本發(fā)明屬于傳感器制備方法，具體涉及一種利用微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料調(diào)控實(shí)現(xiàn)傳感器的傳感性能協(xié)同增強(qiáng)的方法及其產(chǎn)品和應(yīng)用。

背景技術(shù)：

1、柔性壓力傳感器具備柔軟、輕便、可彎曲、可拉伸等優(yōu)點(diǎn)，能夠貼合不規(guī)則表面，實(shí)現(xiàn)高精度的壓力感知和實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在多個(gè)前沿領(lǐng)域展示了巨大的潛力和廣泛的應(yīng)用價(jià)值，這也標(biāo)志著傳感技術(shù)向智能化和多功能化的方向邁進(jìn)。它不僅為現(xiàn)代社會(huì)提供了更多便捷和智能的解決方案，也為未來(lái)科技的發(fā)展開辟了新的方向和可能性。

2、柔性壓力傳感器通常是由中間的傳感功能層與兩層柔性電極制備而成。根據(jù)傳感器信號(hào)換算原理的不同，柔性壓力傳感器主要分為四大類：電容式、電阻式、壓電式和摩擦電式壓力傳感器。相較于電阻型傳感器，電容型具有更寬的壓力測(cè)試范圍和更高的穩(wěn)定性；而相對(duì)于壓力型和摩擦電型傳感器，其不受信號(hào)動(dòng)態(tài)和靜態(tài)的限制。不僅如此，電容型壓力傳感器還具有高漂移穩(wěn)定性、高靈敏、低功耗、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單等特點(diǎn)，被認(rèn)為是高性能傳感最有前途的選擇，得到了廣泛的研究。電容性壓力傳感器主要分為兩類：基于平行板電容原理的傳統(tǒng)平行板電容器和基于雙電層原理的離電型柔性壓力傳感器。

3、平行板電容器由兩塊平行的金屬板和中間介質(zhì)層組成，其中介質(zhì)層通常為空氣或高介電常數(shù)的介電層。形成的電容值會(huì)隨著兩極板間的距離變化而發(fā)生變化，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)不同壓力的對(duì)應(yīng)映射。由于平行板電容器的相對(duì)面積和距離的變化相對(duì)來(lái)說(shuō)都是有限的，因此，研究者們通常調(diào)控電介質(zhì)的相對(duì)介電常數(shù)以制備出性能最佳的電容器。

4、而另一種電容型壓力傳感器為基于雙電層原理的離電型壓力傳感器，因其極高的靈敏度被認(rèn)為是發(fā)展高靈敏壓力傳感器件的核心途徑。離電型柔性壓力傳感器如附圖1所示，具體是由兩層柔性電極和中間離子功能材料層組成。由于電荷之間的吸引作用，會(huì)在離子與電子界面處形成雙電層，從而產(chǎn)生較大的單位面積電容。當(dāng)施加壓力時(shí)，離子功能材料層被壓縮從而在界面處形成越來(lái)越多的電容器并聯(lián)，大幅的提高電容值。

5、為了能在不同的應(yīng)用場(chǎng)景下可以準(zhǔn)確采集信號(hào)，研究者們往往需要選擇適當(dāng)?shù)脑O(shè)計(jì)和材料，找到最佳平衡點(diǎn)，對(duì)傳感器進(jìn)行定制化設(shè)計(jì)以滿足特定應(yīng)用的要求。其關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)在于優(yōu)化某一個(gè)性能指標(biāo)時(shí)，往往會(huì)對(duì)其他指標(biāo)產(chǎn)生不利影響，具體表現(xiàn)為傳感器的靈敏度、線性度和量程之間存在一定的矛盾。高靈敏度對(duì)于柔性壓力傳感器而言非常重要，因?yàn)樗軌驒z測(cè)到極微小的壓力變化，確保傳感器在復(fù)雜和多變的環(huán)境中仍能提供準(zhǔn)確和可靠的測(cè)量。線性響應(yīng)對(duì)于柔性壓力傳感器而言同樣重要，因?yàn)樗軌虼_保壓力與傳感器輸出信號(hào)之間的關(guān)系保持一致和可預(yù)測(cè)，從而簡(jiǎn)化數(shù)據(jù)處理和校準(zhǔn)過(guò)程，提高測(cè)量精度和可靠性。除此之外，較寬的工作量程允許傳感器在各種壓力環(huán)境中提供穩(wěn)定和準(zhǔn)確的測(cè)量，從輕微接觸到較大壓力都能有效響應(yīng)，這對(duì)于在廣泛應(yīng)用場(chǎng)景中的不同程度壓力監(jiān)測(cè)提供一定的可靠性。

