本發明涉及(ji)壓力傳感器，尤其涉及(ji)一種(zhong)摩擦電式壓力傳感器及(ji)其制(zhi)備(bei)方法。

背景技術：

1、傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)是(shi)(shi)物聯網(wang)中(zhong)設備與(yu)控制端之間(jian)信(xin)息交(jiao)換(huan)最重要的(de)節點，在(zai)(zai)眾多的(de)傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)中(zhong)，壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)是(shi)(shi)最為常用(yong)的(de)一(yi)種(zhong)傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)，由(you)各種(zhong)壓(ya)力(li)敏(min)感(gan)(gan)(gan)(gan)元件(jian)將被測壓(ya)力(li)信(xin)號(hao)轉換(huan)成容(rong)(rong)易(yi)測量的(de)電(dian)信(xin)號(hao)作輸出(chu)，給顯示儀表(biao)顯示壓(ya)力(li)值(zhi)，或供控制和報警(jing)使用(yong)，其應用(yong)幾乎(hu)滲透到了(le)各行(xing)各業(ye)。隨著科技的(de)發(fa)展對壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)的(de)要求一(yi)直(zhi)在(zai)(zai)變化(hua)，壓(ya)力(li)傳(chuan)感(gan)(gan)(gan)(gan)器(qi)也(ye)不(bu)斷的(de)在(zai)(zai)順勢更迭，目前(qian)主(zhu)要包括(kuo)電(dian)容(rong)(rong)式(shi)、壓(ya)阻式(shi)、壓(ya)電(dian)式(shi)等。

2、電(dian)容式和(he)壓阻式壓力(li)傳感器(qi)的信(xin)號輸(shu)出需(xu)要測試回路(lu)持(chi)續提供電(dian)源(yuan)輸(shu)入，但隨著傳感器(qi)數(shu)量增(zeng)加，所需(xu)電(dian)源(yuan)的體積和(he)數(shu)量甚至遠大于其本身(shen)，在(zai)四散分布且數(shu)量龐大的物聯網(wang)傳感節(jie)點中，供電(dian)問題已成(cheng)為制約(yue)其發展的瓶頸。

3、摩擦(ca)電式壓(ya)(ya)力(li)傳感(gan)器(qi)是一(yi)種(zhong)利用(yong)摩擦(ca)力(li)變(bian)化來測(ce)量(liang)壓(ya)(ya)力(li)的(de)(de)傳感(gan)器(qi)。其(qi)工作原(yuan)理是利用(yong)外加(jia)壓(ya)(ya)力(li)引起傳感(gan)器(qi)內部(bu)摩擦(ca)力(li)的(de)(de)變(bian)化，進(jin)而產(chan)生(sheng)相應的(de)(de)電信號輸出(chu)，結構(gou)簡單(dan)、響(xiang)應速度快(kuai)、精(jing)度高等(deng)優(you)點，適用(yong)于一(yi)些需要快(kuai)速響(xiang)應和(he)高精(jing)度測(ce)量(liang)的(de)(de)場合，在現有技術(shu)中，傳統的(de)(de)摩擦(ca)電式壓(ya)(ya)力(li)傳感(gan)器(qi)往往面(mian)臨著(zhu)靈敏度不足、耐用(yong)性(xing)差以及在微小壓(ya)(ya)力(li)下的(de)(de)穩(wen)定性(xing)問題。這些問題限制(zhi)了傳感(gan)器(qi)在需要高精(jing)度和(he)長期穩(wen)定性(xing)應用(yong)場景中的(de)(de)使用(yong)。

4、因此，有(you)必要(yao)針對(dui)現有(you)技術中摩(mo)擦電(dian)式壓力傳感器的不(bu)足(zu)進(jin)行改進(jin)，以解決上述問題。

技術實現思路

1、本發明克服了現有技術的(de)不足，提供一種摩擦電式壓力傳感器(qi)及其制(zhi)備方法。

2、為達(da)到上述(shu)目的，本發明采用的技術方(fang)案為：一種摩擦(ca)電式(shi)壓力傳感器的制備方(fang)法，包括(kuo)以下(xia)步驟：

