本發(fā)明屬于柔性電子與傳感器技術(shù)領(lǐng)域，更具體地，涉及一種穿戴式柔性壓力傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

隨著電子信息技術(shù)的發(fā)展，可穿戴式智能設(shè)備已逐步走進人們的生活，能夠?qū)崟r地監(jiān)測人體的運動、健康等信息，極大地方便和豐富了我們的生活。但是，目前的可穿戴式智能設(shè)備卻幾乎沒有測量壓力的模塊，無法直接測量人體的一些壓力信號，比如人體脈搏的跳動(反映人體的心率、血壓等健康信息)。目前的可穿戴式智能設(shè)備，如37度智能手環(huán)大多都是采用光學(xué)測量的方式，對人體的血壓信息進行估算，另外也極大地受到環(huán)境光、膚色等因素的影響。另外，目前的可穿戴式智能設(shè)備大多都是硬質(zhì)的測量模塊加橡膠的表帶的半柔性設(shè)計，不能很好地適應(yīng)人體表皮的舒適性穿戴。專利【CN103582451A】采用光傳感器測量脈搏，無法直接測量壓力信號；專利【CN204147018U】雖然能測壓力，但是還包含氣囊、處理器等部件，裝置復(fù)雜，體積過大；專利【CN203619542U】雖然是超薄型脈搏傳感器，但是傳感器整體厚度還是較大，且器件完全非柔性，影響佩戴的舒適性，并且該傳感器的過載能力不強，適應(yīng)性和使用壽命有限?？偟膩碚f，這些傳感器都有著體積過大、非柔性、過載能力不夠、適應(yīng)性不強的特點無法應(yīng)用于可穿戴電子設(shè)備。

針對上述技術(shù)問題，目前還沒有看到一種體積小巧、柔韌性好且適應(yīng)性強的壓力傳感器，如何解決上述技術(shù)難點，設(shè)計種適合穿戴的壓力傳感器，使其能夠準(zhǔn)確地測量到人體的壓力信號，且適合長期佩戴使用，是本發(fā)明要解決的問題。

技術(shù)實現(xiàn)要素：

針對現(xiàn)有技術(shù)的以上缺陷或改進需求，本發(fā)明提出了一種穿戴式柔性壓力傳感器及其制備方法。該穿戴式柔性壓力傳感器包括上支撐基體，超柔軟Ecoflex壓力探測頭，PVDF壓電薄膜，陣列化微凸臺支撐結(jié)構(gòu)，下支撐基體五個部分。脈搏跳動力使超柔軟Ecoflex壓力探測頭發(fā)生變形，進而壓迫PVDF壓電薄膜發(fā)生變形而輸出電學(xué)信號。本發(fā)明提出采用超柔性探頭來完成對微小的脈搏跳動力的靈敏感知的方案，極大程度地減小了柔性壓力傳感器的整體厚度，提高了其柔性，使其適合穿戴使用。這種超柔性探頭加鼓形基體能很靈敏地感知測量到人體的微弱的脈搏跳動力，解決了穿戴智能設(shè)備中無法測量壓力信號、非柔性的問題。

為實現(xiàn)上述目的，按照本發(fā)明的一個方面，提供了一種穿戴式柔性壓力傳感器，其特征在于，其包括上支撐基體、壓力探頭和下支撐基體，

所述下支撐基體為中間凹陷的圓盤結(jié)構(gòu)，該下支撐基體的凹陷區(qū)域放置有支撐結(jié)構(gòu)，所述支撐結(jié)構(gòu)表面設(shè)置有陣列化微凸臺，所述壓力探頭套設(shè)在所述下支撐基體外部，所述壓力探頭和支撐結(jié)構(gòu)之間設(shè)置有一壓電薄膜，

所述上支撐基體套設(shè)在壓力探頭外部，所述壓力探頭的中間有凸出結(jié)構(gòu)，所述壓力探頭的凸出結(jié)構(gòu)從上支撐基體上端的開孔中穿出，略高于所述上支撐基體，以探測外部壓力。

優(yōu)選地，所述上支撐基體和下支撐基體均用聚二甲基硅氧烷(PDMS)材料澆鑄而成，所述壓力探頭和支撐結(jié)構(gòu)均采用超軟鉑催化硅橡膠(Ecoflex)材料制備而成，所述壓電薄膜采用聚偏氟乙烯(PVDF)材料制備而成。

