基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器及其制备方法

1.本发明涉及柔性压力传感器领域，具体而言，涉及一种基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器及其制备方法。


背景技术：

2.传感器技术在现代科学技术中具有十分重要的地位，被称为现代信息技术的三大支柱之一。其中压力传感器应用最为广泛，拥有全球最大的传感器市场份额。随着智能制造与智慧医疗的发展，对压力传感器的变形能力提出了新的需求，其发展也呈现了从刚性到柔弹性的发展趋势。
3.在弹性压力传感器发展的过程中，科研工作者们提出了多种介质、电极微结构提高器件灵敏度与拉伸稳定性，例如基于表面多孔金字塔结构介质的电阻式压力传感器、基于表面长柱结构介质的电容式压力传感器、基于长脊结构电极的电容式压力传感器等等。
4.微结构使器件灵敏度有了大幅度提升，但在拉伸条件下器件灵敏度变化仍较大，使其难以适应可穿戴、可植入等设备的实际应用需求，大大缩减了传感器的应用范围。
5.然而目前在仿生柔性压力传感器的制备方面，制备方法过于繁琐复杂，且制备得到的仿生柔性压力传感器的拉伸稳定性效果一般，弹性和灵敏度也较差，制作的成本高。


技术实现要素：

6.本发明要解决的其中一个技术问题是提供一种基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器的制备方法，以解决常规方法繁琐复杂，且制作成本高的问题。
7.为解决上述问题，本发明提供了一种基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
8.s1：准备道康宁184硅橡胶，并将所述道康宁184硅橡胶的a胶、b胶与二甲基硅油混合均匀，得到pdms混合液；
9.s2：将所述pdms混合液加入至十二烷基硫酸钠的酒精溶液中，得到中间产物；
10.s3：将所述中间产物放入烘箱中进行烘烤固化，得到弹性小球；
11.s4：将所述弹性小球放入75％四丁基氟化铵水溶液与n,n-二甲基甲酰胺的混合液中，超声处理后得到预处理的弹性小球；
12.s5：将二维过渡金属碳化物与碳纳米管的混合液滴加在所述预处理的弹性小球上，随后进行至少一次的抽真空以及烘干处理，得到基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器。
13.作为优选的方案，所述步骤s1中，所述a胶、b胶与所述二甲基硅油的质量配比为10:(0.1-6):(0.1-6)。
14.作为优选的方案，所述步骤s2中，所述pdms混合液加入的方式为通过与高压气瓶相连的玻璃针滴入至十二烷基硫酸钠的酒精溶液中，且所述高压气瓶的输出管道气压为45-150psi，所用玻璃针内径为25-60μm。
15.作为优选的方案，所述步骤s2中，所述十二烷基硫酸钠的酒精溶液中十二烷基硫酸钠的浓度为1-15g/l。
16.作为优选的方案，所述步骤s3中，所述烘烤固化的温度为60℃，时间为0.5-3h。
17.作为优选的方案，所述步骤s4中，所述75％四丁基氟化铵水溶液与n,n-二甲基甲酰胺的体积配比为1：(1-5)。
18.作为优选的方案，所述步骤s4中，所述超声处理的超声功率为425w，时间为5-15min。
19.作为优选的方案，所述步骤s5中，所述二维过渡金属碳化物与碳纳米管的质量配比为(1-10):1。
20.作为优选的方案，所述步骤s5中，所述抽真空的真空度为-0.9bar,时间为5-10min；所述烘干处理的温度为60℃，时间为5-10min。
21.与现有技术相比，本发明一种基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器的制备方法具有如下优点和有益效果：
22.本发明所提供的制备方法步骤较常规手段更为简单，无需复杂的设备，且制备的成本低，稳定性高，制备反应的条件也不苛刻，具有更高的推广与实用价值。
23.本发明要解决的其中一个技术问题是，提供一种基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器，以解决常规仿生柔性压力传感器拉伸稳定性效果一般，弹性和灵敏度也较差的问题。
24.为了解决上述问题，本发明提供了一种基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器，所述传感器由所述制备方法制得。
25.与现有技术相比，本发明一种基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器具有如下优点和有益效果：
26.本发明提供的制备方法使用了功能弹性导电微球与弹性基底分离的传感器结构，拉伸传感器，应变通过3d打印的弹性基底释放，无法施加到功能微球上，保证了拉伸稳定性。相较于其他在表面构建微结构以提高器件拉伸稳定性的方法相比，该结构制备简单，拉伸稳定性更好。
