CN110455443A - 一种采用银纳米线柔性电极制备的柔性电容传感器及其制备方法 - Google Patents

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宋维鹏
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Abstract

本发明涉及一种采用银纳米线柔性电极制备的柔性电容传感器，包括上下两层柔性电极板以及中间的柔性介电层，柔性电极包括：柔性基底、柔性基底内的银纳米线电极薄膜层；电极的制备方法采用转印法，即先在电极模版内制备银纳米线电极薄层，后注入柔性聚合物固化从而将银纳米线导电薄层转移至柔性基底内；所述的柔性介电层分为两种：薄膜结构和多孔结构，薄膜结构采用在硅片上均匀涂抹柔性聚合物预聚体形成薄层制备；多孔结构采用模版法制备，即将柔性聚合物预聚体与食盐均匀混合，制备成膜结构固化，后去除食盐得到多孔介电层结构。该柔性电容传感器制备方法简单，并且具有良好的信号响应。

Description

一种采用银纳米线柔性电极制备的柔性电容传感器及其制备 方法
技术领域
本发明属于电容传感器研究领域，具体涉及一种采用银纳米线柔性电极制备的柔性电容 传感器。
背景技术
传感技术作为信息技术中的一个重要环节，被各个行业高度重视。随着消费者对传 感器的舒适性和普适性要求提高，柔性化设计成为传感器的一个重要发展方向。柔性传感器可用于多种人体穿戴设备，能够准确连续的提供人体的生理信号，并且能够适应人 体的运动形态变化。在众多柔性传感器中，柔性电容传感器具有结构简单，成本低，可 靠性高以及抗干扰能力强等优势。目前柔性电容传感器较多的形式是三明治结构，由上 下两层电极和中间介电层构成。电极一般有传统的金属薄层单独结构以及利用磁控溅射 和金属镀膜等方法在柔性薄膜上镀上金属薄层的金属层和柔性薄膜简单的复合结构，同 时也有人将导电材料与柔性材料混合直接制备复合电极；为了增大电容的灵敏度，许多 人选择在介电层表面利用激光切割、光刻等方法制备微结构，典型的结构有金字塔形凸 起、球形凸起、表面凹槽等等。通过将导电柔性电极与介电层组合制备柔性电容传感器。
专利CN106813811A(申请日期2017年1月20日，公开日期2017年6月9日)公开了 一种高灵敏度的电容型柔性压力传感器，具有多层次微结构材料，附着于多-层次微结构材料表面上为电容器上电极、电介质材料和电介质材料下表面的电容器下电极；多层次微结构 材料和电介质材料平面平行叠合；所述多层次微结构材料，多层次微结构材料为如下结构： 纵截面的形状为面分布且排列的若干金字塔形或边缘平滑的类金字塔形、半球形、椭球形、 圆锥形、V字形形状；多层次微结构材料采用聚合物弹性材料。所述的柔性聚合物为PDMS、 聚乙烯、硅橡胶等，多层次微结构的制备方法是光刻法，金属电极层的电极制备方法是电子 束蒸镀，分别在电极上镀上金属Ti和金属Au制备电极。该传感器在0-5kPa压强下灵敏度 较高，但是还存在以下缺点：1)多层次微结构和电极金属层采用光刻、电子束蒸镀、臭氧清 洗等的方法制备。工艺复杂，成本高，对环境有一定污染；2)电极属于金属电极，并非完全 柔性；3)该传感器只在较小压强(0-5kPa)下，电容变化线性关系较好，测量范围有限。
专利CN206116459U(申请日期2016年8月9日，公开日期2017年4月19日)公 开了一种三明治式结构的柔性电容式压力传感器，所述柔性基底层、下金属电极层、柔 性介质层、上金属电极层从下至上依次排列；所述下金属电极层包括多个电容、电极； 所述上金属电极层包括多个电容、电极；所述电容包括：电容片、弯曲线、电容电极， 所述电容片与多个电容电极之间通过弯曲线相连接；所述柔性基底层、柔性介质层均采 用PDMS聚二甲基硅氧烷或PI聚酰亚胺或PET聚对苯二甲酸乙二醇酯或柔性玻璃或金 属箔或试纸。该专利通过光刻和磁控溅射方法制备图案化阵列金属电极，能够感受多个 电容压力变化。该专利存在的不足之处：1)采用光刻和磁控溅射方法制备电极，操作复 杂，成本高；2)柔性电极实质是金属电极和柔性电极的简单粘合，并非完全柔性，反复 变形会出现裂纹；3)没有相关的实验结果数据支撑，无法确定传感器性能优劣。