優(yōu)選地，所述支撐結(jié)構(gòu)先采用光的衍射效應(yīng)對厚光刻膠光刻顯影，制備出具有陣列化微凸臺的支撐結(jié)構(gòu)的微模具，再采用制得的微模具利用Ecoflex材料澆鑄得到所述支撐結(jié)構(gòu)。

優(yōu)選地，所述壓力探頭和下支撐基體上設(shè)置有一引線接出口，將與壓電薄膜連接的引線從該引線接出口中引出。

優(yōu)選地，所述壓電薄膜厚30μm，所述穿戴式柔性壓力傳感器的整體厚度為3mm。

較多的比較試驗表明，上下基體均用硅膠材料PDMS材料澆鑄而成，壓力探頭用楊氏模量更小、超柔軟超彈性的Ecoflex材料澆鑄而成能夠提高壓電傳感器的測量精確度和佩戴舒適性。由PDMS制備的上下基體對整個器件而言是柔性的，但是相對于更柔軟的Ecoflex硅膠壓力探頭和微弱的脈搏跳動力而言，由PDMS制備的上下基體又是相對“硬質(zhì)”的支撐基體。陣列化微凸臺支撐結(jié)構(gòu)也是使用Ecoflex材料。PVDF壓電薄膜厚30μm，也有一定的柔性。整個器件均用柔性材料制成，總厚度3mm左右，因而具有一定的柔性，能夠很好地通過自身的一定變形而貼在人體皮膚上，從而準(zhǔn)確地測量人體脈搏。

按照本發(fā)明的另一方面，提供了一種如上所述的穿戴式柔性壓力傳感器的制備方法，其特征在于，具體包括以下步驟：

S1.配置PDMS和Ecoflex溶液，將PDMS溶液澆鑄到上支撐基體和下支撐基體對應(yīng)的模具中，將Ecoflex溶液澆鑄到壓力探頭對應(yīng)的模具中，將上述模具放入真空干燥箱100度加熱20分鐘，制備出上支撐基體、壓力探頭和下支撐基體；

S2.將壓電薄膜切割成設(shè)計尺寸大小，同時配置好導(dǎo)電銀膠，然后用導(dǎo)電銀膠將上下兩極的引出線粘接在壓電薄膜上，在室溫下固化24小時；

S3.在洗凈干燥后的硅片上旋涂光刻膠，將旋涂有光刻膠的硅片放置在熱板上固化，然后透過掩膜版對硅片上旋涂的光刻膠曝光，經(jīng)顯影液顯影后，硅片上的光刻膠形成陣列化的圓形微凸臺結(jié)構(gòu)，以此為模具，澆鑄步驟S1中配置好的Ecoflex溶液，制備出具有陣列化的微凸臺的支撐結(jié)構(gòu)；

S4.將步驟S1-S3中制備出的各個組件進行組裝，并將壓電薄膜的引線從引線接出口中引出，制得穿戴式柔性壓力傳感器。

進一步優(yōu)選地，在步驟S1中，配置PDMS溶液時，將預(yù)聚體和固化劑兩種組分按照10:1的質(zhì)量比混合后充分攪拌，再通過抽真空將PDMS溶液內(nèi)部的氣泡抽到溶液表面，靜置30min等待氣泡破裂即可使用。

進一步優(yōu)選地，在步驟S1中，配置Ecoflex溶液時，預(yù)聚物和交聯(lián)劑的質(zhì)量比為1:1，然后經(jīng)過充分攪拌、抽真空、靜置后待用。

進一步優(yōu)選地，在步驟S3中，旋涂有光刻硅的硅片的固化溫度為110°，固化時間為60S，曝光時采用紫外光。

具體地，利用精密數(shù)控加工技術(shù)制備尺寸精度、表面粗糙度較高的模具，包括下基體、上基體和壓力探頭這三種模具。再通過澆鑄兩種不同楊氏模量的彈性材料完成上下基體和壓力探頭的制備。利用光的衍射效應(yīng)對厚光刻膠(采用AZ4620)光刻顯影，制備出陣列化微凸臺支撐結(jié)構(gòu)的微模具，再用Ecoflex澆鑄得到陣列化微凸臺支撐結(jié)構(gòu)。再將各部分組裝起來，用膠固定好，即完成穿戴式柔性壓力傳感器的制備。

總體而言，通過本發(fā)明所構(gòu)思的以上技術(shù)方案與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有以下優(yōu)點和有益效果：