27.本发明要解决的另一个技术问题是，提供上述基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器的应用。
28.作为优选的方案，所述应用包括采用该基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器应用到一种仿猫爪结构柔性压力传感器的制备中，所述应用包括：将所述的传感器嵌入3d打印技术打印出的有球缺微结构的弹性基底，并在小球顶部使用二维过渡金属碳化物/单壁碳纳米管混合物固化填充，然后采用模板在表面涂敷固定厚度的液态金属，得到所述仿猫爪结的构柔性压力传感器。
29.与现有技术相比，本发明制备的仿猫爪结的构柔性压力传感器具有如下优点和有益效果：
30.本发明提供的仿猫爪结构的柔性应力传感器具有高弹性、高灵敏度、高拉伸稳定性、制备成本低廉、制作方法简便等特点；不需要精密微纳结构设计，适用于人体运动或其他生理信号的实时监测，具有较高的理论价值。
附图说明
31.图1为本文发明的柔性压力传感器的结构示意图；
32.图1中，1.弹性导电电极；2.弹性导电微球；3.球缺。
33.图2为不同拉伸条件下仿猫爪结构的柔性压力传感器的灵敏度曲线图。
具体实施方式
34.下面将对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
35.为了使本技术领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合具体实施方式对本发明做出进一步的详细说明。本领域技术人员应当理解的下面所具体描述的内容是说明性的而非限制性的，不应以此限制本发明的保护范围。
36.除非另行定义，文中所使用的所有专业与科学用语，本领域熟练人员所熟悉的意义相同。此外，任何与所记载内容相似或均等的方法及材料皆可应用于本发明方法中。文中所述的较佳实施方法与材料仅作示范之用。
37.本发明提供了一种基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
38.s1：准备道康宁184硅橡胶，并将所述道康宁184硅橡胶的a胶、b胶与二甲基硅油混合均匀，得到pdms混合液；
39.s2：将所述pdms混合液加入至十二烷基硫酸钠的酒精溶液中，得到中间产物；
40.s3：将所述中间产物放入烘箱中进行烘烤固化，得到弹性小球；
41.s4：将所述弹性小球放入75％四丁基氟化铵水溶液与n,n-二甲基甲酰胺的混合液中，超声处理后得到预处理的弹性小球；
42.s5：将二维过渡金属碳化物与碳纳米管的混合液滴加在所述预处理的弹性小球上，随后进行至少一次的抽真空以及烘干处理，得到基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器。
43.优选的，所述步骤s1中，所述a胶、b胶与所述二甲基硅油的质量配比为10:(0.1-6):(0.1-6)。
44.优选的，所述步骤s2中，所述pdms混合液加入的方式为通过与高压气瓶相连的玻璃针滴入至十二烷基硫酸钠的酒精溶液中，且所述高压气瓶的输出管道气压为45-150psi，所用玻璃针内径为25-60μm。
45.优选的，所述步骤s2中，所述十二烷基硫酸钠的酒精溶液中十二烷基硫酸钠的浓度为1-15g/l。
46.优选的，所述步骤s3中，所述烘烤固化的温度为60℃，时间为0.5-3h。
47.优选的，所述步骤s4中，所述75％四丁基氟化铵水溶液与n,n-二甲基甲酰胺的体积配比为1：(1-5)。
48.优选的，所述步骤s4中，所述超声处理的超声功率为425w，时间为5-15min。
49.优选的，所述步骤s5中，所述二维过渡金属碳化物与碳纳米管的质量配比为(1-10):1。
50.优选的，所述抽真空的真空度为-0.9bar,时间为5-10min；所述烘干处理的温度为60℃，时间为5-10min。
51.本发明提供了一种基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器，所述传感器由所述制备方法制得。
52.本发明还提供了提供上述基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器的应用。
53.优选的，所述应用包括采用该基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器应用到一种仿猫爪结构柔性压力传感器的制备中，所述应用包括：将所述的传感器嵌入3d打印技术打印出的有球缺微结构的弹性基底，并在小球顶部使用二维过渡金属碳化物/单壁碳纳米管混合物固化填充，然后采用模板在表面涂敷固定厚度的液态金属，得到所述仿猫爪结的构柔性压力传感器。
54.以下提供实施例以对上述的方案进行解释：
55.实施例1：
