一种微结构、柔性压力传感器及其制备方法技术

一种微结构、柔性压力传感器及其制备方法，该微结构包括柔性材料的基底和微柱体阵列，所述微柱体阵列以与竖直方向成倾斜角度的方式一体地形成在所述基底上，所述微结构的中心轴在三维空间内与沿竖直方向的竖直轴不重合，或者说所述微结构的中心轴在三维空间内仅存在一个竖直对称面，可以看成在三维空间内仅存在多个竖直对称面的微结构相对于竖直方向偏移一定角度形成。与传统微结构相比，本发明专利技术的微结构使具有该微结构的柔性压力传感器具有更高的灵敏度和压力范围。本发明专利技术制备具有该微结构的柔性压力传感器的方法，相比于传统柔性压力传感器制备方法，制备工艺简单，易于进行批量生产，制备的柔性压力传感器灵敏度高。

【技术实现步骤摘要】
一种微结构、柔性压力传感器及其制备方法
本专利技术涉及柔性传感器技术，特别是涉及一种微结构、柔性压力传感器及其制备方法。
技术介绍
柔性压力传感器在机器人、可穿戴器件等领域有广阔应用前景，微结构设计是常用的提高传感器灵敏度、减小弛豫时间的方案。目前已经报道的多种微结构设计方案方案有各自的性能特点。将参数可设计微结构柔性压力传感器与天然模板微结构(包括以自然材料为模板和直接用自然材料改性)柔性压力传感器进行对比发现，参数可设计微结构传感器的灵敏度和应用压力范围存在Trade-Off关系，即可以在低压区域(<50kPa)实现高灵敏度(>100kPa-1)但无法应用于高压区域(>50kPa)，或者能够在大的压力范围(>100kPa)内实现低灵敏度(<1kPa-1)。而一些天然模板微结构柔性压力传感器已经实现了灵敏度和应用压力范围的解耦，即能够在大的压力范围(>100kPa)内实现高灵敏度(>100kPa-1)。虽然能够在大范围内保持高灵敏度，天然模板微结构由于其不可设计性，难以针对具体应用做出针对性的设计，另外，由于需要使用天然材料作为传感器材料或模板，大规模制造过程中器件一致性的保证面临很大的挑战。柔性压力传感器微结构设计本质上是对传感器的敏感元件进行优化，合理的微结构设计使得在一定的压力变化下，敏感元件能够产生更多的变形，从而带来更大的接触电阻、电容和感应电荷变化，进而提升器件灵敏度。目前提出的微结构设计方案——基于标准参数加工的微结构设计、以自然材料为模板的微结构设计和基于天然材料的微结构设计各有其特点。虽然后者往往更容易获得高灵敏度传感器，但天然材料的不规则性使得其作为材料和模板时难以保证一致性，且由于天然微结构的复杂性，难以针对具体的应用场景进行针对性的设计。因此，面向动态血压监测的柔性压力传感器，需要采用基于标准参数加工的微结构设计方案，且为了实现更高的器件性能和更广的应用范围，需要突破传统微结构的设计方案，拓展一种新的设计思路。需要说明的是，在上述
技术介绍
部分公开的信息仅用于对本申请的背景的理解，因此可以包括不构成对本领域普通技术人员已知的现有技术的信息。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。本专利技术的一个目的在于提出一种能够提升传感器灵敏度、拓宽传感器压力范围的微结构。本专利技术的第二个目的在于提出一种柔性压力传感器。本专利技术的第三个目的在于提出一种柔性压力传感器的制备方法。为达到上述目的，本专利技术第一方面实施例提出了一种微结构，包括柔性材料的基底和微柱体阵列，所述微柱体阵列以与竖直方向成倾斜角度的方式一体地形成在所述基底上，所述微结构的中心轴在三维空间内与沿竖直方向的竖直轴不重合，或者说所述微结构的中心轴在三维空间内仅存在一个竖直对称面，可以看成在三维空间内仅存在多个竖直对称面的微结构相对于竖直方向偏移一定角度形成。本专利技术实施例的微结构，与传统微结构相比，具有更高的灵敏度和压力范围。进一步可选地，所述微柱体的底面形状选自圆形、半圆形、扇形、三角形、矩形、菱形、梯形、多边形；进一步可选地，所述微柱体的底面直径或边长为1μm～500μm；进一步可选地，所述微柱体的高度为1μm～1000μm；进一步可选地，所述微柱体的顶面形状选自圆形、半圆形、扇形、三角形、矩形、菱形、梯形、多边形；进一步可选地，所述微柱体的底面直径或边长为1μm～500μm；进一步可选地，所述微柱体的倾斜角度为>0°～90°；进一步可选地，所述微柱体的横向间距为1μm～10000μm；进一步可选地，所述微柱体的纵向间距为1μm～10000μm；进一步可选地，所述基底厚度为>0μm～50000μm。为达到上述目的，本专利技术第二方面实施例提出了一种包含上述实施例所述的微结构的柔性压力传感器。进一步可选地，上述柔性压力传感器可以是电阻式、电容式、压电式、摩擦电式中一种或多种的组合。为达到上述目的，本专利技术第三方面实施例提出了一种如上述实施例所述的柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：将模板材料置于与水平面成预设角度的加工平台；沿竖直方向在所述模板材料上加工出微柱体阵列模腔，制得模板；在所述模板表面制备预设软材料；将包含微结构的预设软材料从所述模板取出；将包含微结构的软材料装配成柔性压力传感器。进一步可选地，上述模板材料包括聚碳酸酯、亚克力、有机玻璃、双色板、ABS塑料、电木、实木、硅片等一种或多种的组合，所述模板材料的厚度为1μm～1000μm。进一步可选地，所述预设角度为>0°～90°。进一步可选地，所述加工的工艺为微型雕刻、激光雕刻、3D打印、压印等一种或多种的组合。进一步可选地，所述制备预设软材料的方法为旋涂、喷涂、热压或直接沉积等一种或多种的组合。进一步可选地，所述预设软材料为聚二甲基硅氧烷、聚氯乙烯、聚苯乙烯、聚丙烯、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚偏氟乙烯、聚乙烯醇、硅胶、橡胶、聚氨酯、热塑性弹性体与NaCl、KCl、HCl、H2SO4、H3PO4、[EMIM][TFSI]、[EMIM][TRIFLATE]、[EMIM]BF4、[EMIM][TfA]、[EMIM][Tf2N]、石墨烯、碳纳米管、导电炭黑等一种或多种的组合。本专利技术实施例的柔性压力传感器的制备方法，相比于传统柔性压力传感器制备方法，制备工艺简单，易于进行批量生产，且能够制备特殊图案微结构，提升柔性压力传感器灵敏度。该方法制备的具有所述微结构的柔性压力传感器，具有灵敏度高、压力范围广的特点，在高分辨率压力感应、加压信号识别等领域有广泛应用前景。附图说明图1为作为本专利技术改进基础的微结构的结构示意图；图2为根据本专利技术实施例的微结构的结构示意图；图3为根据本专利技术实施例的柔性压力传感器的结构示意图；图4为根据本专利技术实施例的微结构和柔性压力传感器的制备方法的流程图；图5为根据本专利技术实施例1的柔性压力传感器和对比例的柔性压力传感器的结构示意图；图6为根据本专利技术实施例1的柔性压力传感器和对比例的柔性压力传感器的灵敏度曲线。具体实施方式以下对本专利技术的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本专利技术的范围及其应用。需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种微结构，其特征在于，包括柔性材料的基底和微柱体阵列，所述微柱体阵列以与竖直方向成倾斜角度的方式一体地形成在所述基底上，所述微结构的中心轴在三维空间内与沿竖直方向的竖直轴不重合，或者说所述微结构的中心轴在三维空间内仅存在一个竖直对称面，可以看成在三维空间内仅存在多个竖直对称面的微结构相对于竖直方向偏移一定角度形成。/n

