一种高灵敏度柔性压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种高灵敏度柔性压力传感器及其制备方法，包括上电极、压敏层、下电极，所述上电极、下电极为镀有铜的柔性PC板电极，所述压敏层是由两层带有微结构的碳纳米管(CNTs)/聚二甲基硅氧烷(PDMS)复合材料薄膜“面对面”封装组成。本发明专利技术公开的一种高灵敏度柔性压力传感器及其制备方法，工艺简单、成本低廉、灵敏度高、响应速度快，且稳定性好。

A highly sensitive flexible pressure sensor and its preparation method

The invention provides a flexible pressure sensor with high sensitivity and a preparation method thereof, including an upper electrode, a pressure sensitive layer and a lower electrode. The upper electrode and a lower electrode are copper-plated flexible PC plate electrodes. The pressure sensitive layer is \face-to-face\ of two carbon nanotubes (CNTs)/polydimethylsiloxane (PDMS) composite films with microstructures. \Surface\ package. The invention discloses a high sensitivity flexible pressure sensor and a preparation method thereof, which has the advantages of simple process, low cost, high sensitivity, fast response speed and good stability.

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏度柔性压力传感器及其制备方法
本专利技术属于传感
，特别涉及一种高灵敏度柔性压力传感器及其制备方法。
技术介绍
近年来，柔性压力传感器由于其高应变、高灵敏度、高耐久性等优势已在多个领域有着广泛的应用，如人体运动检测、健康诊断、智能服装和电子皮肤等。柔性压力传感器根据敏感原理主要分为电容式、压电式、压阻式三类，制备方法各不相同。通常而言，基于导电填料填充聚合物带有微结构的柔性传感器可以实现高灵敏度、快速响应，但微结构加工技术,具有较高的加工成本,复杂的工艺,且工艺对材料的巨大浪费等弊端。通常要用到光刻、电子束蒸镀、磁控溅射、氧等离子体处理、3D打印等先进制造技术，增加了柔性传感器的制作成本，限制了柔性传感器的大范围使用。
技术实现思路
为了克服上述现有技术的缺点，本专利技术的目的在于提供一种高灵敏度柔性压力传感器及其制备方法，该传感器灵敏度高、响应速度快、稳定性好，且制备方法工艺简单、成本低廉。为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案是：一种高灵敏度柔性压力传感器，包括上电极1-1、压敏层1-2以及下电极1-3，其特征在于，所述压敏层1-2由两个带有微半球结构的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合材料薄膜贴合组成，所述微半球结构是指碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合材料薄膜表面具有的半球形凸起，两个碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合薄膜的凸起相对。所述上电极1-1、下电极1-3均为镀有铜的柔性PC板电极。所述凸起为半球形，均匀分布。所述碳纳米管为多壁碳纳米管，碳纳米管内径5～10纳米，外径10～31纳米，长度为10～30微米。本专利技术还提供了所述高灵敏度柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：步骤1：制备碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合材料；步骤2：制备压敏层，步骤如下：1)将聚二甲基硅氧烷主剂和固化剂均匀混合，在真空环境下静置20～30分钟，脱去气泡；2)将上述聚二甲基硅氧烷在硅基板上旋涂，得到厚度均匀的薄膜一4-1；3)取二氧化硅颗粒4-2，加入到无水乙醇中，超声分散得到均匀分散的二氧化硅乙醇溶液；4)将所述二氧化硅乙醇溶液装入喷枪中，加压喷涂到所述薄膜一4-1表面上，二氧化硅颗粒4-2均匀分散在薄膜一4-1的表面；5)在真空干燥箱中静置，得到嵌有二氧化硅颗粒4-2的薄膜二4-3，然后加热固化；6)将薄膜二4-3放置到氢氟酸稀释液中，腐蚀掉嵌入其中的二氧化硅颗粒4-2，表面留下整齐的凹坑，得到薄膜三4-4；7)利用图形转移技术，以薄膜三4-4为基板，将碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合材料旋涂到基板上，得到双层薄膜4-5，固化后取下，得到带有微结构的复合薄膜4-6；8)重复步骤7，得到同样的带有微结构的复合薄膜4-6；9)将两个带有微结构的复合薄膜4-6面对面即凸起与凸起相对进行封装，得到结构4-7，即压敏层1-2；步骤3：制作柔性传感器。所述碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合材料的制备方法为溶液共混法。所述碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合材料中，碳纳米管的质量百分比为4％。所述柔性传感器制作的具体过程为：1)在结构4-7上，冲压出圆形传感器单元4-8；2)将圆形传感器单元4-8用导电银胶分别与上电极1-1、下电极1-3粘接，并用引线引出以便于测量，传感器制作完成。所述二氧化硅颗粒4-2直径为4～5微米，所述氢氟酸稀释液质量浓度为5％，腐蚀时间为30分钟。与现有技术相比，本专利技术的有益效果是：1.本专利技术采用一种溶液共混法制备碳纳米管/PDMS复合材料，工艺简单、易于操作，碳纳米管分散均匀，复合材料导电性良好，固化后拉伸性能良好；2.本专利技术采用简单的腐蚀二氧化硅颗粒成型的制备工艺，操作过程简单、成本低廉、易于大范围使用；3.本专利技术方法所制备的柔性压力传感器，具有良好的柔性，灵敏度高、响应速度快、稳定性好。附图说明图1为本专利技术柔性压力传感器的结构示意图。图中：上电极1-1、压敏层1-2、下电极1-3。图2为本专利技术柔性压力传感器测量原理图。图3为本专利技术实施例的碳纳米管/PDMS复合材料制备流程图。图4为本专利技术实施例的压敏层的制备流程图。具体实施方式下面结合附图和实施例详细说明本专利技术的实施方式。如图1所示，本专利技术柔性压力传感器，包括自上而下的上电极1-1、压敏层1-2、下电极1-3。其中上电极1-1、下电极1-3均为铜电极，例如镀有铜的柔性PC板电极。压敏层1-2由两个带有微结构的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷(CNTs/PDMS)复合薄膜“面对面”贴合组成，微结构是指碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合材料薄膜表面的凸起，两个碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合薄膜的凸起相对，作为一种典型结构，凸起可为半球形，均匀分布。本专利技术柔性压力传感器测量原理如图2所示，外载荷轻微变化时，第一微结构碳纳米管/PDMS复合薄膜与第二微结构碳纳米管/PDMS复合薄膜的凸起结构的接触面积会发生改变，上下电极之间的电阻随之发生改变。参考图3和图4，本专利技术高灵敏度柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：步骤1：采用溶液共混法制备碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合材料，具体过程如下：1)取碳纳米管为原材料，加入到氯仿溶液中，通过超声分散4小时，使其均匀分散。其中碳纳米管为多壁碳纳米管，碳纳米管内径5～10纳米，外径10～31纳米，长度为10～30微米。2)取PDMS加入到氯仿溶液中，通过磁力搅拌，得到PDMS稀释液。3)混合上述两种溶液，再次超声分散1小时，得到均匀分散的碳纳米管/PDMS/氯仿溶液。4)机械搅拌碳纳米管/PDMS/氯仿溶液，并辅以超声，使溶液中的氯仿完全挥发。5)在得到的复合材料中按照10:1加入固化剂，并搅拌均匀，放置在真空环境中20～30分钟，脱去气泡，得到胶状碳纳米管/PDMS复合材料，碳纳米管的质量百分比为4％。步骤2：制备压敏层，步骤如下：1)将聚二甲基硅氧烷主剂和固化剂均匀混合，在真空环境下静置20～30分钟，脱去气泡。2)将步骤1)得到的聚二甲基硅氧烷在硅基板上旋涂，旋涂速率为1500rpm，旋涂时间为40s，得到厚度均匀的薄膜一4-1，如图4(1)所示；3)取直径为4～5微米的二氧化硅颗粒4-2，加入到无水乙醇中，超声分散15分钟，得到均匀分散的二氧化硅乙醇溶液；4)将所述二氧化硅乙醇溶液装入喷枪中，加压喷涂到所述薄膜一4-1表面上，二氧化硅颗粒4-2均匀分散在薄膜一4-1的表面，如图4(2)所示；5)在真空干燥箱中静置2～3小时，得到嵌有二氧化硅颗粒4-2的薄膜二4-3，然后加热固化，固化温度为80℃，固化时间2小时，如图4(3)所示；6)将薄膜二4-3放置到质量浓度为5％的氢氟酸稀释液中，腐蚀时间为30分钟，腐蚀掉嵌入其中的二氧化硅颗粒4-2，表面留下整齐的凹坑，得到薄膜三4-4，如图4(4)所示；7)利用图形转移技术，以薄膜三4-4为基板，将碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合材料旋涂到基板上，得到双层薄膜4-5，如图4(5)所示，固化后取下，得到带有微结构的复合薄膜4-6，如图4(6)所示；8)重复步骤7，得到同样的带有微结构的复合薄膜4-6；9)将两个带有微结构的复合薄膜4-6面对面即凸起与凸起相对进行封装，得到结构4-7，即压敏层1-2，如图4(7)所示。步骤3：制作柔性传感器，具体过程为：1)在结构4-7上，冲压出圆形传感器单元4-8，如图4(本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高灵敏度柔性压力传感器，包括上电极(1‑1)、压敏层(1‑2)以及下电极(1‑3)，其特征在于，所述压敏层(1‑2)由两个具有微半球结构的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合材料薄膜贴合组成，所述微半球结构是指碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合材料薄膜表面的半球形凸起，两个碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合材料薄膜的凸起相对。

