[发明专利]基于高密度微结构阵列电极的力敏传感器的制备方法

说明书

本发明公开了一种基于高密度微结构阵列电极的力敏传感器的制备方法，属于微纳加工及触觉传感技术领域。本发明的方法包括：在基板上采用微加工方法制备高密度微结构阵列模版；对高密度微结构阵列模版进行等离子处理，在高密度微结构阵列模版上旋涂预聚液后将其固化形成高密度微结构阵列基底，将高密度微结构阵列基底从高密度微结构阵列模版剥离；在高密度微结构阵列基底上覆盖电极掩模版，在其表面进行导电层沉积，得到高密度微结构阵列电极，将其与所需的力敏材料和封装材料进行封装和集成。本发明的方法通过构建高密度微结构阵列电极，从电极的角度出发构建力敏材料，具有普适性和通用性，极大地提高了力敏传感器的灵敏度及响应时间。

技术领域

本发明属于微纳加工及触觉传感技术领域，具体涉及一种基于高密度微结构阵列电极的力敏传感器的制备方法。

背景技术

人工智能、物联网、生命健康等领域是当今世界争夺的经济科技制高点，以信息材料/器件为核心的传感器及智能微系统的创新与自主研发是关键。传感器是所有智能化的起步入口、数据的来源，所有新的智能化应用都和传感器有密切关系。其中，触觉传感器可进行包括力、热在内的多信息感知，是制约我国的35项“卡脖子”技术之一。因此，发展触觉传感器与智能感知微系统集成技术，无论对于加强国防建设，还是占领人工智能技术高地，实现科技引领经济发展，都是刻不容缓的。而我国在触觉传感器方面的研发起步较晚，特别是高性能传感材料与高灵敏触觉传感器的集成制备更是关键瓶颈。

灵敏度是衡量力敏传感器的重要参数之一，用于描述传感器受到单位强度的压力时输出信号的强度(例如电阻、电流、电压或电容的变化幅度)，用输出信号强度的变化值除以初始输出信号强度再除以压力变化值来表示。力敏传感器的灵敏度越高，意味着在外界刺激下的信噪比就越高，可以检测到细微的变化。电阻式力敏传感器是通过检测两极板间电阻随压力的变化情况来测量压力大小。当压力增大时，电流流动的截面积增大，流动距离缩短，电阻下降。然而一般的压力传感器都具有薄厚度、大面积的特性，因而电阻式传感器的灵敏度都很低，并且其响应速度和感应下限都受限于传统活性层较高的压缩模量和较慢的回复速度而得不到提升。电容式力敏传感器可通过改变正对面积和平行板间距来探测不同的力。电容式传感器的主要优势在于其对力的敏感性强，可以实现通过低能耗检测微小的静态力。

响应时间是力敏传感器在施加触觉刺激时达到90％平衡点所用的时间。与滞后现象类似，响应时间的测试没有标准的方法。响应时间与弹性体的粘弹性有关，当弹性体的弹性增强时，粘弹性会减小。各种微结构(如周期金字塔、穹顶状和半球状微结构)被用来将响应时间缩短到几十毫秒。

提高电阻/电容式力敏传感器灵敏度和响应时间的方法主要包括：(1)建立多孔结构和(2)建立周期性微结构阵列。此外，科学家还开发出了多层堆叠微结构的方式进一步提高其性能。不过与电容式传感器的微加工法有所区别的是，电阻式压力传感器的性能提升要点在于提高电流流动截面积随压力变化而变化的量，单纯降低压缩模量所能提升的性能有限。相比于金字塔等结构，圆顶式结构以及多尺度圆顶结构对提升电阻式传感器的灵敏度和感应范围更为有效。同样地，光刻/软光刻、生物模版法以及传统弹性多孔材料的制备方法也都适用于加工电阻式传感器的微结构。

常规的提高力敏传感器灵敏度和响应时间的方法都侧重于构建力敏材料的周期性微结构阵列。例如，中国专利CN202110545181.6公开了一种MXene的高灵敏度压阻传感器及制备方法，所述压阻传感器的高灵敏度是通过构建微结构MXene@PU敏感材料来实现的，包括导电材料、柔性叉指电极和柔性敏感层，所述柔性叉指电极是利用叉指电极掩模版放置在任一柔性材料上并通过喷涂工艺制备了MXene的柔性叉指电极，所述柔性敏感层是利用砂纸为模版得到具有表面微结构的柔性敏感层，并在所述柔性敏感层的微结构表面通过喷涂工艺制备出MXene@PU敏感层；将上述部分组装在一起后，得到一种MXene的高灵敏度压阻传感器。这种通过构建力敏材料的周期性微结构阵列来提高力敏传感器灵敏度和响应时间的方法，不具有普适性和通用性，而且力学传感器的灵敏度及响应时间受限于周期性微结构阵列，性能提升有限。

发明内容