一种基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于柔性电子和传感器领域，具体涉及一种基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
随着柔性电子器件不断发展，为了满足智能时代的需求，世界范围内已经开发了多种柔性压力传感器，用以检测不同量级的压力。柔性压力传感器结构简单、超薄且质量非常小，还具有可变特性和良好的稳定性，从而在电子皮肤、人体生理信号检测、运动状态获取、智能家居、智能化服饰、智能化假肢、机器人技术等领域柔性压力传感器得到了广泛应用。
目前，柔性压力传感器在灵敏度、压力检测范围、抗干扰性、可重复性、可拉伸、透明化等方面一直为研究人员所关注。文献调研表明，现有柔性触觉传感器仍然存在两个主要缺点：一是注重微小压力检测的柔性压力传感器的检测范围普遍较小，并且在高压力下(检测范围内压力较大)灵敏度较小，从而限制了柔性压力传感器在更多应用领域的发展；二是柔性压力传感器一般不能同时采集多源信号，主要通过多个传感器的平面集成(传感器阵列)实现多信号检测，结合信号处理系统分析识别压力施加位置，显著增加了信号处理的工作量，并降低了柔性压力传感器的集成度，同时由于制造多个传感器而进一步增加了成本，亟需解决。
因此，本发明开发了一种基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器，在较大压力感测范围内具有较高的灵敏度、稳定性等良好综合特性。将采集得到的多源信号与信号采集及处理系统结合可以实现压力信息可视化。检测过程无需对传感器进行同一压力的多次施加，进而提高可靠性减小误差。提升同时检测多个电信号的性能，为小型化的传感器创造了应用优势。
发明内容
本发明针对上述柔性压力传感器的缺陷，提出了一种基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器及其制备方法。该柔性压力传感器整体采用复合式结构设计，在介电层和电介质层中采用仿生结构；电容层中导电薄膜作为电极，并在第一电极层和第二电极层间引入双层双级穹顶仿生微结构的弹性聚合物PDMS，上层具有穹顶仿生微结构的一侧与下层具有穹顶仿生微结构的一侧互相接触；压阻层中横向和纵向电极层、电介质层和交错电极层构成差层分布，其中具有单层双级穹顶结构的纳米级导电复合材料作为电介质层，上层多级“S”型互联微米级导线、分隔层和下层多级“S”型互联微米级导线作为交错电极层。
本发明所述压力传感器从上到下分为电容层、公共基质层和压阻层。其中，电容层从上到下包括保护薄膜层、第一电极层、介电层和第二电极层；压阻层从上到下包括横向电极层、纵向电极层、电介质层、交错电极层和基底薄膜。介电层采用双层双级穹顶仿生微结构，材料是与公共基质层相同的弹性模量可调的聚合物。电介质层采用单层双级穹顶仿生微结构，材料是由多壁碳纳米管(MWCNT)和炭黑(CB)填充到柔性聚合物中制成纳米级导电复合材料。底部交错电极层采用多级“S”型互联导线结构，使传感器在发生一定限度的弯曲或扭转时，显著降低对电信号的影响，并进一步提高柔性压力传感器的可延展性。保护薄膜层和基底薄膜的材料是具有保护作用的柔性绝缘材料，且分别覆盖在传感器的顶部和底部。本发明基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器在保证具有较大的检测范围同时具备高灵敏度、稳定性好、抗干扰性强的特点。此外，传感器通过采集多源信号可以区分施加压力的位置，为着力于压力信息可视化方面的柔性压力传感器的实际应用提供更广阔的空间。
本发明的具体技术方案如下：
一种基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器，从上到下分为电容层、公共基质层和压阻层。其中，电容层从上到下包括保护薄膜层1、第一电极层2、具有仿生结构的介电层3和第二电极层4；这四层按顺序平面平行叠合；压阻层从上到下包括横向和纵向电极层6、具有仿生结构的电介质层7、上层多级“S”型互联微米级导线8、分隔层9、下层多级“S”型互联微米级导线10和底部是具有保护作用的基底薄膜11；交错电极层由上层多级“S”型互联微米级导线8、分隔层9和下层多级“S”型互联微米级导线10组成；电介质层7与横向和纵向电极层6以相同形状叠合并附与公共基质层5下表面，然后与交错电极层构成差层分布。
