CN113176020B - 一种用于生产pdms—gr聚合物薄膜压阻式柔性压力传感器的制作工艺及其产品 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种用于生产PDMS—GR聚合物薄膜压阻式柔性压力传感器的制作工艺，步骤如下：步骤一，将PDMS—GR聚合物超薄薄膜相对所述微结构的另一侧朝下置于玻璃载片上，避开边缘部分以矩形裁取中间部分的薄膜并将其卷起；步骤二，取石墨烯纳米片质量百分比为23wt%‑27wt%的PDMS—GR聚合物混合液置于耐热容器中；步骤三，将步骤一中制作的薄膜卷按需求自由排列，置于步骤二所述聚合物混合液中；步骤四，将容器放进烘箱45‑50℃保温3‑4h，后将温度提升到80‑85℃固化3‑4h，待PDMS—GR聚合物固化后生成基板，将2片基板以一级压敏层接触组装传感器。通过采用上述技术方案，使用的原材料普通，制备过程简单，简化了制作步骤，缩短了制作周期，可以实现大批量的生产。

Description

一种用于生产PDMS—GR聚合物薄膜压阻式柔性压力传感器的 制作工艺及其产品

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体涉及一种用于生产PDMS—GR聚合物薄膜压阻式柔性压力传感器的制作工艺及其产品。

背景技术

柔性压力传感器是建立在可弯曲或可延展基底上的可用于检测两个接触面之间表面作用力大小的电子元器件。因为其具有较强柔韧性、贴合人体性能较好、结构简单且重量轻等特点，使得柔性压力传感器在人体健康监测、医疗器械、柔性电子皮肤、柔性触摸屏和可穿戴电子产品等领域具有非常好的应用前景，在健康监测领域，柔性传感器可以贴合人体的各个部位，实现各种人体参数的监测从而方便医学工作者根据平时的数据来分析病人的健康情况。

常见的柔性传感器有压阻式、电容式和压电式。其中压阻式柔性压力传感器具有结构简单、集成和输出数据容易等优点是目前研究最为广泛的一种柔性压力传感器之一。压阻式柔性压力传感器通常包括基底、压敏层和电极三个部分。其中压敏层是压阻式传感器最重要的部分，压敏层的压阻特性、导电能力等性能直接决定着传感器的传感性能。

发明内容

基于上述问题，本发明目的在于提供一种高灵敏、低成本的PDMS—PS聚合物电介质的电容式柔性压力传感器及其制作工艺。

针对以上问题，提供了如下技术方案：一种用于生产PDMS—GR聚合物薄膜压阻式柔性压力传感器的制作工艺，步骤如下：

步骤一，将PDMS—GR聚合物超薄薄膜相对所述微结构的另一侧朝下置于玻璃载片上，避开边缘部分以矩形裁取中间部分的薄膜并将其卷起；

步骤二，取石墨烯纳米片质量百分比为23wt%-27wt%的PDMS—GR聚合物混合液置于耐热容器中；

步骤三，将步骤一中制作的薄膜卷按需求自由排列，置于步骤二所述聚合物混合液中；

步骤四，将容器放进烘箱45-50℃保温3-4h，后将温度提升到80-85℃固化3-4h，待PDMS—GR聚合物固化后生成基板，将2片基板以一级压敏层接触组装传感器。

本发明的有益效果：本发明将压敏层和基底结合起来，使用导电聚合物既有导电性且还拥有优异力学性能的特点，以导电渗流理论作为指导理论结合微结构提升了传感器灵敏度，同时基底层即是压敏层，无需分别制备基底与压敏层，简化了制作步骤，缩短了制作周期，灵敏度和测量范围随着传感器的几何尺寸变化成非线性改变，可以实现可裁剪的柔性压阻式压力传感器，适用性更广，组装简单。

一种用于生产PDMS—GR聚合物超薄薄膜的制作工艺，步骤如下：

步骤一，每2g石墨烯纳米片量取100ml无水乙醇将其混合，使用超声波分散器在600W功率下超声分散3-4h使石墨烯纳米片在乙醇中均匀分散形成分散液；

步骤二，每2g石墨烯纳米片称量10gPDMS主剂并预热至80℃，将其混入上一步骤分散好的无水乙醇和石墨烯纳米片分散液中，并保持80℃或以上温度，超声并搅拌直至无水乙醇完全挥发；

步骤三，取去离子水制备饱和NaCl溶液并量取10wt%PDMS主剂的固化剂加入上一步混合的PDMS—GR混合液中，搅拌均匀后置于真空箱中进行消泡处理；

步骤四，在饱和NaCl溶液表面放置一个内径为100mm的扁平PP圆环，待加入了固化剂的混合液完全消泡后，使用注射器将1.2-1.4ml的PDMS—GR混合液缓慢且均匀地转移至饱和NaCl溶液表面，将容器放至于干燥通风环境中，等待自然凝固；

步骤五，由于混合液在注射器中的残留不可避免，最后得到的薄膜平均厚度在0.11mm-0.13mm，得到的自然凝固薄膜转移至85℃-90℃烘箱中干燥3-4h，接触干燥空气的薄膜面就会出现微裂纹，从而得到微结构。

