本發(fā)明屬于柔性觸覺傳感器封裝領(lǐng)域，具體涉及一種基于pdms絕緣層封裝結(jié)構(gòu)的長壽命柔性壓力傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

1、電子皮膚作為智能材料與生物醫(yī)學工程交叉領(lǐng)域的創(chuàng)新成果，對推動智能穿戴設(shè)備、人機交互技術(shù)以及醫(yī)療輔助設(shè)備等領(lǐng)域具有深遠的影響。柔性觸覺傳感器作為電子皮膚研究的重要研究方向，它不僅能夠模擬真實皮膚對外界刺激的響應(yīng)，而且通過先進的傳感技術(shù)，為機器人提供了一種超越視覺的感知能力。這種復(fù)合傳感器的發(fā)展，對于機器人在復(fù)雜環(huán)境中的自主導(dǎo)航、精細操作以及與人類更自然的交互具有不可估量的科學意義和實際應(yīng)用價值。

2、隨著應(yīng)用的深入探索以及生產(chǎn)制備工藝的不斷完善，在功能結(jié)構(gòu)、長使用壽命等方面對應(yīng)用于人機交互的柔性觸覺傳感器提出了更高的要求，具有高度延展性、穿戴舒適性、高靈敏度、可實時測量溫度、長使用壽命等特點的柔性觸覺傳感器成為目前的重點研究方向。傳統(tǒng)硅基、金屬應(yīng)變片式的壓力傳感器不能滿足柔性、延展性及穿戴舒適性等功能需求，因此納米導(dǎo)電采用與有機大分子材料混合得到的力敏填充型復(fù)合導(dǎo)電材料被廣泛應(yīng)用于柔性觸覺傳感器的制備中。

3、根據(jù)工作原理可以將柔性壓力傳感器分為電容式、電阻式、壓電式、摩擦電式等幾類，其中電容式柔性壓力傳感器能夠檢測靜態(tài)和動態(tài)力，具有快速響應(yīng)和較高的靈敏度和準確性。但可能存在成本較高和檢測電路復(fù)雜的缺點，在工業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于測量流體的壓力、溫度、流量等參數(shù)。而壓電式壓力傳感器響應(yīng)速度快，適合測量動態(tài)壓力。具有無需外部電源的優(yōu)勢，但難以測量靜態(tài)壓力。摩擦電型柔性壓力傳感器同樣具有自驅(qū)特性，但由于依靠兩個不同材料表面接觸時產(chǎn)生的摩擦電效應(yīng)來進行壓力檢測，其穩(wěn)定性和耐久性往往不高。

4、基于填充型復(fù)合導(dǎo)電材料的壓阻式柔性壓力傳感器成本低，但卻具有靈敏度低、使用壽命短無法測量溫度等缺陷。針對靈敏度低等問題，可以通過在觸覺敏感層設(shè)置微結(jié)構(gòu)的方法加以解決，常見的微結(jié)構(gòu)有金字塔型、微球型、空心型等，通常在制備微結(jié)構(gòu)時需要復(fù)雜的工藝，如光刻、濺射、蒸鍍、刻蝕等，且存在不易大規(guī)模生產(chǎn)等弊端。

5、以填充型復(fù)合導(dǎo)電材料為壓力敏感端元的壓阻式柔性壓力傳感器壽命短主要由以下幾個因素造成：材料老化——由于壓力敏感單元暴露在空氣之中且其本身往往疏松多孔，導(dǎo)致內(nèi)部的各種材料與空氣中各種組份發(fā)生物理化學反應(yīng)；界面穩(wěn)定性問題——長期的應(yīng)力作用可能導(dǎo)致力敏單元內(nèi)部各界面間分離或失效，影響傳感器的長期可靠性。

6、界面改性可以解決力敏單元內(nèi)部的界面穩(wěn)定性問題，使用偶聯(lián)劑或表面活性劑對導(dǎo)電填料進行表面改性，增加其與聚合物基體的相容性和結(jié)合力?；蛲ㄟ^化學或物理方法在導(dǎo)電分子表面形成穩(wěn)定的涂層，提高其與基體的粘接強度。但材料老化始終制約著柔性壓力傳感器的長期應(yīng)用。