3、s1、采用(yong)硅片(pian)作為基片(pian)，通(tong)過等離子刻(ke)蝕(shi)法在基片(pian)表(biao)面刻(ke)蝕(shi)出倒(dao)金字塔微結構；

4、s2、采用蒸鍍法(fa)在基片(pian)上沉積一層(ceng)導電材(cai)料(liao)，形成下電極層(ceng)；

5、s3、采用抽濾法在下(xia)電極層上沉(chen)積(ji)一層tio2，形成電荷貯存層；

6、s4、采用抽濾(lv)法在電荷貯存層(ceng)(ceng)上沉積一層(ceng)(ceng)mxene，形(xing)成電荷傳(chuan)輸層(ceng)(ceng)；

7、s5、在電(dian)荷傳(chuan)輸層上，利用3d打印技術，采(cai)用rgo漿料，制備(bei)基于pdms包覆的(de)層狀rgo復合(he)材料，作(zuo)為起(qi)電(dian)層；

8、s6、在起電層上采用(yong)聚合物(wu)膜，構建成(cheng)內部(bu)為密(mi)封中空(kong)腔體的間隔層；

9、s7、在(zai)間隔層(ceng)的密封中空腔體內部(bu)，注入液(ye)態(tai)介質(zhi)，形成(cheng)液(ye)態(tai)介質(zhi)層(ceng)；

10、s8、制(zhi)備pdms-pux-pa1-x-zn材料(liao)，將(jiang)pdms-pux-pa1-x-zn涂(tu)覆(fu)在間隔層(ceng)(ceng)和液態介質(zhi)層(ceng)(ceng)上，形成接觸層(ceng)(ceng)；

11、s9、采用蒸鍍法在接觸層上沉積一層導(dao)電材料，形成上電極層，完成摩擦(ca)電式壓力傳感器的制備；

12、s10、采用放大器(qi)(qi)、濾波器(qi)(qi)、模(mo)數轉換(huan)器(qi)(qi)和(he)藍牙模(mo)塊集成傳感檢測模(mo)組，實現摩擦(ca)電(dian)式壓(ya)力傳感器(qi)(qi)信號(hao)的(de)放大、處理(li)和(he)無線傳輸(shu)。

13、本發明一個(ge)較佳實施例中(zhong)，在所(suo)述(shu)s1中(zhong)，所(suo)述(shu)倒金字塔微結構的(de)制備方法(fa)，包(bao)括以(yi)下步驟(zou)：

14、s11、在所(suo)述(shu)硅片表面涂覆一層光(guang)刻(ke)(ke)膠形成掩膜層，使用電子束光(guang)刻(ke)(ke)，將(jiang)倒(dao)金字塔結構圖案轉移至所(suo)述(shu)掩膜層上；

15、s12、在所述(shu)(shu)硅片上(shang)施加(jia)射頻波(bo)生成低(di)溫等(deng)離子(zi)體，選(xuan)擇性地刻蝕所述(shu)(shu)硅片表面(mian)，未(wei)被(bei)所述(shu)(shu)掩膜層保護的部(bu)分刻蝕掉，所述(shu)(shu)掩膜層下的部(bu)分保持不變；

16、s13、去除剩余的(de)所述掩膜(mo)層，暴露出刻蝕完(wan)成的(de)所述倒(dao)金字塔微結構(gou)。

17、本(ben)發明一個較佳實(shi)施例中，在所述s12中，所述低溫等(deng)離子(zi)體(ti)處(chu)理裝置為管(guan)狀電(dian)極放(fang)電(dian)結(jie)構(gou)，所述射頻(pin)波在氣體(ti)為cf4和o2中工(gong)作。

18、本發(fa)明(ming)一個較(jiao)佳(jia)實施(shi)例中，所(suo)述(shu)倒金字(zi)塔微結構的平均大小為10-30μm，高度為5-15μm，相鄰間距為20-40μm。

19、本發明(ming)一個較佳實施(shi)例中，在所述(shu)(shu)s2和所述(shu)(shu)s9中，所述(shu)(shu)導電(dian)材料為銀(yin)、銅或(huo)鋁中的一種(zhong)。

