本发明涉及柔性压电传感器领域，具体涉及高分辨率微凸台压电阵列柔性薄膜传感器及制造方法。
背景技术：
1、随着智能设备和高精度传感技术的迅速发展，对柔性压力传感器的需求日益增长，尤其是在可穿戴设备、机器人技术及医疗监控领域。柔性压力传感器因其轻便、可弯曲的特性，能够适应各种曲面和动态环境，因此在现代科技产品中扮演着越来越重要的角色。
2、传统的基于压电微粒材料所制备的柔性压力传感器通常面临一些制约其性能和应用的技术挑战。其中最主要的挑战之一是压电薄膜阵列的密度和分辨率限制。由于传统制造技术的限制，压电薄膜阵列往往不能在较小的空间内实现高密度排列，这限制了传感器的灵敏度和精确度。此外，传统方法在制造柔性压力传感器时常常遇到材料排布不均匀和结构定位困难的问题，这进一步影响了传感器的性能和可靠性。
技术实现思路
1、为了解决背景技术中存在的问题，本发明提供了一种高密度压电阵列柔性薄膜传感器及其声辅助3d制造方法。此柔性薄膜传感器利用基于声表面波辅助光固化的3d打印技术制造而成，不仅具有高分辨率和灵敏度，还具有均匀的材料分布和结构定位性能，因此整体性能和可靠性得到有效提升。
2、本发明采用的技术方案如下：
3、(一)一种高密度压电阵列柔性薄膜传感器
4、所述柔性薄膜传感器为柔性薄膜压力传感器，包括自上而下依次层叠布置的上电极层、传感层和下电极层；所述上电极层和传感层上设置有相互配合的凹凸互锁定位结构，所述上电极层的下表面、所述下电极层的上表面分别设有上层微粒银电极阵列、下层微粒银电极阵列，所述上层微粒银电极阵列与下层微粒银电极阵列在水平面上的投影重合。所述传感层内设有钛酸钡微粒条带阵列，所述上层微粒银电极阵列经钛酸钡微粒条带阵列与下层微粒银电极阵列电连接。上电极层四周的边缘处与下电极层四周的边缘处粘接。
5、其中，所述上层微粒银电极阵列中的每个上层微粒银电极条带、下层微粒银电极阵列中的每个下层微粒银电极条带均由银纳米微粒聚集形成，即由声辅助聚集光敏树脂中悬浮的银纳米微粒形成。所述钛酸钡微粒条带阵列中的每个钛酸钡微粒条带由钛酸钡纳米微粒聚集而成，即由声辅助聚集光敏树脂中悬浮的钛酸钡纳米微粒形成。
6、具体地，所述上电极层包括从上到下依次连接的上电极层薄膜、条形凸台阵列和上层微粒银电极阵列。所述条形凸台阵列包括若干个条形凸台，以所述条形凸台的长度方向为列方向，以与列方向垂直的方向为行方向，条形凸台在所述行方向上等间距并排布置，相邻两个条形凸台之间形成一个凹槽。所述上层微粒银电极阵列包括若干个上层微粒银电极条带，每个条形凸台的下表面设有至少一个上层微粒银电极条带，每个凹槽的槽底内壁面上设有至少一个上层微粒银电极条带。每个上层微粒银电极条带均沿列方向延伸布置，每个上层微粒银电极条带的两端分别贯穿上电极层在列方向上的两个对侧面后与外部导通。
7、优选地，每个上层微粒银电极条带均嵌入条形凸台的下表面或所述凹槽的槽底内壁面，且裸露于条形凸台的下表面或所述凹槽的槽底内壁面，使得上层微粒银电极阵列能够通过传感层的钛酸钡微粒条带阵列与下电极层的下层微粒银电极阵列导电连接。
8、具体地，所述下电极层包括下电极薄膜和下层微粒银电极阵列。下电极薄膜的上、下表面均为平面，下电极薄膜的上表面设有下层微粒银电极阵列，所述下层微粒银电极阵列主要由若干个下层微粒银电极条带等间距并排布置形成，每个下层微粒银电极条带沿列方向延伸布置，每个下层微粒银电极条带的两端分别贯穿下电极层在列方向上的两个对侧面后与外部导通。每个下层微粒银电极条带均嵌入下电极薄膜的上表面，且裸露于下电极薄膜的上表面，使得下层微粒银电极阵列实现能够通过传感层的钛酸钡微粒条带阵列与上电极层的上层微粒银电极条带导电连接。
