一种基于仿生分级微结构的柔性压力传感器的制备方法.pdf

(19)国家知识产权局(12)发明专利申请(10)申请公布号CN115744807A(43)申请公布日2023.03.07(21)申请号202211354899.8B82Y40/00(2011.01)(22)申请日2022.11.01(71)申请人郑州大学地址450001河南省郑州市高新技术开发区科学大道100号申请人河南功能高分子膜材料创新中心有限公司(72)发明人刘水任史正雅郝自娟刘旭影(74)专利代理机构天津耀达律师事务所12223专利代理师张耀(51)Int.Cl.B81B3/00(2006.01)B81C1/00(2006.01)A61B5/024(2006.01)A61B5/11(2006.01)权利要求书2页说明书5页附图2页(54)发明名称一种基于仿生分级微结构的柔性压力传感器的制备方法(57)摘要本发明公开一种基于仿生分级微结构的柔性压力传感器的制备方法，属于柔性压力传感器技术领域。通过模板法微粗糙衬底，并在表面上原位共形生长纳米棒状阵列的分级结构，来模拟生物系统中指尖皮肤内的微脊结构和动物刚毛结构在压力下的杠杆臂作用。进一步地，在分级结构上负载柔性高导电材料来制备压力传感器。受压条件下，基于微结构的应力集中效应、纳米棒的杠杆臂效应以及体系中丰富的接触变化效应，器件在较宽压力范围内产生高的灵敏度。本发明的柔性压力传感器具有极高的灵敏度(～10606.9kPa‑1)，可作为电子皮肤对人体不同部位的生理及运动信号进行监测。此外，该制备工艺简单、成本低廉，适合大规模和大批量集成器件的生产。CN115744807ACN115744807A权利要求书1/2页1.一种基于仿生分级微结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述的传感器包括：i.微粗糙结构的衬底和原位生长的纳米棒状阵列；ii.负载的柔性高导电层；iii.叉指电极；iv.封装层；其中，微粗糙结构的衬底和原位生长的纳米棒状阵列形成分级结构的活性层，用于提高灵敏度和传感范围。2.根据权利要求1所述基于仿生分级微结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述的微粗糙结构是微圆、微柱、微肋、微金字塔、随机粗糙微脊表面、褶皱、波状、屈曲结构中的一种，所述的微粗糙结构的高度差为1～500μm。3.根据权利要求1所述基于仿生分级微结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述的微粗糙衬底是基于柔性的聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)、共聚酯(Ecoflex)、聚乙烯醇(PVA)、橡胶、凝胶材料中的一种。4.根据权利要求1所述基于仿生分级微结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述的纳米棒状阵列是氧化锌纳米棒(ZnONR)、二氧化锰纳米棒(MnO2NR)、二氧化钛纳米棒(TiO2NR)、氧化铁纳米棒(Fe2O3NR)、氧化镍纳米棒(NiONR)、氧化铜纳米棒(CuONR)、硅纳米棒(SiNR)、金纳米棒(AuNR)的无机纳米棒，和聚苯胺纳米棒(PANINR)、氟化乙烯丙烯共聚物纳米棒(FEPNR)的有机纳米棒中的一种。5.根据权利要求1所述基于仿生分级微结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述分级结构上进一步负载的导电层采用浸渍、喷涂、蒸镀的方式制备；其中，采用浸渍、喷涂法制备时，使用的导电溶液包括但不局限于石墨烯，MXene，CNT，金、银、铜金属的纳米线(AuNW，AgNW，CuNW)，炭黑(CB)，聚(3,4‑亚乙二氧基噻吩)‑聚(苯乙烯磺酸)(PEDOT:PSS)；采用蒸镀法制备时，用的材料包括但不局限于金(Au)，银(Ag)，铜(Cu)，铝(Al)，铂(Pt)；所述的负载的柔性高导电层的厚度为50nm～100μm。6.根据权利要求1所述基于仿生分级微结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述的叉指电极中的导电层是通过印刷导电油墨或热蒸镀金属层制备的。7.根据权利要求1所述基于仿生分级微结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述的封装层是指聚乙烯(PE)、PDMS、热熔胶膜材料中的一种。8.一种权利要求1‑7任一项所述的基于仿生分级微结构的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)微粗糙结构通过模塑、图案化聚合、预拉‑释放、化学处理、激光诱导表面重建方式制备；(2)微粗糙结构上原位生长的纳米棒阵列采用离子盐溶液通过水热法、或采用前驱体溶液通过聚合法方式制备；(3)进一步通过浸渍、喷涂、蒸镀方式在分级微结构上负载导电层，形成活性层样品；(4)通过丝网印刷、蒸镀方式在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)柔性基板上制备叉指电极；(5)形成的活性层可直接与叉指电极面对面组装，或在点涂银浆连接导线并固化后，由两个相同的活性层互相面对面组装，形成压力传感器。2CN115744807A权利要求书2/2页9.一种权利要求1‑7任一项所述的基于仿生分级微结