压敏传感器及其制备方法和应用

本申请属于传感，尤其涉及一种压敏传感器及其制备方法和应用。

背景技术：

1、压敏传感器是工业实践中最为常用的传感器之一，压敏传感器的灵敏度非常重要，尤其是在柔性电子皮肤等触觉传感器、柔性可穿戴设备等应用中对其灵敏度提出了非常高的要求。

2、现有的压敏传感器多采用电极-功能层-电极的三明治结构，因此层与层之间的界面稳定性也是压敏传感器需要关注的性能。现有技术中为了确保层与层之间的界面稳定性，一般会将各层粘接，防止层与层剥落而导致压敏传感器失效，但是传感器的灵敏度很难得到提高。现有技术中为了提高压敏传感器灵敏度，一般会采用在功能层与电极界面处引入压敏微结构的技术方案，这些压敏微结构是功能层表面的微观多级凸起结构，这些多级凸起结构可以是非规则的也可以是规则的，这样可以显著提高传感器的灵敏度。但是界面处的微结构将弱化传感器内部层与层之间的粘接，导致传感器极易失效从而限制其应用。因此，现有技术中压敏传感器提高界面稳定性并获得高灵敏度往往会相互矛盾，从而难以兼顾这两种性能。

3、因此，需要提供一种新的压敏传感器，不仅界面稳定性好而且灵敏度高，尤其可以适用于柔性电子皮肤等触觉传感器、柔性可穿戴设备等。

技术实现思路

1、本申请的目的在于提供一种压敏传感器及其制备方法和应用，旨在解决现有技术中压敏传感器灵敏度以及内部层与层之间界面稳定性无法兼顾问题。

2、为实现上述申请目的，本申请采用的技术方案如下：

3、第一方面，本申请提供一种压敏传感器。压敏传感器，包括第一封装电极、复合压敏层和第二封装电极，第一封装电极、复合压敏层与第二封装电极依次层叠形成三明治结构，复合压敏层包括弹性基体，弹性基体中设置有至少一个通孔，通孔与第一封装电极、第二封装电极所含的感应点对应设置，至少一个通孔内填充有压敏件，且压敏件与感应点接触；压敏件与第一封装电极接触的一端为第一端部，与第二封装电极接触的另一端为第二端部，且第一端部和第二端部中的至少一端部设置有微结构。

4、本申请压敏传感器的中间层重新设计为复合压敏层，将压敏件填充插接在弹性基体中，使得压敏件在复合压敏层上构成传感区域，而且压敏件端部上的微结构有效提高了压敏传感器的灵敏度。弹性基体构成了粘接区域，能够增强复合压敏层与包括第一封装电极和第二封装电极等结构件结合的强度，提高了各层间的界面稳定性。与此同时，弹性基体中设置的通孔对复合压敏层有增韧效果，也进一步提高了界面稳定性。因此本申请压敏传感器可以兼顾高灵敏度和界面稳定性好，使用时不易剥离而分层失效。

5、一些实施例中，通孔呈阵列分布。

6、一些实施例中，当通孔数量≥2时，相邻通孔的间距为2mm～10mm。

7、一些实施例中，通孔的直径为1.5mm～5mm。

8、一些实施例中，通孔的形状为圆形或多边形。

9、一些实施例中，弹性基体的厚度为100μm～1mm。

10、一些实施例中，弹性基体与压敏件的弹性模量相适配。

11、一些实施例中，弹性基体的材料与压敏传感器的封装材料相同。

12、一些实施例中，弹性基体的材料包括聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物中的至少一种。

