本發(fā)明屬于柔性電子與傳感器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種穿戴式柔性壓力傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，可穿戴式智能設(shè)備已逐步走進(jìn)人們的生活，能夠?qū)崟r(shí)地監(jiān)測(cè)人體的運(yùn)動(dòng)、健康等信息，極大地方便和豐富了我們的生活。但是，目前的可穿戴式智能設(shè)備卻幾乎沒(méi)有測(cè)量壓力的模塊，無(wú)法直接測(cè)量人體的一些壓力信號(hào)，比如人體脈搏的跳動(dòng)(反映人體的心率、血壓等健康信息)。目前的可穿戴式智能設(shè)備，如37度智能手環(huán)大多都是采用光學(xué)測(cè)量的方式，對(duì)人體的血壓信息進(jìn)行估算，另外也極大地受到環(huán)境光、膚色等因素的影響。另外，目前的可穿戴式智能設(shè)備大多都是硬質(zhì)的測(cè)量模塊加橡膠的表帶的半柔性設(shè)計(jì)，不能很好地適應(yīng)人體表皮的舒適性穿戴。專(zhuān)利【CN103582451A】采用光傳感器測(cè)量脈搏，無(wú)法直接測(cè)量壓力信號(hào)；專(zhuān)利【CN204147018U】雖然能測(cè)壓力，但是還包含氣囊、處理器等部件，裝置復(fù)雜，體積過(guò)大；專(zhuān)利【CN203619542U】雖然是超薄型脈搏傳感器，但是傳感器整體厚度還是較大，且器件完全非柔性，影響佩戴的舒適性，并且該傳感器的過(guò)載能力不強(qiáng)，適應(yīng)性和使用壽命有限?？偟膩?lái)說(shuō)，這些傳感器都有著體積過(guò)大、非柔性、過(guò)載能力不夠、適應(yīng)性不強(qiáng)的特點(diǎn)無(wú)法應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備。

針對(duì)上述技術(shù)問(wèn)題，目前還沒(méi)有看到一種體積小巧、柔韌性好且適應(yīng)性強(qiáng)的壓力傳感器，如何解決上述技術(shù)難點(diǎn)，設(shè)計(jì)種適合穿戴的壓力傳感器，使其能夠準(zhǔn)確地測(cè)量到人體的壓力信號(hào)，且適合長(zhǎng)期佩戴使用，是本發(fā)明要解決的問(wèn)題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進(jìn)需求，本發(fā)明提出了一種穿戴式柔性壓力傳感器及其制備方法。該穿戴式柔性壓力傳感器包括上支撐基體，超柔軟Ecoflex壓力探測(cè)頭，PVDF壓電薄膜，陣列化微凸臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)，下支撐基體五個(gè)部分。脈搏跳動(dòng)力使超柔軟Ecoflex壓力探測(cè)頭發(fā)生變形，進(jìn)而壓迫PVDF壓電薄膜發(fā)生變形而輸出電學(xué)信號(hào)。本發(fā)明提出采用超柔性探頭來(lái)完成對(duì)微小的脈搏跳動(dòng)力的靈敏感知的方案，極大程度地減小了柔性壓力傳感器的整體厚度，提高了其柔性，使其適合穿戴使用。這種超柔性探頭加鼓形基體能很靈敏地感知測(cè)量到人體的微弱的脈搏跳動(dòng)力，解決了穿戴智能設(shè)備中無(wú)法測(cè)量壓力信號(hào)、非柔性的問(wèn)題。

為實(shí)現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個(gè)方面，提供了一種穿戴式柔性壓力傳感器，其特征在于，其包括上支撐基體、壓力探頭和下支撐基體，

所述下支撐基體為中間凹陷的圓盤(pán)結(jié)構(gòu)，該下支撐基體的凹陷區(qū)域放置有支撐結(jié)構(gòu)，所述支撐結(jié)構(gòu)表面設(shè)置有陣列化微凸臺(tái)，所述壓力探頭套設(shè)在所述下支撐基體外部，所述壓力探頭和支撐結(jié)構(gòu)之間設(shè)置有一壓電薄膜，