6、通常，提高靈敏度會(huì)導(dǎo)致傳感器的量程變窄，其因?yàn)樵谟冢焊哽`敏度設(shè)計(jì)通常針對(duì)微小變化進(jìn)行優(yōu)化，當(dāng)輸入信號(hào)超出一定范圍時(shí)，傳感器產(chǎn)生的壓力增量與電信號(hào)之間的不匹配，導(dǎo)致在高壓狀態(tài)下的信號(hào)飽和，難以保證寬量程下的準(zhǔn)確測(cè)量，進(jìn)而阻礙了傳感器在全量程下線性響應(yīng)的實(shí)現(xiàn)。

7、由此可見，如何解決傳統(tǒng)傳感器高靈敏、高線性度和寬量程等傳感性能不可兼得的技術(shù)問(wèn)題，對(duì)于本領(lǐng)域技術(shù)人員具有重要意義。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、針對(duì)現(xiàn)有技術(shù)中，傳統(tǒng)傳感器不可兼顧高靈敏、高線性度和寬量程等傳感性能的技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種利用微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料調(diào)控實(shí)現(xiàn)傳感器的傳感性能協(xié)同增強(qiáng)的方法。通過(guò)傳感器材料層微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)以及功能材料用量調(diào)控進(jìn)行相互配合，綜合實(shí)現(xiàn)了各種傳感性能之間的協(xié)同增長(zhǎng)。

2、為實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明提供一種利用微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料調(diào)控實(shí)現(xiàn)傳感器的傳感性能協(xié)同增強(qiáng)的方法，包括以下步驟：

3、s1以ogden模型擬合離子凝膠的應(yīng)力應(yīng)變曲線，以類柱狀微結(jié)構(gòu)作為參數(shù)調(diào)整的種子模型，進(jìn)行微結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)仿真，得到線性微結(jié)構(gòu)陣列模型；

4、s2將得到的微結(jié)構(gòu)模型導(dǎo)出，通過(guò)3d打印機(jī)自動(dòng)打印得到樹脂模具，將離子液體前驅(qū)體倒入所得模具，固化后脫模，即得表面有序分布線性微結(jié)構(gòu)的傳感材料；

5、s3將得到的傳感材料作為中間離子功能層，組裝成離電型柔性壓力傳感器。

6、在一優(yōu)選的實(shí)施方式中，步驟s2中，所述離子液體前驅(qū)體的制備方法包括以下步驟：將聚合物單體、離子液體、交聯(lián)劑和引發(fā)劑混合均勻，即得；其中，所述交聯(lián)劑和聚合物單體的質(zhì)量比為(0.05-0.3):1；優(yōu)選的，所述交聯(lián)劑和聚合物單體的質(zhì)量比為0.05:1、0.1:1、0.2:1、0.3:1。

7、更優(yōu)選的，所述聚合物單體由丙烯腈單體和丙烯酸乙酯單體組成；所述離子液體包括1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲磺酰亞胺鹽；所述交聯(lián)劑包括三羥甲基丙烷三甲基丙烯酸酯；所述引發(fā)劑包括(2,4,6-三甲基苯甲?；?二苯基氧化膦；

