基于双面微结构电极和纸张的柔性压力传感器及制备方法技术

本发明专利技术公开了基于双面微结构电极和纸张的柔性压力传感器，属于传感器技术领域，具体涉及柔性压力传感器领域，以解决上述现有的柔性压力传感器灵敏度低、重复稳定性差、制备工艺复杂、成本高等的问题，包括导电纸张层，所述导电纸张层的上部和下部分别设置有微结构电极层，所述导电纸张层和所述微结构电极层的外周设置有封装层，所述微结构电极层上分别引出测试导线，每条所述测试导线延伸至所述封装层的外侧，所述微结构电极层包括织物及附着在所述织物上的第一导电材料；通过在单层电纸张层的上下表面贴合微结构电极层，形成双面的接触界面，从而极大地增加了接触界面的该变量，提升了柔性压力传感器的压敏响应。

【技术实现步骤摘要】
基于双面微结构电极和纸张的柔性压力传感器及制备方法
基于双面微结构电极和纸张的柔性压力传感器及制备方法，本专利技术属于传感器
，具体涉及柔性压力传感器领域。
技术介绍
近年来随着柔性电子技术的快速发展，柔性压力传感器在人工智能、人机交互、健康监测和软机器人等领域展现出广阔的应用前景，柔性压力传感器已成为国内外的研究热点，然而目前报道的柔性压力传感器通常在传感性能和制备工艺上难以兼顾。发展结构简单、制备工艺简便、成本低、灵敏度高、压敏范围广、循环稳定性好、易于大尺寸和大批量生产的柔性压力传感器具有重要意义。为了获得高性能柔性压力传感器，主要的策略是：(1)对压敏层表面进行微结构设计，利用压敏层之间的接触面积产生压敏响应；(2)构建导电弹性体，利用导电弹性体形变产生压敏响应。目前，为了获得快速响应和高灵敏度的柔性压力传感器，通常采取对压敏层表面进行微结构设计，然而压敏层的微结构设计通常需要复杂的工艺和昂贵的设备。例如，对于专利CN108515694A公开了一种基于3D打印技术的柔性压力传感器芯片及其制作方法，通过3D打印技术在柔性基板上构建微型金字塔阵列，从而获得高的灵敏度；然而其制备过程涉及复杂的制备技术和成本高的3D打印设备。专利CN111060238A公开了一种电阻式柔性压力传感器及其制备方法，在制备柔性微结构柔性衬底过程中，需要复杂、昂贵的激光刻蚀工艺。利用纸张表面天然的微结构，可以直接用于制备柔性压力传感器。例如，HanZhiyuan等人报道了一种用炭黑导电纸作为压敏层和铜胶带作为电极的柔性压力传感器，结果表明基于单层导电纸张的柔性压力传感器几乎对压力没有响应，而基于多层纸张表面微结构效应的柔性压力传感器存在制备工艺繁琐和不稳定的问题，此外金属铜胶带电极还存在柔性特性差的问题(Han，Z.；Li，H.；Xiao，J.；Song，H.；Li，B.；Cai，S.；Chen，Y.；Ma，Y.；Feng，X.Ultralow-Cost，HighlySensitive，andFlexiblePressureSensorsBasedonCarbonBlackandAirlaidPaperforWearableElectronics.ACSAppl.Mater.Interfaces2019，11(36)，33370-33379)。类似地，TaoLuqi等人报道的用石墨烯导电纸作为压敏层和银浆作为电极的柔性压力传感器也存在以上问题，在300次重复性测试中，传感器的响应就发生了极大衰减(Tao，L.Q.；Zhang，K.N.；Tian，H.；Liu，Y.；Wang，D.Y.；Chen，Y.Q.；Yang，Y.；Ren，T.L.Graphene-PaperPressureSensorforDetectingHumanMotiohs.ACSNano2017，11(9)，8790-8795)。需要注意的是，包括以上提到的柔性纸基压力传感器在内的其它柔性压力传感器，均是利用压敏层表面微结构的压敏特性，并采用铜、银和金等刚性电极材料作为电极，而没有关注电极的柔性和微结构特性。
技术实现思路
本专利技术的目的在于：基于双面微结构电极和纸张的柔性压力传感器及制备方法，以解决上述现有的柔性压力传感器灵敏度低、重复稳定性差、制备工艺复杂、成本高等问题。本专利技术采用的技术方案如下：基于双面微结构电极和纸张的柔性压力传感器，包括导电纸张层，所述导电纸张层的上部和下部分别设置有微结构电极层，所述导电纸张层和所述微结构电极层的外周设置有封装层，所述微结构电极层上分别引出测试导线，每条所述测试导线延伸至所述封装层的外侧，所述微结构电极层包括织物及附着在所述织物上的第一导电材料。本申请的技术方案中，微结构织物电极层表面具有规整的微观结构和导电性，而导电纸张层具有不规则的、粗糙的表面微结构及良好的导电性，导电纸张层与微结构电极层贴合在一起后，由于微结构的作用，它们之间会形成不紧密的接触界面，接触电阻较大，当受到外界压力刺激后，微结构电极层与导电纸张层之间的接触面积会增大，从而降低压力传感器的电阻和产生压敏响应；本申请通过在单层电纸张层的上下表面贴合微结构电极层，形成双面的接触界面，从而极大地增加了接触界面的该变量，提升了柔性压力传感器的压敏响应和灵敏度。在现有报道的基于多层纸张接触界面特性的压力传感器中，由于使用同质材料的纸张作为压敏层，在连续重复性测试中，纸张之间的界面会形成粘连，导致传感器的响应衰减，而本申请的技术方案中，织物电极与纸张属于异种材料，且具有不同的微结构，两者之间形成的异质接触界面在连续测试中，也不会粘连现象，可以保持良好的重复稳定性；此外，织物电极相较于现有报道的金属电极具有更优异的机械柔性，在重复性测试中，不会发生不可逆的机械形变，从而也促进了传感器的重复稳定性。优选的，所述织物包括聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯纤维或棉中的一种或多种。优选的，所述的第一导电材料包括铜、银、铁、镍铬合金、碳素墨水、石墨烯、碳纳米管、碳黑、聚吡咯或聚苯胺中的一种或多种。优选的，所述导电纸张层包括纸张及附着在所述纸张表面的第二导电材料。优选的，所述纸张包括打印纸、滤纸、包装纸或卡纸中的任一种。优选的，所述第二导电材料包括碳素墨水、石墨烯、碳纳米管、碳黑、聚吡咯或聚苯胺中的一种或多种。基于双面微结构电极和纸张的柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：步骤1、将纸张与第二导电材料复合，得到导电纸张层；步骤2、将织物与第一导电材料复合，得到微结构电极层；步骤3、将导电纸张层的上下表面分别与微结构电极层结合，并从微结构电极层引出测试导线；步骤4、用绝缘胶带进行封装制备封装层，即得柔性压力传感器。优选的，步骤(1)中纸张与第二导电材料复合的方法为浸渍干燥、打印、磁控溅射或喷涂中的任一种。优选的，步骤(2)中织物与第一导电材料复合的方法为电镀、蒸镀、浸渍干燥、打印、或磁控溅射中的任一种。综上所述，由于采用了上述技术方案，本专利技术的有益效果是：1、本专利技术中，镍铬合金聚酯纤维织物表面具有规整的微观结构和优异的导电性，而导电纸张具有不规则的、粗糙的表面微结构和导电性，导电纸张与镍铬合金聚酯纤维织物贴合在一起后，由于微结构的作用，它们之间会形成不紧密的接触界面，接触电阻较大，当受到外界压力刺激后，镍铬合金聚酯纤维织物电极和导电纸张之间的接触面积会增大，从而降低压力传感器的电阻和产生压敏响应；2、得益于聚酯纤维织物和纸张的可裁剪性，该柔性压力传感器制备尺寸灵活，可以针对不同应用场合的需要制备不同尺寸的柔性压力传感器；3、得益于聚酯纤维织物和纸张的固有微结构，省去了微结构加工的过程，具有简单的制备工艺；4、将微结构电极应用在了柔性压力传感器，对其它柔性压力传感器的设计提供了借鉴；5、通过巧妙的结构设计，赋予了单层纸张的压敏响应，并且充分利用了单层纸张的上下表面，使得所制备柔性压力传感器具有灵敏度高、检测量程宽、响应恢复速度快和良好本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.基于双面微结构电极和纸张的柔性压力传感器，其特征在于，包括导电纸张层(1)，所述导电纸张层(1)的上部和下部分别设置有微结构电极层(2)，所述导电纸张层(1)和所述微结构电极层(2)的外周设置有封装层(4)，所述微结构电极层(2)上分别引出测试导线(3)，每条所述测试导线(3)延伸至所述封装层(4)的外侧，所述微结构电极层(2)包括织物及附着在所述织物上的第一导电材料。/n