进一步地，所述的双层双级穹顶仿生微结构，上层双级穹顶仿生微结构与下层双级穹顶仿生微结构相对，一级穹顶仿生微结构12有规则分布且高度相对均匀，凸起的平均高度为20～40μm,平均宽度为15～20μm；二级穹顶仿生微结构13无规则分布在每个一级穹顶仿生微结构12的表面，高宽比例与一级穹顶仿生微结构相近，体积比一级穹顶仿生微结构小5～6倍。
进一步地，所述的单层双级穹顶仿生微结构，穹顶仿生微结构与交错电极层相对，一级穹顶仿生微结构12无间隙分布且高度相接近，凸起的平均高度为10～20μm,平均宽度为10～15μm；二级穹顶仿生微结构13无规则分布在每个一级穹顶仿生微结构12的表面，高宽比例与一级穹顶仿生微结构相近，体积比一级穹顶仿生微结构小5～6倍。
进一步地，保护薄膜层和基底薄膜层厚度为30～50μm，电极薄膜厚度为150～250nm。
本发明提供一种基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器的制备方法，包括：
将预聚体与固化剂以10:1的比例充分混合的PDMS溶液放入真空干燥器中，之后把PDMS混合物旋涂在单层双级穹顶仿生微结构的反模具表面，固化、剥离后并在另一侧溅射沉积导电薄膜。制作两片上述带有电极层的单层双级穹顶仿生微结构薄膜，穹顶结构相对并选择任意一侧贴合在柔性绝缘保护薄膜层上。
其次在单晶硅基板上旋涂40～50μm厚的正性光刻胶AZ6130，并通过光刻技术在光刻胶膜上显影，硬烘、蚀刻后得到与公共基质层相反的微结构模具，将预聚体与固化剂以8:1的比例充分混合的PDMS溶液放入真空干燥器中，之后PDMS混合物旋涂在反膜具表面，固化并且剥离。
然后将前面得到的公共基质层的凹凸结构侧与掩盖磨具贴合，经溅射沉积后取下掩盖磨具，得到横向和纵向电极层。并将MWCNT/CB/PDMS纳米复合材料溶液刮涂在单层双级穹顶仿生微结构的反模具表面，加入固化剂后置于真空室中以提取内部气体，并在高温下固化后贴附在横向和纵向电极上。
之后再将预聚体与固化剂以10:1的比例充分混合的PDMS溶液放入真空干燥器中，之后把PDMS混合物侵入分隔层结构的反模具中，使混合物溶液液面低于模具凹槽深度，固化、剥离后并在其表面打印上层多级“S”型互联银微米级导线。把下层多级“S”型互联银微米级导线打印在基底薄膜上，并与之前所得结构无电极一侧贴合。
最后将上述所得结构按顺序上下对应层压在一起，并引入电极软线与导电薄膜连接，封装得到所述基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器。
与现有技术相比，本发明具有以下的优点和有益效果：
1.本发明采用复合式结构设计，是一种通过微结构化聚合物材料、导电材料和保护绝缘材料来制备的柔性压力传感器。公共基质层的弹性模量比上介电层和下电介质层高两个数量级，保证具有弹性的情况下不易发生变形。合理利用了聚合物聚二甲基硅氧烷硬度可调的特性，将电容层与压阻层组装在一起后不会影响压力转化为多种电信号的过程。
2.本发明中的双级穹顶结构是一种仿生微结构，传感器受压发生变形使弹性聚合物结构更加紧密，进一步减小了电极层之间的距离，增大了接触面积，因此有较大的电信号输出。双级穹顶仿生微结构增加了双层间的摩擦，可以避免发生滑动位移。这不仅能够提高微小压力的检测能力，还可以辅助复合式结构进一步提高压力检测范围。解决一些注重微小压力检测的薄膜传感器检测范围小且高压力下灵敏度不理想的问题。
3.本发明中的差层分布结构，可将压力信号转化为多个电信号用以分析压力的大小和位置信息。此外，这种特殊结构使传感器多层之间几乎难以发生滑动位移，提高柔性压力传感器在实际应用过程中的稳定性。
4.本发明提高了信号采集性能，代替了通过多个传感器的平面集成(传感器阵列)实现多信号检测的传统方式。一方面将阵列传感元件的功能集成到传感器内部，并实现了小型化；另一方面可简化制造工艺，降低成本。