56.s1：准备道康宁184硅橡胶，并将所述道康宁184硅橡胶的a胶、b胶与二甲基硅油混合均匀，得到pdms混合液；所述a胶、b胶与所述二甲基硅油的质量配比为10:3:3。
57.s2：将所述pdms混合液加入至十二烷基硫酸钠的酒精溶液中，得到中间产物；所述十二烷基硫酸钠的酒精溶液中十二烷基硫酸钠的浓度为1-15g/l；所述pdms混合液加入的方式为通过与高压气瓶相连的玻璃针滴入至十二烷基硫酸钠的酒精溶液中，且所述高压气瓶的输出管道气压为97.5psi，所用玻璃针内径为42.5μm。
58.s3：将所述中间产物放入烘箱中进行烘烤固化，得到弹性小球；所述烘烤固化的温度为60℃，时间为1.75h。
59.s4：将所述弹性小球放入75％四丁基氟化铵水溶液与n,n-二甲基甲酰胺的混合液中，超声处理后得到预处理的弹性小球；所述75％四丁基氟化铵水溶液与n,n-二甲基甲酰胺的体积配比为1：3；所述超声处理的超声功率为425w，时间为10min。
60.s5：将二维过渡金属碳化物与碳纳米管的混合液滴加在所述预处理的弹性小球上，随后进行至少一次的抽真空以及烘干处理，得到基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器；所述二维过渡金属碳化物与碳纳米管的质量配比为5.5:1；所述抽真空的真空度为-0.9bar,时间为7.5min；所述烘干处理的温度为60℃，时间为7.5min。
61.本发明提供了一种基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器，所述传感器由所述制备方法制得。
62.本发明还提供了提供上述基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器的应用。
63.优选的，所述应用包括采用该基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器应用到一种仿猫爪结构柔性压力传感器的制备中，所述应用包括：将所述的传感器嵌入3d打印技术打印出的有球缺微结构的弹性基底，并在小球顶部使用二维过渡金属碳化物/单壁碳纳米管混合物固化填充，然后采用模板在表面涂敷固定厚度的液态金属，得到所述仿猫爪结的构柔性压力传感器。
64.实施例2：
65.s1：准备道康宁184硅橡胶，并将所述道康宁184硅橡胶的a胶、b胶与二甲基硅油混合均匀，得到pdms混合液；所述a胶、b胶与所述二甲基硅油的质量配比为10:0.1:0.1。
66.s2：将所述pdms混合液加入至十二烷基硫酸钠的酒精溶液中，得到中间产物；所述
十二烷基硫酸钠的酒精溶液中十二烷基硫酸钠的浓度为1g/l；所述pdms混合液加入的方式为通过与高压气瓶相连的玻璃针滴入至十二烷基硫酸钠的酒精溶液中，且所述高压气瓶的输出管道气压为45psi，所用玻璃针内径为25μm。
67.s3：将所述中间产物放入烘箱中进行烘烤固化，得到弹性小球；所述烘烤固化的温度为60℃，时间为0.5h。
68.s4：将所述弹性小球放入75％四丁基氟化铵水溶液与n,n-二甲基甲酰胺的混合液中，超声处理后得到预处理的弹性小球；所述75％四丁基氟化铵水溶液与n,n-二甲基甲酰胺的体积配比为1：1；所述超声处理的超声功率为425w，时间为5min。
69.s5：将二维过渡金属碳化物与碳纳米管的混合液滴加在所述预处理的弹性小球上，随后进行至少一次的抽真空以及烘干处理，得到基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器；所述二维过渡金属碳化物与碳纳米管的质量配比为1:1；所述抽真空的真空度为-0.9bar,时间为5min；所述烘干处理的温度为60℃，时间为5min。
70.本发明提供了一种基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器，所述传感器由所述制备方法制得。
71.本发明还提供了提供上述基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器的应用。
72.优选的，所述应用包括采用该基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器应用到一种仿猫爪结构柔性压力传感器的制备中，所述应用包括：将所述的传感器嵌入3d打印技术打印出的有球缺微结构的弹性基底，并在小球顶部使用二维过渡金属碳化物/单壁碳纳米管混合物固化填充，然后采用模板在表面涂敷固定厚度的液态金属，得到所述仿猫爪结的构柔性压力传感器。
73.实施例3：
74.s1：准备道康宁184硅橡胶，并将所述道康宁184硅橡胶的a胶、b胶与二甲基硅油混合均匀，得到pdms混合液；所述a胶、b胶与所述二甲基硅油的质量配比为10:6:6。