本发明的有益效果：使用导电复合材料与饱和NaCl溶液的的密度差与液体自身的表面张力实现了超薄薄膜的制作，制作的超薄薄膜接触空气侧表面具有微结构，使用的石墨烯纳米片为大片径多层石墨烯，经济效益较单层石墨烯更好，分散液制备较单层石墨烯更为简单，简化了制作步骤，缩短了制作周期，可以实现大批量的生产。

一种PDMS—GR聚合物薄膜压阻式柔性压力传感器，包括对称设置的基板，所述基板包括一级压敏层和二级压敏层，所述一级压敏层包括多个排列组合的PDMS—GR聚合物超薄薄膜卷，所述二级压敏层包括PDMS—GR聚合物基底，所述一级压敏层设置于所述二级压敏层对应相邻基板的一侧。

本发明进一步设置：所述PDMS—GR聚合物超薄薄膜卷由一侧带有微结构的PDMS—GR聚合物超薄薄膜以微结构为内侧面卷起。

本发明进一步设置：所述PDMS—GR聚合物超薄薄膜由PDMS—GR浆液静至于饱和NaCl溶液表面自然凝固形成。

本发明进一步设置：所述微结构由PDMS—GR聚合物超薄薄膜接触干燥空气自然产生。

本发明进一步设置：所述传感器一级结构中石墨烯纳米片的质量百分比为18wt%-22wt%,所述传感器二级结构中石墨烯纳米片的质量百分比为23wt%-27%%。

通过采用上述技术方案，当压力作用于外表面时，一级压敏层和二级压敏层同时变形，主要起作用的是是一级压敏层，是一级压敏层逐渐变形，薄膜间接触更加贴合，复合物内部的导电通路增多从而引起电阻率的变化；当一级压敏层形变所需压力大于二级压敏层形变所需压力时，二级压敏层起主要作用，当压力达到测量极限时，一级压敏层和二级压敏层的电导率达到了近似值，此时结构电导率达到了允许极限值，从而达到了传感器的测量极限；通过上述过程，压力的微小变化信号被薄膜转换为电阻等电信号，然后通过电极传输到测量仪器中，相较于传统基底-压敏层-基底的柔性压阻传感器，上述传感器可以根据需求排列压敏层理论上可以测量微小压力且可以在一个传感器上实现压力、单向拉力或多向拉力的测量，该传感器在可穿戴设备、柔性电子皮肤以及工业机器人等领域具有很好的应用前景。

附图说明

图1为本发明PDMS/石墨烯纳米片超薄薄膜卷的排列示例；

图2为本发明PDMS/石墨烯纳米片超薄薄膜表面微裂纹示意图（微裂纹图案随机生成不受人为因素控制）；

图3为本发明PDMS/石墨烯纳米片超薄薄膜卷结构侧视图；

图4为本发明PDMS/石墨烯纳米片超薄薄膜卷结构立体图；

图5为本发明传感器单片基底整体结构示意图；

图6为本发明柔性压阻式压力传感器整体示意图；

图中标号含义：1-基板；2-一级压敏层；21-PDMS—GR聚合物超薄薄膜卷；211-PDMS—GR聚合物超薄薄膜；212-微结构；3-二级压敏层；31-PDMS—GR聚合物基底。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见附图1-6，一种用于生产PDMS—GR聚合物薄膜压阻式柔性压力传感器的制作工艺，步骤如下：

将薄膜制成如图4所示结构，并按照如图1的排列将PDMS—GR聚合物超薄薄膜卷21排列，然后放置于25wt%的PDMS—GR混合液中，薄膜卷在基底中的放置位置如图1与图4所示，其间隔约为薄膜卷直径的20%，薄膜卷圆心位置略高于基底表面如图4，置于45-50℃烘箱中保温3-4h，后将温度提升到80-85℃固化3-4h得到图4所示基板1。

最后按照平行或垂直方式将二片单片基底组合到一起即可得到传感器，由于传感器整体都为导电复合材料，直接在传感器顶部和底部直接贴合电极或引出电极即可进行测试。

一种用于生产PDMS—GR聚合物超薄薄膜的制作工艺，步骤如下：

每2g石墨烯纳米片混入100ml无水乙醇经超声波分散机分散完全后，将预热至80℃的PDMS主剂混入无水乙醇和石墨烯纳米片混合液中，放置于超声分散器中分散至无水乙醇完全蒸发。等待混合物温度降至40℃以下加入PDMS主剂10wt%的固化剂搅拌均匀，放入真空室消泡半小时。后将混合液转移至放有PP扁平圆环的饱和NaCl溶液表面，尽可能均匀且分散。等待自然凝固后放入85℃-90℃烘箱3-4h最终得到带有微裂纹的薄膜。

参见附图1-6，本实施例公开的一种PDMS—GR聚合物薄膜压阻式柔性压力传感器，包括对称设置的基板，所述基板包括一级压敏层2和二级压敏层3，所述一级压敏层2包括多个排列组合的PDMS—GR聚合物超薄薄膜卷21，所述二级压敏层3包括PDMS—GR聚合物基底31，所述一级压敏层2设置于所述二级压敏层3对应相邻基板1的一侧。

