本发明公开了一种电容型柔性压力传感器及其制备方法和应用，电容型柔性压力传感器包括：固态聚二甲基硅氧烷层、位于固态聚二甲基硅氧烷层的顶面的上电极层和位于固态聚二甲基硅氧烷层的底面的下电极层，固态聚二甲基硅氧烷层的材质为聚二甲基硅氧烷，固态聚二甲基硅氧烷层由一平板状结构和连接在该平板状结构的顶端的聚二甲基硅氧烷微柱阵列组成。本发明首次提出利用聚碳酸酯模板法制备电容型柔性压力传感器，本发明的电容型柔性压力传感器的灵敏度达到5.8kPa‑1，在脉搏较微弱的前提下，本发明的电容型柔性压力传感器仍旧可以将脉搏信号准确的检测出来，且能够识别出脉搏的波形。
1.一种电容型柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
将聚二甲基硅氧烷主剂与固化剂均匀混合，得到混合物A，将所述混合物A在基底上铺开形成薄膜，再于75-80℃固化3.5-4小时，将所述基底浸入二氯甲烷水溶液中至少6小时，所述基底上分离得到所述聚二甲基硅氧烷薄膜，其中，按质量份数计，所述聚二甲基硅氧烷主剂与固化剂的比为(8～10):1；
步骤2)将液态的聚二甲基硅氧烷在所述聚二甲基硅氧烷薄膜的表面铺开，在所述聚二甲基硅氧烷薄膜上得到聚二甲基硅氧烷薄膜液体层；
步骤3)准备一模板，所述模板上形成有孔径为5-10μm的多个通孔，将模板放置在所述聚二甲基硅氧烷薄膜液体层的表面，以使所述聚二甲基硅氧烷薄膜液体层中聚二甲基硅氧烷在毛细力的作用下填充至所述通孔内，固化后所述通孔内形成聚二甲基硅氧烷微柱，取下所述模板，全部聚二甲基硅氧烷微柱形成聚二甲基硅氧烷微柱阵列，得到固态聚二甲基硅氧烷层；
步骤4)将上电极置于所述固态聚二甲基硅氧烷层的顶面，将下电极置于所述固态聚二甲基硅氧烷层的底面，其中，所述上电极的制备方法为：在第一聚酰亚胺薄膜的上表面涂覆银纳米线乙醇溶液，所述下电极的制备方法为：在第二聚酰亚胺薄膜的下表面涂覆银纳米线乙醇溶液。
2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，将所述混合物A均匀的铺开形成所述薄膜。
3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，所述聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度为100～120μm。
4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，将所述混合物A铺开形成薄膜的方法为：将所述混合物A置于基底上，利用匀胶机以500-550rpm的转速旋转，在所述基底上得到所述薄膜。
5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，将所述聚二甲基硅氧烷主剂与固化剂混合，搅拌3～5分钟，以实现所述均匀混合。
6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，所述基底浸入二氯甲烷水溶液中的时间为5～10小时。
7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤1)中，所述二氯甲烷水溶液中二氯甲烷的浓度为98～99wt％。
8.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤2)中，将液态的聚二甲基硅氧烷在所述聚二甲基硅氧烷薄膜的表面铺开的方法为：将液态的聚二甲基硅氧烷置于所述聚二甲基硅氧烷薄膜的表面，利用匀胶机以2000-2200rpm转速旋转，在所述聚二甲基硅氧烷薄膜上得到厚度为30～50μm的聚二甲基硅氧烷薄膜液体层。
9.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤2)中，每1cm2所述聚二甲基硅氧烷薄膜铺开所述液态的聚二甲基硅氧烷的质量为0.3～0.5g。
10.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤3)中，所述固化的时间为