专利CN109883582A(申请日期2019年2月14日，公开日期2019年6月14日) 提供了一种基于导电橡胶的柔性电容传感器。该传感器以柔性导电橡胶为导电极板，以 柔性纯橡胶为介电层，利用喷涂工艺制备电容传感器各层，辅助以表面微结构。制备的 柔性电容传感器对外界载荷产生显著的信号响应，可用于拉伸、压缩及运动测试。其中 介电层的纯橡胶由80～90wt％液态橡胶和10～20wt％固化剂混炼制成；导电橡胶由 40wt％～60wt％液态橡胶、10～15wt％固化剂、20wt％～30wt％导电填料、以及10～ 20wt％稀释剂混炼制成，通过分层喷涂和分步或整体固化后，获得具有良好力学信号响 应的柔性电容传感器。该传感器的具有一定柔性，辅助以微结构，提高了灵敏度。该专 利存在的局限性：1)采用的喷涂工艺制备电极，制备方法较复杂，成本较高；2)电极 层由导电填充材料和橡胶混合制备，需要较高含量的导电填充材料，部分材料没有用于 连接导电网络造成浪费，并且导电材料含量高增加了电极脆性，降低了电极的柔性，损 失机械性能；3)传感器的电容随外界压强变化的线性关系不强。
何崟等(何崟,周艺颖,刘皓,等.基于碳材料的柔性压力传感器研究进展[J].化工进 展,2018,37(7):2664-2671.)在文中对近几年国内外高精度柔性压力传感器及其碳基微纳 米感应材料的研究进行综述，介绍了碳基材料包括纳米管、石墨烯片等在柔性传感器中 的应用，采用喷射沉积的方法将单壁碳管放置在已拉伸的柔性基底上，从而形成原始状态下碳管呈现的螺旋结构，使其薄膜应变达150％，此时的导电率高达2200S/cm。该综 述设计的传感器存在以下局限：1)电极制备都采用橡胶混合导线材料制备，对导电材料 含量要求较高，破坏了电极的柔韧性；2)采用石墨烯材料制备，价格昂贵；3)碳基材 料的传感器线性度不佳。
李玲等人(李玲,岳凤英,乔霖,等.基于多孔PDMS薄膜介电层的柔性压力传感器[J]. 仪表技术与传感器,2019,(4):15-19.)利用光刻法制备了尺寸为2.5cm*2.5cm的多孔介电 层电容传感器，电极采用的是PET-ITO柔性电极，其实质是在PET薄膜上磁控溅射氧化铟锡，将传感器的灵敏度从0.2kPa-1提升到了0.58kPa-1。该传感器存在一定的不足之处：1)采用光刻法和磁控溅射等方法制备，操作复杂，成本高；2)电极属于金属薄层 电极，ITO材料偏脆性，柔性较差。
Luo Yongsong等人(Luo Yongsong,Shao Jinyou,Chen Shouren,ChenXiaoliang,Tian Hongmiao,Li Xiangming,Wang Liang,Wang Duorui,LuBingheng.Flexible Capacitive Pressure Sensor Enhanced by Tilted MicropillarArrays.[J].ACS applied materials& interfaces,2019,11(19).)采用光刻法制备模板，并在模板内旋涂PDMS溶液固话得到具有 微斜圆柱结构的介电层，从而制备了具有很高压敏性质(0.42kPa-1)和较小检测极限(1Pa) 的电容传感器。该电容传感器存在以下限制：1)采用光刻技术制备介电层，制备工艺复 杂；2)电极采用金属Au薄膜制备，并非完全柔性电极；3)传感器电容随外界压强变 化的线性度不是很好。
Wang jian等人(Wang Jian,Suzuki Ryuki,Shao Marine,Gillot Frederic,Shiratori Seimei. Capacitive Pressure Sensor with Wide-range,Bendable andHigh Sensitivity Based on Bionic Komochi Konbu Structure and Cu/Ni NanofiberNetwork.[J].ACS applied materials& interfaces,2019.)