75.s2：将所述pdms混合液加入至十二烷基硫酸钠的酒精溶液中，得到中间产物；所述十二烷基硫酸钠的酒精溶液中十二烷基硫酸钠的浓度为15g/l；所述pdms混合液加入的方式为通过与高压气瓶相连的玻璃针滴入至十二烷基硫酸钠的酒精溶液中，且所述高压气瓶的输出管道气压为150psi，所用玻璃针内径为60μm。
76.s3：将所述中间产物放入烘箱中进行烘烤固化，得到弹性小球；所述烘烤固化的温度为60℃，时间为3h。
77.s4：将所述弹性小球放入75％四丁基氟化铵水溶液与n,n-二甲基甲酰胺的混合液中，超声处理后得到预处理的弹性小球；所述75％四丁基氟化铵水溶液与n,n-二甲基甲酰胺的体积配比为1：5；所述超声处理的超声功率为425w，时间为15min。
78.s5：将二维过渡金属碳化物与碳纳米管的混合液滴加在所述预处理的弹性小球上，随后进行至少一次的抽真空以及烘干处理，得到基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器；所述二维过渡金属碳化物与碳纳米管的质量配比为10:1；所述抽真空的真空度为-0.9bar,时间为10min；所述烘干处理的温度为60℃，时间为10min。
79.本发明提供了一种基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器，所述传感器由所述制备方法制得。
80.本发明还提供了提供上述基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器的应用。
81.优选的，所述应用包括采用该基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器应用到一种仿猫爪结构柔性压力传感器的制备中，所述应用包括：将所述的传感器嵌入3d打印技术打印出的有球缺微结构的弹性基底，并在小球顶部使用二维过渡金属碳化物/单壁碳纳米管混合物固化填充，然后采用模板在表面涂敷固定厚度的液态金属，得到所述仿猫爪结的构柔性压力传感器。
82.以下提供结合具体数据的实例以展开阐述上述实施例：
83.实施例4
84.一种仿猫爪结构的柔性压力传感器及其制备方法，包括如下步骤：
85.s1：将10g道康宁184硅橡胶a胶、4g道康宁184硅橡胶b胶与3g二甲基硅油混合均匀，得到溶液a；
86.s2：将溶液a通过与输出管道气压为100psi的高压气瓶相连的内径为30μm的玻璃针滴入浓度为5g/l的十二烷基硫酸钠的酒精溶液中得到中间产物b；
87.s3：将中间产物b放入60℃烘箱中固化后1h得到弹性小球；
88.s4：将步骤s3所述的弹性小球放入75％四丁基氟化铵水溶液与n,n-二甲基甲酰胺混合液(75％四丁基氟化铵水溶液与n,n-二甲基甲酰胺体积比为1:3)中进行超声处理得到预处理的弹性小球；
89.s5：将mxene(二维过渡金属碳化物)与cnts的混合液滴加在预处理的弹性小球上，随后抽真空并放入烘箱烘干，将次步骤进行两次后得到弹性导电微球。
90.本实施例还提供了提供上述基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器的应用。
91.优选的，所述应用包括采用该基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器应用到一种仿猫爪结构柔性压力传感器的制备中，所述应用包括：将步骤s5所述的弹性导电微球嵌入3d打印技术打印出的有球缺微结构的弹性基底，打印的3d模型尺寸为60mm*15mm*1.35mm，球缺半径为0.5mm，基底上球缺呈正方阵列分布，16个球缺各自间距为2.5mm，嵌入深度为0.3mm，涂敷液态金属厚度为0.2mm。并在小球顶部使用mxene(二维过渡金属碳化物)/单壁碳纳米管混合物固化填充，然后采用模板在表面涂敷固定厚度的液态金属，得到仿猫爪结构的柔性压力传感器。
92.对比例1：
93.对上述实施例4进行调整，将弹性导电微球改为厚度与小球直径相同、材质相同的功能层，其余均相同。
94.该方法所制备的柔性压力传感器，拉伸稳定性明显降低。这是由于没有微结构的作用，使应变直接施加在功能层上所致。
95.实验效果验证
96.本发明实施例4制备得到的仿猫爪结构的柔性压力传感器拥有较高的拉伸稳定性，在15％的拉伸下，器件灵敏度变化在10％以内。
97.如图2所示，该柔性压力传感器在0-5kpa压力范围内灵敏度为0.042kpa-1，在15％的拉伸下灵敏度变化在10％以内。
98.本实施例所述的仿猫爪结构的柔性压力传感器工作原理为：
99.当压力作用于该传感器上时，弹性导电微球与电极的接触电阻产生变化，将压力信号转化为电信号，且镶嵌的弹性导电微球与弹性基底呈分离结构，拉伸传感器，应变通过
3d打印的弹性基底释放，无法施加到功能微球上，保证了拉伸稳定性。
100.本发明所述的柔性压力传感器具有高弹性、高灵敏度、拉伸稳定性好、制备成本低廉、制作方法简便等特点，适用于人体生理信号监测。
101.以上所述实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。