11.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤3)中，取下所述模板的方法为：用二氯甲烷水溶液清洗。
12.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤3)中，所述模板上通孔的孔隙率为4～20％。
13.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤3)中，所述模板的厚度为
14.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步4)中，所述第一聚酰亚胺薄膜和第二聚酰亚胺薄膜的厚度均为20-25μm。
15.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步4)中，在所述上电极和下电极制备方法中，各涂覆银纳米线乙醇溶液的次数为2～3次，每次涂覆完干燥10-15分钟后再涂覆下一次。
16.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于，在所述步骤4)中，所述银纳米线乙醇溶液中银纳米线的浓度为19.5～20.5mg/mL。
17.如权利要求1所述的电容型柔性压力传感器，其特征在于，包括：固态聚二甲基硅氧烷层、位于所述固态聚二甲基硅氧烷层的顶面的上电极层和位于所述固态聚二甲基硅氧烷层的底面的下电极层，所述固态聚二甲基硅氧烷层的材质为聚二甲基硅氧烷，所述固态聚二甲基硅氧烷层由一平板状结构和连接在该平板状结构的顶端的聚二甲基硅氧烷微柱阵列组成，所述上电极层包括：第一聚酰亚胺薄膜以及随机粘附在该第一聚酰亚胺薄膜上表面的银纳米线，所述下电极层包括：第二聚酰亚胺薄膜以及随机粘附在该第二聚酰亚胺薄膜下表面的银纳米线；所述聚二甲基硅氧烷微柱阵列的高度为7～20μm；
所述平板状结构上聚二甲基硅氧烷微柱阵列中聚二甲基硅氧烷微柱的密度为1×106～
所述银纳米线的长度为20～50μm，直径为25～35nm。
18.如权利要求1～16中任意一项所述制备方法在提高压力传感器灵敏度中的应用。
电容型柔性压力传感器及其制备方法和应用
技术领域
[0001] 本发明属于柔性压力传感器技术领域，具体来说涉及一种电容型柔性压力传感器及其制备方法和应用。
背景技术
[0002] 近年来，可穿戴电子产品在生物医疗领域得到广泛应用，包括可穿戴手环、智能手表和智能眼镜等。然而，这些产品坚硬的外壳阻碍了其更为广泛的应用，因此，柔性电子领域旨在设计并研究具有高度柔性的传感器件，用于对人体生理信号的检测。
[0003] 在人体诸多的生理信号中，脉搏是最重要的生理信号之一。中国古代中医可以通过脉搏诊断出人体的多种疾病，准确率很高。在西医中，脉搏信号同样也是反映心脏及血管系统健康状况的重要指标。因此，对于脉搏的检测与实时监测具有重要意义。
[0004] 脉搏信号本质是一种压力信号，因此很多人提出利用柔性压力传感器实现对脉搏的实时监测。然而，由于脉搏较微弱，灵敏度较差的柔性压力传感器很难将脉搏信号准确的检测出来。即使个别传感器可以检测出脉搏的频率，却无法识别出脉搏的准确波形，导致遗漏重要的生理信息。
发明内容
[0005] 针对现有技术的不足，本发明的目的在于提供一种电容型柔性压力传感器的制备方法，该制备方法基于聚碳酸酯模板法，制备了高灵敏度的柔性压力传感器介电层，介电层表面有倒伏的聚二甲基硅氧烷微柱阵列，通过与上、下电极进行组装，形成了电容型柔性压力传感器。
[0006] 本发明的另一目的是提供一种电容型柔性压力传感器，该电容型柔性压力传感器能够监测脉搏信号。
[0007] 本发明的目的是通过下述技术方案予以实现的。
[0008] 一种电容型柔性压力传感器，包括：固态聚二甲基硅氧烷层、位于所述固态聚二甲基硅氧烷层的顶面的上电极层和位于所述固态聚二甲基硅氧烷层的底面的下电极层，所述固态聚二甲基硅氧烷层的材质为聚二甲基硅氧烷，所述固态聚二甲基硅氧烷层由一平板状结构和连接在该平板状结构的顶端的聚二甲基硅氧烷微柱阵列组成，所述上电极层包括：第一聚酰亚胺薄膜以及随机粘附在该第一聚酰亚胺薄膜上表面的银纳米线，所述下电极层包括：第二聚酰亚胺薄膜以及随机粘附在该第二聚酰亚胺薄膜下表面的银纳米线。