8、最優(yōu)選的，所述聚合物單體中，丙烯酸乙酯單體和丙烯腈單體的質(zhì)量比為5:5-2:8；所述離子液體和聚合物單體的質(zhì)量比為(0.5-1.5):1；所述交聯(lián)劑和聚合物單體的質(zhì)量比為(0.05-0.3):1；所述引發(fā)劑和聚合物單體的質(zhì)量比為(0.003-0.007):1。

9、在一優(yōu)選的實(shí)施方式中，步驟s2中，制備得到的傳感材料表面微結(jié)構(gòu)具體是由多個(gè)異形單元頭尾交錯(cuò)成列分布，每個(gè)異形單元具有截面成半圓形的頭部、以及沿該頭部扁平化向后擴(kuò)展延伸的尾部。

10、在一優(yōu)選的實(shí)施方式中，步驟s3中，制備得到的離電型柔性壓力傳感器可實(shí)現(xiàn)0-2mpa內(nèi)線性度高于0.997。

11、在本發(fā)明中，通過(guò)選擇離電型壓力傳感器解決靈敏度低的問(wèn)題；通過(guò)仿真模擬設(shè)計(jì)出可以超高線性響應(yīng)的線性微結(jié)構(gòu)模版；通過(guò)3d打印技術(shù)和離子液體倒模技術(shù)將復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能材料一體化制備；再通過(guò)調(diào)試離子液體配比，實(shí)現(xiàn)傳感材料的傳感功能與機(jī)械性能相配合，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)高線性與寬量程的同時(shí)兼得，從而解決高靈敏、高線性度以及寬量程之間的普遍矛盾。

12、在一優(yōu)選的實(shí)施方式中，步驟s1中，所述離子凝膠由步驟s2的離子液體前驅(qū)體經(jīng)聚合反應(yīng)得到；優(yōu)選的，所述聚合反應(yīng)條件為：光源功率6-10w，波長(zhǎng)365nm，光照聚合時(shí)間40min-2h。

13、在一優(yōu)選的實(shí)施方式中，步驟s1中，所述類柱狀微結(jié)構(gòu)包括柱形的高度(h)，頭尾兩個(gè)側(cè)面的水平半徑(x1,x2)以及頭尾兩個(gè)側(cè)面的垂直半徑(y1,y2)。

14、在一優(yōu)選的實(shí)施方式中，步驟s1中，所述類柱狀微結(jié)構(gòu)的約束條件包括：各尺寸的下限不低于10μm、上限不超過(guò)100μm、x2>x1，y2<y1。

15、在一優(yōu)選的實(shí)施方式中，步驟s1中，經(jīng)仿真結(jié)果發(fā)現(xiàn)，當(dāng)微結(jié)構(gòu)頭部的垂直半徑與水平半徑比小于4時(shí)(滿足4x1≥y1)，可以避免結(jié)構(gòu)在壓縮的過(guò)程中的坍塌。

16、在一優(yōu)選的實(shí)施方式中，步驟s1中，所述微結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)仿真模擬結(jié)果為：x1＝25μm,y1＝100μm,x2＝65μm,y1＝10.2μm。

17、在一優(yōu)選的實(shí)施方式中，步驟s2具體包括：

18、s21用軟件對(duì)計(jì)算出的線性微結(jié)構(gòu)陣列模型進(jìn)行檢查修復(fù)和切片處理；

19、s22將切片后的模型導(dǎo)入3d打印機(jī)器自動(dòng)打印，得到樹脂模具；

20、s23取出樹脂模具，清洗處理；

21、s24在清洗后的模具中倒入離子液體前驅(qū)體，固化后，脫除模具。

22、優(yōu)選的，步驟s21中，將計(jì)算出的線性微結(jié)構(gòu)陣列模型導(dǎo)入materialise?magics軟件中進(jìn)行模型缺陷檢查并修復(fù)以減小模型的內(nèi)存大小，獲得適合切片的stl格式模型；將切片好的模型導(dǎo)入打印切片工具中(bmf-3dslicer)進(jìn)行切片；更優(yōu)選的，平臺(tái)精度為2μm，層厚為5μm，控制3d打印的總面積在38.4mm·21.6mm內(nèi)。