13、一些实施例中，压敏件的材料包括聚乙烯醇和电解质。

14、一些实施例中，微结构呈多级柱状。

15、一些实施例中，微结构凸起高度为5μm～10μm。

16、一些实施例中，通孔的侧壁与压敏件之间存在化学交联。

17、一些实施例中，化学交联包括由氨基与醛基反应形成的化学交联、羟基与醛基反应形成的化学交联。

18、第二方面，本申请提供一种压敏传感器的制备方法，包括如下步骤：

19、根据封装电极上的感应点分布，在弹性膜上进行打孔处理形成通孔，得到弹性基体；

20、在弹性基体所含的通孔内形成压敏件，并在压敏件裸露的两端中的至少一端部进行形成微结构处理，形成微结构，得到复合压敏层；

21、将第一封装电极、复合压敏层、第二封装电极按照三明治结构依次层叠封装，得到压敏传感器。

22、本申请压敏传感器制备方法通过增设含通孔的弹性基体，在通孔中形成压敏件，并在压敏件的端部制备微结构，从而将制备的复合压敏层划分为传感区域和粘接区域，一方面使压敏件与电极的感应点接触更为灵敏，提高了压敏传感器的灵敏度；另一方面增强了制备的复合压敏层与两个封装电极的层间界面稳定性，还赋予其具有良好的韧性等力学性能。因此，本申请压敏传感器制备方法能够保证制备的压敏传感器同时具有良好的灵敏度和界面稳定性，不易分层失效。另外，本申请压敏传感器制备方法工艺条件可控，能够保证制备的压敏传感器结构和性能的稳定性。

23、一些实施例中，在通孔内形成压敏件包括如下步骤：

24、将弹性基体的一面附在微结构模板表面；

25、在通孔中注入压敏材料溶液，进行固化处理，移除微结构模板。

26、一些实施例中，在通孔内形成压敏件的步骤之前，还包括如下步骤：

27、对通孔侧壁进行表面修饰处理。

28、一些实施例中，表面修饰处理包括如下步骤：

29、对通孔侧壁进行氧化处理；

30、依次用3-氨丙基三乙氧基硅烷溶液和戊二醛溶液浸润通孔侧壁，再除去溶剂。

31、第三方面，本申请提供压敏传感器在柔性电子皮肤、柔性可穿戴设备、柔性显示设备、柔性储能设备中的应用。

32、本申请压敏传感器因具有灵敏度高、界面稳定性好、韧性强的性质，在应用中对外界的压力信号敏感，不易失效，可用于需要弯折转动的场景，所以可以很好地在该些应用中发挥作用。

技术特征：

1.压敏传感器，其特征在于，包括第一封装电极、复合压敏层和第二封装电极，所述第一封装电极、复合压敏层与第二封装电极依次层叠形成三明治结构，所述复合压敏层包括弹性基体，所述弹性基体中设置有至少一个通孔，所述通孔与所述第一封装电极、第二封装电极所含的感应点对应设置，至少一个所述通孔内填充有压敏件，且所述压敏件与所述感应点接触；所述压敏件与所述第一封装电极接触的一端为第一端部，与所述第二封装电极接触的另一端为第二端部，且所述第一端部和第二端部中的至少一端部设置有微结构。

2.根据权利要求1所述的压敏传感器，其特征在于，所述通孔呈阵列分布；和/或

3.根据权利要求1或2所述的压敏传感器，其特征在于，所述弹性基体的厚度为100μm～1mm；和/或

4.根据权利要求1或2所述的压敏传感器，其特征在于，所述压敏件的材料包括聚乙烯醇和电解质；和/或

5.根据权利要求1或2所述的压敏传感器，其特征在于，所述通孔的侧壁与所述压敏件之间存在化学交联。

6.根据权利要求5所述的压敏传感器，其特征在于，所述化学交联包括由氨基与醛基反应形成的化学交联、羟基与醛基反应形成的化学交联。

7.压敏传感器的制备方法，包括如下步骤：

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，在所述通孔内形成所述压敏件包括如下步骤：

9.根据权利要求7或8所述的制备方法，其特征在于，在所述通孔内形成所述压敏件的步骤之前，还包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述表面修饰处理包括如下步骤：

11.权利要求1～6任一项所述的压敏传感器在柔性电子皮肤、柔性可穿戴设备、柔性显示设备、柔性储能设备中的应用。

技术总结
本申请涉及传感技术领域，尤其涉及一种压敏传感器及其制备方法和应用。该压敏传感器包括两个封装电极和中间的复合压敏层，复合压敏层包括弹性基体，弹性基体中设置通孔，通孔中填充压敏件，压敏件与电极的感应点接触且端部设置有微结构。这些微结构提高了压敏传感器的灵敏度，弹性基体其他位置可以与封装电极粘接，再加上通孔提高了复合压敏层的韧性，从而这种传感区域和粘接区域分开的压敏传感器兼顾灵敏度高和界面稳定性好的特点。制备方法可以将弹性基体打孔，再在通孔中形成含有微结构的压敏件，最后封装。本申请压敏传感器可以广泛应用于柔性电子皮肤、柔性可穿戴设备等技术领域。

技术研发人员：郭传飞,石君利,李刚
受保护的技术使用者：南方科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/1/13