发明内容

针对上述现阶段柔性传感器存在的问题，本发明提供了一种大面阵柔性薄膜传感器及其全印刷制备方法，该传感器将拥有更优越的性能。

本发明的技术方案为：

一种大面阵柔性薄膜传感器，包括大面阵柔性薄膜压阻传感器和大面阵柔性薄膜压容传感器。大面阵柔性薄膜传感器包括阵列读出电路和力敏层，力敏层通过印刷、喷涂、刮涂的方式直接沉积在阵列读出电路上；或预先在另一个衬底表面沉积力敏层，在阵列读出电路上设置镂空式绝缘间隔层，然后将力敏层与阵列读出电路对位贴合。阵列读出电路包括两个电极层和一个绝缘层，两个电极层包括上方电极层和下方电极层，上方电极层和下方电极层包括单元电极。绝缘层在两个电极层之间，绝缘层包括绝缘带且绝缘带在下方电极层上的单元电极之间，上方电极层最上端的单元电极与下方电极层最上端的单元电极连接，上方电极层上除最上端单元电极外的其余单元电极在绝缘带上。

进一步的，力敏层为压阻力敏层或压容力敏层。大面阵柔性薄膜压阻传感器包括阵列读出电路和压阻力敏层，压阻力敏层为具有导电特性的压阻薄膜，电阻范围为10kΩ-10MΩ。大面阵柔性薄膜压容传感器包括阵列电路和压容力敏层，压容力敏层为具有介电特性的非导电压容薄膜，所述压容力敏层为双电层材料，所述双电层材料包括PDMS或Eco-Flex或离子凝胶。

进一步的，阵列读出电路在完成电极层和绝缘层的制备后，需进行两步等离子体刻蚀处理，两步等离子体刻蚀处理包括第一步刻蚀处理和第二步刻蚀处理。第一步刻蚀处理采用30s-5min的氧气等离子体进行表面处理，以提高阵列电路整体的粗糙度和浸润度，进而提高压阻器件的灵敏度。第二步刻蚀处理采用1min-3min的氩气等离子体进行表面处理，以去除电极表面的氧化层，提高读出电路电极的电学接触性。氧气等离子体刻蚀属于物理/化学反应刻蚀；氩气等离子体刻蚀处于物理刻蚀，轰击去除。因印刷式阵列读出电路电极通常在PET、PI等聚合物薄膜表面，表面光滑无结构，因此需要通过氧气等离子体对聚合物进行刻蚀，获得表面微纳米结构，提高表面粗糙度和电学接触的浸润性，从而提高器件灵敏度。氧气等离子体刻蚀处理后将对印刷电极产生氧化，不利于电学接触，因此需采用氩气等离子体进行表面刻蚀，去除电极表面氧化层，提高电学接触性。

进一步的，大面阵柔性薄膜传感器还包括柔性衬底和多孔式增敏界面。阵列读出电路制备在柔性衬底上，柔性衬底材料为PET或PI或PDMS或PU或皮革或织物，使制备出的传感器具有更好的柔弹性。多孔式增敏界面为一层厚5μm-25μm的纳米纤维，所述纳米纤维通过静电纺丝的方法沉积在阵列读出电路上方，纳米纤维包括PVA或PVDF或P(VDF:TrFE)或P(VDF:HFP)或PI或PU。该多孔式增敏界面可以有效提升压容或者压阻器件的电容或电阻变化率，提升器件的灵敏度与量程。

进一步的，阵列读出电路为周期性排布或非周期性任意多单元排布，阵列规模为m×n，其中m为1,2,3…128，n为1,2,3…128，m×n＞4。在先沉积力敏层再与阵列电路贴合过程中，力敏层与阵列读出电路之间的镂空式绝缘间隔层面积与阵列读出电路相同，镂空区域与阵列读出电路上的单元相对应。

进一步的，电极层由油性导电浆料印刷而成，绝缘层由水性绝缘浆料印刷而成，其中：

油性导电浆料包括银浆、碳浆油性导电浆料；

水性绝缘浆料包括聚氨酯、丙烯酸酯、环氧树脂、硅橡胶水性绝缘浆料。为了提升水性印刷涂层的电学绝缘性，水性绝缘浆料中包括5％～15％的羟基化二氧化硅纳米颗粒，所述羟基化二氧化硅纳米颗粒的直径为50～200nm。基于羟基化二氧化硅纳米颗粒与聚氨酯或者丙烯酸酯或者环氧树脂或者硅橡胶等聚合物水性分散体形成基团链化，并利用100～150℃退火处理，形成高介电特性的绝缘层。

