CN114184307A - 一种微结构柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种微结构柔性压力传感器及其制备方法，所述柔性压力传感器包括叠层设置的两个以上的压力传感层，所述压力传感层为包括纤维布基体以及沉积在所述纤维布基体表面的纳米导电材料；所述制备方法包括以下步骤：配制纳米导电材料分散液；将所述纤维布基体浸入所述纳米导电材料分散液中，通过电沉积工艺使所述纳米导电材料沉积在所述纤维布基体表面；对进行电沉积后的所述纤维布基体干燥处理，制备获得压力传感层；将两个以上的所述压力传感层叠层封装并引出电极，制备获得所述微结构柔性压力传感器。本发明提供的微结构柔性压力传感器，采用叠层设置的两个以上压力传感层，提升了微结构压力传感器的灵敏度并具有更宽的线性范围。

Description

一种微结构柔性压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种微结构柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
压力传感器作为现代工业制造的基础器件之一，它可以将外部环境中压力产生的刺激信号转换为可以收集的电信号。在人们的生产实践活动中可以利用压力传感器作为一种反馈装置监测各种行为，因此其广泛应用于各种领域，包括航天工程、交通运输、石油管道、海洋科考、机器检测、国防安全等多种行业。近十几年来，随着新材料、新技术、新设备等在压力传感器领域的大量应用，压力传感器的研究也逐渐向更加便捷、弯折度好、多应用场景、复杂使用条件等方向深入及展开。其中柔性压力传感器的最新进展使其在电子皮肤、人机交互、人工智能、机器人学习、智能穿戴、健康监测等领域有着广阔的使用前景。
传统的单一微结构的压力传感器，其性能往往不能满足人们的需求。它们往往在某一方面表现出比较良好的性质，例如微半圆柱结构其具有良好的灵敏度，但是又会损失一定的线性范围；又例如微金字塔结构其具有很好的线性范围，但是又会损失一定的灵敏度。
传统的单一微结构的压力传感器，无法兼具高灵敏度与宽线性范围，因此制备出兼具高灵敏度与宽线性范围的压力传感器是需要解决的问题。
发明内容
鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种微结构柔性压力传感器，以解决现有的微结构压力传感器无法兼具高灵敏度与宽线性范围的问题。
为了解决以上问题，本发明提供了一种微结构柔性压力传感器，所述柔性压力传感器包括叠层设置的两个以上的压力传感层，所述压力传感层为包括纤维布基体以及沉积在所述纤维布基体表面的纳米导电材料。
优选地，所述纤维布基体的厚度为400μm～600μm。
优选地，所述纤维布基体为聚酰亚胺纤维布或碳布，所述纳米导电材料为碳纳米管或石墨烯或金属纳米颗粒。
优选地，所述纳米导电材料为采用混合强酸溶液改性的碳纳米管或石墨烯。
本发明还提供了一种如上所述的微结构柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
S10、配制纳米导电材料分散液；
S20、将所述纤维布基体浸入所述纳米导电材料分散液中，通过电沉积工艺使所述纳米导电材料沉积在所述纤维布基体表面；
S30、对进行电沉积后的所述纤维布基体干燥处理，制备获得压力传感层；
S40、将两个以上的所述压力传感层叠层封装并引出电极，制备获得所述微结构柔性压力传感器。
优选地，所述步骤S10包括：将纳米导电材料溶解于无水乙醇中，然后进行超声处理，获得所述纳米导电材料分散液。
优选地，所述步骤S10中，纳米导电材料与无水乙醇的质量比为3～10:10000。
优选地，所述步骤S20中，将所述纤维布基体黏附于导电板上，通过电泳工艺使所述纳米导电材料沉积在所述纤维布基体表面；所述电泳工艺的电压为5V～30V，时间为0.5h～4h。
优选地，所述步骤S30中，所述干燥处理方式为烘烤干燥，烘烤温度为60℃～80℃，烘烤时间为5min～10min。