[0009] 在上述技术方案中，所述聚二甲基硅氧烷微柱阵列的高度为7～20μm。
[0010] 在上述技术方案中，所述平板状结构上聚二甲基硅氧烷微柱阵列中聚二甲基硅氧烷微柱的密度为1×106～6×106个/cm2。
[0011] 在上述技术方案中，所述聚二甲基硅氧烷微柱的直径为5～10μm。
[0012] 在上述技术方案中，所述平板状结构的厚度为130～170μm。
[0013] 在上述技术方案中，所述聚二甲基硅氧烷微柱为倒伏状。
[0014] 在上述技术方案中，所述银纳米线的长度为20～50μm，直径为25～35nm。
[0015] 上述电容型柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0016] 1)制备聚二甲基硅氧烷薄膜：
[0017] 将聚二甲基硅氧烷主剂与固化剂均匀混合，得到混合物A，将所述混合物A在基底上铺开形成薄膜，再于75-80℃固化3.5-4小时，将所述基底浸入二氯甲烷水溶液中至少6小时，所述基底上分离得到所述聚二甲基硅氧烷薄膜，其中，按质量份数计，所述聚二甲基硅氧烷主剂与固化剂的比为(8～10):1；
[0018] 在所述步骤1)中，将所述混合物A均匀的铺开形成所述薄膜。
[0019] 在所述步骤1)中，所述聚二甲基硅氧烷薄膜的厚度为100～120μm。
[0020] 在所述步骤1)中，将所述混合物A铺开形成薄膜的方法为：将所述混合物A置于基底上，利用匀胶机以500-550rpm的转速旋转，在所述基底上得到所述薄膜。
[0021] 在所述步骤1)中，将所述聚二甲基硅氧烷主剂与固化剂混合，搅拌3～5分钟，以实现所述均匀混合。
[0022] 在所述步骤1)中，所述基底浸入二氯甲烷水溶液中的时间为5～10小时。
[0023] 在所述步骤1)中，所述二氯甲烷水溶液中二氯甲烷的浓度为98～99wt％。
[0024] 2)将液态的聚二甲基硅氧烷在所述聚二甲基硅氧烷薄膜的表面铺开，在所述聚二甲基硅氧烷薄膜上得到聚二甲基硅氧烷薄膜液体层；
[0025] 在所述步骤2)中，将液态的聚二甲基硅氧烷在所述聚二甲基硅氧烷薄膜的表面铺开的方法为：将液态的聚二甲基硅氧烷置于所述聚二甲基硅氧烷薄膜的表面，利用匀胶机以2000-2200rpm转速旋转，在所述聚二甲基硅氧烷薄膜上得到厚度为30～50μm的聚二甲基硅氧烷薄膜液体层。
[0026] 在所述步骤2)中，每1cm2所述聚二甲基硅氧烷薄膜铺开所述液态的聚二甲基硅氧烷的质量为0.3～0.5g。
[0027] 3)准备一模板，所述模板上形成有孔径为5-10μm的多个通孔，将模板放置在所述聚二甲基硅氧烷薄膜液体层的表面，以使所述聚二甲基硅氧烷薄膜液体层中聚二甲基硅氧烷在毛细力的作用下填充至所述通孔内，固化后所述通孔内形成聚二甲基硅氧烷微柱，取下所述模板，全部聚二甲基硅氧烷微柱形成聚二甲基硅氧烷微柱阵列，得到固态聚二甲基硅氧烷层；
[0028] 在所述步骤3)中，所述固化的时间为3～4小时。
[0029] 在所述步骤3)中，取下所述模板的方法为：用二氯甲烷水溶液清洗。
[0030] 在所述步骤3)中，所述模板上通孔的孔隙率为4～20％。
[0031] 在所述步骤3)中，所述模板的厚度为7～20μm。
[0032] 4)将上电极置于所述固态聚二甲基硅氧烷层的顶面，将下电极置于所述固态聚二甲基硅氧烷层的底面，其中，所述上电极的制备方法为：在第一聚酰亚胺薄膜的上表面涂覆银纳米线乙醇溶液，所述下电极的制备方法为：在第二聚酰亚胺薄膜的下表面涂覆银纳米线乙醇溶液。
[0033] 在所述步4)中，所述第一聚酰亚胺薄膜和第二聚酰亚胺薄膜的厚度均为20-25μm。
[0034] 在所述步4)中，在所述上电极和下电极制备方法中，各涂覆银纳米线乙醇溶液的次数为2～3次，每次涂覆完干燥10-15分钟后再涂覆下一次。
[0035] 在所述步骤4)中，所述银纳米线乙醇溶液中银纳米线的浓度为19.5～20.5mg/mL。
