本實(shí)用新型屬于壓力傳感器技術(shù)領(lǐng)域，具體來講，涉及一種柔性壓力傳感器。

背景技術(shù)：

柔性壓力傳感器是一種能將應(yīng)力轉(zhuǎn)變?yōu)殡妼W(xué)信號的柔性電子器件，其可廣泛應(yīng)用于柔性觸屏、人工智能、可穿戴電子、移動醫(yī)療等領(lǐng)域。

根據(jù)信號轉(zhuǎn)換機(jī)理，壓力傳感器主要分為電阻式傳感器、電容式傳感器和壓電式傳感器。其中電阻式壓力傳感器的基本工作原理是將被測壓力的變化轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲衅鞯碾娮柚档淖兓?。電阻式壓力傳感器由于具有器件結(jié)構(gòu)簡單、電阻信號穩(wěn)定易測、較高的靈敏度等優(yōu)點(diǎn)備受關(guān)注。將電阻式壓力傳感器的電極陣列進(jìn)行微結(jié)構(gòu)化是提高傳感器靈敏度、可靠性的有效途徑之一。

在現(xiàn)有技術(shù)中，有利用硅作為模板制備出具有微納指狀結(jié)構(gòu)陣列，然后在聚二甲基硅氧烷(簡稱PDMS)薄膜上濺射Pt薄膜電極，組裝成對電極結(jié)構(gòu)的壓力傳感器的技術(shù)；也有由上、下基底與本體電路組成的壓感傳感器，其中上、下基底具有相同的微立體結(jié)構(gòu)的技術(shù)，如V形、U形、三菱錐形、正弦波形、球面立體等結(jié)構(gòu)中的一種或多種；還有基于碳納米管和高分子聚合物的柔性壓力傳感器，其以具有周期性排列的三角錐形為微結(jié)構(gòu)進(jìn)行制備。盡管上述技術(shù)均是將微結(jié)構(gòu)的陣列應(yīng)用到了柔性壓力傳感器中，但是它們的微結(jié)構(gòu)陣列都是基于硅微模板法制得；而制作硅微模板，通常需要利用微電子機(jī)械系統(tǒng)(MEMS)加工技術(shù)，涉及腐蝕、鍵合、光刻、氧化、擴(kuò)散、濺射等一系列復(fù)雜工藝，該技術(shù)雖然可以實(shí)現(xiàn)微結(jié)構(gòu)陣列的精確、批量制作，但存在設(shè)備依賴性高、技術(shù)難度大、成本高等缺點(diǎn)。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

為解決上述現(xiàn)有技術(shù)存在的問題，本實(shí)用新型提供了一種柔性壓力傳感器，該柔性壓力傳感器利用位于其內(nèi)部的由柔性材料形成的多個凸結(jié)構(gòu)在受到壓力作用時容易變形的特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了兩個相對的柔性襯底表面的電極層在接觸時由接觸面積的變化而導(dǎo)致電阻的變化、調(diào)節(jié)和控制，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)了壓力傳感。

為了達(dá)到上述實(shí)用新型目的，本實(shí)用新型采用了如下的技術(shù)方案：

一種柔性壓力傳感器，包括相對設(shè)置的兩個電極結(jié)構(gòu)，每一所述電極結(jié)構(gòu)包括柔性襯底以及設(shè)置在所述柔性襯底上的導(dǎo)電層，所述兩個電極結(jié)構(gòu)的導(dǎo)電層相互朝向地抵觸連接；其中，所述柔性襯底包括襯底本體及設(shè)置于所述襯底本體上的多個凸結(jié)構(gòu)，所述導(dǎo)電層覆設(shè)在所述柔性襯底的具有多個凸結(jié)構(gòu)的表面上。

進(jìn)一步地，所述導(dǎo)電層的表面形狀與所述柔性襯底的具有多個凸結(jié)構(gòu)的表面形狀一致。

進(jìn)一步地，兩個所述電極結(jié)構(gòu)中的多個凸結(jié)構(gòu)一一相對設(shè)置或相互交叉設(shè)置。

進(jìn)一步地，所述柔性襯底的材料選自聚二甲基硅氧烷、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、芳香族無規(guī)共聚物、丁苯橡膠、聚氨酯類彈性體、聚烯烴類彈性體和聚酰胺類彈性體等中的任意一種。