23、優(yōu)選的，步驟s22中，所述3d打印機(jī)的型號(hào)為bmf?s130型(數(shù)字光處理型)，更優(yōu)選的，對(duì)3d打印機(jī)與固定裝置進(jìn)行水平調(diào)平，使得四周水平偏差不超過(guò)5μm。

24、優(yōu)選的，步驟s23中，所述清洗的目的是去除殘留在固化模版中的樹脂前驅(qū)體，因此，可采用本領(lǐng)域技術(shù)人員所掌握的常規(guī)方式，能達(dá)到前述目的即可；如，將打印完成后的材料取出后依次放入乙醇、去離子水中分別超聲30min，將超聲后的材料置于50℃的烘箱中烘干2h。

25、優(yōu)選的，步驟s24中，所述固化方式可采用本領(lǐng)域技術(shù)人員所掌握的常規(guī)方式，如光照固化；更優(yōu)選的，所述固化條件為：光源功率6-10w，波長(zhǎng)365nm，光照聚合時(shí)間40min-2h。

26、本發(fā)明的另一目的在于提供上述任意一種方法制備得到的同時(shí)兼顧高靈敏、高線性度和寬量程的柔性壓力傳感。

27、在本發(fā)明中，通過(guò)3d打印技術(shù)結(jié)合離子液體倒模技術(shù)在傳感材料層(離子凝膠)單面制備得到線性微結(jié)構(gòu)，需要說(shuō)明的是，本發(fā)明還可以將兩個(gè)3d打印模具相結(jié)合，從而在傳感材料層(離子凝膠)雙面制備得到線性微結(jié)構(gòu)，同樣在本發(fā)明保護(hù)范圍內(nèi)。

28、本發(fā)明的另一目的在于提供上述任意一種方法制備得到的同時(shí)兼顧高靈敏、高線性度和寬量程的柔性壓力傳感在健康監(jiān)測(cè)、可穿戴設(shè)備、機(jī)器人觸覺、虛擬現(xiàn)實(shí)領(lǐng)域中的應(yīng)用。

29、與現(xiàn)有技術(shù)相比，本發(fā)明的技術(shù)方案具有如下優(yōu)點(diǎn)：

30、本發(fā)明提供一種利用微結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與材料調(diào)控實(shí)現(xiàn)傳感器的傳感性能協(xié)同增強(qiáng)的通用方法，首先通過(guò)計(jì)算機(jī)模擬計(jì)算得到線性微結(jié)構(gòu)模型，再通過(guò)調(diào)控凝膠材料中交聯(lián)劑占比拓寬了傳感器線性的量程，使得凝膠材料在高壓場(chǎng)景下的線性采集提供可能性。在具體的傳感材料制備方法上，本發(fā)明通過(guò)3d打印技術(shù)結(jié)合離子液體倒模技術(shù)，將復(fù)雜結(jié)構(gòu)和功能材料進(jìn)行一體化制備，即可快速得到具有特定功能的線性微結(jié)構(gòu)傳感材料。再將其組裝成離電型柔性壓力傳感器，即可解決現(xiàn)有技術(shù)中的傳感器無(wú)法同時(shí)兼顧高靈敏、高線性度和寬量程的問(wèn)題。本發(fā)明所制備的傳感器可實(shí)現(xiàn)0-2mpa內(nèi)線性度高于0.997的超靈敏、高線性以及寬量程的同時(shí)實(shí)現(xiàn)，遠(yuǎn)高于目前市面上的所有傳感器，具有全球領(lǐng)先的傳感性能。