[发明专利]可穿戴压力传感器及其制造方法

说明书

本发明提供一种制造效率高、成本低、微结构尺寸可控且灵敏度可以调制的可穿戴压力传感器及其制造方法。该传感器包括第一电极部和第二电极部，第一电极部包括具有微结构的第一PDMS薄膜、第一导电层和第一电极；第二电极部包括具有平坦表面的第二PDMS薄膜、第二导电层和第二电极；第一电极部和第二电极部以第一PDMS薄膜的微结构与第二PDMS薄膜的平坦表面相向的方式层叠；上述微结构包括多组突起，每组突起包含至少一个突起且在第一PDMS薄膜的表面上沿第一方向分布，各组突起沿着与第一方向交叉的第二方向排列。本发明的传感器可以通过接触电阻的变化实时监测压力的变化，在智能假肢、生物医疗、机器人等领域有广泛的应用前景。

技术领域

本发明属于压力传感器制造领域，具体涉及一种具有微结构的可穿戴压力传感器及其制造方法。

背景技术

皮肤是人体最大的感知器官，它既是人类与外界互动时的保护屏障，同时也赋予人类触觉、痛觉、温度感知等能力。开展电子皮肤的研究在智能假肢、实时医学监测与诊断、人工智能(机器人)等领域意义重大且前景广阔。压力是电子皮肤能感知的众多参数中非常重要的一个物理量。电阻式的压力传感器，因为其工作原理简单，制造成本低，功耗小，成为了实现压力传感的一个重要设计方向。

目前，柔性电阻式压力传感器通常是通过将纳米管(CNT)、纳米线和石墨烯等纳米材料加入软聚合物(即形成弹性复合材料)或通过在聚合物表面沉积活性物质(即形成电极)来制造。由于软聚合物有比较大的弹性模量、粘弹性，因而柔性电阻式压力传感器普遍存在较差的灵敏度。为了提高柔性电阻式压力传感器的灵敏度，往往需要构建柔性基体的微结构。

在低压力段，柔性电阻式压力传感器往往用于感知呼吸、脉搏等压力；在高压力段，柔性电阻式压力传感器往往用于感知按压、拾取物品等压力。因而在不同的场景下，柔性电阻式压力传感器往往需要有不同的灵敏度特性，需要对柔性电阻式压力传感器的灵敏度进行调制。

为了提高灵敏度，斯坦福的鲍哲南团队采用了空心小球的方法来构建柔性基体的微结构，以此获得高灵敏度。但该方法，制备方法复杂且灵敏度难以控制，不可对灵敏度进行调制。中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所的团队，采用对丝绸倒模的方法来构建柔性基体的微结构，该方法方便快捷，但是微结构的尺寸形状难以控制，不可对灵敏度进行调制。韩国浦项科技大学的团队采用光刻和化学方法来构建了柔性基体的微结构，该方法可以精确的控制微结构的形状尺寸，但是制备方法过于复杂，不便于快速大规模制造。

主流制备微结构的方法为光刻法和倒模法，其中，光刻法的制备工艺流程复杂(一般的光刻工艺要经历硅片表面清洗烘干、涂底、旋涂光刻胶、软烘、对准曝光、后烘、显影、硬烘、刻蚀、检测等工序)；倒模法(通过树叶、丝绸、砂纸等进行倒模)的制备流程虽然简单，但制备的微结构尺寸结构无法控制。因此，现有的微结构制备方法存在成本较高、制备工艺复杂及微结构的尺寸结构难以进行控制的问题。

因此，需要发明一种制造效率高、成本低、微结构尺寸可控且灵敏度可以调制的可穿戴压力传感器及其制造方法。

现有技术文献

非专利文献1：Chortos,A.；Liu,J.；Bao,Z.A.,Pursuing prosthetic electronicskin.Nature Materials 2016,15(9),937-950.

非专利文献2：Zang,Y.；Zhang,F.；Di,C.-a.；Zhu,D.,Advances of flexiblepressure sensors toward artificial intelligence and health careapplications.Materials Horizons 2015,2(2),140-156.