(1)本發(fā)明采用超柔性探頭來完成對微小的脈搏跳動力的靈敏感知的方案，采用帶有中空腔體的PDMS(聚二甲基硅氧烷)基體上的PVDF(聚偏氟乙烯)壓電薄膜接收Ecoflex(超軟鉑催化硅橡膠)探頭測量到的微小壓力，從而轉(zhuǎn)換成電荷輸出。其中，基體的中空部分由陣列化微凸臺支撐結(jié)構(gòu)構(gòu)成，既有助于PVDF壓電薄膜在卸載后回復(fù)初始狀態(tài)，又提高了傳感器的使用壽命和過載能力，另一方面極大程度地減小了柔性壓力傳感器的整體厚度，從而進一步地提高了其柔性。這種超柔性探頭加鼓形基體能很靈敏地感知測量到人體的微弱的脈搏跳動力，解決了可穿戴智能設(shè)備中無法測量壓力信號、非柔性的問題。

(2)本發(fā)明所設(shè)計的超柔軟Ecoflex壓力探頭的楊氏模量比上下基體低了兩個數(shù)量級，極易發(fā)生變形。用于測脈搏時，脈搏跳動的能量主要被壓力探頭所吸收，探頭通過變形將壓力傳遞到下方張緊的PVDF壓電薄膜上，從而有較大的電學(xué)信號輸出。本發(fā)明解決了一些薄膜式表皮電子傳感器中能量損失嚴重，信號幅值微弱的問題，能夠測量比較微小的壓力信號，且有著較大幅值(幾百毫伏)的電壓輸出。

(3)本發(fā)明所設(shè)計的陣列化的微凸臺支撐結(jié)構(gòu)，不僅能夠起到輔助PVDF壓電薄膜在外力撤去后回復(fù)到初始未變形的狀態(tài)，提高測量的精度和靈敏度；還能夠在外力過大時，通過自身的變形支撐PVDF，保證PVDF不會因為變形過大而破裂，從而大大提高了器件的使用壽命和過載能力。

(4)本發(fā)明所設(shè)計的穿戴式柔性壓力傳感器整體是柔性的，十分適合人體表皮的舒適性佩戴。本傳感器能非常靈敏地測量比較微小的壓力，比如作為脈搏傳感器測量人體脈搏跳動的壓力。另一方面，本傳感器由于有著優(yōu)秀的過載能力，所以還能作為能量捕獲器使用，用于對其他可穿戴電子設(shè)備功能。

附圖說明

圖1為本發(fā)明設(shè)計的穿戴式柔性壓力傳感器的整體結(jié)構(gòu)圖和爆炸圖。

圖2為本發(fā)明設(shè)計的穿戴式柔性壓力傳感器的半剖結(jié)構(gòu)圖。

圖3為本發(fā)明的制備工藝流程圖。

圖4為本發(fā)明中關(guān)鍵結(jié)構(gòu)陣列化微凸臺結(jié)構(gòu)的制備工藝示意圖。

圖5為本發(fā)明應(yīng)用在無線智能手環(huán)中測量人體脈搏血壓信號的場景示意圖。

圖6為本發(fā)明的另一擴展應(yīng)用，作為能量捕獲器為可穿戴電子設(shè)備(如智能鞋墊)供能的示意圖。

在所有附圖中，相同的附圖標(biāo)記用來表示相同的元件或結(jié)構(gòu)，其中：

1-上支撐基體，2-壓力探頭，3-壓電薄膜，4-支撐結(jié)構(gòu)，5-下支撐基體，6-引線接出口，7-穿戴式柔性壓力傳感器，8-柔性無線PCB電路，9-智能鞋墊。

具體實施方式

為了使本發(fā)明的目的、技術(shù)方案及優(yōu)點更加清楚明白，以下結(jié)合附圖及實施例，對本發(fā)明進行進一步詳細說明。應(yīng)當(dāng)理解，此處所描述的具體實施例僅僅用以解釋本發(fā)明，并不用于限定本發(fā)明。此外，下面所描述的本發(fā)明各個實施方式中所涉及到的技術(shù)特征只要彼此之間未構(gòu)成沖突就可以相互組合。

