一種柔性壓力傳感器的制作方法

本實用新型屬于壓力傳感器技術領域，具體來講，涉及一種柔性壓力傳感器。

背景技術：

柔性壓力傳感器是一種能將應力轉變為電學信號的柔性電子器件，其可廣泛應用于柔性觸屏、人工智能、可穿戴電子、移動醫療等領域。

根據信號轉換機理，壓力傳感器主要分為電阻式傳感器、電容式傳感器和壓電式傳感器。其中電阻式壓力傳感器的基本工作原理是將被測壓力的變化轉變為傳感器的電阻值的變化。電阻式壓力傳感器由于具有器件結構簡單、電阻信號穩定易測、較高的靈敏度等優點備受關注。將電阻式壓力傳感器的電極陣列進行微結構化是提高傳感器靈敏度、可靠性的有效途徑之一。

在現有技術中，有利用硅作為模板制備出具有微納指狀結構陣列，然后在聚二甲基硅氧烷(簡稱PDMS)薄膜上濺射Pt薄膜電極，組裝成對電極結構的壓力傳感器的技術；也有由上、下基底與本體電路組成的壓感傳感器，其中上、下基底具有相同的微立體結構的技術，如V形、U形、三菱錐形、正弦波形、球面立體等結構中的一種或多種；還有基于碳納米管和高分子聚合物的柔性壓力傳感器，其以具有周期性排列的三角錐形為微結構進行制備。盡管上述技術均是將微結構的陣列應用到了柔性壓力傳感器中，但是它們的微結構陣列都是基于硅微模板法制得；而制作硅微模板，通常需要利用微電子機械系統(MEMS)加工技術，涉及腐蝕、鍵合、光刻、氧化、擴散、濺射等一系列復雜工藝，該技術雖然可以實現微結構陣列的精確、批量制作，但存在設備依賴性高、技術難度大、成本高等缺點。

技術實現要素：

為解決上述現有技術存在的問題，本實用新型提供了一種柔性壓力傳感器，該柔性壓力傳感器利用位于其內部的由柔性材料形成的多個凸結構在受到壓力作用時容易變形的特點，實現了兩個相對的柔性襯底表面的電極層在接觸時由接觸面積的變化而導致電阻的變化、調節和控制，進而實現了壓力傳感。

為了達到上述實用新型目的，本實用新型采用了如下的技術方案：

一種柔性壓力傳感器，包括相對設置的兩個電極結構，每一所述電極結構包括柔性襯底以及設置在所述柔性襯底上的導電層，所述兩個電極結構的導電層相互朝向地抵觸連接；其中，所述柔性襯底包括襯底本體及設置于所述襯底本體上的多個凸結構，所述導電層覆設在所述柔性襯底的具有多個凸結構的表面上。

進一步地，所述導電層的表面形狀與所述柔性襯底的具有多個凸結構的表面形狀一致。

進一步地，兩個所述電極結構中的多個凸結構一一相對設置或相互交叉設置。

進一步地，所述柔性襯底的材料選自聚二甲基硅氧烷、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、芳香族無規共聚物、丁苯橡膠、聚氨酯類彈性體、聚烯烴類彈性體和聚酰胺類彈性體等中的任意一種。

進一步地，所述多個凸結構在所述所述襯底本體上陣列排布，所述凸結構的形狀為球形；所述凸結構的直徑為100nm～1mm，同一個所述柔性襯底中的相鄰兩個凸結構的間距不超過1mm。

進一步地，所述電極層的材料選自納米金、納米銀、納米鋁、納米銅、納米鎳、納米鈀、納米鉑、納米碳和銦錫氧化物中的任意一種。

本實用新型的有益效果：

(1)本實用新型的柔性壓力傳感器通過將兩個具有凸結構的電極結構相對設置，并保證其中的導電層相互朝向地抵觸連接，從而獲得了柔性壓力傳感器；該柔性壓力傳感器可利用柔性襯底中凸結構在壓力作用下易于變形、從而導致兩個導電層的接觸面積發生變化的特性，從而提高靈敏度與可靠性。