进一步的，阵列读出电路包括行列垂直排线阵列电路或行列平行排线阵列电路。

其中，行列垂直排线阵列电路包括列电极层和行电极层，列电极层包括列电极和排线，列电极包括单元电极且每列列电极上的单元电极左侧引脚之间依次连接，排线与列电极最下端的单元电极的引脚连接，行电极层包括行电极和排线，行电极包括单元电极且每行行电极上的单元电极引脚之间依次连接，排线与行电极最右端的单元电极的引脚连接，列电极层上的排线垂直于行电极层上的排线。

其中，行列平行排线阵列电路包括叉指电极层和行列电极层，叉指电极层包括列向叉指电极，列向叉指电极包括单元叉指电极，且每列列向叉指电极上的单元叉指电极左侧引脚之间依次连接，行列电极层包括行电极与列电极，行电极包括单元电极和排线且每行行电极上的单元电极引脚之间依次连接，排线与行电极最右端单元电极的引脚连接，列电极包括单元电极和排线且每列列电极上的单元电极引脚之间依次连接，排线与列电极最右端单元电极的引脚连接，绝缘层在所述叉指电极层和行列电极层之间。

进一步的，行列垂直排线阵列电路中，绝缘带在列电极的单元电极之间沿水平方向排列；列电极层上的排线沿竖直方向排列，行电极层上的排线沿水平方向排列；列电极层上的单元电极包括左侧一个正向的“F”型电极和右侧一个与正向电极中心对称的反向“F”型电极，反向电极的上端分别与行电极上的单元电极连接；列电极层上的排线在竖直方向上聚集成束，行电极层上的排线在水平方向上聚集成束；或列电极层上的排线在竖直方向上分别与铆钉连接，行电极层上的排线在水平方向上分别与铆钉连接。

行列平行排线阵列电路中，行电极平行于列电极；绝缘带在单元叉指电极之间沿水平方向排列；行列电极层上行电极与列电极的排线沿水平方向排列；每个列电极上包括一个单元电极，列电极的单元电极分别与不同列的叉指电极的单元电极连接；叉指电极层上的单元电极包括左侧一个正向的“F”型电极和右侧一个与正向电极中心对称的反向“F”型电极，正向电极与列电极上的单元电极连接，反向电极分别与行电极上的单元电极连接；行列电极层上的排线在水平方向上聚集成束或行列电极层上的排线在水平方向上分别与铆钉连接。

一种以上所述的大面阵柔性薄膜传感器的全印刷制备方法，其特征在于，包括步骤：

(1)制备力敏浆料、油性导电浆料、水性绝缘浆料；

(2)在柔性衬底上印刷油性导电浆料制备下方电极层；

(3)在下方电极层上印刷水性绝缘浆料制备绝缘层；

(4)在绝缘层上印刷油性导电浆料制备上方电极层；

(5)对阵列读出电路进行两步等离子体刻蚀处理；

(6)在阵列读出电路上方通过静电纺丝的方法沉积纳米纤维制备多孔式增敏界面；

(7)在制备而成的阵列读出电路和多孔式增敏界面上掩膜对位喷涂或刮涂或对位印刷力敏浆料，形成力敏层；或在另一柔性衬底上喷涂或刮涂或对位印刷力敏浆料，形成力敏层，然后将力敏层与阵列读出电路对位贴合。

进一步的，步骤(2)、步骤(3)、步骤(4)中，对下方电极层、绝缘层、上方电极层进行退火处理，退火处理为调整真空烘箱温度为100℃-150℃，然后对下方电极层、绝缘层、上方电极层进行加热固化。

本发明的有益之处在于：采用“电极-绝缘层-电极”三次印刷方法构建全印刷阵列读出电路，相比基于PI衬底的FPC印刷成本更低，同时无需使用双层板的过孔工艺，避免了阵列电路在使用时出现虚焊。采用叉指电极作为电路的最下层再配合上中间的绝缘层以及最上层的行电极层或行列电极层，相比于上下行列式读出电路，可有效降低电路的串扰，使制备成的传感器精度更准确、灵敏度更大。“电极-绝缘层-电极”三次印刷的方法可以使制备而成的阵列读出电路的面积更大，从而适用范围更广。而且该制备方法可在柔弹性衬底上直接制备阵列读出电路，使得到的传感器相对于普通工艺制备的其他传感器具有更好的柔弹性。