一种高线性度柔性压阻式压力传感器及其制备方法

本发明属于聚合物基柔性压力传感器领域，具体涉及一种高线性度柔性压阻式压力传感器及其制备方法。

背景技术：

1、随着可穿戴电子设备、智能机器人和人机交互等领域的飞速发展，作为其核心部件之一的柔性压力传感器也受到了越来越多的关注。压力传感器是通过将外界压力刺激转化为电信号，从而对外界压力刺激进行感知。根据压力响应机制和电信号输出差异，压力传感器可大致分为压阻式、电容式、压电式器和摩擦电式压力传感器。其中，压阻式柔性压力传感器因其结构设计简单、能量消耗低、信号易读取等优势成为研究的热点。

2、灵敏度和线性范围是压力传感器的两个重要性能参数。研究显示，通过微结构(金字塔结构、半球结构、互锁结构等)构筑可以提高压阻式柔性压力传感器的灵敏度。然而，该类压力传感器仅在较低压力范围内具有较高灵敏度，当压力范围增大时，其灵敏度显著降低，即随压力增大，传感器的电信号呈现非线性变化趋势。若实现该类压力传感器的应用，需要对其进行复杂的分析计算或非线性补偿，这为信号数据处理带来了极大不便。此外，现有金字塔结构、半球结构、互锁结构等微纳结构的构筑工艺流程繁琐、成本高，难以实现批量化生产。上述问题在一定程度上阻碍了柔性压阻式压力传感器的实际应用。

技术实现思路

1、本发明的第一个目的在于针对现有技术的不足，提供一种高线性度柔性压阻式压力传感器的制备方法，该方法通过二次转印工艺制备高线性度柔性压阻式压力传感器，成本较低且可实现批量制作。

2、为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

3、步骤(1)：将质量比为1:1的铂金硅胶a(ecoflex a)和铂金硅胶b(ecoflex b)混合搅拌、离心除气泡后浇筑在砂纸上，常温放置3-4h制得ecoflex牺牲层；

4、步骤(2)：将聚乙烯醇(pva)加入到去离子水(h2o)中，油浴加热后冷却至室温，然后加入磷酸(h3po4)，搅拌得到h3po4/pva溶液；

5、步骤(3)：将分散剂溶解在水中，加入羟基化碳纳米管(cnts-oh)，超声粉碎得到cnts-oh分散液；

6、步骤(4)：将步骤(3)的cnts-oh分散液加入步骤(2)中的h3po4/pva溶液，搅拌后制得cnts-oh/h3po4/pva液体；

7、步骤(5)：将cnts-oh/h3po4/pva液体浇铸在ecoflex牺牲层表面，真空干燥得到具有砂纸微结构的cnts-oh/h3po4/pva压力敏感层；

8、步骤(6)：将聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、cnts-oh/h3po4/pva压力敏感层和叉指电极从上到下依次组装，其中压力敏感层具有砂纸结构的一面与叉指电极连接，制得高线性度柔性压阻式压力传感器。

9、优选地，步骤(1)中的砂纸结构的目数是60cw-3000 cw。

10、优选地，步骤(2)中的pva和h3po4的质量体积比为5g:(2-6)ml。

11、优选地，步骤(2)油浴加热的温度为90℃，油浴加热时间为1.5-2h，搅拌时间为1-1.5h。

12、优选地，步骤(3)所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮(pvp)。

13、优选地，步骤(3)超声粉碎时间为0.5-1h。

14、优选地，步骤(3)中cnts-oh的含量是0.25wt％-2wt％。

15、优选地，步骤(4)中cnts-oh分散液和h3po4/pva溶液的体积比为1:(2-2.5)，更优选为1:2。

16、优选地，步骤(4)中搅拌时间为1-1.5h。

17、优选地，步骤(6)中叉指电极的指间距是50μm-200μm。

18、本发明的第二个目的是提供一种高线性度柔性压阻式压力传感器，采用以上方法制备得到；该压力传感器包含具有类砂纸结构的压力敏感层和具有叉指结构的电极层；其中压力敏感层兼有离子导电通路和电子导电通路，离子导电通路和电子导电通路的协同效应以及砂纸结构与叉指电极的匹配赋予了该柔性压阻式压力传感器高线性度。

19、本发明的有益效果是：

20、(1)通过简单易行的二次转印工艺构筑了具有类砂纸结构的压力敏感层，该压力敏感层与叉指电极层简单组装即可得到柔性压阻式压力传感器，实现了柔性压阻式压力传感器的低成本、批量化生产；

21、(2)该柔性压阻式压力传感器的压力敏感层是填充了碳纳米管的聚乙烯醇/磷酸水凝胶，压力敏感层内既含有离子导电通路又具有电子导电通路，两种导电通路的协同作用致使传感器在压力持续增加时其导电性能持续提高、电阻持续下降，结合压力敏感层与电极层的结构构筑，该柔性压阻式压力传感器在0-450kpa的压力范围内表现出超高的电阻响应线性度(0.999)。

技术特征：

1.一种高线性度柔性压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(1)中砂纸的目数为60cw-3000cw。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(2)中pva和h3po4的质量体积比为5g:(2-6)ml。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)所述分散剂为聚乙烯吡咯烷酮pvp。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)超声粉碎时间为0.5-1h。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(3)中cnts-oh的质量分数为0.25wt％-2wt％。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中cnts-oh分散液和h3po4/pva溶液的体积比为1:(2-2.5)。

8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(4)中搅拌时间为1-1.5h。

9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤(6)中叉指电极的指间距为50μm-200μm。

10.一种高线性度柔性压阻式压力传感器，其特征在于，采用权利要求1-9任一项所述方法制备得到。

技术总结本发明公开一种高线性度柔性压阻式压力传感器及其制备方法，通过简单易行的二次转印工艺构筑了具有类砂纸结构的碳纳米管/磷酸/聚乙烯醇(CNTs/H<subgt;3</subgt;PO<subgt;4</subgt;/PVA)压力敏感层，并将该压力敏感层与叉指电极层组装即可得到高线性度柔性压阻式压力传感器。本发明压力敏感层内既含有离子导电通路又具有电子导电通路，其协同作用以及压力敏感层与电极层结构的有效匹配致使该传感器在压力持续增加时其导电性能持续提高、电阻持续下降。因此，该柔性压阻式压力传感器在0‑450kPa的压力范围内表现出超高的电阻响应线性度。本发明解决了现有高线性度压阻式压力传感器的微纳结构构筑工艺流程繁琐、成本高，难以实现批量化生产的难题。技术研发人员：朱雨田,陈建闻,刘增贺,熊子涵受保护的技术使用者：杭州师范大学技术研发日：技术公布日：2024/8/5