[发明专利]柔性压力传感器及其制备方法、可穿戴设备

说明书

本发明涉及本发明涉及传感器技术领域，具体而言，涉及一种柔性压力传感器及其制备方法、可穿戴设备。柔性压力传感器包括：柔性基材；叉指电极，设于柔性基材上；传感层，设于叉指电极的表面，传感层的制备原料包括弹性聚合物、导电填料、固化剂及发泡剂，所述弹性聚合物与所述固化剂的质量比为(3～6)：1，所述弹性聚合物与所述发泡剂的质量比为(5～10)：1，所述导电填料占所述弹性聚合物的质量百分含量为1.5％～5％。通过调节导电填料含量、弹性聚合物与固化剂的比例，改善了传感层的导电网络，使得传感器具有较宽的压力检测范围，且提升了其灵敏度。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体而言，涉及一种柔性压力传感器及其制备方法、可穿戴设备。

背景技术

柔性压力传感器，即可将压力信号转化为电信号输出以识别所施加力大小的传感器，其广泛应用于电子皮肤、人机界面、医疗保健、智能机器人等领域。目前，由于压阻式柔性压力传感器具有成本低廉、结构简单、易于制造等优点，成为许多智能传感应用领域的首选。常见的柔性压力传感主要包括弹性基体材料与导体材料。其中，弹性基体材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)和Ecoflex树脂材料；导电材料包括金属颗粒、金属纳米线以及导电碳材料。基于弹性基体材料与导体材料的基本特性，这类传感器有两种制备方式：一是基于导电纳米材料的分离和开裂传感机理，在弹性基体衬底上制备导电薄膜，主要用于可拉伸应变传感器；二是主要基于渗透阈理论，将导电材料填充到弹性基体材料中，可用于压力传感器。实验结果表明，导电材料的浓度越接近渗流阈值，传感器的传感灵敏度越高。但导电材料并不易于分散于基体材料中，需借助正己烷、甲苯等有机溶剂实现较好分散，因此制备过程有一定的刺激性气味，不环保。此外，也需借助超声分散、剪切乳化以及均质化等技术来提高导电材料的分散性。然而这种方式虽提高了导电材料的分散性，但改变了原有导电材料(如碳纳米管、石墨烯等)的尺寸大小，从而影响了传感器的压阻性，灵敏度低。同时，弹性基体材料具有粘弹性，导致该类传感器响应时间长、回弹稳定性差。

目前，常用的压力传感器为了追求高灵敏度，而忽略了宽的压力检测范围。而且，为了提高压力传感器的灵敏度，通常是在传感器的传感层中引入微结构阵列。但是这种方法制得的传感器的灵敏度虽然较高，但大部分仅适用于低压(≤30kPa)检测范围。当压力继续增加时，压力传感器的响应达到平衡，无法检测更大的压力。不仅如此，高复杂度的传感器生产效率低下，在日常生活中应用受到限制。如何平衡柔性压力传感器的灵敏度、压力范围及响应时间是当前研究的热点。

发明内容

基于此，本发明提供了一种兼具较高的灵敏度、较宽的压力检测范围和较快的响应速度的柔性压力传感器及其制备方法、可穿戴设备。

为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：

本发明一方面，提供一种柔性压力传感器，包括：

柔性基材；

叉指电极，设于所述柔性基材上；

传感层，设于所述叉指电极背离所述柔性基材的表面，所述传感层的制备原料包括弹性聚合物、导电填料、固化剂及发泡剂，所述弹性聚合物与所述固化剂的质量比为(3～6)：1，所述弹性聚合物与所述发泡剂的质量比为(5～10)：1，所述导电填料占所述弹性聚合物的质量百分含量为1.5％～5％。

可选的，如上述所述的柔性压力传感器，所述传感层的制备原料中，所述弹性聚合物与所述固化剂的质量比为(3～4)：1，所述弹性聚合物与所述发泡剂的质量比为(5～10)：1，所述导电填料占所述弹性聚合物的质量百分含量为2％～3％。

可选的，如上述所述的柔性压力传感器，所述叉指电极为多个，多个所述叉指电极相互独立且同层设于所述柔性基材上；

所述传感层与所述叉指电极一一对应设置。