5.本发明的基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器，在保证具有较大的检测范围同时具备高灵敏度、稳定性好、抗干扰性强的特点，并结合信号采集及处理系统可以实现压力信息可视化。性能的提高和多功能化的实现，可以进一步扩大柔性压力传感器应用领域。
附图说明
图1.本发明的基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器拆分结构示意图。
图2.基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器内部压阻层沿XOZ面的截面图。
图3.穹顶仿生微结构中一级微球有规则阵列分布的结构示意图。
图4.基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器的双级穹顶仿生微结构示意图。
图5.穹顶仿生微结构中一级微球无间隙阵列分布的结构示意图。
图6.多级“S”型互联微米级导线示意图。
图7.有局部应力作用在柔性压力传感器上时本发明的截面图。
图8.基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器的底部交错电极层俯视图。
图9a.基于传感器底部的带有横向电极原理分析图。
图9b.基于传感器底部的带有纵向电极原理分析图。
图9a、图9b中：粗实线为为多级“S”型互联微米级导线、其一端变细部分可以视为适值R0的计算电阻、1～4表示局部受压变形的导致电阻值变化的区域
图中：1.保护薄膜层，2.第一电极层，3.介电层，4.第二电极层，5.公共基质层，6.横向和纵向电极层，7.电介质层，8.上层多级“S”型互联微米级导线，9.分隔层，10.下层多级“S”型互联微米级导线，11.基底薄膜，12.一级穹顶仿生微结构，13.二级穹顶仿生微结构
具体实施方式
下面结合附图对本发明的实施方式作出详细的说明，使得发明目的、技术方案、特征等更加清晰易于理解，实施例仅用于解释本发明并选定较优材料详述制备方法，而不是对本发明的限定。
参阅1所示为本发明基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器拆分结构示意图。从上到下依次包括保护薄膜层1、第一电极层2、介电层3、第二电极层4、公共基质层5、横向和纵向电极层6、电介质层7、上层多级“S”型互联微米级导线8、分隔层9、下层多级“S”型互联微米级导线10和基底薄膜11。交错电极层由上层多级“S”型互联微米级导线8、分隔层9和下层多级“S”型互联微米级导线10组成。介电层3具有双层双级穹顶仿生微结构，每层带有双级穹顶仿生微结构的一侧互相接触。电介质层7具有单层双级穹顶仿生微结构，带有双级穹顶仿生微结构的一侧朝向交错电极层，此部分截面图结构参阅附图2所示。
电容层的双层双级穹顶仿生微结构，一级穹顶仿生微结构12有规则分布且高度相对均匀，参阅附图3所示，凸起的平均高度为20～40μm,平均宽度为15～20μm。二级穹顶仿生微结构13无规则分布在每个一级穹顶仿生微结构的表面，参阅附图4所示。凸起的平均高度为3～6μm,平均宽度为2～3μm。压阻层的单层双级穹顶仿生微结构，一级穹顶仿生微结构无间隙分布且高度相接近，参阅附图5所示，平均高度为10～20μm,平均宽度为10～15μm。类似地，二级穹顶仿生微结构无规则分布在每个一级穹顶仿生微结构的表面，凸起的平均高度为2～3μm,平均宽度为1～2μm。保护薄膜层和基底薄膜厚度为30～50μm，溅射沉积的导电薄膜厚度为150～250nm，中间为公共基质层厚度为40～80μm。参阅附图6所示的多级“S”型互联微米级导线整体线宽50～100μm，高度为500～700nm。
本发明的工作原理如下：
本发明的双级穹顶仿生微结构是根据具有出色的机械感知能力的脊椎动物-南美凯门鳄的脸部皮肤结构和外皮感觉器官得到的启示。
脊椎动物具有丰富的感觉器官，结合不同的表面结构可以对多种刺激表现出非常强的综合敏感性。就压力刺激而言，可以对特定范围内的压力具有很高的灵敏度，瞬间明确身体受压力刺激部位并作出反应。这依赖于脊椎动物多个感觉受体，它们离散分布在脸部、口腔、皮肤等多个位置，而南美凯门鳄对压力刺激尤为敏感，可以通过水面微小的压力波精准定位猎物。