進(jìn)一步地，所述多個凸結(jié)構(gòu)在所述所述襯底本體上陣列排布，所述凸結(jié)構(gòu)的形狀為球形；所述凸結(jié)構(gòu)的直徑為100nm～1mm，同一個所述柔性襯底中的相鄰兩個凸結(jié)構(gòu)的間距不超過1mm。

進(jìn)一步地，所述電極層的材料選自納米金、納米銀、納米鋁、納米銅、納米鎳、納米鈀、納米鉑、納米碳和銦錫氧化物中的任意一種。

本實(shí)用新型的有益效果：

(1)本實(shí)用新型的柔性壓力傳感器通過將兩個具有凸結(jié)構(gòu)的電極結(jié)構(gòu)相對設(shè)置，并保證其中的導(dǎo)電層相互朝向地抵觸連接，從而獲得了柔性壓力傳感器；該柔性壓力傳感器可利用柔性襯底中凸結(jié)構(gòu)在壓力作用下易于變形、從而導(dǎo)致兩個導(dǎo)電層的接觸面積發(fā)生變化的特性，從而提高靈敏度與可靠性。

(2)本實(shí)用新型的柔性壓力傳感器優(yōu)選球狀的凸結(jié)構(gòu)，通過控制其粒徑及間距等自組裝形式，可實(shí)現(xiàn)這些凸結(jié)構(gòu)形成的陣列的精細(xì)控制，從而實(shí)現(xiàn)微電極的精細(xì)化制作。

(3)本實(shí)用新型的柔性壓力傳感器的制作方法采用膠體自組裝及化學(xué)腐蝕工藝來制作柔性襯底；相比現(xiàn)有技術(shù)中柔性壓力傳感器一般的MEMS加工工藝，該制作方法更為簡單便利、成本更加低廉。

附圖說明

通過結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述，本實(shí)用新型的實(shí)施例的上述和其它方面、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚，附圖中：

圖1是根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例1的柔性壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖2-圖3是根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例1的柔性壓力傳感器的工作示意圖。

圖4是根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例2的柔性壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

圖5是根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例2的柔性壓力傳感器的工作示意圖。

圖6-圖11是根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例3的柔性壓力傳感器的制作方法的工藝流程圖。

具體實(shí)施方式

以下，將參照附圖來詳細(xì)描述本實(shí)用新型的實(shí)施例。然而，可以以許多不同的形式來實(shí)施本實(shí)用新型，并且本實(shí)用新型不應(yīng)該被解釋為限制于這里闡述的具體實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例是為了解釋本實(shí)用新型的原理及其實(shí)際應(yīng)用，從而使本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員能夠理解本實(shí)用新型的各種實(shí)施例和適合于特定預(yù)期應(yīng)用的各種修改。在附圖中，為了清楚起見，可以夸大元件的形狀和尺寸，并且相同的標(biāo)號將始終被用于表示相同或相似的元件。

實(shí)施例1

圖1是根據(jù)本實(shí)用新型的實(shí)施例1的柔性壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。

如圖1所示，根據(jù)本實(shí)施例的柔性壓力傳感器包括相對設(shè)置的兩個電極結(jié)構(gòu)1，每個電極結(jié)構(gòu)1包括柔性襯底11以及設(shè)置在柔性襯底11上的導(dǎo)電層12，兩個電極結(jié)構(gòu)1的導(dǎo)電層12相互朝向地抵觸連接；其中，每個柔性襯底11包括襯底本體111及設(shè)置于該襯底本體111上的多個凸結(jié)構(gòu)112，而導(dǎo)電層12即覆設(shè)在柔性襯底11的具有多個凸結(jié)構(gòu)112的表面上，從而形成一完整的柔性壓力傳感器。

在每一柔性襯底11中，多個凸結(jié)構(gòu)112優(yōu)選與襯底本體111一體形成；同時，導(dǎo)電層12將多個凸結(jié)構(gòu)112完全包覆并覆蓋在多個凸結(jié)構(gòu)112之間的襯底本體111的表面上，也就是說，每個柔性襯底11表面上的導(dǎo)電層12是隨著柔性襯底11表面的凹凸結(jié)構(gòu)而起伏變化的，其是一個連續(xù)的整體，以保證實(shí)現(xiàn)良好的導(dǎo)電效果。