(2)本實用新型的柔性壓力傳感器優選球狀的凸結構，通過控制其粒徑及間距等自組裝形式，可實現這些凸結構形成的陣列的精細控制，從而實現微電極的精細化制作。

(3)本實用新型的柔性壓力傳感器的制作方法采用膠體自組裝及化學腐蝕工藝來制作柔性襯底；相比現有技術中柔性壓力傳感器一般的MEMS加工工藝，該制作方法更為簡單便利、成本更加低廉。

附圖說明

通過結合附圖進行的以下描述，本實用新型的實施例的上述和其它方面、特點和優點將變得更加清楚，附圖中：

圖1是根據本實用新型的實施例1的柔性壓力傳感器的結構示意圖。

圖2-圖3是根據本實用新型的實施例1的柔性壓力傳感器的工作示意圖。

圖4是根據本實用新型的實施例2的柔性壓力傳感器的結構示意圖。

圖5是根據本實用新型的實施例2的柔性壓力傳感器的工作示意圖。

圖6-圖11是根據本實用新型的實施例3的柔性壓力傳感器的制作方法的工藝流程圖。

具體實施方式

以下，將參照附圖來詳細描述本實用新型的實施例。然而，可以以許多不同的形式來實施本實用新型，并且本實用新型不應該被解釋為限制于這里闡述的具體實施例。相反，提供這些實施例是為了解釋本實用新型的原理及其實際應用，從而使本領域的其他技術人員能夠理解本實用新型的各種實施例和適合于特定預期應用的各種修改。在附圖中，為了清楚起見，可以夸大元件的形狀和尺寸，并且相同的標號將始終被用于表示相同或相似的元件。

實施例1

圖1是根據本實用新型的實施例1的柔性壓力傳感器的結構示意圖。

如圖1所示，根據本實施例的柔性壓力傳感器包括相對設置的兩個電極結構1，每個電極結構1包括柔性襯底11以及設置在柔性襯底11上的導電層12，兩個電極結構1的導電層12相互朝向地抵觸連接；其中，每個柔性襯底11包括襯底本體111及設置于該襯底本體111上的多個凸結構112，而導電層12即覆設在柔性襯底11的具有多個凸結構112的表面上，從而形成一完整的柔性壓力傳感器。

在每一柔性襯底11中，多個凸結構112優選與襯底本體111一體形成；同時，導電層12將多個凸結構112完全包覆并覆蓋在多個凸結構112之間的襯底本體111的表面上，也就是說，每個柔性襯底11表面上的導電層12是隨著柔性襯底11表面的凹凸結構而起伏變化的，其是一個連續的整體，以保證實現良好的導電效果。

在本實施例中，兩個柔性襯底11中的多個凸結構112呈一一相對的方式排布。同一個柔性襯底11中，兩個相鄰的凸結構112之間的間距控制不超過1mm，此處該間距是指兩個相鄰的凸結構的邊沿之間的最短距離；由此可見，兩個相鄰的凸結構112之間的間距是可以調節的，二者之間的間距可以縮小直至相互接觸，即上述間距為零的狀態。

優選地，本實施例中，凸結構112的形狀均為球狀，且其直徑控制為100nm～1mm，最終形成一凸結構陣列。

值得說明的是，當凸結構112的直徑越大、相鄰兩個凸結構112之間的間距越大，那么在同等面積的襯底本體111上能夠排布的凸結構112的數量將越少，如此將導致獲得的柔性壓力傳感器的測試精度及靈敏度降低。

具體地，柔性襯底11的材料為聚二甲基硅氧烷(簡稱PDMS)，當然，也可以是其他如乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、芳香族無規共聚物、丁苯橡膠、聚氨酯類彈性體、聚烯烴類彈性體、聚酰胺類彈性體等柔性材料。

更為具體地，導電層12的材料為納米金，當然，也可以是其他如納米銀、納米鋁、納米銅、納米鎳、納米鈀、納米鉑、納米碳、銦錫氧化物(簡稱ITO)等導電材料。與此同時，本領域技術人員將理解的是，此處導電層12的作用僅在于導電，以使該柔性壓力傳感器能夠正常使用，因此無需對導電層12的厚度進行要求。

對本實施例的柔性壓力傳感器10進行測試，具體參照圖2，將一根導線21的兩端分別連接至柔性壓力傳感器10的兩個電極層12，形成一電流回路，同時，在該電流回路中接入一測試儀表22，以進行電阻、電流等特征參數的檢測。

