本實(shí)用新型屬于新型傳感器技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種碳基電阻式柔性壓力傳感器。

背景技術(shù)：

壓力傳感器是一種將壓力、應(yīng)變等物理量轉(zhuǎn)化為電信號(hào)的電子器件裝置。壓力在自然界中是一種十分重要的物理量，在人類的身體上就有無數(shù)的壓力傳感器在感知環(huán)境中的壓力類信號(hào)，從而使得我們可以適應(yīng)環(huán)境、規(guī)避危險(xiǎn)。當(dāng)下隨著可穿戴設(shè)備、機(jī)器人、電子皮膚等領(lǐng)域迅速發(fā)展，為了讓這些人造機(jī)器具備類似人的智能，對(duì)環(huán)境中壓力類信號(hào)這一物理量的全方位感知和精確測(cè)量具有十分重要的意義。

然而傳統(tǒng)的壓力傳感器一般是非柔性的剛性材質(zhì)，在受到較大機(jī)械形變時(shí)容易毀損，無法工作。因此難以用于可穿戴設(shè)備、電子皮膚、機(jī)器人的各個(gè)關(guān)節(jié)處等機(jī)械形變較大的工作場合。若能有可以正常工作于大范圍機(jī)械形變的柔性壓力傳感器，用以采集這些場合的壓力、應(yīng)變等信號(hào)，將大大提升機(jī)器的感知壓力能力。

受這類需求的驅(qū)動(dòng)，柔性壓力傳感器近些年來取得了不少研究進(jìn)展。不過目前可以工作于大范圍機(jī)械形變的柔性壓力傳感器采用的材料往往是楊氏模量低的高分子聚合物等材料，將導(dǎo)電物質(zhì)填充于這些高分子聚合物中，利用壓力產(chǎn)生形變的方法改變聚合物中導(dǎo)電填充物之間的間距，從而改變材料電阻，達(dá)到檢測(cè)壓力的目的。這種柔性壓力傳感器對(duì)壓力變化的響應(yīng)時(shí)間和恢復(fù)時(shí)間慢，難以用于測(cè)量高頻變化的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)。目前柔性壓力傳感器中可測(cè)得最高動(dòng)態(tài)高頻壓力信號(hào)的是Dan Li課題組的研究成果，可分辨測(cè)出2kHz的動(dòng)態(tài)壓力信號(hào)。但是這仍然不能滿足高頻壓力信號(hào)測(cè)量的需求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型的目的是提供一種碳基電阻式柔性壓力傳感器。該壓力傳感器具有優(yōu)良的柔性性質(zhì)，可以在彎曲任意角度的狀態(tài)下正常工作，當(dāng)該壓力傳感器受到壓力作用或者發(fā)生彎曲應(yīng)變時(shí)，從聚酰亞胺上兩端銀電極測(cè)得的電阻值發(fā)生相應(yīng)變化，從而感知壓力信號(hào)。該壓力傳感器不僅利用材料本身受壓形變導(dǎo)致阻變的原理，同時(shí)利用材料特殊結(jié)構(gòu)與電極之間形成受壓力調(diào)控的接觸電阻的原理。其靈敏度高，應(yīng)變系數(shù)為2.1-3之間；壓力測(cè)量范圍廣，為10Pa至900kPa；具有很高的分辨率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，能測(cè)出高達(dá)10kHz的動(dòng)態(tài)高頻壓力信號(hào)；穩(wěn)定性質(zhì)好，通過了8000次以上的穩(wěn)定性重復(fù)測(cè)試。這種碳基電阻式柔性壓力傳感器制備工藝簡單，設(shè)備成本低，該電阻式柔性壓力傳感器適用于可穿戴設(shè)備，可用于壓力、應(yīng)變等物理量測(cè)量。

實(shí)現(xiàn)本實(shí)用新型目的的具體技術(shù)方案是：

一種碳基電阻式柔性壓力傳感器，特點(diǎn)是：該傳感器呈四層薄膜結(jié)構(gòu)，包括柔性聚酰亞胺薄膜層、銀電極層、柔性石墨烯和氧化石墨烯的復(fù)合薄膜層以及氧化石墨烯薄膜絕緣保護(hù)層，其中，聚酰亞胺薄膜層厚度為20μm-200μm；銀電極層厚度500nm-5μm，生長在聚酰亞胺薄膜層兩端；柔性石墨烯和氧化石墨烯的復(fù)合薄膜層厚度為50μm-600μm，該層呈蜂窩式多孔層狀結(jié)構(gòu)；使用的材料為石墨烯和氧化石墨烯的混合物，石墨烯和氧化石墨烯混合比例在10-3:1-2，石墨烯含量越多則壓力傳感器初始不受壓力時(shí)電阻越??；氧化石墨烯薄膜絕緣保護(hù)層，厚度20μm-300μm；柔性石墨烯和氧化石墨烯的復(fù)合薄膜層與氧化石墨烯絕緣保護(hù)層生長在一起，與銀電極層粘結(jié)在一起。