具体地，所述纳米导电材料为采用混合强酸溶液改性的碳纳米管或石墨烯，改性方法包括：
S101、将浓硝酸和浓硫酸混合，配制获得改性剂；
S102、将碳纳米管或石墨烯加入到所述改性剂中获得分散液；
S103、将所述分散液置于恒温加热磁力搅拌器上油浴加热，冷凝回流，然后用滤纸进行抽滤；
S104、收集滤纸上的碳纳米管或石墨烯并加热烘干至恒重，获得改性的碳纳米管或石墨烯。
本发明实施例提供的微结构柔性压力传感器，采用叠层设置的两个以上的压力传感层，其中的压力传感层为包括纤维布基体以及沉积在所述纤维布基体表面的纳米导电材料，纤维布基体的内部具有大量的由纳米导电材料包覆的纤维体，在受到外部压力时，这些导电纤维体可以实现纤维-纤维之间的电接触，电接触变化是从点接触到面接触的变化过程；另外，利用叠层结构，在压力传感器的微结构受力变化过程中提供不同的接触方式和接触阶段的变化，将受到的压力分散到各层中，从而增加了压力传感层的有效的压力范围，提高了柔性压力传感器线性范围，随着外力的增加，叠层设置的压力传感层的接触面积增加的速度快，使得柔性压力传感器具有更高的灵敏度。
附图说明
图1是本发明实施提供的微结构柔性压力传感器叠层封装过程的示意图；
图2是本发明实施例提供的聚酰亚胺纤维布的SEM图；
图3是本发明实施例提供的沉积有碳纳米管的聚酰亚胺纤维布的SEM图；
图4是本发明实施例提供的压力传感层在不同压力下的压缩情况示意图；
图5是本发明实施例中的微结构柔性压力传感器的电性测试曲线图；
图6是本发明实施例中的不同层数的压力传感层的接触面积与压强变化的曲线图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明实施例首先提供了一种微结构柔性压力传感器，所述柔性压力传感器包括叠层设置的两个以上的压力传感层，所述压力传感层为包括纤维布基体以及沉积在所述纤维布基体表面的纳米导电材料。其中，所述纤维布基体具有大量的纤维体，纳米导电材料包覆所述纤维体。
图1示出了本发明实施的微结构柔性压力传感器叠层封装过程的示意图，如图1，微结构柔性压力传感器两个压力传感层1a和1b，将两个压力传感层1a和1b叠层封装后引出电极2，获得所述微结构柔性压力传感器。
以上实施例提供的微结构柔性压力传感器，采用叠层设置的两个以上的压力传感层，其中的压力传感层为包括纤维布基体以及沉积在所述纤维布基体表面的纳米导电材料，纤维布基体的内部具有大量的由纳米导电材料包覆的纤维体，在压力传感器的微结构受力变化过程中提供不同的接触方式和接触阶段的变化，由此提升了微结构压力传感器的灵敏度并使得微结构压力传感器具有更宽的线性范围。
具体地，所述纤维布基体的厚度为400μm～600μm。
具体地，所述纤维布基体为聚酰亚胺纤维布或碳布，所述纳米导电材料为碳纳米管或石墨烯或金属纳米颗粒。
在优选的方案中，所述微结构柔性压力传感器包括叠层设置的3～5个所述压力传感层。
在优选的方案中，所述纳米导电材料为采用混合强酸溶液改性的碳纳米管或石墨烯，其中改性方法包括：
S101、将浓硝酸和浓硫酸混合，配制获得改性剂。
S102、将碳纳米管或石墨烯加入到所述改性剂中获得分散液。
S103、将所述分散液置于恒温加热磁力搅拌器上油浴加热，冷凝回流，然后用滤纸进行抽滤。
S104、收集滤纸上的碳纳米管或石墨烯并加热烘干至恒重，获得改性的碳纳米管或石墨烯。
本实施例还提供了一种如上所述的微结构柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
S10、配制纳米导电材料分散液。
具体地，所述步骤S10包括：将纳米导电材料溶解于无水乙醇中，然后进行超声处理，获得所述纳米导电材料分散液。
具体地，纳米导电材料与无水乙醇的质量比为3～10:10000。
作为具体的案例，本实施例中纳米导电材料选择使用改性的碳纳米管。改性方法具体为：以浓硝酸和浓硫酸混合液作为改性试剂，与待改性的碳纳米管混合；在恒温加热磁力搅拌器上油浴加热，冷凝回流；然后用滤纸进行抽滤，并用去离子水洗至中性；收集滤纸上的碳纳米管并在60℃下烘干至恒重，即可得到改性后的碳纳米管。