20、本發明一個較(jiao)佳實施例中(zhong)，在所述(shu)s7中(zhong)，所述(shu)液(ye)態介質為石蠟油、角(jiao)鯊烯或(huo)正庚烷中(zhong)的一種。

21、本發明一個較佳實施例中，在所述(shu)s8中，所述(shu)pdms-pux-pa1-x-zn的制(zhi)備方法，包括(kuo)以下步驟：

22、s21、準備(bei)質量比為1:0.4-0.6：0.5-0.7的雙(3-氨基(ji)(ji)丙基(ji)(ji))封端的聚(二甲基(ji)(ji)硅氧烷)、2,6-吡啶二羰(tang)基(ji)(ji)二氯化物和4,4'-亞甲基(ji)(ji)雙(環己基(ji)(ji)異氰酸(suan)酯)；

23、s22、采用(yong)所(suo)述(shu)雙(3-氨基(ji)(ji)(ji)丙基(ji)(ji)(ji))封端的(de)聚(二甲基(ji)(ji)(ji)硅氧烷)作為聚合物基(ji)(ji)(ji)體，將(jiang)所(suo)述(shu)2,6-吡啶(ding)二羰(tang)基(ji)(ji)(ji)二氯化(hua)物和所(suo)述(shu)4,4'-亞甲基(ji)(ji)(ji)雙(環己基(ji)(ji)(ji)異(yi)氰酸酯)作為間(jian)隔(ge)基(ji)(ji)(ji)，反應獲得化(hua)學式(shi)為pdms-pux-pa1-x的(de)低(di)聚物；

24、s23、準(zhun)備質(zhi)量比為1:0.5-0.7的所(suo)述低聚(ju)物和氯(lv)化鋅，將所(suo)述低聚(ju)物與二氯(lv)甲(jia)烷混合，在加入(ru)氯(lv)化鋅的甲(jia)醇(chun)溶液，在80-100℃的溫度下，攪(jiao)拌處(chu)理1-2h，得到化學式為pdms-pux-pa1-x-zn的接觸層材(cai)料。

25、本發明一(yi)個較佳實施例中，在所(suo)(suo)述pdms-pux-pa1-x-zn中，所(suo)(suo)述x為0.3-1.4。

26、本發(fa)明提供(gong)一種摩擦電(dian)式壓(ya)力傳感(gan)器，所述摩擦電(dian)式壓(ya)力傳感(gan)器由前述的制備方(fang)法(fa)制備獲得(de)。

27、本發明一個較(jiao)佳實施例中，基(ji)片，依次設置(zhi)在(zai)所述(shu)基(ji)片頂部(bu)的下電(dian)極(ji)(ji)層(ceng)(ceng)(ceng)、電(dian)荷貯存層(ceng)(ceng)(ceng)、電(dian)荷傳輸層(ceng)(ceng)(ceng)、起電(dian)層(ceng)(ceng)(ceng)、間隔層(ceng)(ceng)(ceng)、接觸層(ceng)(ceng)(ceng)和(he)上(shang)電(dian)極(ji)(ji)層(ceng)(ceng)(ceng)，以及設置(zhi)在(zai)所述(shu)間隔層(ceng)(ceng)(ceng)中部(bu)腔(qiang)體(ti)內的液態介質層(ceng)(ceng)(ceng)；所述(shu)摩擦電(dian)式(shi)壓(ya)力傳感(gan)器電(dian)性(xing)連(lian)接有傳感(gan)檢(jian)測模組。

28、本(ben)發(fa)明解決了(le)背景技術中存(cun)在的缺(que)陷，本(ben)發(fa)明具備以下有益效(xiao)果：

29、(1)本發明提供了一種摩擦電式(shi)壓力傳(chuan)感(gan)器及其(qi)制備方法(fa)，通過在基(ji)片(pian)上刻蝕出平均大小為10-30μm，高度(du)為5-15μm，相鄰間距(ju)為20-40μm的(de)(de)倒金(jin)字(zi)塔微(wei)結構，可以增加傳(chuan)感(gan)器的(de)(de)表面(mian)積，使得在較小的(de)(de)壓力變(bian)(bian)化(hua)下(xia)也能產生顯著的(de)(de)電荷變(bian)(bian)化(hua)，進(jin)而允許傳(chuan)感(gan)器在極小的(de)(de)壓力下(xia)就能產生足夠的(de)(de)電荷，從而使其(qi)具有極高的(de)(de)靈敏度(du)，極大的(de)(de)實現對微(wei)小壓力的(de)(de)敏感(gan)檢測(ce)。

