透明离电式压力传感器及其制备方法与流程

本发明属于压力传感，具体涉及一种透明离电式压力传感器及其制备方法。

背景技术：

1、触觉是人类的基本感知能力，而压力感知是触觉的重要组成部分。近年发展的柔性触觉压力传感技术，一方面模拟人类触觉感知功能，一方面具备轻柔薄大的特征，通过贴敷在物体表面，改造物体使其获得触觉能力，形成万物触觉的新概念，在物联网、智能机器人、可穿戴电子等领域，尤其是人机交互和智能医疗等领域具有重要的意义。

2、与此同时，在许多应用场景下不仅要求传感器具备优良的电学特性，同时对传感器的透明度也提出了更高的要求。例如，在医疗诊断中，内窥镜头的压力反馈可以防止医生操作过程中意外的发生，其在判断接触力大小和位置的同时，保证其光学镜头不被遮挡，仍然具备观察以及拍照的功能。消费电子领域，透明压力阵列与屏幕相结合，可以在保证显示屏幕的显示场景没有影响的情况下同时具备三维触控的功能。

3、根据信号转换原理的不同，目前的柔性压力传感器根据机理的不同可分为电阻式、电容式、压电式(摩擦电式)以及离电式。电阻式压力传感器的灵敏度较低并且由于材料的限制无法做到全透明的传感器阵列；电容式压力传感的信噪比较差容易收到周围寄生电容的影响，需要做金属的屏蔽，这样首先会降低器件的柔韧性，其次也会影响器件的透明性；压电式(摩擦电式)压力传感没有静态响应，在许多应用场景下无法应用。离电式压力传感器的功能材料层由离子导电材料构成，基于离电机理，其相较于电阻式、电容式、压电式(摩擦电式)压力传感器，具有高灵敏、高分辨、高信噪比、抗干扰、静态响应的优点。

4、目前，离电传感器所使用的离子功能材料都是热塑性的树脂加液态离子材料，但是由于热塑性树脂在液体离子材料作用下硬度降低，分子链段运动性增强，在压力作用下容易发生变形与蠕变，从而与电极接触过于紧密，并与电极发生粘连，使得传感器的回弹性下降，使用寿命很有限。

技术实现思路

1、为解决上述问题，本发明提供一种柔性且具有高灵敏度、高信噪比以及高透明度的离电式压力传感器，并提供该传感器的制备方法。

2、本发明的技术方案包括：

3、一种透明离电式压力传感器，主要包括柔性且透明的热固性离子凝胶涂层和柔性且透明的电极层，所述电极层由电极和基材复合而成；所述电极与热固性离子凝胶涂层相接触形成双电层电容，所述双电层电容大小的变化响应于因施加至所述压力传感器的压力大小的变化而导致的电极和热固性离子凝胶涂层接触面积的变化。

4、作为一种优选方案，所述电极层包括上下布置的第一电极层和第二电极层，第一电极层由第一电极和第一基材复合而成，第二电极层由第二电极和第二基材复合而成；所述热固性离子凝胶涂层形成于第一电极层表面并与第一电极和第二电极相接触。这种传感器结构也常被称为“双面电极结构”或“三明治结构”。可选的，所述第一电极和第二电极可以呈正交布置。

5、作为一种优选方案，透明离电式压力传感器还包括第三基材，所述热固性离子凝胶涂层形成于第三基材表面；所述电极层包括第四基材以及复合在第四基材表面的第三电极和第四电极；所述热固性离子凝胶涂层与第三电极和第四电极相接触。这种传感器结构也常被称为“单面电极结构”。可选的，所述第三电极和第四电极形成叉指电极。可选的，所述第三电极于第三基材表面形成串联连接，第四电极于第三基材表面通过搭桥工艺形成串联连接。