本实施例中，用电子天平称取0.1g改性后的碳纳米管倒入烧杯中，然后用量筒量取150ml无水乙醇倒入烧杯中与碳纳米管进行混合，之后用封口膜将烧杯密封，放入超声波清洗机中进行超声操作45min，得到碳纳米管分散液。
S20、将纤维布基体浸入所述纳米导电材料分散液中，通过电沉积工艺使所述纳米导电材料沉积在所述纤维布基体表面。
作为具体的案例，本实施例中使用聚酰亚胺纤维布作为纤维布基体，参阅图2，图2是本发明实施例提供的聚酰亚胺纤维布的SEM图，从图中可以看出聚酰亚胺纤维布中空多孔的纤维微结构。
具体地，所述步骤S20中，将所述纤维布基体黏附于导电板上，通过电泳工艺使所述纳米导电材料沉积在所述纤维布基体表面；所述电泳工艺的电压为5V～30V，时间为0.5h～4h。
本实施例中，剪取一块适当大小的聚酰亚胺纤维布，用耐热胶带将剪取的纤维布粘在一片带有电极的不锈钢片上，与另一片带有电极的不锈钢片间隔5mm一同放置于模具上，然后将模具放入碳纳米管分散液中，用电化学工作站通过电极在两片不锈钢片间通入30V的电压，电泳2h，关闭电源，如此可将碳纳米管沉积在聚酰亚胺纤维布表面。
图3是实施例提供的沉积有碳纳米管的聚酰亚胺纤维布的SEM图，从图3中可以看出聚酰亚胺纤维布的内部具有大量的由碳纳米管包覆的纤维体。
S30、对进行电沉积后的所述纤维布基体干燥处理，制备获得压力传感层。
具体地，所述步骤S30中，所述干燥处理方式为烘烤干燥，烘烤温度为60℃～80℃，烘烤时间为5min～10min。
本实施例中，将步骤S20中得到的沉积有碳纳米管的聚酰亚胺纤维置于80℃干燥箱中烘烤10min，得到具有导电纤维布的压力传感层。
结合图4，图4是本发明实施例提供的压力传感层在不同压力下的压缩情况示意图。对得到的具有导电纤维布的压力传感层进行受力测试，在受到不同大小的外部压力(F3>F2>F1)时，压力传感层中的导电纤维体可以实现纤维-纤维之间的电接触，且电接触变化是从点接触到面接触的变化过程。
S40、将两个以上的所述压力传感层叠层封装并引出电极，制备获得所述微结构柔性压力传感器。
参阅图1，以微结构柔性压力传感器包括叠层的两个压力传感层为例。将步骤S30制备获得的压力传感层裁剪为预定尺寸，例如是5mm×5mm，取两个同样尺寸的压力传感层1a、1b进行封装，通过导电银浆将两根铜丝连接到压力传感层作为电极2，得到微结构柔性压力传感器。
在一些方案中，将步骤S30制备获得的压力传感层1a、1b裁剪为预定尺寸之后，首先在每一个压力传感层1a、1b分别连接电极2，对单层结构的压力传感层进行性能测试，测试合格后再进行叠层封装。叠层封装时，参阅图1，剪去其中一个压力传感层1a的左侧电极，剪去另一个压力传感层1b的右侧电极，然后将压力传感层1a和1b相对叠加在一起进行封装，得到具有叠层结构的微结构柔性压力传感器。
本实施例中，分别对单个压力传感层1a构成的压力传感器、单个压力传感层1b构成的压力传感器以及将压力传感层1a和1b叠层封装后形成的压力传感器进行电性能测。测试过程具体是：给定大小为1V的恒定电压施加在压力传感器的两根电极上，通过控制施加压力的大小，测量出压力传感器的输出电流相对压强的变化数据，并绘制获得如图5所示曲线图。
图5中，曲线L11为单个压力传感层1a构成的压力传感器的电流-压强的变化曲线，曲线L12为单个压力传感层1b构成的压力传感器的电流-压强的变化曲线，曲线L13为将压力传感层1a和1b叠层封装后形成的压力传感器的电流-压强的变化曲线。从图5中可以获知，相比于单个压力传感层，将两个压力传感层叠层封装后形成的压力传感器具有更高的灵敏度，线性范围也更宽。
本实施例还对包含不同层数的压力传感层的接触过程进行有限元仿真，具体是对一层压力传感层、叠层的两层压力传感层以及叠层的三层压力传感层的接触过程进行有限元仿真。从仿真的结果可以获知，相比于一层压力传感层，叠层封装两层压力传感层之后，压力传感层中的聚酰亚胺纤维的纤维体之间相互接触比较密集，因此当使用多层聚酰亚胺纤维时，在受到外部压力时，聚酰亚胺纤维的纤维体之间接触快，且接触面积随着外部压力的增加而增大。图6是本实施例中叠层的两层压力传感层和叠层的三层压力传感层的纤维体接触面积与压力变化的曲线图。