30、(2)本發明中利用(yong)(yong)雙(shuang)(3-氨基(ji)(ji)丙基(ji)(ji))封端(duan)的(de)(de)聚(ju)(二甲基(ji)(ji)硅氧烷)作為(wei)聚(ju)合物(wu)基(ji)(ji)體，2,6-吡(bi)啶二羰(tang)基(ji)(ji)二氯化(hua)物(wu)和4,4'-亞(ya)甲基(ji)(ji)雙(shuang)(環己基(ji)(ji)異氰(qing)酸酯)作為(wei)間隔基(ji)(ji)，反應形(xing)成(cheng)低聚(ju)物(wu)，并利用(yong)(yong)鋅(xin)離子(zi)的(de)(de)引入(ru)，通過(guo)形(xing)成(cheng)金屬配(pei)位鍵來增強材料(liao)(liao)的(de)(de)動(dong)態交聯，有助于提(ti)(ti)高自愈合效率，完成(cheng)高分(fen)子(zi)彈性體材料(liao)(liao)(pdms-pux-pa1-x-zn)的(de)(de)制備(bei)，并應用(yong)(yong)為(wei)接(jie)觸層，提(ti)(ti)高了傳(chuan)感器的(de)(de)耐(nai)用(yong)(yong)性和使用(yong)(yong)壽命，使其能夠(gou)在(zai)長期或重(zhong)復的(de)(de)壓力(li)作用(yong)(yong)下(xia)保持性能穩定，有助于維持對微小壓力(li)的(de)(de)敏(min)感性。

31、(3)本(ben)發明(ming)中通過(guo)傳感(gan)檢測(ce)模(mo)(mo)組(zu)的配合(he)，由于摩擦傳感(gan)器(qi)(qi)(qi)內(nei)部阻抗較(jiao)大，通過(guo)放(fang)大器(qi)(qi)(qi)接收傳感(gan)器(qi)(qi)(qi)電信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)，在濾波器(qi)(qi)(qi)的配合(he)下去除干擾信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)與環境噪聲，借助模(mo)(mo)數轉(zhuan)換器(qi)(qi)(qi)，將放(fang)大的模(mo)(mo)擬電信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)轉(zhuan)換為數字信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)，通過(guo)藍牙模(mo)(mo)塊實現傳感(gan)信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的無線傳輸，實現對傳感(gan)器(qi)(qi)(qi)產生的電荷信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)完成放(fang)大和(he)處理的過(guo)程，進(jin)而使得傳感(gan)器(qi)(qi)(qi)能(neng)夠檢測(ce)到微(wei)(wei)小的壓力(li)變化，從而提高對微(wei)(wei)小信(xin)(xin)(xin)(xin)號(hao)(hao)(hao)的檢測(ce)能(neng)力(li)。

技術特征：

1.一種摩擦電(dian)式(shi)壓力傳感器的制備(bei)方法(fa)，其(qi)特征在(zai)于，包括以下步驟：

2.根據權利(li)要求1所(suo)述(shu)(shu)的(de)一(yi)種(zhong)摩擦(ca)電(dian)式壓力傳感器的(de)制(zhi)備方法，其特征在于：在所(suo)述(shu)(shu)s1中，所(suo)述(shu)(shu)倒金字塔微結構的(de)制(zhi)備方法，包(bao)括以(yi)下步(bu)驟(zou)：

3.根據權利要求2所(suo)(suo)述(shu)的一種(zhong)摩擦(ca)電式壓力傳感器的制(zhi)備方法，其特征在于：在所(suo)(suo)述(shu)s12中(zhong)，所(suo)(suo)述(shu)低(di)溫等離子體(ti)處理(li)裝置為管狀(zhuang)電極(ji)放電結構，所(suo)(suo)述(shu)射頻(pin)波在氣體(ti)為cf4和o2中(zhong)工作(zuo)。