【技术特征摘要】
1.一种微结构，其特征在于，包括柔性材料的基底和微柱体阵列，所述微柱体阵列以与竖直方向成倾斜角度的方式一体地形成在所述基底上，所述微结构的中心轴在三维空间内与沿竖直方向的竖直轴不重合，或者说所述微结构的中心轴在三维空间内仅存在一个竖直对称面，可以看成在三维空间内仅存在多个竖直对称面的微结构相对于竖直方向偏移一定角度形成。


2.根据权利要求1所述的微结构，其特征在于，
所述微柱体的底面形状选自圆形、半圆形、扇形、三角形、矩形、菱形、梯形、多边形；
所述微柱体的底面直径或边长为1μm～500μm；
所述微柱体的高度为1μm～1000μm；
所述微柱体的顶面形状选自圆形、半圆形、扇形、三角形、矩形、菱形、梯形、多边形；
所述微柱体的底面直径或边长为1μm～500μm；
所述微柱体的倾斜角度为>0°～90°；
所述微柱体的横向间距为1μm～10000μm；
所述微柱体的纵向间距为1μm～10000μm；
所述基底厚度为>0μm～50000μm。


3.一种柔性压力传感器，其特征在于，包括如权利要求1-2任一项所述的微结构。


4.根据权利要求3所述的柔性压力传感器，其特征在于，为电阻式、电容式、压电式、摩擦电式中一种或多种的组合。


5.一种根据权利要求1-4任一项所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
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【专利技术属性】
技术研发人员：董瑛，潘律名，王晓浩，
申请(专利权)人：清华大学深圳国际研究生院，
类型：发明
国别省市：广东;44