所述上支撐基體套設(shè)在壓力探頭外部，所述壓力探頭的中間有凸出結(jié)構(gòu)，所述壓力探頭的凸出結(jié)構(gòu)從上支撐基體上端的開(kāi)孔中穿出，略高于所述上支撐基體，以探測(cè)外部壓力。

優(yōu)選地，所述上支撐基體和下支撐基體均用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料澆鑄而成，所述壓力探頭和支撐結(jié)構(gòu)均采用超軟鉑催化硅橡膠(Ecoflex)材料制備而成，所述壓電薄膜采用聚偏氟乙烯(PVDF)材料制備而成。

優(yōu)選地，所述支撐結(jié)構(gòu)先采用光的衍射效應(yīng)對(duì)厚光刻膠光刻顯影，制備出具有陣列化微凸臺(tái)的支撐結(jié)構(gòu)的微模具，再采用制得的微模具利用Ecoflex材料澆鑄得到所述支撐結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述壓力探頭和下支撐基體上設(shè)置有一引線接出口，將與壓電薄膜連接的引線從該引線接出口中引出。

優(yōu)選地，所述壓電薄膜厚30μm，所述穿戴式柔性壓力傳感器的整體厚度為3mm。

較多的比較試驗(yàn)表明，上下基體均用硅膠材料PDMS材料澆鑄而成，壓力探頭用楊氏模量更小、超柔軟超彈性的Ecoflex材料澆鑄而成能夠提高壓電傳感器的測(cè)量精確度和佩戴舒適性。由PDMS制備的上下基體對(duì)整個(gè)器件而言是柔性的，但是相對(duì)于更柔軟的Ecoflex硅膠壓力探頭和微弱的脈搏跳動(dòng)力而言，由PDMS制備的上下基體又是相對(duì)“硬質(zhì)”的支撐基體。陣列化微凸臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)也是使用Ecoflex材料。PVDF壓電薄膜厚30μm，也有一定的柔性。整個(gè)器件均用柔性材料制成，總厚度3mm左右，因而具有一定的柔性，能夠很好地通過(guò)自身的一定變形而貼在人體皮膚上，從而準(zhǔn)確地測(cè)量人體脈搏。

按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種如上所述的穿戴式柔性壓力傳感器的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

S1.配置PDMS和Ecoflex溶液，將PDMS溶液澆鑄到上支撐基體和下支撐基體對(duì)應(yīng)的模具中，將Ecoflex溶液澆鑄到壓力探頭對(duì)應(yīng)的模具中，將上述模具放入真空干燥箱100度加熱20分鐘，制備出上支撐基體、壓力探頭和下支撐基體；

S2.將壓電薄膜切割成設(shè)計(jì)尺寸大小，同時(shí)配置好導(dǎo)電銀膠，然后用導(dǎo)電銀膠將上下兩極的引出線粘接在壓電薄膜上，在室溫下固化24小時(shí)；

S3.在洗凈干燥后的硅片上旋涂光刻膠，將旋涂有光刻膠的硅片放置在熱板上固化，然后透過(guò)掩膜版對(duì)硅片上旋涂的光刻膠曝光，經(jīng)顯影液顯影后，硅片上的光刻膠形成陣列化的圓形微凸臺(tái)結(jié)構(gòu)，以此為模具，澆鑄步驟S1中配置好的Ecoflex溶液，制備出具有陣列化的微凸臺(tái)的支撐結(jié)構(gòu)；