图6中，曲线L21为叠层的两层压力传感层的纤维体接触面积-压强的变化曲线，曲线L22为叠层的三层压力传感层的纤维体接触面积-压强的变化曲线。从图6中可以发现，随着外力的增加，三层压力传感层的接触面积比两层压力传感层的接触面积增加的速度快，这表明三层压力传感层的传感器的灵敏度更高，且三层压力传感层的线性比两层结构的更好，这表明三层压力传感层具有更好的线性范围，这主要是因为多层叠层结构可以将施加的压力分散到各层中，从而增加了聚酰亚胺纤维的有效压力范围。因此，在本发明优选的方案中，所述微结构柔性压力传感器包括叠层设置的3～5个所述压力传感层。
综上所述，本发明实施例提供的微结构柔性压力传感器，采用叠层设置的两个以上的压力传感层，其中的压力传感层为包括纤维布基体以及沉积在所述纤维布基体表面的纳米导电材料，纤维布基体的内部具有大量的由纳米导电材料包覆的纤维体。通过将多层具有导电纤维体的压力传感层叠层封装，提升了微结构压力传感器的灵敏度并使得压力传感器具有更宽的线性范围。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种微结构柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性压力传感器包括叠层设置的两个以上的压力传感层，所述压力传感层为包括纤维布基体以及沉积在所述纤维布基体表面的纳米导电材料。
2.根据权利要求1所述的微结构柔性压力传感器，其特征在于，所述纤维布基体的厚度为400μm～600μm。
3.根据权利要求1所述的微结构柔性压力传感器，其特征在于，所述纤维布基体为聚酰亚胺纤维布或碳布，所述纳米导电材料为碳纳米管或石墨烯或金属纳米颗粒。
4.根据权利要求3所述的微结构柔性压力传感器，其特征在于，所述纳米导电材料为采用混合强酸溶液改性的碳纳米管或石墨烯。
5.一种如权利要求1-4任一所述的微结构柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S10、配制纳米导电材料分散液；
S20、将所述纤维布基体浸入所述纳米导电材料分散液中，通过电沉积工艺使所述纳米导电材料沉积在所述纤维布基体表面；
S30、对进行电沉积后的所述纤维布基体干燥处理，制备获得压力传感层；
S40、将两个以上的所述压力传感层叠层封装并引出电极，制备获得所述微结构柔性压力传感器。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S10包括：将纳米导电材料溶解于无水乙醇中，然后进行超声处理，获得所述纳米导电材料分散液。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S10中，纳米导电材料与无水乙醇的质量比为3～10:10000。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S20中，将所述纤维布基体黏附于导电板上，通过电泳工艺使所述纳米导电材料沉积在所述纤维布基体表面；所述电泳工艺的电压为5V～30V，时间为0.5h～4h。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述步骤S30中，所述干燥处理方式为烘烤干燥，烘烤温度为60℃～80℃，烘烤时间为5min～10min。
10.根据权利要求5-9任一所述的制备方法，其特征在于，所述纳米导电材料为采用混合强酸溶液改性的碳纳米管或石墨烯，改性方法包括：
S101、将浓硝酸和浓硫酸混合，配制获得改性剂；
S102、将碳纳米管或石墨烯加入到所述改性剂中获得分散液；
S103、将所述分散液置于恒温加热磁力搅拌器上油浴加热，冷凝回流，然后用滤纸进行抽滤；
S104、收集滤纸上的碳纳米管或石墨烯并加热烘干至恒重，获得改性的碳纳米管或石墨烯。
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