所述壓力傳感器的制備包括以下步驟：

步驟1：制備襯底

采用化學(xué)離子交換和噴墨打印相結(jié)合的方法，在20μm-200μm厚的聚酰亞胺薄膜兩端生長一層500nm-5μm厚的銀電極層；

步驟2：制備功能層

將石墨烯和氧化石墨烯以質(zhì)量比為10-3:1-2的比例混合，并配制成懸濁液，濃度為0.2-1.8mg/ml，同時(shí)再配制一份氧化石墨烯懸濁液，濃度為0.2-1.8mg/ml，然后通過順序真空抽濾的方法分別連續(xù)對(duì)這兩種懸濁液抽濾，得到厚度為20μm-300μm的氧化石墨烯絕緣保護(hù)層以及厚度為50μm-600μm的石墨烯和氧化石墨烯的復(fù)合層，兩層牢固生長在一起；

步驟3：制作壓力傳感器

將襯底的銀電極層與功能層的石墨烯和氧化石墨烯的復(fù)合層通過導(dǎo)電銀漿粘結(jié)在一起，并在銀電極層兩端引出導(dǎo)線，得到所述柔性壓力傳感器。

本實(shí)用新型的聚酰亞胺薄膜層厚度為20μm-200μm，聚酰亞胺薄膜具有優(yōu)良的柔性性質(zhì)，可任意彎曲而不會(huì)毀損。銀電極層厚度約500nm至5μm。銀電極層采用化學(xué)離子交換和噴墨打印相結(jié)合的方法，生長在聚酰亞胺薄膜層兩端。這兩層牢固生長在一起作為整個(gè)傳感器的襯底，測(cè)量電極從兩端銀電極引出。

柔性的石墨烯和氧化石墨烯的復(fù)合薄膜層厚度為50μm至600μm，該層呈蜂窩式多孔層狀結(jié)構(gòu)，使用的材料為石墨烯和氧化石墨烯的混合物，兩者混合比例在10:1到3:2之間可調(diào)，石墨烯含量越多則壓力傳感器初始不受壓力時(shí)電阻越小。最頂層的氧化石墨烯層作為絕緣保護(hù)層，厚度20μm至300μm。這兩層材料通過順序真空抽濾的加工方法牢固生長在一起，作為傳感器功能層。

傳感器功能層的石墨烯和氧化石墨烯復(fù)合層和襯底的銀電極層之間通過導(dǎo)電膠或者導(dǎo)電銀漿面對(duì)面粘結(jié)在一起，這使得在銀電極層和蜂窩式多孔層狀結(jié)構(gòu)的石墨烯和氧化石墨烯復(fù)合層之間形成較大的接觸電阻。當(dāng)傳感器受壓力作用或者發(fā)生彎曲應(yīng)變時(shí)，該接觸電阻會(huì)隨著壓力的增大而減小，同時(shí)復(fù)合層的蜂窩式多孔層狀結(jié)構(gòu)由疏松變得致密，其電阻也會(huì)隨著壓力的增大而減小，在這兩種機(jī)制的共同作用下，壓力傳感器可以精確感知壓力變化。

銀電極層和蜂窩式多孔層狀結(jié)構(gòu)的石墨烯和氧化石墨烯復(fù)合層之間形成的接觸電阻可通過以下公式計(jì)算：

R_c＝{ρ²ηπH/4F}^1/2 (1)

其中，R_c為接觸電阻，ρ是電阻率，η為經(jīng)驗(yàn)參數(shù)，H為材料硬度，F(xiàn)為壓力。從公式(1)可知，在接觸材料確定的情況下，接觸電阻只與傳感器所受的壓力有關(guān)，負(fù)載力越大，接觸電阻越小。

蜂窩式多孔層狀結(jié)構(gòu)的石墨烯和氧化石墨烯復(fù)合層的電阻可通過以下公式計(jì)算：

R_a＝ρl/S (2)

其中，R_a為復(fù)合層電阻，ρ為電阻率，l為復(fù)合層長度，S為復(fù)合層橫截面積。因?yàn)槭┖脱趸?fù)合層呈蜂窩式多孔層狀結(jié)構(gòu)，傳感器上受的壓力會(huì)使得這種孔狀結(jié)構(gòu)由疏松變得致密，從而減小其橫截面積S。從公式(2)可知，傳感器所受壓力會(huì)使得復(fù)合層電阻R_a減小。

因此，銀電極兩端測(cè)得的總電阻值可由以下公式計(jì)算：

R＝R_c+R_a (3)

其中R為總電阻，由公式(1)和(2)知R_c和R_a都隨著壓力傳感器所受壓力的增大而減小，因此R和壓力F成反比關(guān)系。

在以上兩種機(jī)制的共同作用下，這種柔性壓力傳感器可以精確感知作用其上的壓力變化。本實(shí)用新型的有益效果

1)整體呈薄膜狀結(jié)構(gòu)，柔性性質(zhì)好，可在彎曲任意角度的狀態(tài)下正常工作；

2)靈敏度高，應(yīng)變系數(shù)在2.1-3之間；

3)壓力測(cè)量范圍廣，為10Pa至900kPa；

4)具有很高的分辨率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，能測(cè)出高達(dá)10kHz的動(dòng)態(tài)高頻壓力信號(hào)；