本發(fā)明所設(shè)計的穿戴式柔性壓力傳感器的整體結(jié)構(gòu)如圖1所示，主要包括5個部分。1和5是用PDMS澆鑄在精密模具里制備而成的上下基體，起到固定、支撐和封裝的作用；2是用楊氏模量極小的Ecoflex材料澆鑄在精密模具里制備而成的超柔軟的壓力探頭，起到壓力傳遞的作用，可以將比較微弱的壓力傳遞到傳感器的感芯上，有效地減小了能量的損失；3是PVDF壓電薄膜，當(dāng)收到外界壓力作用而產(chǎn)生應(yīng)變時，由于壓電效應(yīng)能在其表面產(chǎn)生極化的電荷，從而有電信號輸出，是整個傳感器的感芯部分；4是通過光刻工藝制備而成的陣列化的微凸臺支撐結(jié)構(gòu)，對PVDF壓電薄膜起支撐作用，同時對電學(xué)輸出信號影響不大。

如圖2所示為本發(fā)明所設(shè)計的穿戴式柔性壓力傳感器沿圖1中A-A方向的半剖截面圖。4(陣列化微凸臺結(jié)構(gòu))與5(傳感器的下支撐基體)之間采用強粘接，5與3(PVDF壓電薄膜)之間采用具有超強粘性的硅膠粘硅膠專用膠水(康利邦)粘接，既能保證二者完全貼合，又有一定的柔性。從而形成一個鼓形結(jié)構(gòu)，PVDF壓電薄膜就像張緊的鼓面，對微小的壓力比較敏感。

但是當(dāng)壓力信號過小(如脈搏跳動力)時，能量大多時候會被其他部分吸收掉，比如同樣是彈性材料制作的上下支撐基體，而PVDF壓電薄膜所承受的應(yīng)變非常小，信號輸出幅值過低。因此，設(shè)計一個容易變形的壓力探頭2，用來傳遞壓力。2與3之間也采用專用膠水粘接，再由1和5之間的過盈配合和最后用專用膠水封裝再一次壓緊，保證二者能同步變形。當(dāng)整個傳感器貼到手腕處時，因為壓力探頭2比上基體1要突出一部分，且2的樣式模量比1要低兩個數(shù)量級，脈搏跳動的壓力就主要作用于2上，2極易變形，瞬間通過自身形變將壓力傳遞給下方的PVDF壓電薄膜，壓電薄膜由于下方是中空的結(jié)構(gòu)，所以也發(fā)生變形，變形產(chǎn)生的大應(yīng)變使得傳感器有一個較大的電學(xué)信號輸出。當(dāng)壓力撤去時，微凸臺結(jié)構(gòu)4的回復(fù)變形使PVDF也回到初始狀態(tài)。這即是本發(fā)明測量脈搏跳動等微小力時的測量原理。

另一方面，若當(dāng)外界載荷力過大時，如果沒有陣列化的微凸臺結(jié)構(gòu)4，PVDF壓電薄膜會直接接觸到下基體5的空腔底部，而依靠3自身的材料特性難以回復(fù)原狀，器件由此損壞。因此，設(shè)計陣列化微凸臺結(jié)構(gòu)4非常關(guān)鍵，不僅能夠起到輔助PVDF壓電薄膜在外力撤去后回復(fù)到初始未變形的狀態(tài)，提高測量的精度和靈敏度；還能夠在外力過大時，通過自身的變形支撐PVDF，保證PVDF不會因為變形過大而破裂，從而大大提高了器件的過載能力和使用壽命。

本發(fā)明所設(shè)計的穿戴式柔性壓力傳感器的制備工藝流程圖如圖3所示，制備詳細過程如下：

(1)制備高精度的1、2、5的模具。由于零件的尺寸較小(1的總厚度3mm，2總高3.5mm、下部分高2mm、壁厚1mm5的總厚度2mm、空腔深度1mm)而精度又要求較高，所以選擇數(shù)控加工保證精度，通過表面處理保證模具的表面粗糙度。另一方面配置PDMS(道康寧硅橡膠)和Ecoflex(Smooth onEcoflex)溶液。配置PDMS溶液時，將預(yù)聚體A和固化劑B兩種組分按照10:1的質(zhì)量比混合后充分攪拌，再通過抽真空將PDMS溶液內(nèi)部的氣泡抽到溶液表面，靜置30min等待氣泡破裂即可使用。配置Ecoflex溶液時，預(yù)聚物C和交聯(lián)劑D的質(zhì)量比為1:1，類似地攪拌、抽真空、靜置備用。然后將PDMS溶液澆鑄到1和5對應(yīng)的模具中，將Ecoflex溶液澆鑄到2對應(yīng)的模具中，真空干燥箱100度加熱20分鐘即完成上基體1、壓力探頭2和下基體5的制備。

