[发明专利]一种柔性温压一体化传感器及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种柔性温压一体化传感器及其制备方法和应用，涉及柔性可穿戴电子领域，包括电容器介电层及分别粘合在电容器介电层上表面和下表面的柔性电极，所述电容器介电层为多孔PDMS薄膜，所述柔性电极为图形化的金属温敏薄膜。本发明所制得的柔性温压一体化传感器与其他类似传感器相比，采用叠层结构有效地减小的传感器的大小，金属温敏薄膜既作温度传感器又作平板电容极板，使敏感材料得到了重复利用，进一步减小了传感器的制备成本，提高了制备成功率；同时金属温敏薄膜作电容极板能起到屏蔽外来磁场干扰的作用，使得温度、压力各自的微小信号都能被探测到。

技术领域

本发明涉及柔性可穿戴电子领域，具体的涉及一种柔性温压一体化传感器及其制备方法和应用。

背景技术

柔性可穿戴电子正成为未来机器人、体外诊断和能量收集中的重要应用器件，假肢和可穿戴医疗设备的最新进展，致力于实现高灵敏度和易安装的传感器成为实验人员的研究热点。柔性可穿戴电子的核心部分为高性能多功能的柔性传感器，相对于传统传感器而言，柔性传感器具有较大的灵活性，能够满足更加复杂的测试环境以及对器件的形变弯曲需求，其中柔性温压一体化传感器是使用最为广泛、影响力最大的柔性多功能传感器，是目前柔性可穿戴电子领域中的第一个重要研究方向。但是受限于目前柔性传感器的柔韧性差、制备工艺过程复杂、成本过高、器件兼容性差等问题，严重阻碍了柔性传感器进一步的发展。因此，解决柔性温压一体化传感器尚存难题的关键在于如何保证柔性衬底良好的柔韧性和传感器对温度压力优异的敏感性共存，这需要从传感器自身敏感材料和结构设计的需求做出新的突破。

目前国内外已有不少对柔性温压一体化传感器的研究，它们主要是通过将温敏单元和压敏单元共同制备在柔性衬底上来实现对温度和压力的共同探测效果。柔性衬底主要采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等有机高分子聚合物，由于这些有机高聚物具有较好的柔韧性、延展性以及生物兼容能力，在柔性传感器中必然少不了它们的参与。在这些柔性温压一体化传感器的研究实例中，温度传感器大致分为热电阻式和热电偶式，压力传感器大致分为压阻式、电容式以及压电式，不同作用原理的传感器所采用的敏感材料不同，但是在实际制备过程中都会尽可能地选择两种兼容性好的敏感材料。

目前常见的柔性温压一体化传感器的结构设计有三种，分别是悬臂式、晶须式和层叠式，悬臂式通过设计悬臂这个特殊的结构对触压和应变进行载荷种类的选择，实现对触压觉和应变同时独立的探测功能，其对载荷的分辨能力高于传统触压觉传感器，但由于触压传感器的输出电阻与悬臂弯曲半径曲率之间的关系不明，最终使得测量结果存在一定的误差。晶须式是通过层压技术将各个带有温度传感器和压力传感器的晶须组装在一起形成一个大面积的阵列元实现精确且范围广的测量，但是该结构除了存在成本较高，制作工艺复杂等问题，该晶须状温度压力传感器在产生形变时会对温度传感器造成严重的干扰现象，其输出关系曲线线性度差，对于后续数据处理引入了一定的难度。层叠式是将温敏单元和压敏单元是以垂直堆叠的形式组装在一起形成传感器的，该结构能使传感器的表面积大大减小，有以利于运用到微小集成化工艺中，但是不同敏感材料相互紧密接触，如何选择互不干扰的敏感元件是关键所在。

另外由于柔性传感器在使用过程中会产生一定的形变和微音震动，为了与之相适配，传感器敏感材料的选择通常会受到很大的限制，传统高性能的温度压力敏感材料会由于兼容性问题无法正常适用在柔性衬底上，这会使得柔性传感器的敏感性能大幅降低。因此如何同时保证柔性衬底良好的柔韧性和传感器优异的敏感性能是目前柔性温压一体化传感器亟需解决的难题。

发明内容

本发明的目的在于：针对上述存在的高性能敏感材料和柔性衬底间的兼容问题和传感器自身的尺寸问题，本发明提供一种柔性温压一体化传感器及其制备方法和应用，温度传感器为电阻式，压力传感器为平板电容式，其具有相对独立的温度压力探测能力，抗弯折能力，且制备方法简单，成本低，为后续器件性能的优化和阵列化提供可靠的敏感单元。

本发明采用的技术方案如下：