采用静电纺丝的方法在PET薄膜表面直接沉积了聚乙烯醇丁醛/SnCl 2纳米纤维网络，继续在pdcl 2的活化溶液中催化制备纳米网纹的表面，最后将带有纳米 结构导电网络的PET薄膜浸入在还有Cu/Ni金属粒子的溶液中镀上金属层，制备柔性电 极。用食盐制备模板，导入PDMS预聚体溶液，并在上层再次加入食盐模版制备表面不 规则的PDMS薄膜作为介电层，提高了传感器的灵敏度(9.8×10-3kPa-1)。该传感器 存在以下限制：1)采用静电纺丝方法制备金属电极，工艺复杂，成本较高；2)金属网 络电极仅仅附着在柔性基地PET表面，受到外界作用容易被破坏；3)介电层表面规整 度不高，容易导致电容传感器表面不平整。
Kim Joshua等人(Kim Joshua,Chou En-Fan,Le Jamie,Wong Sabrina,ChuMichael,Khine Michelle.Soft Wearable Pressure Sensors for Beat-to-Beat BloodPressure Monitoring.[J]. Advanced healthcare materials,2019,8(13).)制备的柔性电容传感器其电极是溅射的金属 薄膜柔性电极，利用激光切割制备电极表面的微脊柱凸起结构，将凸起结构与另一电极 表面形成的空隙作为介电层，另一电极表面镀聚合物薄膜防止电容短路，最终得到空气 介电层的电容传感器，具有较高的灵敏度(0.148kPa-1)。该传感器存在以下限制：1) 金属电极制备方法为磁控溅射，并且需要在电极表面进行激光切割改变表面结构，工艺 复杂；2)电极实质是金属薄膜与柔性薄膜的简单粘合，并非完全柔性；3)空气介电层 导致传感器模量低，易变形，检测压强范围低(小于10kPa)。
综上所述，现有的柔性电容传感器存在以下的不足：
(1)电容传感器所用的电极中的导电层多数为磁控溅射金属薄层、金属溶液涂抹蒸 发溶剂或者导电材料与柔性材料混合方式制备。前两者实质为金属薄层与柔性薄膜的简 单粘合，并非完全柔性，并且单独导电层容易在外载作用下断裂失效；后者则是导电材料与柔性材料混合制备，提高了相对于单独导电层的柔韧性，但由此需要较高的导电填 充材料，造成材料浪费并且一定程度上牺牲了柔性层的柔韧性。
(2)许多电容传感器通过设计电极和介电层表面微观结构来提高电容的灵敏度，该 方法需要采用较为复杂的工艺手段，成本较高，并且对压强检测范围较低。
(3)大多数电容传感器的电容值随压强变化的线性关系不强，增大了该类传感器真 正应用的难度。
发明内容
本发明技术解决问题：为了克服当前柔性电容传感器中所存在的问题，提供一种采 用银纳米线柔性电极制备的柔性电容传感器及制备方法，通过采用先制备纳米银线导电 网络，后注入柔性基底材料的方式解决了金属层与柔性材料单独粘连柔性不佳和导电材 料与柔性材料混合制备电极需要较高导电填充材料的问题，同时银纳米线导电网络具有 抗反复弯折的能力，保证电极柔性的同时也保证导电通路；通过制备多孔柔性介电层，减小整体模量的方式增大了电容传感器的灵敏度，并且具有良好的线性关系。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种柔性电容传感器，包括上层柔性电极、下层柔性电极以为位于两个极板之间的柔性 介电层；该柔性电容传感器结构为三明治结构，即由上柔性电极层、柔性介电层、下柔性电 极层从上至下依次排列组成；所述的柔性电极包括：柔性基底、所述的柔性基底内的银纳米 线薄膜电极层；电极的制备方法采用转印法，先在带有模板的硅片上滴加银纳米线混合溶液， 加热蒸发溶剂得到银纳米线导电网络，后将预先制备好的柔性聚合物预聚体导入模板，待柔 性聚合物预聚体完全深入银纳米线导电网络间隙后固化，从而将银纳米线网络转移到柔性基 体中制备得到柔性电极；本发明的柔性电容传感器可分为两种单独形式：采用柔性聚合物预 聚体制备的薄膜介电层结构构成的柔性电容传感器和采用柔性聚合物预聚体制备的多孔介 电层结构的柔性电容传感器，薄膜介电层结构采用棒涂法制备，即使用玻璃棒蘸取柔性聚合 物预聚体均匀涂抹在硅片上，经过除气处理(静置或者抽真空)后固化成膜；多孔介电层结 构采用模版法制备，先将柔性聚合物预聚体与食盐混合均匀，经过除气处理后(静置或者抽 真空)，将二者的混合物压成薄膜状进行固化，将固化后的材料放入水中超声处理溶解食盐 后，得到多孔介电层结构。本发明中银纳米线柔性电极用的是纳米线导电网络，导电效率 优异；整个传感器采用银纳米线柔性电极，介电层也是柔性材料，因此传感器的柔韧性 好，并且材料的生物适应性好，适用于人体信号采集；另外为了增加电容传感器的灵敏 度，本发明还将介电层做成多孔结构，使得整体电容的柔度增加，更容易感知微小压强 变化从而增大了电容传感器的灵敏度。