6、作为一种优选方案，所述热固性离子凝胶涂层和电极层之间形成一个负载传感元件，构成单体式传感器；或者所述热固性离子凝胶涂层和电极层之间形成多个负载传感器元件，构成阵列式传感器。可选的，所述热固性离子凝胶涂层的成分包括热固性树脂基体、树脂固化剂和液态离子材料。可选的，所述热固性离子凝胶涂层中，热固性树脂基体的质量占比为20％-95％，固化剂的质量占比为1％-50％，液态离子材料的质量占比为1％-79％。进一步优选为所述热固性树脂基体的质量占比50-70％，固化剂的质量占比10％-30％，液态离子材料的质量占比20％-40％。可选的，所述热固性树脂基体为含有环氧基、异氰酸酯基、羟基、酰胺基、氨基甲酸酯基、胺基中至少一种基团的小分子单体或聚合物；所述树脂固化剂是能与上述基团发生反应并形成三维网状分子结构的小分子单体或聚合物，且含有胺基、羟基、环氧基、异氰酸酯基、酸酐基、巯基中至少一种基团。可选的，所述树脂固化剂为环氧树脂、聚氨酯、不饱和聚酯、丙烯酸树脂、酚醛树脂。可选的，所述液态离子材料为离子液体或者为为沸点不低于150度的有机溶剂，其中溶解有固态或液态的离子化合物。

7、作为一种优选方案，所述电极采用氧化铟锡、氧化铟锌、纳米银线、石墨烯或碳纳米管制作。

8、作为一种优选方案，所述基材选用透明聚合物薄膜材料制作。可选的，所述聚合物薄膜材料为pet、pc或透明pi。

9、作为一种优选方案，所述热固性离子凝胶涂层的厚度为0.1-100微米；所述电极层的厚度为1-200微米。

10、作为一种优选方案，透明离电式压力传感器的整体透明度不低于70％。

11、进一步，本发明还提供一种传感器制备方法，用于制备上述双面电极结构的透明离电式压力传感器及其优选方案所述的透明离电式压力传感器，主要包括以下步骤：将第一电极和第一基材复合得到第一电极层，将第二电极和第二基材复合得到第二电极层；将热固性离子材料通过印刷、涂布或喷涂的方式覆设于第一电极层表面，经加热处理后形成热固性离子凝胶涂层；将第一电极层中的热固性离子凝胶涂层与第二电极层中的第二电极面对面布置，并将第一电极层和第二电极层边缘进行封装。

12、进一步，本发明还提供一种压力传感器制备方法，用于上述制备单面电极结构的透明离电式压力传感器及其优选方案所述的透明离电式压力传感器，主要包括以下步骤：将第三电极和第四电极与第三基材复合得到电极层；将热固性离子材料通过印刷、涂布或喷涂的方式覆盖于第三基材表面，经加热处理后形成热固性离子凝胶涂层；将所述热固性离子凝胶涂层与电极层中的第三和第四电极面对面布置，并将所述热固性离子凝胶涂层和电极层的边缘进行封装。

13、本发明具有以下有益效果：

14、(1)本发明所公开的透明离电式压力传感器，能有效解决现有热塑性材料回弹性差、使用寿命短的缺点，在具备高灵敏度及高信噪比的压力检测情况下同时具备高透光度。本发明基于离电传感机理，使用了热固式的离子凝胶涂层材料，相比于采用热塑式的离子凝胶涂层材料，热固式树脂材料本身的高杨氏模量和离子相容性，避免了在受压后与电极粘接导致的传感器回弹性差的问题，使用寿命更长。

15、(2)本发明所公开的透明离电式压力传感器，采用全透明的功能材料和电极材料，能实现全透明的效果，且使用的液态离子材料与热固性树脂材料具有较好的相容性，避免了因分相导致的透明性下降，可实现整体透明性不低于70％。

16、(3)本发明形成的透明离电式压力传感器阵列，各个传感单元之间无需其他支撑材料和结构，仅将两层膜面对面放一起，整体边缘封装即可，结构更简单，制备成本也更低，并且，相比于现有的将每个单元的边缘都需要单独封装的方法，单元密度可以做到更高。

17、(4)本发明可实现双面电极和单层电极两种电极设置方式，其中双面电极采用上下两面互相正交的透明条状电极阵列，离子凝胶涂层材料涂覆在其中一个电极阵列上；单面电极将互相正交的透明条状电极阵列制备在一面上，并且电极互相交互的区域通过过桥的方式，保证行和列电极的互相绝缘。

18、(5)本发明所公开的透明离电式压力传感器能贴附于各种不规则物体表面，可用于柔性显示设备和增强现实设备的重要人机交互部件，另外还可应用于内窥镜镜头压力检测等医疗器械领域。