S4.將步驟S1-S3中制備出的各個(gè)組件進(jìn)行組裝，并將壓電薄膜的引線從引線接出口中引出，制得穿戴式柔性壓力傳感器。

進(jìn)一步優(yōu)選地，在步驟S1中，配置PDMS溶液時(shí)，將預(yù)聚體和固化劑兩種組分按照10:1的質(zhì)量比混合后充分?jǐn)嚢瑁偻ㄟ^(guò)抽真空將PDMS溶液內(nèi)部的氣泡抽到溶液表面，靜置30min等待氣泡破裂即可使用。

進(jìn)一步優(yōu)選地，在步驟S1中，配置Ecoflex溶液時(shí)，預(yù)聚物和交聯(lián)劑的質(zhì)量比為1:1，然后經(jīng)過(guò)充分?jǐn)嚢?、抽真空、靜置后待用。

進(jìn)一步優(yōu)選地，在步驟S3中，旋涂有光刻硅的硅片的固化溫度為110°，固化時(shí)間為60S，曝光時(shí)采用紫外光。

具體地，利用精密數(shù)控加工技術(shù)制備尺寸精度、表面粗糙度較高的模具，包括下基體、上基體和壓力探頭這三種模具。再通過(guò)澆鑄兩種不同楊氏模量的彈性材料完成上下基體和壓力探頭的制備。利用光的衍射效應(yīng)對(duì)厚光刻膠(采用AZ4620)光刻顯影，制備出陣列化微凸臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)的微模具，再用Ecoflex澆鑄得到陣列化微凸臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)。再將各部分組裝起來(lái)，用膠固定好，即完成穿戴式柔性壓力傳感器的制備。

總體而言，通過(guò)本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)和有益效果：

(1)本發(fā)明采用超柔性探頭來(lái)完成對(duì)微小的脈搏跳動(dòng)力的靈敏感知的方案，采用帶有中空腔體的PDMS(聚二甲基硅氧烷)基體上的PVDF(聚偏氟乙烯)壓電薄膜接收Ecoflex(超軟鉑催化硅橡膠)探頭測(cè)量到的微小壓力，從而轉(zhuǎn)換成電荷輸出。其中，基體的中空部分由陣列化微凸臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成，既有助于PVDF壓電薄膜在卸載后回復(fù)初始狀態(tài)，又提高了傳感器的使用壽命和過(guò)載能力，另一方面極大程度地減小了柔性壓力傳感器的整體厚度，從而進(jìn)一步地提高了其柔性。這種超柔性探頭加鼓形基體能很靈敏地感知測(cè)量到人體的微弱的脈搏跳動(dòng)力，解決了可穿戴智能設(shè)備中無(wú)法測(cè)量壓力信號(hào)、非柔性的問(wèn)題。

(2)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的超柔軟Ecoflex壓力探頭的楊氏模量比上下基體低了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，極易發(fā)生變形。用于測(cè)脈搏時(shí)，脈搏跳動(dòng)的能量主要被壓力探頭所吸收，探頭通過(guò)變形將壓力傳遞到下方張緊的PVDF壓電薄膜上，從而有較大的電學(xué)信號(hào)輸出。本發(fā)明解決了一些薄膜式表皮電子傳感器中能量損失嚴(yán)重，信號(hào)幅值微弱的問(wèn)題，能夠測(cè)量比較微小的壓力信號(hào)，且有著較大幅值(幾百毫伏)的電壓輸出。

(3)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的陣列化的微凸臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)，不僅能夠起到輔助PVDF壓電薄膜在外力撤去后回復(fù)到初始未變形的狀態(tài)，提高測(cè)量的精度和靈敏度；還能夠在外力過(guò)大時(shí)，通過(guò)自身的變形支撐PVDF，保證PVDF不會(huì)因?yàn)樽冃芜^(guò)大而破裂，從而大大提高了器件的使用壽命和過(guò)載能力。

