[发明专利]喷涂制备微纳多级自补偿结构及其柔性压力传感器

说明书

喷涂制备微纳多级自补偿结构及其柔性压力传感器。本发明属于力敏器件制备技术领域，具体涉及一种基于喷涂制备的微纳多级自补偿结构及其应用。所述微纳多级自补偿结构的制备方法包括：使用石墨烯浆料一次喷涂于衬底上，然后使用碳纳米管浆料和/或炭黑浆料和/或石墨烯浆料进行二次喷涂得所述微纳多级自补偿结构。该微纳多级自补偿结构设计自由度高，可以适用各种粗糙或不粗糙柔性的衬底，而且由该微纳多级自补偿结构设计的压力传感器灵敏度高，量程大。

技术领域

本发明属于力敏器件制备技术领域，具体涉及一种基于喷涂制备的微纳多级自补偿结构及柔性压力传感器。

背景技术

柔性压力传感器广泛应用于智能制造、智慧医疗、教育服务、深空探测、国防军事等领域，包括机器人触觉感知、机器人安全防护、穿戴式人体健康监测、汽车智能感知等。人体皮肤遍布由机械感受器构建的精密触觉传感系统，使人类能够胜任碰撞检测与避障、物体识别与抓取等各种复杂行为。因此，复现甚至超越人类皮肤功能以构建类人感知系统是机器人智能传感技术的重点。尤其是，人体皮肤的微纳互锁结构使得人体能够对微弱力及其变化进行超灵敏度的感知。近年来，借鉴于人体皮肤的微纳互锁结构，力敏微纳界面的构筑技术近年来获得了大力发展。周期性微金字塔、微球、微柱、纳米线结构，准周期微纳褶皱结构，以及自然界(如树叶、花瓣)或生活中(如砂纸、织物)的各类随机分布的微纳结构被用于构筑压力传导界面和传感放大的应力奇点；此外，基于多孔泡沫或基于纳米颗粒/弹性体复合材料(如导电橡胶)也可以有效提升力敏器件的传感性能。微纳尺度下界面力学行为、力-电耦合及增敏机制得以初步研究，单元器件的传感性能获得大幅提升(灵敏度S≥1000kPa-1，且量程≥400kPa)。尤为重要的是，相较于周期性单一微结构受压时易于饱和的问题，随机分布的微纳多级结构受压时发生自补偿变形，这种多级自补偿结构可有效提升力敏界面的接触面积与可压缩性，器件呈现出大量程高灵敏度的特点。因此，构筑微纳多级自补偿结构，并进一步组装成上下微纳互锁力敏界面，有望大幅提升触觉传感器的量程及灵敏度。目前报道的微纳多级自补偿结构采用砂纸模板并结合软光刻方法实现，存在设计自由度低，适用衬底少等问题。

发明内容

有鉴于此，本发明目的在于提供一种微纳多级自补偿结构及形成的微纳多级力敏结构，所述微纳多级自补偿结构是通过在衬底上进行二次喷涂得到的，适用的衬底比较广。

本发明基于石墨烯良好的曲面包裹性，调控石墨烯的配比以及喷涂的工艺，实现纤维表面石墨烯的均匀共形成膜；采用碳纳米(碳纳米管)或石墨烯力敏浆料，调控浆料的颗粒分散性及雾化液滴大小，诱导共形石墨烯表面微纳米级导电颗粒的流变成型，实现微纳多级自补偿结构的喷涂制备，构筑纤维表面三维立体导电网络与“力-电”耦合自补偿结构；调控多级结构制备方法，提高力敏薄膜的附着力，并调控薄膜的面电阻范围，以提高微纳互锁力敏器件的灵敏度与量程。

所述微纳多级自补偿结构的制备制备方法包括：使用石墨烯浆料一次喷涂于衬底上，然后使用碳纳米管浆料和/或炭黑浆料和/或石墨烯浆料进行二次喷涂得所述微纳多级自补偿结构。

具体地，第一次喷涂调控喷涂的雾化条件，获得大的雾锥和高度均匀雾化液滴，避免石墨烯微片的团聚；二次喷涂为了获得微纳多级结构，提高表面粗糙度，调节喷枪顶针位置与气压大小形成回旋液滴，在共形石墨烯表面形成微纳二级堆积结构。

优选地，所述喷涂的工艺为空气喷涂、超声喷涂、静电喷涂中的一种或多种结合。

在所述第一次和/或第二次喷涂前，将石墨烯浆料或碳纳米管浆料和/或炭黑浆料和/或石墨烯浆料进行分散。优选为利用超声振荡进行分散。

优选地，所述一次喷涂工艺包括：调控喷枪顶针开口横截面积占比0.2-0.5，调整喷涂空气压力0.45-0.6MPa；所述二次喷涂工艺包括：调控喷枪顶针开口横截面积占比≤0.15，调整喷涂空气压力≤0.5Mpa。