[0036] 上述制备方法在提高压力传感器灵敏度中的应用。
[0037] 相比于现有技术，本发明的电容型柔性压力传感器及其制备方法的有益效果如下：
[0038] 本发明首次提出利用聚碳酸酯模板法制备电容型柔性压力传感器，本发明的制备方法利用聚碳酸酯模板采取自下而上的方式制备传感器介电层，简单有效。制作出的电容型柔性压力传感器的灵敏度达到5.8kPa-1，在脉搏较微弱的前提下，本发明的电容型柔性压力传感器仍旧可以将脉搏信号准确的检测出来，且能够识别出脉搏的波形。
附图说明
[0039] 图1是本发明的实施例1制备所得电容型柔性压力传感器测得的脉搏波形；
[0040] 图2为图1的放大图；
[0041] 图3为实施例1所得电容型柔性压力传感器与对比例1～5中传感器的灵敏度对比图。
具体实施方式
[0042] 下面结合具体实施例进一步说明本发明的技术方案。
[0043] 在下述实施例中，所涉及试剂及表征测试装置的购买源如下：
[0044] (1)道康宁SYLGARD 184聚二甲基硅氧烷主剂与固化剂，以禄贸易(上海)有限公司。
[0045] (2)二氯甲烷水溶液，天津元立化工有限公司，二氯甲烷水溶液中二氯甲烷的浓度为98wt％。
[0046] (3)Whatman聚碳酸酯模板，上海根生生物科技有限公司。
[0047] (4)银纳米线乙醇溶液，南京先丰纳米有限公司。
[0048] (5)聚亚酰胺透明薄膜，宝应县中京电工材料厂。
[0049] 在下述实施例中，所涉及仪器的型号如下：
[0050] (1)KW-4A匀胶机，北京赛德凯斯电子责任有限公司。
[0051] (2)AIGU-ZP-200压力计，ETOOL有限公司
[0052] (3)LCR数字电桥
[0053] 实施例1～3
[0054] 一种电容型柔性压力传感器，包括：固态聚二甲基硅氧烷层、位于固态聚二甲基硅氧烷层的顶面的上电极层和位于固态聚二甲基硅氧烷层的底面的下电极层，固态聚二甲基硅氧烷层的材质为聚二甲基硅氧烷，固态聚二甲基硅氧烷层由一平板状结构和连接(一体构成)在该平板状结构的顶端的聚二甲基硅氧烷微柱阵列组成，聚二甲基硅氧烷微柱阵列：随机排列的多个聚二甲基硅氧烷微柱，平板状结构的厚度为139μm，聚二甲基硅氧烷微柱阵列的高度为11μm。平板状结构上聚二甲基硅氧烷微柱阵列中聚二甲基硅氧烷微柱的密度为
6 2
3×10 个/cm ，聚二甲基硅氧烷微柱为倒伏状。上电极层包括：第一聚酰亚胺薄膜以及随机粘附在该第一聚酰亚胺薄膜上表面的银纳米线，下电极层包括：第二聚酰亚胺薄膜以及随机粘附在该第二聚酰亚胺薄膜下表面的银纳米线。银纳米线的长度为20～50μm，直径为25～35nm。聚二甲基硅氧烷微柱的直径为Xμm。
[0055] 上述电容型柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0056] 1)制备聚二甲基硅氧烷薄膜：
[0057] 将聚二甲基硅氧烷主剂与固化剂混合，搅拌5分钟，以实现均匀混合，得到混合物A，将1.5g混合物A置于载玻片上，利用匀胶机以520rpm的转速旋转旋转1min，在载玻片上得到薄膜(薄膜的面积为：7.5cm2)。再放入烘箱于80℃固化4小时，将载玻片浸入二氯甲烷水溶液中浸泡6小时，以使载玻片与其上物质分离，得到厚度为110μm的聚二甲基硅氧烷薄膜，其中，按质量份数计，聚二甲基硅氧烷主剂与固化剂的比为10:1；
[0058] 2)将1.5g液态的聚二甲基硅氧烷置于聚二甲基硅氧烷薄膜的表面，利用匀胶机以2000rpm转速旋转1min，在聚二甲基硅氧烷薄膜上得到厚度为40μm的聚二甲基硅氧烷薄膜液体层。其中，每1cm2所述聚二甲基硅氧烷薄膜铺开所述液态的聚二甲基硅氧烷的质量为
0.4g。
[0059] 3)准备一厚度为11μm的模板，模板上形成有孔径为Xμm的多个通孔，通孔的排列模式为随机排列，模板上通孔的孔隙率为12％。将模板放置在聚二甲基硅氧烷薄膜液体层的表面3min，以使聚二甲基硅氧烷薄膜液体层中聚二甲基硅氧烷在毛细力的作用下填充至通孔内，固化4小时后通孔内形成聚二甲基硅氧烷微柱，用二氯甲烷水溶液清洗该模板10min以取下模板，全部聚二甲基硅氧烷微柱形成聚二甲基硅氧烷微柱阵列，得到固态聚二甲基硅氧烷层；