9、对于所述上电极层的上层微粒银电极阵列和下电极层的下层微粒银电极阵列：下层微粒银电极条带与上层微粒银电极条带的数量和排布位置分布相同并且在竖直方向上一一对齐；每个下层微粒银电极条带均与对应的上层微粒银电极条带电连接。所述上层微粒银电极阵列/下层微粒银电极阵列由声辅助技术聚集光敏树脂溶液中悬浮的银纳米微粒形成，随后通过光固化工艺分别对其进行覆盖，进而使得微粒条带沉积于条形凸台的下表面或所述凹槽的槽底内壁或下电极薄膜的上表面，实现了微粒条带电极与光固化结构的一体化制备及紧密结合。
10、所述传感层主要由若干个宽量程压力传感单元线阵、若干个灵敏压力传感单元线阵和若干个连接单元线阵周期性紧密排布而成。在所述行方向上，所述宽量程压力传感单元线阵与灵敏压力传感单元线阵一一交替并排均匀布置，宽量程压力传感单元线阵与相邻灵敏压力传感单元线阵之间通过连接单元线阵相连；所述宽量程压力传感单元线阵与条形凸台的数量和排布位置分布相同并且在竖直方向上一一对齐并且相互接触，所述灵敏压力传感单元线阵与凹槽的数量和排布位置分布相同并且在竖直方向上一一对齐并且相互接触。
11、每个宽量程压力传感单元线阵/灵敏压力传感单元线阵/连接单元线阵均主要由若干个宽量程压力传感单元/灵敏压力传感单元/连接单元沿所述列方向间隔均匀排布形成，每个宽量程压力传感单元/灵敏压力传感单元的内部均垂直贯穿布置有一个钛酸钡微粒条带，所述钛酸钡微粒条带的上端面、下端面分别与位于钛酸钡微粒条带正上方的上层微粒银电极条带、位于钛酸钡微粒条带正下方的下层微粒银电极条带电连接。
12、具体而言，对于在每个竖直方向上对齐布置的条形凸台、宽量程压力传感单元线阵和下层微粒银电极条带：所述条形凸台表面的上层微粒银电极条带经各个宽量程压力传感单元内部的钛酸钡微粒条带与下层微粒银电极条带电连接。对于在每个竖直方向上对齐布置的凹槽、灵敏压力传感单元线阵和下层微粒银电极条带：所述灵敏压力传感单元线阵中的每个灵敏压力传感单元的顶端均伸入所述凹槽中，并且所述灵敏压力传感单元在行方向上的宽度与凹槽在行方向上的宽度相匹配。每个灵敏压力传感单元的上、下表面分别与凹槽的槽底内壁、下电极层的上表面接触，所述凹槽上的上层微粒银电极条带经各个灵敏压力传感单元内部的钛酸钡微粒条带与下层微粒银电极条带电连接。
13、所述传感层的下表面为平面，即所有宽量程压力传感单元、连接单元和灵敏压力传感单元的下表面在水平方向上一一对齐。所述宽量程压力传感单元的厚度与连接单元的厚度相同，且均小于所述灵敏压力传感单元的厚度。
14、优选地，所述宽量程压力传感单元、连接单元和灵敏压力传感单元的形状均为立方体；在行方向上，每个宽量程压力传感单元线阵中的宽量程压力传感单元与每个灵敏压力传感单元线阵中的灵敏压力传感单元一一对齐。
15、进一步地，每个宽量程压力传感单元/灵敏压力传感单元均主要由预打印层和微粒条带层组成，所述预打印层和微粒条带层沿所述行方向依次设置且紧密贴合布置，所述微粒条带层内设有钛酸钡微粒条带。
16、(二)一种高密度压电阵列柔性薄膜传感器的声辅助3d制造方法
17、具体为：使用声辅助3d打印装置按照以下步骤分别逐层打印上电极层、传感层和下电极层，得到打印成型的上电极层、打印成型的传感层和打印成型的下电极层，将打印成型的下电极层、打印成型的传感层和打印成型的上电极层从下到上依次叠放后，粘接打印成型的上电极层和打印成型的下电极层的外边缘处，得到所述柔性薄膜传感器。
18、所述逐层打印的过程包括以下步骤：
19、1)配制待打印构件对应的纳米微粒-光敏预聚物混合溶液并加入打印液槽中；所述待打印构件为上电极层、传感层或者下电极层；
20、2)通过对待打印构件的目标三维结构进行均匀或非均匀划分，得到若干个打印层，获取每个打印层的信息；
21、所述信息包括厚度和光固化图案，若打印层具有微粒条带阵列，则所述信息还包括微粒条带排布参数，所述微粒条带排布参数包括微粒条带位置、微粒条带间距和微粒条带宽度；