(4)本發(fā)明所設(shè)計(jì)的穿戴式柔性壓力傳感器整體是柔性的，十分適合人體表皮的舒適性佩戴。本傳感器能非常靈敏地測(cè)量比較微小的壓力，比如作為脈搏傳感器測(cè)量人體脈搏跳動(dòng)的壓力。另一方面，本傳感器由于有著優(yōu)秀的過(guò)載能力，所以還能作為能量捕獲器使用，用于對(duì)其他可穿戴電子設(shè)備功能。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明設(shè)計(jì)的穿戴式柔性壓力傳感器的整體結(jié)構(gòu)圖和爆炸圖。

圖2為本發(fā)明設(shè)計(jì)的穿戴式柔性壓力傳感器的半剖結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明的制備工藝流程圖。

圖4為本發(fā)明中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)陣列化微凸臺(tái)結(jié)構(gòu)的制備工藝示意圖。

圖5為本發(fā)明應(yīng)用在無(wú)線智能手環(huán)中測(cè)量人體脈搏血壓信號(hào)的場(chǎng)景示意圖。

圖6為本發(fā)明的另一擴(kuò)展應(yīng)用，作為能量捕獲器為可穿戴電子設(shè)備(如智能鞋墊)供能的示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來(lái)表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：

1-上支撐基體，2-壓力探頭，3-壓電薄膜，4-支撐結(jié)構(gòu)，5-下支撐基體，6-引線接出口，7-穿戴式柔性壓力傳感器，8-柔性無(wú)線PCB電路，9-智能鞋墊。

具體實(shí)施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點(diǎn)更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本發(fā)明進(jìn)行進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實(shí)施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個(gè)實(shí)施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明所設(shè)計(jì)的穿戴式柔性壓力傳感器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括5個(gè)部分。1和5是用PDMS澆鑄在精密模具里制備而成的上下基體，起到固定、支撐和封裝的作用；2是用楊氏模量極小的Ecoflex材料澆鑄在精密模具里制備而成的超柔軟的壓力探頭，起到壓力傳遞的作用，可以將比較微弱的壓力傳遞到傳感器的感芯上，有效地減小了能量的損失；3是PVDF壓電薄膜，當(dāng)收到外界壓力作用而產(chǎn)生應(yīng)變時(shí)，由于壓電效應(yīng)能在其表面產(chǎn)生極化的電荷，從而有電信號(hào)輸出，是整個(gè)傳感器的感芯部分；4是通過(guò)光刻工藝制備而成的陣列化的微凸臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)，對(duì)PVDF壓電薄膜起支撐作用，同時(shí)對(duì)電學(xué)輸出信號(hào)影響不大。

如圖2所示為本發(fā)明所設(shè)計(jì)的穿戴式柔性壓力傳感器沿圖1中A-A方向的半剖截面圖。4(陣列化微凸臺(tái)結(jié)構(gòu))與5(傳感器的下支撐基體)之間采用強(qiáng)粘接，5與3(PVDF壓電薄膜)之間采用具有超強(qiáng)粘性的硅膠粘硅膠專(zhuān)用膠水(康利邦)粘接，既能保證二者完全貼合，又有一定的柔性。從而形成一個(gè)鼓形結(jié)構(gòu)，PVDF壓電薄膜就像張緊的鼓面，對(duì)微小的壓力比較敏感。

但是當(dāng)壓力信號(hào)過(guò)小(如脈搏跳動(dòng)力)時(shí)，能量大多時(shí)候會(huì)被其他部分吸收掉，比如同樣是彈性材料制作的上下支撐基體，而PVDF壓電薄膜所承受的應(yīng)變非常小，信號(hào)輸出幅值過(guò)低。因此，設(shè)計(jì)一個(gè)容易變形的壓力探頭2，用來(lái)傳遞壓力。2與3之間也采用專(zhuān)用膠水粘接，再由1和5之間的過(guò)盈配合和最后用專(zhuān)用膠水封裝再一次壓緊，保證二者能同步變形。當(dāng)整個(gè)傳感器貼到手腕處時(shí)，因?yàn)閴毫μ筋^2比上基體1要突出一部分，且2的樣式模量比1要低兩個(gè)數(shù)量級(jí)，脈搏跳動(dòng)的壓力就主要作用于2上，2極易變形，瞬間通過(guò)自身形變將壓力傳遞給下方的PVDF壓電薄膜，壓電薄膜由于下方是中空的結(jié)構(gòu)，所以也發(fā)生變形，變形產(chǎn)生的大應(yīng)變使得傳感器有一個(gè)較大的電學(xué)信號(hào)輸出。當(dāng)壓力撤去時(shí)，微凸臺(tái)結(jié)構(gòu)4的回復(fù)變形使PVDF也回到初始狀態(tài)。這即是本發(fā)明測(cè)量脈搏跳動(dòng)等微小力時(shí)的測(cè)量原理。

