觸電阻接近甚至小于體電阻，從而使總電阻隨壓力變化受阻，這對傳感器線性范圍的提升造成了阻礙(Adv.Mater.Technol.，2019，1900679)。因此對傳感器的導電層結構進行優化，調節傳感器體電阻與接觸電阻之間的關系，實現傳感器的寬線性范圍，會有力地推進柔性壓力傳感器在人機交互、健康監測等領域的進一步發展。

發明內容

有鑒于此，本發明為解決現有技術中壓阻式柔性壓力傳感器的線性范圍提升受阻的技術問題，提供一種具有超寬且可調線性范圍的柔性壓力傳感器及其制備方法。

本發明解決上述技術問題采取的技術方案如下。

本發明的具有超寬且可調線性范圍的柔性壓力傳感器，包括彈性體薄膜，沉積在彈性體薄膜具有表面微結構一側上的第一導電層，沉積在第一導電層上的第二導電層，以及覆蓋在第二導電層的上的導電電極；

所述第一導電層經導電液A噴涂、加熱制備，導電液A為含有第一導電物質、熱塑性聚氨酯彈性體橡膠(TPU)、氨基硅烷偶聯劑和去離子水的N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，第一導電物質、熱塑性聚氨酯彈性體橡膠、氨基硅烷偶聯劑、去離子水的質量比為1:1:(0.25-1):(0.25-1)；

所述第二導電層經導電液B噴涂制備，導電液B為含有第一導電物質和熱塑性聚氨酯彈性體橡膠的N，N-二甲基甲酰胺，第一導電物質的質量為第一導電物質和熱塑性聚氨酯彈性體橡膠總質量的0.1％-10％；

所述導電電極為沉積有第二導電物質的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚酰亞胺(PI)薄膜，導電電極沉積有第二導電物質的一側覆蓋在第二導電層上。