研究表明，南美凯门鳄的皮肤中包括头部、脸部离散分布很多微小的感觉器官，大小相近，呈微穹顶或微圆顶形状，并且数量众多分布广泛。包含这些微小感觉器官的区域外层角质层更薄，不失去保护功能的情况下增加对压力的敏感性。特别地，在南美凯门鳄的面部/下颌随机分布着不同等级的多个的小圆顶状结构，在每个圆顶状结构上也随机分布着多个微小的感觉器官。当南美凯门鳄头部半漂浮于水面上时，这样的大-小双级结构增加了南美凯门鳄与水的接触面积，进一步增大了对水面微小的压力波的敏感性。多个微小的感觉器官形成了高分辨的压力感应阵列，从而可以明确猎物的位置。
基于南美凯门鳄的脸部皮肤结构和外皮感觉器官特征，本发明将上介电层和下电介质层设计为双级微穹顶结构。详细地，当本发明的传感器受到外部应力时，传感器发生参阅附图7所示的形变，PDMS可以通过调节固化剂和原溶液的比例以及固化时间来改变其弹性程度，也就是说，固化剂添加的越多，固化后越硬，其比例与硬度符合一个对数曲线，所以介电层和电介质层优先发生形变。对于传感器而言外部压力可以简单地分为低压力和高压力，传感器承受非常低的压力时，双层双级穹顶仿生微结构中二级结构接触后一级结构发生形变接触，可使面对面的弹性聚合物结构更加紧密，进一步减小了第一电极层和第二电极层之间的距离，因此有较大的电信号输出。这充分利用了电容层高灵敏度、低滞后性和高稳定性的优势。传感器承受较高压力时，电容层的压力与电信号变化曲线几乎接近水平饱和时，压阻层可以帮助克服这一缺陷，分担一部分压力而发生相应的形变。单层双级穹顶仿生微结构中二级结构与交错电极接触后一级结构发生形变接触，不仅提高了压阻层的灵敏度，还可进一步增大每个微结构与交错电极之间的接触面积，使纳米复合材料会形成更多的复杂的导电路径，因此有较大的电信号输出。分别采集两层变化的电信号，并经过分析处理后可获取压力信息。实际上压阻层不仅可以为压力信息可视化提供多个信号，还可以在扩大传感器的检测范围的同时保持较高的灵敏度这一方面起到辅助作用。
在上述这种情况下，对于包含双层双级穹顶仿生微结构的电容层，在施加的外部应力时，相对的弹性PDMS微结构更加紧密，相当于间接增大了介电常数εr，并且第一电极层和第二电极层之间的距离d也会变小。因此如下面的计算公式所述改变了电路的电容。对于微小压力的特殊情况，二级穹顶仿生微结构会优先接触变形导致电容变化。
电容C紧密依赖于中间层材料的介电常数εr，有效电极面积A和两个平板电极之间的距离d，ε0是真空介电常数。
在上述这种情况下，对于包含单层双级穹顶仿生微结构的压阻层，电介质层受力变形，每个微结构与交错电极层之间的接触面积增加，同时纳米复合材料会形成一定的复杂的导电路径。实际上压缩变形会导致接触面积增加和纳米复合材料的厚度减小，并且间接地增大了总电阻率，因此如下面的计算公式所述改变了电路的电阻。
电阻紧密依赖于纳米复合材料层和电极之间的横截面积B和纳米复合材料层的总厚度m，ρ是电阻率。
需要说明的是，传感器受到外部压力时，可将压力信息转换为多个电信号变化。电容层中的第一电极和第二电极所采集信号变化为电信号1，压阻层中横向电极和交错电极层A1端所采集信号变化为电信号2，横向电极和交错电极层A2端所采集信号变化为电信号3，交错电极层A1端和A2端所采集信号变化为电信号4，纵向电极和交错电极层B1端所采集信号变化为电信号5。纵向电极和交错电极层B2端所采集信号变化为电信号6，交错电极层B1端和B2端所采集信号变化为电信号7，参阅附图8和附图9所示。
下面具体分析说明压力信息可视化功能的原理：
综合性能指标是决定柔性压力传感器应用领域的重要因素，而压力信息可视化功能则是对良好性能指标的补充，可以进一步扩大传感器的应用领域。信号采集性能的提升是实现压力信息可视化功能的基础，所以本发明不仅提升了综合性能，还可以采集多源信号，并将差层分布结构得到的两组电信号和信号采集及处理系统相结合，从而实现压力信息可视化功能。