本发明进一步设置：所述PDMS—GR聚合物超薄薄膜卷21由一侧带有微结构212的PDMS—GR聚合物超薄薄膜211以微结构212为内侧面卷起。

本发明进一步设置：所述PDMS—GR聚合物超薄薄膜211由PDMS—GR浆液静至于饱和NaCl溶液表面自然凝固形成。

本发明进一步设置：所述微结构212由PDMS—GR聚合物超薄薄膜211接触干燥空气自然产生。

本发明进一步设置：一级压敏层2的石墨烯纳米片的质量百分比为20wt%，二级压敏层3的石墨烯纳米片的质量百分比为25wt%。

本发明技术方案中的GR指石墨烯纳米片，上述的“之间”并不仅仅指方位、位置之间，还包括指不同零件的相互作用之间的意思，上述的“上、下”只是相对描述，便于描述和理解，不排除使用其它可能性。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，上述假设的这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种用于生产PDMS—GR聚合物薄膜压阻式柔性压力传感器的制作工艺，其特征在于，步骤如下：

步骤一，PDMS—GR聚合物超薄薄膜一侧带有微结构，将PDMS—GR聚合物超薄薄膜相对微结构的另一侧朝下置于玻璃载片上，避开边缘部分裁取中间部分的薄膜并将其卷起；

步骤二，取石墨烯纳米片质量百分比为23wt%-27wt%的PDMS—GR聚合物混合液置于耐热容器中；

步骤三，将步骤一中制作的薄膜卷按需求自由排列，置于步骤二所述聚合物混合液中；

步骤四，将容器放进烘箱45-50℃保温3-4h，后将温度提升到80-85℃固化3-4h，待PDMS—GR聚合物固化后生成基板，所述基板包括一级压敏层和二级压敏层，所述一级压敏层包括多个排列组合的PDMS—GR聚合物超薄薄膜卷，所述二级压敏层包括PDMS—GR聚合物基底，将2片基板以一级压敏层接触组装传感器。

2.一种用于生产如权利要求1所述的PDMS—GR聚合物超薄薄膜的制作工艺，其特征在于，步骤如下：

步骤一，每2g石墨烯纳米片量取100ml无水乙醇将其混合，使用超声波分散器在600W功率下超声分散3-4h使石墨烯纳米片在乙醇中均匀分散形成分散液；

步骤二，每2g石墨烯纳米片称取10gPDMS主剂并预热至80℃，将其混入上一步骤分散好的无水乙醇和石墨烯纳米片分散液中，并保持80℃或以上温度，超声并搅拌直至无水乙醇完全挥发；

步骤三，取去离子水制备饱和NaCl溶液并量取10wt%PDMS主剂的固化剂加入上一步混合的PDMS—GR混合液中，搅拌均匀后置于真空箱中进行消泡处理；

步骤四，在饱和NaCl溶液表面放置一个内径为100mm的扁平PP圆环，待加入了固化剂的混合液完全消泡后，使用注射器将1.2-1.4ml的PDMS—GR混合液缓慢且均匀地挤压至饱和NaCl溶液表面，将容器放至于干燥通风环境中，等待自然凝固；

步骤五，由于混合液在注射器中的残留不可避免，最后得到的薄膜平均厚度在0.11mm-0.13mm，得到的自然凝固薄膜转移至85℃-90℃烘箱中干燥3-4h，接触干燥空气的薄膜面就会出现微裂纹，从而得到微结构。

3.一种通过权利要求1所述制作工艺生产的PDMS—GR聚合物薄膜压阻式柔性压力传感器，其特征在于：包括对称设置的基板，所述基板包括一级压敏层和二级压敏层，所述一级压敏层包括多个排列组合的PDMS—GR聚合物超薄薄膜卷，所述二级压敏层包括PDMS—GR聚合物基底，所述一级压敏层设置于所述二级压敏层对应相邻基板的一侧。

4.根据权利要求3所述的一种PDMS—GR聚合物薄膜压阻式柔性压力传感器，其特征在于：所述PDMS—GR聚合物超薄薄膜卷由一侧带有微结构的PDMS—GR聚合物超薄薄膜以微结构为内侧面卷起。

5.根据权利要求4所述的一种PDMS—GR聚合物薄膜压阻式柔性压力传感器，其特征在于：所述PDMS—GR聚合物超薄薄膜由PDMS—GR浆液静置于饱和NaCl溶液表面自然凝固形成。

6.根据权利要求4所述的一种PDMS—GR聚合物薄膜压阻式柔性压力传感器，其特征在于：所述微结构由PDMS—GR聚合物超薄薄膜在温差下接触干燥空气自然产生。

7.根据权利要求3所述的一种PDMS—GR聚合物薄膜压阻式柔性压力传感器，其特征在于：所述一级压敏层中石墨烯纳米片的质量百分比为18wt%-22wt%,所述二级压敏层中石墨烯纳米片的质量百分比为23wt%-27%。

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