该柔性电容传感器制备步骤如下：
①将液态柔性聚合物和固化剂按照一定质量比例混合均匀制备柔性聚合物预聚体 溶液。
②采用转印法，用柔性聚合物预聚体和银纳米线溶液制备柔性电容传感器的上层柔 性电极和下层柔性电极。
③采用柔性聚合物预聚体制备柔性电容传感器的介电层结构。
④从上至下按照上层柔性电极、介电层结构、下层柔性电极顺序封装制备柔性电容 传感器。
优选地，所述的柔性聚合物为PDMS(聚二甲基硅氧烷)柔性聚合物预聚体为PDMS预聚体，柔性聚合物和固化剂质量比为10：1。
优选地，所述的银纳米线电极薄膜层厚度约为5μm-15μm,银线质量占电极总质量的 1％-5％。
优选地，所述的柔性介电层厚度为0.2-2mm。
优选地，所述的柔性基底内的银纳米线电极层，是通过转印法制备，先制备银纳米线混合溶液，是银纳米线与无水乙醇的混合溶液，浓度3.2×104mg/L，具体电极制备方 法是将银纳米线混合溶液滴到带有电极模版的硅片上，50℃-70℃温度加热蒸发溶剂得到 银纳米线薄膜层；然后注入PDMS预聚体溶液，静置时间10-12h，待溶液充分进去导电 网络空隙内后，高温80℃-100℃固化1-2h，从而将导电网络层转移到柔性基底上。是在 模版中滴加银纳米线混合溶液，加热蒸发溶剂，后加入柔性基底材料固化成为电极层。
优选地，所述的柔性介电层结构为薄膜介电层结构或者多孔介电层结构。
优选的，所述的银纳米线导电网络中的银纳米线尺寸为纳米级别；多孔介电层结构 孔隙尺寸是微米级别，孔隙率60％-80％。
优选地，所述的介电层结构中薄膜介电层结构采用棒涂方法制备，即用玻璃棒蘸取 PDMS聚体溶液，平铺一定厚度(0.2-2mm)薄膜在硅片上，静置40分钟至1小时或者 真空处理(真空度为-80kpa至-100kpa)10-20分钟除去溶液中气泡，在80℃-100℃温度 下固话1-2小时得到薄膜介电层结构；多孔介电层结构制备采用模版法，即将PDMS预 聚体溶液与食盐混合形成均匀混合物，混合质量比例(1-2)：(4-10)，机械搅拌15分 钟至30分钟，在光滑的硅片上将混合物压成厚度均匀的薄层，然后80℃-100℃高温固 化1-2h，再将固化后的材料放入有水的烧杯中(水的质量为材料质量的10-20倍)，超 声处理40分钟至1小时，将食盐溶解，烘干得到多孔介电层结构。
优选地，所述的柔性电容传感器采用采用PDMS进行封装，封装的方法为在上、下层柔性电极的银纳米线导电层侧涂抹少量PDMS预聚体溶液，按照上层柔性电极、介电层、 下层柔性电极顺序粘在一起，放置在80℃-100℃温度下固化1-2小时得到。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
(1)本发明提供了一种采用银纳米线柔性电极制备的柔性电容传感器，能够具有良 好的生物相容特点，同时具有柔性、高的灵敏度和宽的压强检测范围，扩充了柔性电容传感器的可行构建方案。电极制备采用先制备导电网络后注入柔性材料转移到柔性薄膜中的方法，解决了只在柔性薄膜表面镀金属电极层而导致柔性不佳且金属层容易被破坏的问题，并且本方法使用的导电网络质量分数仅仅占到电极总质量的1％-5％，使用的导电材料少，解决了导电材料与柔性材料混合需要较高质量分数的导电材料才能导电的问题，同时银纳米线网络具有很好的抗弯折能力，保证该电极柔性的同时也保证了电极的 正常使用；通过设计多孔柔性介电层结构提高了电容传感器的灵敏度(从0.55％kPa-1提 升至1.75％kPa-1)。目前大多数柔性传感器电极采用镀金属薄层方法制备，制备过程复 杂，并且导电材料的柔韧性没有银纳米线优良，采用银纳米线导电网络可以往复多次承 受大变形，纳米线之间的搭接点能够保持完好，从而保证纳米线网络导电的稳定性。