技術(shù)實現(xiàn)思路

1、針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種基于pdms絕緣層封裝結(jié)構(gòu)的長壽命柔性壓力傳感器及其制備方法。

2、實現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術(shù)方案為：

3、一種基于pdms絕緣層封裝結(jié)構(gòu)的長壽命柔性壓力傳感器，包括封裝層、納米導(dǎo)電層和柔性基底層和柔性電極；

4、所述封裝層、納米導(dǎo)電層和柔性基底層依次設(shè)置；

5、所述柔性基底層填充有導(dǎo)電納米材料；

6、所述納米導(dǎo)電層上設(shè)置柔性電極；

7、其中，所述柔性基底層壓力敏感，用于在受到壓力時產(chǎn)生有相應(yīng)的電信號變化，從而實現(xiàn)壓力檢測；

8、所述納米導(dǎo)電層溫度敏感，用于實現(xiàn)溫度檢測。

9、進一步的，所述封裝層包括第一封裝層、第二封裝層、第三封裝層、第四封裝層；

10、所述第一封裝層、第二封裝層、第三封裝層、第四封裝層由下至上依次設(shè)置，其中柔性基底層設(shè)置在第二封裝層、第三封裝層之間，納米導(dǎo)電層設(shè)置在第三封裝層、第四封裝層之間。

11、進一步的，所述第二封裝層、第三封裝層采用pdms薄膜材料制備；

12、所述第一封裝層和第四封裝層采用聚乙烯或聚對苯二甲酸乙二醇酯材料制備。

13、進一步的，所述導(dǎo)電納米材料為石墨、炭黑、碳納米管或石墨烯材料；

14、所述柔性基底層采用高分子有機硅化物或硅橡膠材料制備。

15、進一步的，所述納米導(dǎo)電層采用納米銀顆粒、納米金顆粒材料制備。

16、本發(fā)明還提供一種上述傳感器的制備方法，包括以下步驟：

17、步驟1、制備封裝層；

18、步驟2、制備納米導(dǎo)電層；

19、步驟3、制備柔性基底層；

20、步驟4、制備基于pdms絕緣層封裝結(jié)構(gòu)的長壽命柔性壓力傳感器。

21、相比于現(xiàn)有技術(shù)，本發(fā)明的有益效果在于：

22、(1)本發(fā)明的傳感器中的柔性基底層為壓力敏感層，是傳感器的核心部分，由導(dǎo)電納米材料與柔性基底混合得到的填充型復(fù)合導(dǎo)電材料構(gòu)成。這種材料的選擇是為了確保傳感器在受到壓力時能夠產(chǎn)生明顯的電信號變化，從而實現(xiàn)壓力的檢測，另外，納米導(dǎo)電層為溫度敏感層，位于壓力敏感層之上，由固化在pdms(聚二甲基硅氧烷)上的納米銀或金顆粒分形圖形構(gòu)成，這種設(shè)計使得傳感器能夠通過檢測溫度變化引起的電阻變化來測量溫度，最后，為了提高傳感器的穩(wěn)定性和耐用性，壓力敏感層四周澆筑固化的pdms溶液，形成一層堅固的封裝，此外，壓力敏感層的上下表面也覆蓋有pdms薄膜，進一步增強了傳感器的結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性；本發(fā)明通過將導(dǎo)電納米材料與柔性基底結(jié)合，使得傳感器對微小壓力變化具有高靈敏度，且具有準確的溫度測量能力；

23、(2)本發(fā)明的傳感器通過壓力敏感層和溫度敏感層的協(xié)同工作，能夠同時檢測壓力和溫度變化，實現(xiàn)多模態(tài)感知功能，同時采用pdms作為主要封裝材料，不僅提供了良好的機械穩(wěn)定性，還具有優(yōu)異的化學穩(wěn)定性和生物兼容性，從而延長了傳感器的使用壽命；