[0060] 4)将上电极置于固态聚二甲基硅氧烷层的顶面，将下电极置于固态聚二甲基硅氧烷层的底面，其中，上电极的制备方法为：在第一聚酰亚胺薄膜的上表面涂覆银纳米线乙醇溶液3次，每次涂覆完干燥15分钟后再涂覆下一次。下电极的制备方法为：在第二聚酰亚胺薄膜的下表面涂覆银纳米线乙醇溶液3次，每次涂覆完干燥15分钟后再涂覆下一次。第一聚酰亚胺薄膜和第二聚酰亚胺薄膜的厚度均为22μm。银纳米线乙醇溶液中银纳米线的浓度为20mg/mL。
[0061]实施例 X(单位：μm)
实施例1 5
实施例2 8
实施例3 10
[0062] 测试实施例1～3所得电容型柔性压力传感器的灵敏度，实施例1所得电容型柔性-1压力传感器的灵敏度为5.8kPa ，实施例2所得电容型柔性压力传感器的灵敏度为4.5kPa-1，实施例3所得电容型柔性压力传感器的灵敏度为3.6kPa-1。
[0063] 灵敏度测试方法为：
[0064] 将电容型柔性压力传感器置于平整桌面上，利用压力计探头对电容型柔性压力传感器上表面施加特定数值的压力。电容型柔性压力传感器的上电极和下电极分别引出导线，与LCR数字电桥连接，测量电容型柔性压力传感器的电容值。
[0065] 灵敏度S＝ΔC/(C×P)，其中ΔC为电容值的变化量，即ΔC＝C-C0，C0为初始电容，C为压力计探头对电容型柔性压力传感器上表面施加压力后的电容值。P为压力计探头所施加的压力数值。电容的单位为pF，压力的数值为kPa。一般而言，灵敏度与柱体直径有关。对于实施例1中的聚二甲基硅氧烷层微柱，在压力作用下，较易发生形变，因此灵敏度较高。
[0066] 将实施例1制备所得电容型柔性压力传感器置于手腕脉搏跳动位置，用医用胶带将电容型柔性压力传感器固定，将电容型柔性压力传感器的上电极和下电极分别与LCR数字电桥相连，并连续采集电容值。最后将所采集到电容值利用Excel软件绘制成曲线即得到脉搏波形，如图1所示。图2为图1中第6-7个波形的放大图。
[0067] 为了更清楚的说明本发明所得电容型柔性压力传感器的灵敏度，现将本发明实施例1所得电容型柔性压力传感器与对比例做出比较，对比例如下：
[0068] 对比例1
[0069] Y.Joo,J.Byun,N.Seong,J.Ha,H.Kim,S.Kim,T.Kim,H.Im,D.Kim,Y.Hong,Nanoscale 2015,7,6208.
[0070] 对比例2
[0071] S.Kang,J.Lee,S.Lee,S.Kim,J.-K.Kim,H.Algadi,S.Al-Sayari,D.-E.Kim,D.Kim,T.Lee,Adv.Electron.Mater.2016,2,1600356.
[0072] 对比例3
[0073] S.C.B.Mannsfeld,B.C.-K.Tee,R.M.Stoltenberg,C.V.H.-H.Chen,S.Barman,B.V.O.Muir,A.N.Sokolov,C.Reese,Z.Bao,Nat.Mater.2010,9,859.
[0074] 对比例4
[0075] Y.Wan,Z.Qiu,Y.Hong,Y.Wang,J.Zhang,Q.Liu,Z.Wu,C.F.Guo,Adv.Electron.Mater.2018,4,1700586.
[0076] 对比例5
[0077] Z.He,W.Chen,B.Liang,C.Liu,L.Yang,D.Lu,Z.Mo,H.Zhu,Z.Tang,X.Gui,ACSAppl.Mater.Inter.2018,10,12816.
[0078] 实施例1所得电容型柔性压力传感器与对比例1～5中传感器的对比图如图3所示，由图可知本发明电容型柔性压力传感器在小压力(<1.75kPa)范围内具有较高灵敏度，这种特点使得本发明电容型柔性压力传感器在包括脉搏信号在内的微弱信号检测领域具有很好的优势。
[0079] 以上对本发明做了示例性的描述，应该说明的是，在不脱离本发明的核心的情况下，任何简单的变形、修改或者其他本领域技术人员能够不花费创造性劳动的等同替换均落入本发明的保护范围。