22、3)在纳米微粒-光敏预聚物混合溶液中，根据首个打印层的厚度调节载物平台与声表面波激发平台的高度，在载物平台与声表面波激发平台之间形成一个开放空间，所述开放空间的初始高度等于首个打印层的厚度，纳米微粒-光敏预聚物混合溶液流入并充满开放空间；
23、以首个打印层作为当前打印层并进入下一个步骤；
24、4)若当前打印层的信息包括微粒条带排布参数，则进入步骤5)；否则进入步骤7)；
25、5)开启两个对置布置于声表面波激发平台上的叉指换能器，根据当前打印层的微粒条带位置同时配置两个叉指换能器的输出相位，使得声辐射节点与微粒条带的位置一一对应，根据当前打印层的微粒条带间距同时配置两个叉指换能器的声表面波波长，使得声表面波波长为微粒条带间距的两倍，以及根据当前打印层的微粒条带宽度同时配置两个叉指换能器的声辐射力，声辐射力与微粒条带宽度呈正相关，声表面波激发平台中央设有铌酸锂压电晶片，两个叉指换能器分别激发出两列沿铌酸锂压电晶片表面传播的声表面波，在开放空间中构成声表面波压力声场；声表面波压力声场驱动纳米微粒-光敏预聚物混合溶液中的纳米微粒在每个声辐射节点处聚集形成一个纳米微粒条带，所有声辐射节点处的纳米微粒条带组成纳米微粒条带阵列；关闭所述叉指换能器；
26、6)开启倒置于打印液槽正上方的紫外dlp投影，紫外dlp投影向下出射紫外光，紫外光照射区域内的光敏预聚物固化并覆盖所述步骤5)中形成的纳米微粒条带阵列，形成一个具有当前打印层的厚度、光固化图案和微粒条带阵列的光固化层，进入步骤8)；
27、7)开启紫外dlp投影，紫外dlp投影向下出射紫外光，紫外光照射区域的光敏预聚物固化，形成一个具有当前打印层的厚度和光固化图案的光固化层，进入步骤8)；
28、8)控制载物平台向下移动，移动距离等于下一打印层的厚度，以下一打印层作为当前打印层；
29、9)重复步骤4)～步骤8)在载物平台的下表面上方，从下至上依次形成各个打印层对应的光固化层，直至打印结束，得到打印成型构件；
30、10)对所述打印成型构件进行后处理，得到打印完成的构件。
31、使用声辅助3d打印装置逐层打印上电极层的过程中：所述步骤1)中，纳米微粒-光敏预聚物混合溶液为含有0.5～20wt％银纳米微粒的光敏预聚物；其中，功能介质微粒的具体浓度视所需压电效果与打印精度需求决定，在本专利中采用5wt％。所述步骤2)中，在竖直方向上，将上电极层划分为两个打印层，两个打印层分别对应上电极层薄膜、条形凸台阵列，所述条形凸台阵列对应的打印层为首个打印层。所述步骤10)中，对打印成型的上电极层进行后处理的过程为：使用酒精清洗打印成型的上电极层，清洗后再在uv光源照射一段时间，以固化光敏树脂，确保所有层次结构牢固连接；最后利用低功率激光刻蚀上电极层的下表面，使第一上层微粒银电极条带、第二上层微粒银电极条带充分暴露于上电极层的下表面以与外部导通。
32、使用声辅助3d打印装置逐层打印传感层的过程中：所述步骤1)中，纳米微粒-光敏预聚物混合溶液为含有5wt％钛酸钡压电纳米微粒的光敏预聚物；所述步骤2)中，在行方向上，将传感层划分为若干个打印层，每个宽量程压力传感单元线阵/灵敏压力传感单元线阵均被划分为两个打印层，两个打印层分布对应于预打印层和微粒条带层，所述预打印层先于微粒条带层成型；所述结构单元线阵被划分为一个打印层。所述步骤10)中，对打印成型的传感层进行后处理的过程为：使用酒精清洗打印成型的传感层，清洗后再在uv光源照射一段时间，以固化光敏树脂，确保所有层次结构牢固连接；最后利用低功率激光刻蚀传感层的上、下表面，使钛酸钡微粒条带的两端充分暴露于传感层的上、下表面以与外部导通。