參照圖3，本實施例的柔性壓力傳感器的工作原理為：在外加的壓力F的作用下，柔性壓力傳感器10中的多個凸結構112產生變形，使得兩個電極結構1中的兩個導電層12接觸面積增大；壓力F大小不同，兩個導電層12的接觸面積也不同，進而使該柔性壓力傳感器的電阻電流等特征參數發生相應改變；當壓力F減小或撤除后，由于柔性襯底11由柔性材料制成，柔性材料具有彈性體的自動恢復能力，從而使柔性襯底11表面的兩個導電層12的接觸面積逐漸變小或恢復至原位，該柔性壓力傳感器的電阻電流等特征參數同時發生相應改變，而通過檢測測試儀表22中電阻、電流等特征參數的變化即可推測出壓力F的大小及其變化。

實施例2

在實施例2的描述中，與實施例1的相同之處在此不再贅述，只描述與實施例1的不同之處。參照圖4，實施例2與實施例1的不同之處在于，兩個柔性襯底11中的多個凸結構112的排列方式不同；在本實施例中，兩個柔性襯底11中的凸結構112相互交叉排布。其余參照實施例1中的結構及材料，獲得另一柔性壓力傳感器。

采用同上述實施例1中相同的測試方法對本實施例的柔性壓力傳感器進行測試。本實施例的柔性壓力傳感器中的多個凸結構112在受到外加的壓力F時，產生如圖5所示的變形。從圖5中可以看出，雖然本實施例中兩個柔性襯底11上的凸結構112采用相互交叉的排布方式，但是當受到外加的壓力F作用時，兩個導電層12接觸面積也會增大，而壓力F減小或撤除后，凸結構112恢復形狀，減小兩個導電層12的接觸面積，從而使該柔性壓力傳感器的電阻電流等特征參數發生相應改變，繼而通過檢測該過程中電阻、電流等特征參數的變化即可推測出壓力F的大小及其變化。

實施例3

本實施例公開了上述實施例1中的柔性壓力傳感器的制作方法，具體參照圖6-圖11，根據本實施例的柔性壓力傳感器的制作方法包括下述步驟：

Q1、選取一基底41，并在該基底41上制備多個凸點42；其中，這些凸點42的形狀以及排布方式與實施例1中的柔性壓力傳感器中的多個凸結構112的形狀及排布方式相同，如圖6所示。

在本實施例中，基底41的材料為玻璃，凸點42的材料為聚苯乙烯(簡稱PS)；凸點42的形狀優選為球狀，且其粒徑控制為100nm～1mm，本實施例中優選為20μm。

當然，基底41的材料還可以是硅片或表面光滑的塑料制品等，同時，凸點42的材料還可以是如聚甲基丙烯酸甲酯(簡稱PMMA)、二氧化硅等單分散的微納米球乳液或膠體。

具體地，在本實施例中，采用重力自沉降法在基底41的表面上制備單層自組裝的PS微球陣列，以形成所述多個凸點42；同時，通過選擇合適的分散液溶劑并控制PS微球乳液的濃度，使多個凸點42的間距控制不超過1mm，本實施例中優選為2μm。

當然，在基底41上制備多個凸點42的方法還可以是如垂直沉積法、浸漬提拉法、傾斜基片法、界面自組裝法、旋涂法等。

Q2、在基底41上沉積第一模板材料，第一模板材料覆蓋多個凸點42，獲得第一模板前驅體43a，如圖7所示。

在本實施例中，由于預制作的第一模板的材料為聚二甲基硅氧烷(簡稱PDMS)，因此以質量比為5:1～12:1、優選為10:1的PDMS預聚物與該PDMS預聚物搭配使用的固化劑混合以作為第一模板材料；將二者混合均勻，以200rpm的旋轉速度，將上述第一模板材料旋涂在基底41的具有多個凸點42的一側，控制旋涂時間為10s，獲得厚度為800μm的第一模板前驅體43a；將該第一模板前驅體43a置于100℃～150℃的烘箱中加熱固化10min～2h，本實施例中優選在150℃的烘箱中加熱固化30min，待冷卻至室溫后即可。