(2)本发明方法制备柔性电容传感器所采用的设备简单、环境要求低，选用普通的材料和基础设备即可制备，工艺流程简单，能够规模生产。
(3)本发明的柔性电容传感器能够做到对一般范围大小的压强(0-1.2Mpa)的检测； 此电容传感器的电容值与外部压强的线性关系好；此电容传感器采用的柔性材料具有良 好的生物相容性和柔韧性。
(4)本发明中采用银纳米线柔性电极，通过在柔性材料中加入银纳米线导电网络构 成柔性电极，相比于薄片金属电极，其使用的金属量少，导电效率高，并且柔性性能好；柔性介电层，柔性介电层是的电容传感器具有良好的可压缩性，从而实现了在外部压强 作用的情况下电容值的改变，完成对压强的检测；使用PDMS柔性材料，PDMS柔性材 料具有良好的生物相容性和柔韧性，适合制备柔性传感器。
附图说明
图1是本发明的采用银纳米线柔性电极制备的柔性电容传感器的结构示意图；
图2是本发明的采用银纳米线柔性电极制备的柔性电容传感器的截面示意图；
图3是本发明的采用银纳米线柔性电极制备的多孔介电层结构柔性电容传感器的截 面示意图；
图4是本发明采用的银纳米线柔性电极表面电镜图。
图5是本发明采用的银纳米线柔性电极剖面电镜图。
图6是实施例1柔性电容传感器检测外部压力的结果；
图7是实施例2柔性电容传感器检测外部压力的结果；
图8是实施例3柔性电容传感器检测外部压力的结果；
图9是实施例4多孔PDMS介电层的柔性电容传感器检测外部压力的结果。
附图标记说明：
1-上层柔性电极的柔性基底；2-下层柔性电极的银纳米线导电网络；3-介电层(纯PDMS结构)；4-第二柔性电极的银纳米线导电网络；5-第二柔性电极的柔性基底。
具体实施方式
为了能够更好的说明本发明，下面结合本发明中的实施例中的附图，对本发明实例 中的技术方案进行进一步的介绍。
如图1、2、3所示，本发明的柔性电容传感器包括上层柔性电极、下层柔性电极和位于两个柔性电极之间的柔性介电层3。上层柔性电极和下层柔性电极具有相同的结构，包括：柔性基底1、5以及银纳米线薄膜电极层2、4，银纳米线薄膜电极层位于柔性基 底内。
首先根据柔性聚合物和固化剂质量比10：1的比例混合搅拌均匀得到PDMS预聚体溶液，静置10分钟-20分钟或者抽真空(真空度-80kpa至-100kpa)10分钟-20分钟进行 除气处理。用玻璃棒蘸取PDMS预聚体溶液在硅片上涂抹薄层，80℃-100℃温度下固化 1-2h得到PDMS薄膜，切除多余部分制作电极模版，将银纳米线混合溶液滴加到模版 中，50℃-60℃加热蒸发溶剂得到银纳米线薄层，去除模版，在硅片上铺上PDMS溶液 制作薄层，静置10-12h，后80℃-100℃下固化1-2h得到银纳米线柔性电极。
采用棒涂的方法制备纯PDMS柔性介电层，即在硅片上涂一层厚度(0.2mm-2mm) 均匀的PDMS，真空处理10-20分钟后高温(80℃-100℃)固化1-2h得到PDMS薄膜， 用刀切成1mm*1mm形状；多孔PDMS结构制备，采用模版法，将PDMS预聚体溶液与 食盐混合(混合质量比例(1-2)：(4-10))，机械搅拌15分钟至30分钟，在光滑的 硅片上将混合物压成厚度均匀的薄层，后(80℃-100℃)高温固化(1h-2h)，再将固化 后的材料放入有水的烧杯中，超声处理40分钟至1小时，将食盐溶解去除，烘干得到 多孔PDMS结构。
在上、下层柔性电极的银纳米线导电层侧涂抹少量PDMS预聚体溶液，按照上层柔性电极、介电层、下层柔性电极顺序粘在一起，放置在80℃-100℃温度下固话1-2小时 进行封装处理。
实施例1
(1)根据柔性聚合物和固化剂质量比10：1的比例混合搅拌均匀得到PDMS预聚 体溶液，静置15分钟进行除气处理，采用棒涂的方式，用玻璃棒蘸取PDMS与具体溶 液在硅片上在硅片上涂厚度均匀的PDMS薄膜，静置40min去除气泡，80℃固化40min 得到PDMS薄膜，用刀切除所需要的电极形状(1mm×1mm)的PDMS，得到相对应电 极形状的凹槽作为电极制作模版。
