[发明专利]一种仿生微结构的柔性力学传感器及其制备方法

说明书

本发明属于智能柔性传感器技术领域，具体涉及一种仿生微结构的柔性力学传感器及其制备方法。该柔性力学传感器包括包括成对设置的具有表面微结构特征的导电传感层，且导电传感层上具有表面微结构特征的面相对设置；其中，所述导电传感层包括基体层；所述基体层为，对掺入了热膨胀微球的高分子弹性体薄膜实施加热发泡制得的，表面具有由于内部的热膨胀微球受热膨胀而产生的微凸起结构的微结构薄膜材料基体层；还包括成型在该基体层具有微凸起结构的表面上的导电涂层。解决了现有微结构柔性力学传感器制备工艺复杂、成本高昂、大批量制备难等问题。

技术领域

本发明属于智能柔性传感器技术领域，具体涉及一种仿生微结构的柔性力学传感器及其制备方法。

背景技术

柔性力学传感器能够将外界压力或应变等机械刺激信号转化为可处理的电信号，相比于传统的刚性传感器，柔性力学传感器具有较高的灵敏度和较宽的测量范围，同时具有优异的力学柔韧性和贴附性，在物联网、人工智能、智能机器人、人机交互、人体健康监测、结构健康监测等领域具有广阔的应用前景。随着信息时代的应用需求越来越高，相关工程应用对柔性传感器的灵敏度、测量范围等各性能指标提出了更高的要求，迫切需要具有优异性能的柔性力学传感器。同时对于实际工程应用，必须同时考虑传感器的制造成本和工艺方案。如何低成本、大批量快速制备高性能柔性力学传感器仍然是当今世界面临的巨大难题。

近年来，国内外学者围绕提升柔性力学传感器灵敏度、测量范围等方面做了大量有益的探索。国内外研究者开发了各种各样的材料的发展高性能柔性力学传感器。由于微结构在外力作用有利于变形，微结构型柔性传感器得到了广泛的研究。例如：新加坡C.K.Lee等人研究了微金字塔阵列的柔性压力传感器(DOI:10.1073/pnas.2010989117)，并将其用于人体脉搏等微弱信号的监测。我国任天令教授团队基于砂纸表面微结构，通过倒模制备了一种表面随机分布非规则的微结构型柔性压力传感器(DOI:10.1021/acsnano.7b07613)，该传感器展现出优异的稳定性、快速响应和低探测极限，实现了灵敏度和测量范围的提升。此外，有学者采用天然生物质材料(如荷叶、玫瑰花瓣、香蕉叶、芦苇叶等)表面自身微结构作为模板，通过倒模等工艺制备具有微结构的柔性力学传感器(DOI:10.1002/adfm.202003491)。虽然这些微结构型柔性传感器在性能提升方面取得了较大进步，但是这些微结构通常采用复杂的光刻加工工艺制备或者采用天然生物质材料作为模板进行倒模制备。光刻加工虽然可以制备多种微结构，但是其制备工艺复杂、制备成本高昂、大批量生产较难；采用生物质材料作为模板进行制备虽然较光刻加工方法成本低廉，但是由于生物质材料微结构尺寸、形状等不受控制，微结构的重复性和可调性差，同时不适宜批量制备。因此，亟需开发一种简单、快速、低成本、无模板(mold-free)的高性能微结构柔性力学传感器及其制备方法。

发明内容

本发明的目的之一是针对现有高性能微结构柔性力学传感器存在的上述问题，提供一种防生微结构表面特征的柔性力学传感器，以解决现有微结构柔性力学传感器制备工艺复杂、成本高昂、大批量制备难等问题。

为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：

一种仿生微结构表面特征的柔性力学传感器，包括成对设置的具有表面微结构特征的导电传感层，且导电传感层上具有表面微结构特征的面相对设置；

其中，所述导电传感层包括基体层；

所述基体层为，对掺入了热膨胀微球的高分子弹性体薄膜实施加热发泡制得的，表面具有由于内部的热膨胀微球受热膨胀而产生的微凸起结构的微结构薄膜材料基体层；

还包括成型在该基体层具有微凸起结构的表面上的导电涂层。

本发明的另一目的，是提供一种前述的仿生微结构的柔性力学传感器的制备方法，包括如下步骤：

步骤S1，获得均匀混合的热膨胀微球/高分子弹性体混合液；