4.根據權利要求2所述(shu)(shu)的(de)(de)一種(zhong)摩擦電式壓力(li)傳(chuan)感(gan)器的(de)(de)制備方法，其(qi)特征在于：所述(shu)(shu)倒金(jin)字塔(ta)微結構的(de)(de)平均大小為10-30μm，高度為5-15μm，相鄰間距為20-40μm。

5.根據權利要求1所(suo)述(shu)的(de)一種(zhong)摩擦電式壓力傳感器(qi)的(de)制備(bei)方(fang)法(fa)，其(qi)特征在于：在所(suo)述(shu)s2和所(suo)述(shu)s9中，所(suo)述(shu)導電材料(liao)為(wei)銀(yin)、銅(tong)或鋁中的(de)一種(zhong)。

6.根據權利要求1所(suo)述(shu)(shu)的一種摩擦電式壓力傳(chuan)感器(qi)的制備方法，其特征在(zai)于：在(zai)所(suo)述(shu)(shu)s7中，所(suo)述(shu)(shu)液(ye)態(tai)介質為石(shi)蠟(la)油、角鯊(sha)烯(xi)或正庚烷中的一種。

7.根據權利要求1所述的一種摩擦電式壓力傳感器的制(zhi)備方(fang)法(fa)，其特征在于：在所述s8中，所述pdms-pux-pa1-x-zn的制(zhi)備方(fang)法(fa)，包括以下步驟(zou)：

8.根(gen)據權(quan)利要(yao)求7所(suo)(suo)述(shu)的一(yi)種摩擦電式壓(ya)力傳感器(qi)的制備方法(fa)，其特征在于：在所(suo)(suo)述(shu)pdms-pux-pa1-x-zn中，所(suo)(suo)述(shu)x為0.3-1.4。

9.一(yi)(yi)種(zhong)摩擦電式(shi)壓(ya)力傳感器，其特征在于，所述(shu)摩擦電式(shi)壓(ya)力傳感器由權利要求1-8中任一(yi)(yi)項所述(shu)的(de)制備(bei)方法獲得。

10.根據權(quan)利要求9所(suo)述的一(yi)種摩(mo)擦(ca)電(dian)式(shi)壓力傳感(gan)器(qi)，其特(te)征在于(yu)，包括：基片(pian)，依次設置在所(suo)述基片(pian)頂部的下電(dian)極層、電(dian)荷貯(zhu)存層、電(dian)荷傳輸層、起電(dian)層、間隔(ge)(ge)層、接觸層和上(shang)電(dian)極層，以(yi)及(ji)設置在所(suo)述間隔(ge)(ge)層中(zhong)部腔(qiang)體內的液(ye)態(tai)介質層；所(suo)述摩(mo)擦(ca)電(dian)式(shi)壓力傳感(gan)器(qi)電(dian)性連接有傳感(gan)檢測模組。

技術總結
本發明公開了一種摩擦電式壓力傳感器的制備方法，包括以下步驟：S1、采用硅片作為基片，通過等離子刻蝕法在基片表面刻蝕出倒金字塔微結構；S2、采用蒸鍍法在基片上沉積一層導電材料，形成下電極層；S3、采用抽濾法在下電極層上沉積一層TiO<subgt;2</subgt;，形成電荷貯存層；S4、采用抽濾法在電荷貯存層上沉積一層MXene，形成電荷傳輸層；S5、在電荷傳輸層上，利用3D打印技術，采用rGO漿料，通過在基片上刻蝕出平均大小為10?30μm，高度為5?15μm，相鄰間距為20?40μm的倒金字塔微結構，可以增加傳感器的表面積，使得在較小的壓力變化下也能產生顯著的電荷變化，進而允許傳感器在極小的壓力下就能產生足夠的電荷，從而使其具有極高的靈敏度，極大的實現對微小壓力的敏感檢測。

技術研發人員：文震,雷浩,張浩
受保護的技術使用者：蘇州摩感電子科技有限公司
技術研發日：
技術公布日：2024/9/19