33、使用声辅助3d打印装置逐层打印所述下电极层的过程中：所述步骤1)中，纳米微粒-光敏预聚物混合溶液为含有5wt％银纳米微粒的光敏预聚物；所述步骤2)具体为：首先将下电极层划分为两个打印层，第一个打印层的厚度为下电极层的厚度，第二个打印层的厚度为零；接着将下层微粒银电极阵列拆分为两个二倍间距分布子图案，两个二倍间距分布子图案的微粒条带间距为下层微粒银电极阵列的微粒条带间距的二倍；最后将下电极薄膜的水平投影图案拆分为两个条形阵列图案，两个条形阵列图案与两个二倍间距分布子图案一一对应，每个条形阵列图案中的条形图案与对应的二倍间距分布子图案中的微粒条带一一对齐，且条形图案的宽度大于微粒条带的宽度；两个打印层的信息分别包括两个二倍间距分布子图案和对应的条形阵列图案。所述步骤10)中，对打印成型的下电极层进行后处理的过程为：使用酒精清洗打印成型的下电极层，清洗后再在uv光源照射一段时间，以固化光敏树脂，确保所有层次结构牢固连接；最后利用低功率激光刻蚀下电极层的上表面，使下层微粒银电极条带充分暴露于下电极层的上表面以与外部导通。
34、所述微粒银电极条带/钛酸钡微粒条带的导电率与银纳米微粒/钛酸钡压电纳米微粒的聚集程度有关。打印过程中，可通过调控所述声表面波压力声场中声表面波的强度等参数来控制微粒银电极条带的聚集程度，使得微粒银电极条带/钛酸钡微粒条带的导电率等性能达到目标值。采用本发明方法制造的构件中，所述微粒银电极条带的导电率可达到约102～103s/m。
35、本发明的有益效果如下：
36、1、本发明提供的柔性薄膜传感器通过凹凸互锁结构的设计，使得各层材料牢固结合，增加了传感器的整体稳定性和抗压能力。此外，传感层中的镂空设计进一步提升了传感器的柔性，使其更适合贴合不规则表面，增强了在可穿戴设备和柔性电子产品上的应用潜力。
37、2、本发明提供的柔性薄膜传感器通过声辅助排布的纳米微粒条带解决了传统微粒介质均匀分布的3d打印中，独立微粒间距过大，电流导通性、压电效应差等问题；解决了高浓度功能微粒在3d打印紫外光固化时，对紫外光的屏蔽作用，提升了打印效果与质量；相互独立的压电条带提供了独立的电压信号输出，实现了高分辨率的压电感知性能。
38、3、本发明提供了一种采用声表面波辅助光固化的3d打印制造方法，此方法能够在微观尺度上精确控制压电材料和导电材料的分布，实现了254dpi的高分辨率检测。这种精确的材料控制方法显著提高了传感器的感应灵敏度和压力检测的准确性。
1.一种高密度压电阵列柔性薄膜传感器，其特征在于：包括自上而下依次层叠布置的上电极层(1)、传感层(2)和下电极层(3)；所述上电极层(1)和传感层(2)上设置有相互配合的凹凸互锁定位结构，所述上电极层(1)的下表面、所述下电极层(3)的上表面分别设有上层微粒银电极阵列、下层微粒银电极阵列，所述上层微粒银电极阵列与下层微粒银电极阵列在水平面上的投影重合；所述传感层(2)内设有钛酸钡微粒条带阵列，所述上层微粒银电极阵列经钛酸钡微粒条带阵列与下层微粒银电极阵列电连接；
2.根据权利要求1所述的高密度压电阵列柔性薄膜传感器，其特征在于：所述上电极层(1)包括从上到下依次连接的上电极层薄膜、条形凸台阵列和上层微粒银电极阵列；所述条形凸台阵列包括若干个条形凸台(5)，以所述条形凸台(5)的长度方向为列方向，以与列方向垂直的方向为行方向，条形凸台(5)等间距并排布置，相邻两个条形凸台(5)之间形成一个凹槽；所述条形凸台(5)的下表面和所述凹槽的槽底内壁上均设有至少一个上层微粒银电极条带，每个上层微粒银电极条带均沿列方向延伸布置并且两端分别贯穿上电极层(1)的两个对侧面。