(2)将带有硅片的模版放在热台上，设置热台温度50℃，并在模版内滴加银纳米线溶液，加热蒸发溶剂得到银线分布均匀的电极图案；转移硅片至室温台面上，将之前 的模版去除再向硅片上滴加PDMS预聚体，室温静置12h，后80℃温度固化1h，用刀将 电极部分切出得到银纳米线柔性电极，其中银线质量占电极总质量的1.2％。
(3)用玻璃棒沾PDMS预聚体在硅片上均匀涂一层1mm厚度的PDMS薄膜，真 空处理15min去除气泡，在80℃温度下固化1h得到PDMS介电层，并切成1mm×1mm 形状。
(4)在介电层上下表面涂少量的PDMS预聚体，分别与柔性电极粘在一起，后在 80℃温度下固化20min得到介电层厚度为1mm，形状为1mm×1mm的柔性电容传感器。
如图6所示最终制得的传感器初始电容值为1.7pF，测量范围可达到1.2Mpa，在最大压力载荷作用下，电容值增幅35％，灵敏度约为0.55％kPa-1,同时在测量范围内保持良好的线性关系。
实施例2
(1)根据柔性聚合物和固化剂质量比10：1的比例混合搅拌均匀得到PDMS预聚 体溶液，静置15分钟进行除气处理，使用玻璃棒沾PDMS预聚体，在硅片上涂厚度均 匀的PDMS薄膜，静置40min去除气泡，80℃固化40min得到PDMS薄膜，用刀切除 所需的电极形状(1mm×1mm)的PDMS，得到相对应电极形状的凹槽作为电极制作模 版。
(2)将硅片模版放到热台上，设置热台温度60℃，后在向模版内滴加银纳米线溶液，加热蒸发溶剂得到银线分布均匀的电极图案；将硅片转移至室温台面上，去除第一 步制备的PDMS模版，向硅片上滴加PDMS预聚体溶液，室温静置12h，后80℃固化 1h，用刀将电极部分切出得到银纳米线柔性电极，其中银线质量占电极总质量的1.8％。
(3)用玻璃棒沾PDMS预聚体溶液在硅片上涂厚度为1.5mm的薄膜，静置40min 去除气泡，80℃温度固化1h得到厚度为1.5mm的介电层，并切成1mm×1mm形状。
(4)在介电层上下表面涂少量的PDMS预聚体，分别粘上柔性电极，80℃固化40min得到介电层厚度为1.5mm，形状为1mm×1mm的柔性电容传感器。
如图7所示最终制得的传感器初始电容值为1.1pF，测量范围可达到0.25Mpa，在最大压力载荷作用下，电容值增幅16％，灵敏度为0.073％kPa-1，同时在测量范围内保持良 好的线性关系。
实施例3
(1)根据柔性聚合物和固化剂质量比10：1的比例混合搅拌均匀得到PDMS预聚 体溶液，抽真空(真空度-80kpa至-100kpa)10分钟进行除气处理，使用玻璃棒沾PDMS 预聚体，在硅片上涂厚度均匀的PDMS薄膜，真空处理15min去除气泡，后在80℃温 度下固化40min得到PDMS薄膜，用刀切除所需的电极形状(1mm×2mm)的PDMS， 得到相对应电极形状的凹槽作为电极制作模版。
(2)将硅片模版放到热台上，设置热台温度70℃，后在向模版内滴加银纳米线溶液，加热蒸发溶剂得到银线分布均匀的电极图案；将硅片转移至室温台面上，去除第一 步制备的PDMS模版，向硅片上滴加PDMS预聚体溶液，室温静置12h，后80℃固化 1h，用刀将电极部分切出得到银纳米线柔性电极，其中银线质量占电极总质量的1.6％。
(3)用玻璃棒沾PDMS预聚体溶液在硅片上涂厚度为1.5mm的薄膜，静置40min 去除气泡，80℃固化1h得到厚度为1.5mm的介电层，并切成1mm×2mm形状。
(4)在介电层上下表面涂少量的PDMS预聚体，分别粘上柔性电极，80℃固化40min得到介电层厚度为1.5mm，形状为1mm×2mm的柔性电容传感器。
如图8所示最终制得的传感器初始电容值为2.3pF，测量范围可达到0.5Mpa，在最大压力载荷作用下，电容值增幅13％，灵敏度约为0.026％kPa-1，同时在测量范围内保持 良好的线性关系。
实施例4
(1)根据柔性聚合物和固化剂质量比10：1的比例混合搅拌均匀得到PDMS预聚 体溶液，抽真空(真空度-80kpa至-100kpa)10分钟进行除气处理，使用玻璃棒沾PDMS 预聚体，在硅片上涂厚度均匀的PDMS薄膜，静置40min去除气泡，80℃固化40min得 到PDMS薄膜，用刀切除所需的电极形状(1.2×1.2mm)的PDMS，得到相对应电极形 状的凹槽作为电极制作模版。