【技术特征摘要】
1.基于双面微结构电极和纸张的柔性压力传感器，其特征在于，包括导电纸张层(1)，所述导电纸张层(1)的上部和下部分别设置有微结构电极层(2)，所述导电纸张层(1)和所述微结构电极层(2)的外周设置有封装层(4)，所述微结构电极层(2)上分别引出测试导线(3)，每条所述测试导线(3)延伸至所述封装层(4)的外侧，所述微结构电极层(2)包括织物及附着在所述织物上的第一导电材料。


2.根据权利要求1所述的基于双面微结构电极和纸张的柔性压力传感器，其特征在于，所述织物包括聚酯纤维、聚酰胺纤维、聚丙烯纤维或棉中的一种或多种。


3.根据权利要求1所述的基于双面微结构电极和纸张的柔性压力传感器，其特征在于，所述的第一导电材料包括铜、银、铁、镍铬合金、碳素墨水、石墨烯、碳纳米管、碳黑、聚吡咯或聚苯胺中的一种或多种。


4.根据权利要求1所述的基于双面微结构电极和纸张的柔性压力传感器，其特征在于，所述导电纸张层(1)包括纸张及附着在所述纸张表面的第二导电材料。


5.根据权利要求4所述的基于双面微结构电极和纸张的柔性压力传感器，...

【专利技术属性】
技术研发人员：太惠玲，段再华，蒋亚东，方震，王军波，黄琦，
申请(专利权)人：电子科技大学，中国科学院空天信息创新研究院，
类型：发明
国别省市：四川;51