值得說明的是，第一模板前驅體43a的厚度只需保證不小于凸點42的高度即可。

Q3、去除基底41及多個凸點42，獲得第一模板43，如圖8所示。

具體地，首先將基底41直接進行剝離；然后將夾帶有多個凸點42的第一模板43浸泡至四氫呋喃中24h，以PS為材料的凸點42即被四氫呋喃溶解去除，僅保留第一模板43，而多個凸點42的位置處即形成為第一模板43的平面上的多個孔洞431，這些孔洞431的形狀與預制作的柔性壓力傳感器中多個凸結構的形狀相匹配；換句話說，該第一模板43具有一平面，并且在該平面中凹陷設置有多個孔洞431。

當然，當多個凸點42的材料不同時，用于溶解去除的浸泡試劑也不同，當凸點42的材料為聚苯乙烯時，浸泡試劑還可選自甲苯、氯仿和N,N-二甲基甲酰胺中的至少一種；當凸點43的材料為聚甲基丙烯酸甲酯時，浸泡試劑可選自丙酮、氯仿、二氯甲烷、苯酚和苯甲醚中的至少一種；當凸點43的材料為二氧化硅時，浸泡試劑為強堿液或氫氟酸等。

同時，第一模板43的材料并不限于本實施例中的PDMS，可以選自環氧樹脂、丙烯酸樹脂、乙烯基樹脂等。

Q4、向第一模板43的平面上沉積柔性材料11a，該柔性材料11a填充在孔洞431中且覆蓋在平面上，如圖9所示。

在本實施例中，預制備的柔性襯底11的材料為PDMS，因此以質量比為3:1～15:1、優選為12:1的PDMS預聚物及上述固化劑進行混合作為柔性材料11a；以500rpm的旋轉速度、20s的旋轉時間，在第一模板43的具有孔洞431的一側進行旋涂，控制厚度為50μm～1mm，本實施例中優選為500μm；然后在室溫～100℃下固化2h～24h即可；本實施例中優選置于80℃的烘箱中加熱固化2h，待冷卻至室溫后即可。

當然，能夠用作柔性襯底11的材料并不限制于本實施例中的PDMS，還可以是諸如乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、芳香族無規共聚物、丁苯橡膠、聚氨酯類彈性體、聚烯烴類彈性體、聚酰胺類彈性體等柔性材料。

Q5、去除第一模板43，獲得柔性襯底11，該柔性襯底11包括襯底本體111及設置在襯底本體111上的多個凸結構112，如圖10所示。

具體地，對應于第一模板43的平面上的柔性材料11a形成襯底本體111，對應于多個孔洞431中的柔性材料11a形成多個凸結構112。

Q6、在柔性襯底11的具有凸結構112的表面制備導電層12，形成電極結構1，如圖11所示。

在本實施例中，導電層12的材料為納米金；當然，能夠作為導電層12的材料還可以是諸如納米銀、納米鋁、納米銅、納米鎳、納米鈀、納米鉑、納米碳、銦錫氧化物(簡稱ITO)等導電材料。

具體地，首先將第一模板43剝離；然后將柔性襯底11置于蒸鍍設備中，在該柔性襯底11的具有凸結構112的一側表面上蒸鍍一層納米金作為導電層12。

Q7、參照上述步驟Q1-Q6制備獲得兩個電極結構1，將兩個電極結構1的導電層12相互朝向地抵觸連接，獲得柔性壓力傳感器。

值得說明的是，在本實施例中，兩個電極結構1相對疊扣在一起時，采用將多個凸結構112一一相對的方式，即獲得了如實施例1中的圖1所示的柔性壓力傳感器。

實施例4

本實施例公開了如上述實施例2的柔性壓力傳感器的制作方法；本實施例的制作方法與實施例3的制作方法的相同之處在此不再贅述，只描述與實施例3的不同之處。實施例4與實施例3的不同之處在于，在步驟Q7中，兩個電極結構1在相對疊扣在一起時，采用將多個凸結構112相互交叉的方式，即獲得了如實施例2中的圖4所示的柔性壓力傳感器。

雖然已經參照特定實施例示出并描述了本實用新型，但是本領域的技術人員將理解：在不脫離由權利要求及其等同物限定的本實用新型的精神和范圍的情況下，可在此進行形式和細節上的各種變化。