(2)用精密切割機將購買的商用的PVDF壓電薄膜(錦州科信電子)切割成設(shè)計尺寸大小，再配置好導(dǎo)電銀膠(南京中貝電子)，先將A組分充分攪拌，再按A、B組分10:1的質(zhì)量比混合，再次攪拌均勻即可)，然后用導(dǎo)電銀膠粘接好PVDF上下兩極的引出線，室溫24小時固化即可。

(3)用光刻法制備陣列化的微凸臺支撐結(jié)構(gòu)，具體工藝流程圖如圖4所示。首先在洗凈干燥后的硅片上旋涂AZ4620光刻膠(正膠、厚膠，或用SU-8光刻膠)，熱板110度固化60s，然后用紫外燈透過掩膜版對硅片上旋涂的光刻膠曝光。由于光的衍射效應(yīng)，紫外光遇到掩膜版上圓形的不透光區(qū)域阻擋時，以該圓形阻擋物為中心，向四周擴散，呈環(huán)形向下傳播，因此光刻膠中被紫外燈找到的是一個個的圓臺狀的區(qū)域。經(jīng)顯影液顯影后，硅片上的光刻膠就出現(xiàn)了陣列化的圓臺結(jié)構(gòu)。以此為模具，澆鑄(1)中配置的Ecoflex溶液，就制備出了陣列化的微凸臺支撐結(jié)構(gòu)。

(4)制備好各部分組件后，如圖1所示，先將4的下表面與5的空腔底部強粘接在一起，再將3張緊粘貼在5的上表面，再將2與3貼緊，最后安裝1，通過1與5之間的過盈配合再次將2、3、5的外圈固定在一起，壓電薄膜3的引線從小孔6中引出，這樣就完成了本發(fā)明所設(shè)計的穿戴式柔性壓力傳感器的制備和安裝。

由于本發(fā)明所設(shè)計的傳感器采用的材料都是柔性的，傳感器的整體厚度又較薄(3mm左右)，所以傳感器整體是柔性的，能做一定的彎曲和變形，非常適合與可穿戴電子設(shè)備集成，能很好地滿足人體表皮的舒適性佩戴。另一方面，由于陣列化微凸臺支撐結(jié)構(gòu)4使得傳感器的過載能力和使用壽命大大提高，而對電學(xué)輸出信號影響不大。所以，本發(fā)明所設(shè)計的可穿戴式柔性壓力傳感器不僅僅能用來測量壓力，還能當(dāng)做能量捕獲器使用，為其他可穿戴電子設(shè)備功能。

如圖5所示為所設(shè)計的穿戴式柔性壓力傳感器與柔性PCB電路相結(jié)合所構(gòu)成的柔性手環(huán)。由于傳感器7整體是柔性的，能通過自身變形與FPCB和人體表皮很好地貼合在一起，使佩戴者有著極舒適的體驗。另外，上基體1和下基體5雖然也是柔性的，但在用于測量脈搏跳動這種微弱的力時，由于其彈性模量比更柔軟的壓力探頭2要高了兩個數(shù)量級，且2的形狀和位置比1更能捕獲到脈搏跳動力，所以脈搏跳動只會讓2產(chǎn)生變形，而1和5幾乎不變形。即“柔性”的1和5在此處又充當(dāng)著“硬質(zhì)”的支撐體的作用，使得PVDF壓電薄膜能靈敏的接受壓力探頭2所傳遞的壓力信號，從而有一個較大的電學(xué)信號輸出。然后FPCB就可以直接將測量發(fā)送到手機智能終端上，這樣測試者就能夠通過手機上的APP實時地監(jiān)測自己的脈搏信息。

如圖6所示，為傳感器與智能鞋墊結(jié)合在一起。人走路時，腳的壓力施加于柔性壓力傳感器上，使得傳感器有一個非常大的電壓輸出，再通過智能鞋墊上的電路可以對壓力傳感器捕獲到的電壓能量進行充能和儲能，就可以對其他可穿戴電子設(shè)備進行供能了，解決了可穿戴電子設(shè)備外加電源過大和續(xù)航能力不足的問題。

本領(lǐng)域的技術(shù)人員容易理解，以上所述僅為本發(fā)明的較佳實施例而已，并不用以限制本發(fā)明，凡在本發(fā)明的精神和原則之內(nèi)所作的任何修改、等同替換和改進等，均應(yīng)包含在本發(fā)明的保護范圍之內(nèi)。