本发明的底部压阻层结构设计实际上将传感器平面分为9个区域，当局部受压发生形变时，参阅附图7所示，上层电信号2、电信号3和电信号4确定压力的X轴坐标方向的位置信息，下层电信号5、电信号6和电信号7确定压力的Y轴坐标方向的位置信息。压力的大小则需要结合传感器全部电信号变化综合分析确定。下面以X轴坐标为例具体解释如何确定位置信息，参阅附图9a、图9b所示(实线为下部电极、其上联结有适值R0的计算电阻，实际上计算电阻R0是通过减小导线的截面积而产生的局部电阻值增大，并非在导线间串联电阻)在初始状态时对应的电信号即电阻近似等于适值电阻阻值与微结构电阻之和。当传感器在椭圆形位置受到外部压力时，椭圆形位置处的上层和下层电极之间的电阻发生变化，压力越大导通电阻越小，并且所得电阻值的变化范围在R0和接近于零欧姆之间(R0≤实际电阻值＜0)。压力达到某一数值使得电阻足够小，测量A1和A2之间的电阻时进会使得相应位置的计算电阻被短路。单从确定压力的二维坐标信息角度讲，外部施加传感器上的局部压力越大所确定的结果越接近理想值。
实施例
本发明基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器制备方法具体包括：
步骤一：将预聚体与固化剂以10:1的比例充分混合的PDMS溶液放入真空干燥器中，可以去除搅拌过程中在PDMS混合物内部产生的气泡。之后把PDMS混合物旋涂在单层双级穹顶仿生微结构的反模具表面，前转转速为1000r/min，持续45s和后转转速为5000r/min，持续50s；
步骤二：PDMS溶液置于100℃环境下固化50分钟，剥离后得到PDMS薄膜，参阅附图1中所示介电层3的一侧，其厚度约60μm；
步骤二：PDMS溶液置于100℃环境下固化50分钟，剥离后得到PDMS薄膜，步骤三：通过射频溅射法在PDMS薄膜的光滑侧镀铜电极薄膜，此过程射频电流为100mA，溅射时间为5分钟，靶材为铜靶材，所得电极薄膜厚度约为200nm；
步骤四：清洗单晶硅基板表面并烘干，之后在其表面旋涂40～50μm厚的正性光刻胶(AZ6130)，旋涂工艺条件为持续15s的前转，转速为1500r/min，再持续40s的后转，转速为2000r/min。依次通过软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀后得到公共基质层5相反的微结构模具。将预聚体与固化剂以8:1的比例充分混合的PDMS溶液放入真空干燥器中，之后把PDMS混合物旋涂在反模具表面，前转转速为1000r/min，持续45s和后转转速为5000r/min，持续50s；与步骤二中条件相同固化并剥离得到公共基质层5；
步骤五：将步骤四得到的公共基质层的凹凸结构侧与掩盖磨具贴合，经溅射沉积在其表面镀铜膜，厚度约为200nm。然后取下掩盖磨具，得到横向和纵向电极层6；
步骤六：重复步骤一、步骤二和步骤三，将制备得到的两个薄膜带有双级穹顶仿生微结构一侧相对，层压在柔性聚酰亚胺(PI)薄膜与公共基质层之间，至此基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器的电容层制作完成；
步骤七：将8％MWCNT和3％CB颗粒含量PDMS纳米复合材料溶液刮涂在单层双级穹顶仿生微结构的反模具表面，在100℃下固化30分钟并从模具上剥离后，纳米复合膜完全固化后贴附在横向和纵向电极上；
步骤八：将预聚体与固化剂以10:1的比例充分混合的PDMS溶液放入真空干燥器中，之后令PDMS混合物侵入分隔层结构的反模具中，使混合物溶液液面低于模具凹槽深度，厚度约为30μm，并以步骤二中相同条件固化并剥离
步骤九：在步骤八所得结构物表面采用喷墨打印技术，将纳米银墨水直接打印制备上层多级“S”型互联银微米级导线8，参阅附图1和附图5所示；
步骤十：在柔性聚酰亚胺(PI)基底薄膜上表面参阅附图1和附图5所示打印制备下层多级“S”型互联银微米级导线10，并与步骤六所得结构没有电极一侧贴合；
步骤十一：引入与导电薄膜连接的电极软线，最后将上述所得结构按顺序从上到下对应封装得到所述基于仿生微结构的复合式柔性压力传感器。
以上所述仅为本发明的优选实施例，并不是用于限制本发明，凡是在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