技术特征：
1.一种基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：s1：准备道康宁184硅橡胶，并将所述道康宁184硅橡胶的a胶、b胶与二甲基硅油混合均匀，得到pdms混合液；s2：将所述pdms混合液加入至十二烷基硫酸钠的酒精溶液中，得到中间产物；s3：将所述中间产物放入烘箱中进行烘烤固化，得到弹性小球；s4：将所述弹性小球放入75％四丁基氟化铵水溶液与n,n-二甲基甲酰胺的混合液中，超声处理后得到预处理的弹性小球；s5：将二维过渡金属碳化物与碳纳米管的混合液滴加在所述预处理的弹性小球上，随后进行至少一次的抽真空以及烘干处理，得到基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器。2.根据权利要求1所述的基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤s1中，所述a胶、b胶与所述二甲基硅油的质量配比为10:(0.1-6):(0.1-6)。3.根据权利要求1所述的基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，所述pdms混合液加入的方式为通过与高压气瓶相连的玻璃针滴入至十二烷基硫酸钠的酒精溶液中，且所述高压气瓶的输出管道气压为45-150psi，所用玻璃针内径为25-60μm。4.根据权利要求1所述的基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤s2中，所述十二烷基硫酸钠的酒精溶液中十二烷基硫酸钠的浓度为1-15g/l。5.根据权利要求1所述的基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤s3中，所述烘烤固化的温度为60℃，时间为0.5-3h。6.根据权利要求1所述的基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中，所述75％四丁基氟化铵水溶液与n,n-二甲基甲酰胺的体积配比为1：(1-5)。7.根据权利要求1所述的基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤s4中，所述超声处理的超声功率为425w，时间为5-15min。8.根据权利要求1所述的基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤s5中，所述二维过渡金属碳化物与碳纳米管的质量配比为(1-10):1。9.根据权利要求1所述的所述的基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述抽真空的真空度为-0.9bar,时间为5-10min；所述烘干处理的温度为60℃，时间为5-10min。10.一种基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器，其特征在于，所述传感器由权利要求1-9任一项所述制备方法制得。11.一种基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器的应用，其特征在于，所述应用包括采用该基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器应用到一种仿猫爪结构柔性压力传感器的制备中，所述应用包括：将权利要求10所述的传感器嵌入3d打印技术打印出的有球缺微结构的弹性基底，并在小球顶部使用二维过渡金属碳化物/单壁碳纳米管混合物固化填充，然后采用模板在表面涂敷固定厚度的液态金属，得到所述仿猫爪结的构柔性压力传感器。

技术总结
本发明提供了一种基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器的制备方法，包括：S1：准备道康宁184硅橡胶，并将A胶、B胶与二甲基硅油混合均匀，得到PDMS混合液；S2：将PDMS混合液加入至十二烷基硫酸钠的酒精溶液中，得到中间产物；S3：将中间产物放入烘箱中进行烘烤固化，得到弹性小球；S4：将弹性小球放入75％四丁基氟化铵水溶液与N,N-二甲基甲酰胺的混合液中，超声处理后得到预处理的弹性小球；S5：将二维过渡金属碳化物与碳纳米管的混合液滴加在弹性小球上，随后进行抽真空以及烘干处理，得到基于弹性导电微球的仿生柔性压力传感器。本发明还提供了所述仿生柔性压力传感器及其应用，本发明制备方法简单，制得的传感器高弹性、高灵敏度、拉伸稳定性好。拉伸稳定性好。拉伸稳定性好。


技术研发人员：李润伟 李彰凌 尚杰 夏湘岭 刘金云 胡振宇 刘超 胡思齐 赵世景
受保护的技术使用者：中国科学院宁波材料技术与工程研究所
技术研发日：2023.03.20
技术公布日：2023/7/25