在本實(shí)施例中，兩個柔性襯底11中的多個凸結(jié)構(gòu)112呈一一相對的方式排布。同一個柔性襯底11中，兩個相鄰的凸結(jié)構(gòu)112之間的間距控制不超過1mm，此處該間距是指兩個相鄰的凸結(jié)構(gòu)的邊沿之間的最短距離；由此可見，兩個相鄰的凸結(jié)構(gòu)112之間的間距是可以調(diào)節(jié)的，二者之間的間距可以縮小直至相互接觸，即上述間距為零的狀態(tài)。

優(yōu)選地，本實(shí)施例中，凸結(jié)構(gòu)112的形狀均為球狀，且其直徑控制為100nm～1mm，最終形成一凸結(jié)構(gòu)陣列。

值得說明的是，當(dāng)凸結(jié)構(gòu)112的直徑越大、相鄰兩個凸結(jié)構(gòu)112之間的間距越大，那么在同等面積的襯底本體111上能夠排布的凸結(jié)構(gòu)112的數(shù)量將越少，如此將導(dǎo)致獲得的柔性壓力傳感器的測試精度及靈敏度降低。

具體地，柔性襯底11的材料為聚二甲基硅氧烷(簡稱PDMS)，當(dāng)然，也可以是其他如乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、芳香族無規(guī)共聚物、丁苯橡膠、聚氨酯類彈性體、聚烯烴類彈性體、聚酰胺類彈性體等柔性材料。

更為具體地，導(dǎo)電層12的材料為納米金，當(dāng)然，也可以是其他如納米銀、納米鋁、納米銅、納米鎳、納米鈀、納米鉑、納米碳、銦錫氧化物(簡稱ITO)等導(dǎo)電材料。與此同時，本領(lǐng)域技術(shù)人員將理解的是，此處導(dǎo)電層12的作用僅在于導(dǎo)電，以使該柔性壓力傳感器能夠正常使用，因此無需對導(dǎo)電層12的厚度進(jìn)行要求。

對本實(shí)施例的柔性壓力傳感器10進(jìn)行測試，具體參照圖2，將一根導(dǎo)線21的兩端分別連接至柔性壓力傳感器10的兩個電極層12，形成一電流回路，同時，在該電流回路中接入一測試儀表22，以進(jìn)行電阻、電流等特征參數(shù)的檢測。

參照圖3，本實(shí)施例的柔性壓力傳感器的工作原理為：在外加的壓力F的作用下，柔性壓力傳感器10中的多個凸結(jié)構(gòu)112產(chǎn)生變形，使得兩個電極結(jié)構(gòu)1中的兩個導(dǎo)電層12接觸面積增大；壓力F大小不同，兩個導(dǎo)電層12的接觸面積也不同，進(jìn)而使該柔性壓力傳感器的電阻電流等特征參數(shù)發(fā)生相應(yīng)改變；當(dāng)壓力F減小或撤除后，由于柔性襯底11由柔性材料制成，柔性材料具有彈性體的自動恢復(fù)能力，從而使柔性襯底11表面的兩個導(dǎo)電層12的接觸面積逐漸變小或恢復(fù)至原位，該柔性壓力傳感器的電阻電流等特征參數(shù)同時發(fā)生相應(yīng)改變，而通過檢測測試儀表22中電阻、電流等特征參數(shù)的變化即可推測出壓力F的大小及其變化。

實(shí)施例2

在實(shí)施例2的描述中，與實(shí)施例1的相同之處在此不再贅述，只描述與實(shí)施例1的不同之處。參照圖4，實(shí)施例2與實(shí)施例1的不同之處在于，兩個柔性襯底11中的多個凸結(jié)構(gòu)112的排列方式不同；在本實(shí)施例中，兩個柔性襯底11中的凸結(jié)構(gòu)112相互交叉排布。其余參照實(shí)施例1中的結(jié)構(gòu)及材料，獲得另一柔性壓力傳感器。