3.根据权利要求2所述的高密度压电阵列柔性薄膜传感器，其特征在于：所述下电极层(3)包括下电极薄膜(11)和下层微粒银电极阵列；下电极薄膜(11)的上、下表面均为平面，下电极薄膜(11)的上表面设有下层微粒银电极阵列，所述下层微粒银电极阵列主要由若干个下层微粒银电极条带(10)等间距并排布置而成，每个下层微粒银电极条带(10)的两端分别贯穿下电极层(3)的两个对侧面；下层微粒银电极条带(10)与上层微粒银电极条带的数量和排布位置分布相同并且在竖直方向上一一对齐；每个下层微粒银电极条带(10)均与对应的上层微粒银电极条带电连接。
4.根据权利要求3所述的高密度压电阵列柔性薄膜传感器，其特征在于：所述传感层(2)主要由若干个宽量程压力传感单元线阵、若干个灵敏压力传感单元线阵和若干个连接单元线阵周期性紧密排布而成；在所述行方向上，所述宽量程压力传感单元线阵与灵敏压力传感单元线阵一一交替并排均匀布置，宽量程压力传感单元线阵与相邻灵敏压力传感单元线阵之间通过连接单元线阵相连；所述宽量程压力传感单元线阵与条形凸台(5)在竖直方向上一一对齐并且相互接触，所述灵敏压力传感单元线阵与凹槽在竖直方向上一一对齐并且相互接触；
5.根据权利要求4所述的高密度压电阵列柔性薄膜传感器，其特征在于：所述宽量程压力传感单元(7)、连接单元(8)和灵敏压力传感单元(9)的形状均为立方体；在行方向上，所述宽量程压力传感单元(7)与灵敏压力传感单元(9)一一对齐。
6.根据权利要求4所述的高密度压电阵列柔性薄膜传感器，其特征在于：每个宽量程压力传感单元(7)/灵敏压力传感单元(9)均主要由预打印层(12)和微粒条带层组成，所述预打印层(12)和微粒条带层沿所述行方向依次设置，所述微粒条带层内设有钛酸钡微粒条带。
7.一种如权利要求1～6任一所述的高密度压电阵列柔性薄膜传感器的声辅助3d打印制造方法，其特征在于：按照以下步骤分别逐层打印上电极层(1)、传感层(2)和下电极层(3)，得到打印成型的上电极层(1)、打印成型的传感层(2)和打印成型的下电极层(3)，将打印成型的下电极层(3)、打印成型的传感层(2)和打印成型的上电极层(1)从下到上依次叠放后，粘接打印成型的上电极层(1)和打印成型的下电极层(3)的外边缘处，得到柔性薄膜传感器；
8.根据权利要求7所述的声辅助3d打印制造方法，其特征在于：使用声辅助3d打印装置逐层打印上电极层(1)的过程中：所述步骤1)中，纳米微粒-光敏预聚物混合溶液为含有0.5～20wt％银纳米微粒的光敏预聚物；所述步骤2)中，将上电极层(1)划分为两个打印层，两个打印层分别对应上电极层薄膜、条形凸台阵列，所述条形凸台阵列对应的打印层为首个打印层。
9.根据权利要求7所述的声辅助3d打印制造方法，其特征在于：使用声辅助3d打印装置逐层打印传感层(2)的过程中：所述步骤1)中，纳米微粒-光敏预聚物混合溶液为含有5wt％钛酸钡纳米微粒的光敏预聚物；所述步骤2)中，将传感层(2)划分为若干个打印层，其中，每个宽量程压力传感单元线阵/灵敏压力传感单元线阵均被划分为两个打印层，两个打印层分布对应于预打印层(12)和微粒条带层，所述预打印层(12)先于微粒条带层成型；所述结构单元线阵被划分为一个打印层。
10.根据权利要求7所述的声辅助3d打印制造方法，其特征在于：使用声辅助3d打印装置逐层打印下电极层(3)的过程中：所述步骤1)中，纳米微粒-光敏预聚物混合溶液为含有5wt％银纳米微粒的光敏预聚物；所述步骤2)具体为：首先将下电极层(3)划分为两个打印层，第一个打印层的厚度为下电极层(3)的厚度，第二个打印层的厚度为零；接着将下层微粒银电极阵列拆分为两个二倍间距分布子图案，两个二倍间距分布子图案中的微粒条带间距为下层微粒银电极阵列中的微粒条带间距的二倍；最后将下电极薄膜(11)的水平投影图案拆分为两个条形阵列图案，两个条形阵列图案与两个二倍间距分布子图案一一对应；两个打印层的信息分别包括两个二倍间距分布子图案和各自对应的条形阵列图案。