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏度柔性压力传感器，包括上电极(1-1)、压敏层(1-2)以及下电极(1-3)，其特征在于，所述压敏层(1-2)由两个具有微半球结构的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合材料薄膜贴合组成，所述微半球结构是指碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合材料薄膜表面的半球形凸起，两个碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合材料薄膜的凸起相对。2.根据权利要求1所述高灵敏度柔性压力传感器，其特征在于，所述上电极(1-1)、下电极(1-3)均为镀有铜的柔性PC板电极。3.根据权利要求1所述高灵敏度柔性压力传感器，其特征在于，所述凸起为半球形，均匀分布。4.根据权利要求1所述高灵敏度柔性压力传感器，其特征在于，所述碳纳米管为多壁碳纳米管，碳纳米管内径5～10纳米，外径10～31纳米，长度为10～30微米。5.权利要求1所述高灵敏度柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1：制备碳纳米管/聚二甲基硅氧烷复合材料；步骤2：制备压敏层，步骤如下：1)将聚二甲基硅氧烷主剂和固化剂均匀混合，在真空环境下静置20～30分钟，脱去气泡；2)将聚二甲基硅氧烷在硅基板上旋涂，得到厚度均匀的薄膜一(4-1)；3)取二氧化硅颗粒(4-2)，加入到无水乙醇中，超声分散得到均匀分散的二氧化硅乙醇溶液；4)将所述二氧化硅乙醇溶液装入喷枪中，加压喷涂到所述薄膜一(4-1)表面上，二氧化硅颗粒(4-2)均匀分散在薄膜一(4-1)的表面；5)在真空干燥箱中静置，得到嵌有二氧化硅颗...

【专利技术属性】
技术研发人员：张学锋，柴润宁，阮晓光，蔡安江，
申请(专利权)人：西安建筑科技大学，
类型：发明
国别省市：陕西,61