采用同上述實(shí)施例1中相同的測試方法對本實(shí)施例的柔性壓力傳感器進(jìn)行測試。本實(shí)施例的柔性壓力傳感器中的多個凸結(jié)構(gòu)112在受到外加的壓力F時，產(chǎn)生如圖5所示的變形。從圖5中可以看出，雖然本實(shí)施例中兩個柔性襯底11上的凸結(jié)構(gòu)112采用相互交叉的排布方式，但是當(dāng)受到外加的壓力F作用時，兩個導(dǎo)電層12接觸面積也會增大，而壓力F減小或撤除后，凸結(jié)構(gòu)112恢復(fù)形狀，減小兩個導(dǎo)電層12的接觸面積，從而使該柔性壓力傳感器的電阻電流等特征參數(shù)發(fā)生相應(yīng)改變，繼而通過檢測該過程中電阻、電流等特征參數(shù)的變化即可推測出壓力F的大小及其變化。

實(shí)施例3

本實(shí)施例公開了上述實(shí)施例1中的柔性壓力傳感器的制作方法，具體參照圖6-圖11，根據(jù)本實(shí)施例的柔性壓力傳感器的制作方法包括下述步驟：

Q1、選取一基底41，并在該基底41上制備多個凸點(diǎn)42；其中，這些凸點(diǎn)42的形狀以及排布方式與實(shí)施例1中的柔性壓力傳感器中的多個凸結(jié)構(gòu)112的形狀及排布方式相同，如圖6所示。

在本實(shí)施例中，基底41的材料為玻璃，凸點(diǎn)42的材料為聚苯乙烯(簡稱PS)；凸點(diǎn)42的形狀優(yōu)選為球狀，且其粒徑控制為100nm～1mm，本實(shí)施例中優(yōu)選為20μm。

當(dāng)然，基底41的材料還可以是硅片或表面光滑的塑料制品等，同時，凸點(diǎn)42的材料還可以是如聚甲基丙烯酸甲酯(簡稱PMMA)、二氧化硅等單分散的微納米球乳液或膠體。

具體地，在本實(shí)施例中，采用重力自沉降法在基底41的表面上制備單層自組裝的PS微球陣列，以形成所述多個凸點(diǎn)42；同時，通過選擇合適的分散液溶劑并控制PS微球乳液的濃度，使多個凸點(diǎn)42的間距控制不超過1mm，本實(shí)施例中優(yōu)選為2μm。

當(dāng)然，在基底41上制備多個凸點(diǎn)42的方法還可以是如垂直沉積法、浸漬提拉法、傾斜基片法、界面自組裝法、旋涂法等。

Q2、在基底41上沉積第一模板材料，第一模板材料覆蓋多個凸點(diǎn)42，獲得第一模板前驅(qū)體43a，如圖7所示。

在本實(shí)施例中，由于預(yù)制作的第一模板的材料為聚二甲基硅氧烷(簡稱PDMS)，因此以質(zhì)量比為5:1～12:1、優(yōu)選為10:1的PDMS預(yù)聚物與該P(yáng)DMS預(yù)聚物搭配使用的固化劑混合以作為第一模板材料；將二者混合均勻，以200rpm的旋轉(zhuǎn)速度，將上述第一模板材料旋涂在基底41的具有多個凸點(diǎn)42的一側(cè)，控制旋涂時間為10s，獲得厚度為800μm的第一模板前驅(qū)體43a；將該第一模板前驅(qū)體43a置于100℃～150℃的烘箱中加熱固化10min～2h，本實(shí)施例中優(yōu)選在150℃的烘箱中加熱固化30min，待冷卻至室溫后即可。

值得說明的是，第一模板前驅(qū)體43a的厚度只需保證不小于凸點(diǎn)42的高度即可。

Q3、去除基底41及多個凸點(diǎn)42，獲得第一模板43，如圖8所示。

具體地，首先將基底41直接進(jìn)行剝離；然后將夾帶有多個凸點(diǎn)42的第一模板43浸泡至四氫呋喃中24h，以PS為材料的凸點(diǎn)42即被四氫呋喃溶解去除，僅保留第一模板43，而多個凸點(diǎn)42的位置處即形成為第一模板43的平面上的多個孔洞431，這些孔洞431的形狀與預(yù)制作的柔性壓力傳感器中多個凸結(jié)構(gòu)的形狀相匹配；換句話說，該第一模板43具有一平面，并且在該平面中凹陷設(shè)置有多個孔洞431。