另一方面，若當(dāng)外界載荷力過(guò)大時(shí)，如果沒(méi)有陣列化的微凸臺(tái)結(jié)構(gòu)4，PVDF壓電薄膜會(huì)直接接觸到下基體5的空腔底部，而依靠3自身的材料特性難以回復(fù)原狀，器件由此損壞。因此，設(shè)計(jì)陣列化微凸臺(tái)結(jié)構(gòu)4非常關(guān)鍵，不僅能夠起到輔助PVDF壓電薄膜在外力撤去后回復(fù)到初始未變形的狀態(tài)，提高測(cè)量的精度和靈敏度；還能夠在外力過(guò)大時(shí)，通過(guò)自身的變形支撐PVDF，保證PVDF不會(huì)因?yàn)樽冃芜^(guò)大而破裂，從而大大提高了器件的過(guò)載能力和使用壽命。

本發(fā)明所設(shè)計(jì)的穿戴式柔性壓力傳感器的制備工藝流程圖如圖3所示，制備詳細(xì)過(guò)程如下：

(1)制備高精度的1、2、5的模具。由于零件的尺寸較小(1的總厚度3mm，2總高3.5mm、下部分高2mm、壁厚1mm5的總厚度2mm、空腔深度1mm)而精度又要求較高，所以選擇數(shù)控加工保證精度，通過(guò)表面處理保證模具的表面粗糙度。另一方面配置PDMS(道康寧硅橡膠)和Ecoflex(Smooth onEcoflex)溶液。配置PDMS溶液時(shí)，將預(yù)聚體A和固化劑B兩種組分按照10:1的質(zhì)量比混合后充分?jǐn)嚢瑁偻ㄟ^(guò)抽真空將PDMS溶液內(nèi)部的氣泡抽到溶液表面，靜置30min等待氣泡破裂即可使用。配置Ecoflex溶液時(shí)，預(yù)聚物C和交聯(lián)劑D的質(zhì)量比為1:1，類(lèi)似地?cái)嚢?、抽真空、靜置備用。然后將PDMS溶液澆鑄到1和5對(duì)應(yīng)的模具中，將Ecoflex溶液澆鑄到2對(duì)應(yīng)的模具中，真空干燥箱100度加熱20分鐘即完成上基體1、壓力探頭2和下基體5的制備。

(2)用精密切割機(jī)將購(gòu)買(mǎi)的商用的PVDF壓電薄膜(錦州科信電子)切割成設(shè)計(jì)尺寸大小，再配置好導(dǎo)電銀膠(南京中貝電子)，先將A組分充分?jǐn)嚢?，再按A、B組分10:1的質(zhì)量比混合，再次攪拌均勻即可)，然后用導(dǎo)電銀膠粘接好PVDF上下兩極的引出線，室溫24小時(shí)固化即可。

