喷涂薄膜表面微结构的可控构筑及其与柔性压力传感器性能关系的研究

As one of the most important smart sensors, flexible pressure sensors exhibit broad application prospects in human-machine interaction, human health and motion monitoring, and so on. The spray-coating technique contains great potential in constructing surface microstructures and realizing scalable fabrication of flexible pressure sensors. However, attributed to the complex film-forming process in spray-coating, the surface microstructure formation mechanism and the relationship between surface morphology and the sensor performance are not fully understood, which limits the proposal of novel fabrication method for flexible pressure sensor based on spray-coating technique. This project aims at developing novel fabrication method for flexible pressure sensor based on the spray coating technique. To achieve this goal, we will study the formation mechanism of the surface microstructures in spray-coated film, establish the relationship between film formation process and surface morphology, and investigate the influence of the surface morphology on the sensor performance. This project will provide theoretical guidance and experimental basis for developing scalable fabrication method of high performance flexible pressure sensors，which would accelerate the industrialization process of flexible pressure sensors.

柔性压力传感器作为重要的智能传感器件，在人机交互、人体健康和运动监测等方面具有广泛的应用前景。喷涂技术在构筑表面微结构和实现柔性压力传感器规模化制备方面极具潜力。然而，由于喷涂成膜过程复杂，喷涂薄膜微结构的形成机理及其与传感器的性能关系尚不明确，限制了基于喷涂技术的新型传感器制备方法的提出。本项目以发展基于喷涂技术的新型柔性压力传感器制备方法为研究目标，系统研究喷涂薄膜表面微结构的形成机理，建立关键成膜参数与薄膜表面形态的关系，并探究表面形态对柔性压力传感器性能的影响。本项目的研究将为发展高性能柔性压力传感器规模化制备方法提供理论指导和实验依据，推进柔性压力传感器的产业化进程。

柔性触觉传感器具有轻薄、便携和集成度高等特点，能够贴附在复杂曲面或人体皮肤上，灵敏响应呼吸、心跳、脉搏、碰触和运动等人体活动产生的压力，在人机交互、人体健康和运动监测等方面展现出十分广泛的应用前景。利用模板转印工艺构筑弹性体表面微结构的方法能够实现高灵敏度柔性传感器。但是，从柔性触觉传感器规模化制备的角度考虑，该方法存在成本较高、工艺复杂、产率低以及难以实现大面积化等问题。此外，转印法所能获得的结构复杂度和形态多样性有限，限制了更高性能微结构型传感器的发展及其结构与性能关系的探究。因此，发展大面积的、多形态的表面微结构构筑方法并用于柔性触觉传感器，对于推动柔性触觉传感器的产业化应用，并深入理解其结构性能关系均具有非常重要的意义。.本项目基于喷涂法构筑微结构薄膜并用于微结构型柔性触觉传感器的制备。通过调节喷涂墨水与工艺调节表面微结构形态，构建“西蓝花状”新型微结构形态，实现了兼具高灵敏度（>90 kPa-1）和0-10MPa超高线性检测范围的柔性传感器件，为目前文献报道的最高水平。此外，通过对比该方法制备的三种不同形态特点的表面微结构以及传感器性能发现，喷涂制备的西兰花状微结构相比于其他两种山脉状和织物状微结构，在受压时与电极间的接触面积持续增加，同时西蓝花状微结构具有表面多层级，粗糙无规，内部多孔隙，微结构单元下小上大的特点，因此表现出最高的灵敏度和线性范围。与先前报道相比，本项目采用的微结构构建方法不依赖模板，为探索更多的微结构形态提供了新的思路，同时该方法适合于大面积生产，有望实现传感器的批量化生产。通过该方法所制备的传感器可用于检测呼吸、脉搏、手掌握力大小、足底压力等多种场景，具有非常好的产业化应用前景。