當(dāng)然，當(dāng)多個凸點(diǎn)42的材料不同時，用于溶解去除的浸泡試劑也不同，當(dāng)凸點(diǎn)42的材料為聚苯乙烯時，浸泡試劑還可選自甲苯、氯仿和N,N-二甲基甲酰胺中的至少一種；當(dāng)凸點(diǎn)43的材料為聚甲基丙烯酸甲酯時，浸泡試劑可選自丙酮、氯仿、二氯甲烷、苯酚和苯甲醚中的至少一種；當(dāng)凸點(diǎn)43的材料為二氧化硅時，浸泡試劑為強(qiáng)堿液或氫氟酸等。

同時，第一模板43的材料并不限于本實(shí)施例中的PDMS，可以選自環(huán)氧樹脂、丙烯酸樹脂、乙烯基樹脂等。

Q4、向第一模板43的平面上沉積柔性材料11a，該柔性材料11a填充在孔洞431中且覆蓋在平面上，如圖9所示。

在本實(shí)施例中，預(yù)制備的柔性襯底11的材料為PDMS，因此以質(zhì)量比為3:1～15:1、優(yōu)選為12:1的PDMS預(yù)聚物及上述固化劑進(jìn)行混合作為柔性材料11a；以500rpm的旋轉(zhuǎn)速度、20s的旋轉(zhuǎn)時間，在第一模板43的具有孔洞431的一側(cè)進(jìn)行旋涂，控制厚度為50μm～1mm，本實(shí)施例中優(yōu)選為500μm；然后在室溫～100℃下固化2h～24h即可；本實(shí)施例中優(yōu)選置于80℃的烘箱中加熱固化2h，待冷卻至室溫后即可。

當(dāng)然，能夠用作柔性襯底11的材料并不限制于本實(shí)施例中的PDMS，還可以是諸如乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、芳香族無規(guī)共聚物、丁苯橡膠、聚氨酯類彈性體、聚烯烴類彈性體、聚酰胺類彈性體等柔性材料。

Q5、去除第一模板43，獲得柔性襯底11，該柔性襯底11包括襯底本體111及設(shè)置在襯底本體111上的多個凸結(jié)構(gòu)112，如圖10所示。

具體地，對應(yīng)于第一模板43的平面上的柔性材料11a形成襯底本體111，對應(yīng)于多個孔洞431中的柔性材料11a形成多個凸結(jié)構(gòu)112。

Q6、在柔性襯底11的具有凸結(jié)構(gòu)112的表面制備導(dǎo)電層12，形成電極結(jié)構(gòu)1，如圖11所示。

在本實(shí)施例中，導(dǎo)電層12的材料為納米金；當(dāng)然，能夠作為導(dǎo)電層12的材料還可以是諸如納米銀、納米鋁、納米銅、納米鎳、納米鈀、納米鉑、納米碳、銦錫氧化物(簡稱ITO)等導(dǎo)電材料。

具體地，首先將第一模板43剝離；然后將柔性襯底11置于蒸鍍設(shè)備中，在該柔性襯底11的具有凸結(jié)構(gòu)112的一側(cè)表面上蒸鍍一層納米金作為導(dǎo)電層12。

Q7、參照上述步驟Q1-Q6制備獲得兩個電極結(jié)構(gòu)1，將兩個電極結(jié)構(gòu)1的導(dǎo)電層12相互朝向地抵觸連接，獲得柔性壓力傳感器。

值得說明的是，在本實(shí)施例中，兩個電極結(jié)構(gòu)1相對疊扣在一起時，采用將多個凸結(jié)構(gòu)112一一相對的方式，即獲得了如實(shí)施例1中的圖1所示的柔性壓力傳感器。

實(shí)施例4

本實(shí)施例公開了如上述實(shí)施例2的柔性壓力傳感器的制作方法；本實(shí)施例的制作方法與實(shí)施例3的制作方法的相同之處在此不再贅述，只描述與實(shí)施例3的不同之處。實(shí)施例4與實(shí)施例3的不同之處在于，在步驟Q7中，兩個電極結(jié)構(gòu)1在相對疊扣在一起時，采用將多個凸結(jié)構(gòu)112相互交叉的方式，即獲得了如實(shí)施例2中的圖4所示的柔性壓力傳感器。

雖然已經(jīng)參照特定實(shí)施例示出并描述了本實(shí)用新型，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解：在不脫離由權(quán)利要求及其等同物限定的本實(shí)用新型的精神和范圍的情況下，可在此進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種變化。