5)穩(wěn)定性質(zhì)好，通過了8000次以上的穩(wěn)定性重復(fù)測(cè)試。

附圖說明

圖1為本實(shí)用新型結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本實(shí)用新型電阻變化率與壓力關(guān)系曲線圖；

圖3為流經(jīng)本實(shí)用新型的電流與壓力變化跟隨關(guān)系曲線圖；

圖4為本實(shí)用新型在100Hz、2kHz、8kHz、10kHz周期性壓力作用下的電壓變化曲線圖；

圖5為圖4的測(cè)試電路圖；

圖6為本實(shí)用新型重復(fù)穩(wěn)定性測(cè)試曲線圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例，對(duì)本實(shí)用新型作進(jìn)一步闡述。

實(shí)施例

參閱圖1，是本實(shí)用新型整體呈薄膜結(jié)構(gòu)，包含四層結(jié)構(gòu)薄膜，柔性聚酰亞胺薄膜層1、銀電極層2、柔性石墨烯和氧化石墨烯的復(fù)合薄膜層3以及氧化石墨烯薄膜絕緣保護(hù)層4。本實(shí)用新型的制作組裝過程如下：

首先制作壓力傳感器的襯底：通過成熟的離子交換和噴墨打印技術(shù)，在50μm厚的干凈聚酰亞胺薄膜兩端生長一層2μm厚的銀電極層。

然后制作壓力傳感器的上層功能層：將石墨烯和氧化石墨烯以5:1的比例混合，并配制成懸濁液，濃度為1.5mg/ml，同時(shí)再配制一份單純的氧化石墨烯懸濁液，濃度為1.5mg/ml。然后通過順序真空抽濾的方法連續(xù)分別對(duì)這兩種懸濁液抽濾，得到氧化石墨烯絕緣保護(hù)層(厚度約100μm)以及石墨烯和氧化石墨烯復(fù)合層(厚度約200μm)，并且這兩層因?yàn)檫B續(xù)抽濾的原因牢固生長在一起。

最后，傳感器上層功能層的石墨烯和氧化石墨烯復(fù)合層和襯底的銀電極層之間通過導(dǎo)電銀漿面對(duì)面粘結(jié)在一起，并在銀電極兩端引出測(cè)試導(dǎo)線進(jìn)行性能測(cè)試。

銀電極兩端測(cè)得的傳感器電阻值包含銀電極層和復(fù)合層之間的接觸電阻R_c以及復(fù)合層本身的電阻R_a，這個(gè)電阻值都受到作用在傳感器上壓力的影響，并且與壓力成反比關(guān)系。

參閱圖2，是本實(shí)用新型本實(shí)施例銀電極兩端測(cè)得的電阻變化率與壓力的關(guān)系曲線。從電阻變化率與壓力的關(guān)系曲線可以看出，在0至900kPa的壓力范圍內(nèi)，壓力傳感器銀電極兩端測(cè)得的電阻值隨著壓力的增大而逐漸減小，兩者成反比關(guān)系。

參閱圖3，是流經(jīng)本實(shí)施例柔性電阻式壓力傳感器的電流與壓力變化跟隨關(guān)系曲線。測(cè)試該曲線時(shí)，在壓力傳感器上施加了0.01V電壓，然后以逐漸增大的壓力脈沖作用其上，測(cè)試流經(jīng)傳感器電流的變化情況。壓力傳感器反應(yīng)靈敏，能靈敏地反映出壓力的變化情況。

參閱圖4和圖5，是本實(shí)施例在100Hz、2kHz、8kHz、10kHz周期性壓力作用下的電壓變化曲線以及測(cè)試電路。測(cè)試該組高頻響應(yīng)曲線時(shí)，將本實(shí)施例的壓力傳感器與一定值電阻串聯(lián)，作用于壓力傳感器和定值電阻上的總電壓恒定不變，測(cè)試電路參閱圖5。然后通過高頻電磁起震平臺(tái)產(chǎn)生振動(dòng)信號(hào)，從而施加高頻壓力信號(hào)于壓力傳感器上，并通過示波器觀察定值電阻兩端的電壓信號(hào)變化。該組頻率響應(yīng)曲線說明這種電阻式柔性壓力傳感器具有很高的分辨率和動(dòng)態(tài)響應(yīng)，能分辨出高達(dá)10kHz的高頻壓力信號(hào)。

參閱圖6，是本實(shí)施例柔性電阻式壓力傳感器重復(fù)穩(wěn)定性測(cè)試曲線，重復(fù)測(cè)試了8000次以上，重復(fù)8000多次之后較之初始時(shí)性能幾乎不變，具有良好的工作穩(wěn)定性和耐久性。