(3)用光刻法制備陣列化的微凸臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)，具體工藝流程圖如圖4所示。首先在洗凈干燥后的硅片上旋涂AZ4620光刻膠(正膠、厚膠，或用SU-8光刻膠)，熱板110度固化60s，然后用紫外燈透過(guò)掩膜版對(duì)硅片上旋涂的光刻膠曝光。由于光的衍射效應(yīng)，紫外光遇到掩膜版上圓形的不透光區(qū)域阻擋時(shí)，以該圓形阻擋物為中心，向四周擴(kuò)散，呈環(huán)形向下傳播，因此光刻膠中被紫外燈找到的是一個(gè)個(gè)的圓臺(tái)狀的區(qū)域。經(jīng)顯影液顯影后，硅片上的光刻膠就出現(xiàn)了陣列化的圓臺(tái)結(jié)構(gòu)。以此為模具，澆鑄(1)中配置的Ecoflex溶液，就制備出了陣列化的微凸臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)。

(4)制備好各部分組件后，如圖1所示，先將4的下表面與5的空腔底部強(qiáng)粘接在一起，再將3張緊粘貼在5的上表面，再將2與3貼緊，最后安裝1，通過(guò)1與5之間的過(guò)盈配合再次將2、3、5的外圈固定在一起，壓電薄膜3的引線從小孔6中引出，這樣就完成了本發(fā)明所設(shè)計(jì)的穿戴式柔性壓力傳感器的制備和安裝。

由于本發(fā)明所設(shè)計(jì)的傳感器采用的材料都是柔性的，傳感器的整體厚度又較薄(3mm左右)，所以傳感器整體是柔性的，能做一定的彎曲和變形，非常適合與可穿戴電子設(shè)備集成，能很好地滿足人體表皮的舒適性佩戴。另一方面，由于陣列化微凸臺(tái)支撐結(jié)構(gòu)4使得傳感器的過(guò)載能力和使用壽命大大提高，而對(duì)電學(xué)輸出信號(hào)影響不大。所以，本發(fā)明所設(shè)計(jì)的可穿戴式柔性壓力傳感器不僅僅能用來(lái)測(cè)量壓力，還能當(dāng)做能量捕獲器使用，為其他可穿戴電子設(shè)備功能。

如圖5所示為所設(shè)計(jì)的穿戴式柔性壓力傳感器與柔性PCB電路相結(jié)合所構(gòu)成的柔性手環(huán)。由于傳感器7整體是柔性的，能通過(guò)自身變形與FPCB和人體表皮很好地貼合在一起，使佩戴者有著極舒適的體驗(yàn)。另外，上基體1和下基體5雖然也是柔性的，但在用于測(cè)量脈搏跳動(dòng)這種微弱的力時(shí)，由于其彈性模量比更柔軟的壓力探頭2要高了兩個(gè)數(shù)量級(jí)，且2的形狀和位置比1更能捕獲到脈搏跳動(dòng)力，所以脈搏跳動(dòng)只會(huì)讓2產(chǎn)生變形，而1和5幾乎不變形。即“柔性”的1和5在此處又充當(dāng)著“硬質(zhì)”的支撐體的作用，使得PVDF壓電薄膜能靈敏的接受壓力探頭2所傳遞的壓力信號(hào)，從而有一個(gè)較大的電學(xué)信號(hào)輸出。然后FPCB就可以直接將測(cè)量發(fā)送到手機(jī)智能終端上，這樣測(cè)試者就能夠通過(guò)手機(jī)上的APP實(shí)時(shí)地監(jiān)測(cè)自己的脈搏信息。

如圖6所示，為傳感器與智能鞋墊結(jié)合在一起。人走路時(shí)，腳的壓力施加于柔性壓力傳感器上，使得傳感器有一個(gè)非常大的電壓輸出，再通過(guò)智能鞋墊上的電路可以對(duì)壓力傳感器捕獲到的電壓能量進(jìn)行充能和儲(chǔ)能，就可以對(duì)其他可穿戴電子設(shè)備進(jìn)行供能了，解決了可穿戴電子設(shè)備外加電源過(guò)大和續(xù)航能力不足的問(wèn)題。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進(jìn)等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護(hù)范圍之內(nèi)。