(2)将硅片模版放到热台上，设置热台温度65℃，后在向模版内滴加银纳米线溶液，加热蒸发溶剂得到银线分布均匀的电极图案；将硅片转移至室温台面上，后直接向 硅片模版内滴加PDMS预聚体溶液，室温静置12h，后80℃固化1h，用刀将电极部分切 出得到银纳米线柔性电极，其中银线质量占电极总质量的4.2％。
(3)将PDMS预聚体溶液与食盐按照质量比例1：4进行混合，机械搅拌20min使 其混合均匀，后将混合物铺在硅片上用光滑表面将混合物压成厚度1.8mm薄膜，设置烘 箱温度80℃高温固化2h，固化结束后将固化好的材料放入盛水的烧杯中在进行超声处 理40min，溶解食盐，烘干得到多孔PDMS结构，切成与电极大小形状相同的片状，其 中结构孔隙率约为70％。
(4)在介电层上下表面涂少量的PDMS预聚体，分别粘上柔性电极，80℃固化40min得到介电层厚度为1.8mm，形状为1.2mm×1.2mm的多孔介电层的柔性电容传感器。
如图9所示最终制得的传感器初始电容值为1.2pF，测量范围可达到0.02Mpa，在最大压力载荷作用下，电容值增幅29％，灵敏度约为1.75％kPa-1，较PDMS薄膜作为介电 层传感器提高了3-60倍，同时在测量范围内保持良好的线性关系。
图1、2、3为柔性电容传感器的结构示意图，其中图1和图2是薄膜介电层的柔性 电容传感器示意图，图3是多孔介电层的柔性电容传感器，多孔介电层相比于薄膜介电 层具有更小的弹性模量，在受到相同压强作用的情况下，多孔结构变形更大，从而导致 电容变化更大，同时意味着多孔介电层柔性电容传感器能够检测更小的压强。图4是柔 性电极的银纳米线薄层表面的电镜图，可以看出银纳米线之间构成了导电性良好的导电 网络。图5是柔性电极的剖面电镜图，可以看出银纳米线薄层的厚度很薄(5μm-15μm)， 因而具有更好的柔性。图6-9表示相应的电容传感器的输出响应曲线，横坐标代表作用 在电容器表面上的压强(pressure)大小，纵坐标表示电容值(C)的变化百分比，可以 看到，在检测范围内电容的变化于压强具有很好的线性关系。图6代表柔电容传感器尺 寸形状为1mm×1mm，介电层厚度1mm的性能曲线，首先可以看到在传感器的压强检 测范围内(0-1.2Mpa)，电容初始值1.7pF，最大增幅35％，灵敏度0.55％％kPa-1，电容 变化与感受到的压强具有很好的线性关系，从而为测量结果处理带来方便；图7代表柔 性电容传感器尺寸形状为1mm×1mm，介电层厚度为1.5mm的性能曲线，传感器检测 范围0-0.25Mpa，电容初始值1.1pF，电容值最大增幅16％，灵敏度0.073％kPa-1，也具 有很好的线性关系，同时根据平板电容器电容公式：:C＝ε*ε0*S/d(式中:电容C,单位F； ε相对介电常数；ε0真空介电常，S电极面积，d上下两极板间距，即介电层厚度)可知， 电容值与电极面积成正比，与介电层厚度成反比，经过粗略计算，发现实例1与实例2 中电容传感器初值近似符合电容关系，证明了数据的可信度，另外由于介电层厚度增大， 整体刚度增加，线性范围减小，因此灵敏度下降；图8代表柔性电容传感器尺寸形状为 1mm×2mm，介电层厚度为1.5mm的性能曲线，传感器检测范围0-0.5Mpa，电容初始 值2.3pF，电容值最大增幅13％，灵敏度0.026％kPa-1，传感器测量具有良好的线性度， 同样也可以由平板电容关系得到实例3与实例2之间关系，二者电极面积具有2倍关系， 介电层厚度相同，得到的电容初值也具有2倍关系，从而再次说明数据的可信度；图6-8电容传感器介电层均为薄膜结构，图9代表多孔介电层结构电容传感器，形状尺寸为 1.2mm×1.2mm，介电层厚度为1.8mm，传感器检测范围0-0.02Mpa，电容初值1.2pF， 最大增幅29％，灵敏度1.75％kPa-1，通过对比灵敏度发现，多孔介电层结构柔性电容传 感器较薄膜介电层电容传感器具有更高的灵敏度(3-60倍)，同时电容电容与外界压强 关系具有线性关系，由于多孔结构刚度小，导致在相同压强下更容易被压缩，从而增大 了电容的灵敏度，减小了压强检测范围，该类传感器适用于微小压强的检测和对传感器 灵敏度要求较高的领域使用。
