摘要
柔性压力传感器以其良好的机械柔性和优异的传感性能，在电子皮肤、运动检测、生物医学、可穿戴设备等领域得到广泛应用。微结构柔性衬底和柔性电极的性能是实现柔性压力传感器高灵敏感应的关键因素。喷墨印刷具有生产效率高、生物相容性好、能在多类基底上精确沉积的特点，利用喷墨印刷技术构筑微结构柔性衬底，能够制备可控排布的微凸结构柔性电极，以用于大面积柔性压力传感器的快速制备。在本论文中，探究喷墨印刷微凹阵列结构基底模板的印刷条件，优化了柔性电极的力学、电学等性能，采用面对面堆叠微结构柔性电极的方法组装了压力传感器，并对传感性能和实际应用进行了探索。本研究为微结构柔性压力传感器的制备及其应用提供了新的思路，具有重要的理论研究意义和一定的应用价值。主要研究内容概括如下： （1）利用喷墨压印技术以粘弹性薄膜作为基底，在其表面构筑图案化微凹阵列结构，得到柔性衬底复形模板。通过对聚二甲基硅氧烷（PDMS）粘弹性基底预固化时间、喷墨印刷循环次数及聚丙烯酸（PAA）水溶液墨水浓度三个实验条件进行分析，得到制备微凹结构形貌的最佳的喷墨印刷实验条件，实现了对PDMS基底薄膜表面微凹结构行貌的精细控制。在PDMS预固化温度为70℃，基底薄膜预固化时间为14min，循环喷墨印刷10次，PAA水溶液浓度为14%时，PDMS基底薄膜表面制备的微凹结构形貌显著且排布均匀。根据台阶仪对PDMS薄膜表面微凹结构形貌扫描结果显示，其深度可达18±1um，宽度为53±1um。 （2）利用喷墨印刷的微凹阵列结构模板，使用PDMS复形浇筑得到表面具有微凸阵列结构的柔性基底，再通过蒸镀金属银层制备了具有良好机械柔性及电学性能的导电电极。微凹结构薄膜模板经过表面改性后，复形浇筑得到表面具有微凸阵列结构的柔性薄膜，其高度约为16±1um，宽度约为46±2um。当其交联固化剂和预聚体质量分数比例为1∶10、厚度为300um时，PDMS薄膜具有最佳的力学性能：拉伸位移为11.4mm，拉伸应变率45.6%，最大应变力值为11.5N。通过对柔性薄膜进行等离子体处理，有效改变PDMS薄膜表面疏水状态，增强了金属层在PDMS薄膜表面的附着性；蒸镀处理时，当金属银层厚度为500nm时具有良好的导电性，电阻值为9Ω，弯曲程度为50%、循环往复弯曲500次时，相对电阻值为0.92，具有较好的电学稳定性。 （3）利用表面具有微凸阵列结构的柔性电极，采用面对面相互堆叠的方式制备了具有高灵敏度柔性压力传感器。传感器传感机理研究表明其与无微结构传感器对比，施加在微结构压力传感器上的压力能够引起柔性电极表面微凸阵列结构的变形，从而诱导两个电极的接触面积和实际通道宽度快速变化，改变导电层接触电阻，实现传感器对微小压力的快速响应。该传感器的传感性能表现为：传感器灵敏度S1=3900kPa-1（0-1KPa）、S2=288.5kPa-1（1-5KPa）、S3=21.2kPa-1（5-20KPa），在较小的压力范围内表现出极高的灵敏度；在0.01s内能够对压力的施加和释放迅速作出反应，表现出较高的响应灵敏性；负载下限为0.12Pa、工作范围宽，可达20kPa；在1000次循环次数下，相对电阻基本保持一致，具有良好的耐久性；器件整体具有良好的传感性能。通过对手指弯曲、肌肉收缩、脉搏检测等测试结果表明，该传感器相对电阻变化比较显著且稳定，在运动追踪、健康检测等方面具有巨大发展潜力。 综上所述，本论文提出了一种微结构电极的制备方法，利用喷墨印刷构筑微凹阵列结构模板，实现了快速大面积制备微凸阵列柔性电极，组装得到的高灵敏柔性压力传感器，在较宽的压力范围内表现出了良好的传感性能，电极表面微结构能够对微小压力的快速反应，在运动追踪、健康检测等方面具有良好的应用前景。
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