24、(3)本發(fā)明以常見的化工材料硫化硅橡膠為基材，以碳納米顆粒為納米導(dǎo)電填料，以pdms、pe聚酯膜制備復(fù)合封裝結(jié)構(gòu)，使用材料低廉，能夠很好滿足電子皮膚對柔性、舒適穿戴性，大面積觸覺感知的要求，本發(fā)明提供的填充型復(fù)合導(dǎo)電材料的柔性觸覺傳感器，通過碳納米顆粒與硫化硅橡膠復(fù)合形成導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)，能夠通過控制碳納米顆粒的含量來控制力敏傳感單元的靈敏度，同時以硫化硅橡膠為為非導(dǎo)電相使得整個傳感單元具有較好的柔韌性以及溫濕度穩(wěn)定性；

25、(4)本發(fā)明在制備過沖中采用液相制備方法，通過將各組成部分以液態(tài)均勻混合后涂附到制備的模具上，再經(jīng)過高溫固化完成最終制備，降低了制備成本，簡化了工藝流程，并具有大批量制備的優(yōu)勢。

26、下面結(jié)合具體實施方式對本發(fā)明做進一步的說明。

技術(shù)特征：

1.一種基于pdms絕緣層封裝結(jié)構(gòu)的長壽命柔性壓力傳感器，其特征在于，包括封裝層、納米導(dǎo)電層和柔性基底層和柔性電極；

2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的基于pdms絕緣層封裝結(jié)構(gòu)的長壽命柔性壓力傳感器，其特征在于，所述封裝層包括第一封裝層、第二封裝層、第三封裝層、第四封裝層；

3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于pdms絕緣層封裝結(jié)構(gòu)的長壽命柔性壓力傳感器，其特征在于，所述第二封裝層、第三封裝層采用pdms薄膜材料制備；

4.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于pdms絕緣層封裝結(jié)構(gòu)的長壽命柔性壓力傳感器，其特征在于，所述導(dǎo)電納米材料為石墨、炭黑、碳納米管或石墨烯材料；

5.根據(jù)權(quán)利要求2所述的基于pdms絕緣層封裝結(jié)構(gòu)的長壽命柔性壓力傳感器，其特征在于，所述納米導(dǎo)電層采用納米銀顆粒、納米金顆粒材料制備。

6.根據(jù)權(quán)利要求1-5任意一項所述傳感器的制備方法，其特征在于，包括以下步驟：

7.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟1中的制備封裝層，具體為：

8.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟2中的制備納米導(dǎo)電層，具體為：

9.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟3中的制備柔性基底層，具體為：

10.根據(jù)權(quán)利要求6所述的制備方法，其特征在于，所述步驟4中的制備基于pdms絕緣層封裝結(jié)構(gòu)的長壽命柔性壓力傳感器，具體為：

技術(shù)總結(jié)
本發(fā)明公開了一種基于PDMS絕緣層封裝結(jié)構(gòu)的長壽命柔性壓力傳感器，包括封裝層、納米導(dǎo)電層和柔性基底層和柔性電極；封裝層、納米導(dǎo)電層和柔性基底層依次設(shè)置；所述柔性基底層填充有導(dǎo)電納米材料；納米導(dǎo)電層上設(shè)置柔性電極；柔性基底層壓力敏感，用于在受到壓力時產(chǎn)生有相應(yīng)的電信號變化，從而實現(xiàn)壓力檢測；納米導(dǎo)電層溫度敏感，用于實現(xiàn)溫度檢測。本發(fā)明的方案將柔性基底與導(dǎo)電納米材料混合形成內(nèi)部具有導(dǎo)電網(wǎng)絡(luò)的填充型復(fù)合導(dǎo)電材料，并通過PDMS溶液澆筑密封壓力敏感單元，在表面附著絕緣封裝層以防止空氣透過PDMS層的空隙與壓力敏感層接觸，導(dǎo)致老化；該傳感器生產(chǎn)成本低，能夠?qū)崿F(xiàn)大面積觸覺感知，可以通過調(diào)整導(dǎo)電相材料的含量以獲得不同的壓力檢測靈敏度以適應(yīng)不同的應(yīng)用場景。

技術(shù)研發(fā)人員：朱曉波,董宇豪,朱炫奕,屈家和
受保護的技術(shù)使用者：南京理工大學
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2025/1/6