以上所述，仅为本发明中效果较佳的具体实例，但本发明的保护范围并不局限于此， 关于该柔性传感器中任何可以被轻易想到的变化或者替换部分，都应该属于本发明的保 护范围之内。因此，本发明的保护范围应该以权利要求书的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种采用银纳米线柔性电极制备的柔性电容传感器，其特征在于：所述柔性电容传感器为三明治结构，即两层柔性电极层中间为柔性介电层；所述柔性电极层包括两部分，即柔性聚合物构成的柔性基底、位于柔性基底内的银纳米线电极薄膜层；所述柔性电极层制备方法采用转印法，即先将银纳米线混合溶液，溶质为银纳米线，溶剂为乙醇，滴在制备有柔性电极模版的硅片上，加热蒸发溶剂得到导电银纳米线网络，后将预先制备好的柔性聚合物预聚体溶液倒入柔性电极模版固化，从而将银纳米线网络转移到柔性基体中制备成柔性电极层；所述柔性介电层采为两种制备方法任意之一实现，一种是采用柔性聚合物预聚体制备的薄膜介电层结构，另一种是采用柔性聚合物预聚体制备的多孔介电层结构；所述薄膜介电层结构采用在硅片上玻璃棒均匀涂抹柔性聚合物预聚体形成薄层固化制备得到；所述多孔介电层结构采用模版法制备，即将柔性聚合物预聚体与食盐均匀混合，制备成膜结构固化，去除食盐晶体得到。
2.根据权利要求1所述的采用银纳米线柔性电极制备的柔性电容传感器，其特征在于：所述柔性聚合物预聚体溶液是将液态柔性聚合物和固化剂按照一定质量比例混合均匀制备而成。
3.根据权利要求2所述的采用银纳米线柔性电极制备的柔性电容传感器，其特征在于：所述柔性聚合物预聚体为聚二甲基硅氧烷PDMS预聚体，柔性聚合物预聚体为PDMS预聚体；聚二甲基硅氧烷PDMS(SYLGARD 184 A)预聚物和固化剂(SYLGARD 184 B)的质量比例为10：1。
4.根据权利要求1所述的采用银纳米线柔性电极制备的柔性电容传感器，其特征在于：所述银纳米线电极薄膜层厚度为5μm-15μm,银线质量占柔性电极总质量的1％-5％。
5.根据权利要求1所述的采用银纳米线柔性电极制备的柔性电容传感器，其特征在于:所述柔性介电层的厚度为0.2mm-2mm。
6.根据权利要求1所述的采用银纳米线柔性电极制备的柔性电容传感器，其特征在于：所述银纳米线混合溶液为银纳米线与无水乙醇的混合溶液，浓度3.2×104mg/L，银纳米线溶液的溶剂为无水乙醇，加热温度为50℃-70℃，这个温度下形成导电网络比较快且稳定；然后注入PDMS预聚体溶液，静置时间10-12h，待PDMS预聚体溶液充分进去导电网络空隙内后，高温80℃-100℃固化1-2h，从而将导电网络层转移到柔性基底上。
7.根据权利要求1所述的采用银纳米线柔性电极制备的柔性电容传感器，其特征在于：所述薄膜介电层采用玻璃棒蘸取柔性聚合物预聚体溶液，后均匀涂抹在硅片上，厚度0.2-2mm，静置40分钟至1小时或者真空处理10-20分钟除去溶液中气泡，真空度为-80kpa至-100kpa，在80℃-100℃温度下固化1-2小时得到薄膜介电层结构。
8.根据权利要求1所述的采用银纳米线柔性电极制备的柔性电容传感器，其特征在于：所述多孔介电层结构制备采用模版法，即将柔性聚合物预聚体溶液与食盐混合形成均匀混合物，混合质量比例(1-2)：(4-10)，机械搅拌15分钟至30分钟，在光滑的硅片上将混合物压成厚度均匀的薄层，然后80℃-100℃高温固化1-2h，再将固化后的材料放入有水的烧杯中(水的质量为材料质量的10-20倍)，超声处理40分钟至1小时，将食盐溶解，烘干得到多孔介电层结构。
9.根据权利要求1所述的采用银纳米线柔性电极制备的柔性电容传感器，其特征在于：所述柔性电容传感器，当上层柔性电极收到压力作用，柔性电极表面压强增大，借助柔性聚合物的弹性压缩而减小极板之间的间距；当采用多孔结构作为介电层时，相同压强情况下多孔结构更容易被压缩同时也更容易感知微小压强，从而增大电容传感器的灵敏度。
10.根据权利要求1所述的采用银纳米线柔性电极制备的柔性电容传感器，其特征在于：所述多孔介电层结构的孔隙尺寸是微米级别，孔隙率为60％-80％。
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