CN107478360A - 电容式柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种电容式柔性压力传感器及其制备方法。其中，电容式柔性压力传感器包括：第一柔性纳米纤维薄膜层；第二柔性纳米纤维薄膜层，与第一柔性纳米纤维薄膜层相对设置；第一电极层，附着于第一柔性纳米纤维薄膜层内侧；第二电极层，附着于第二柔性纳米纤维薄膜层内侧；以及纳米纤维复合薄膜介电层，设置于第一电极层与第二电极层之间。将纳米纤维薄膜运用到电容式柔性压力传感器的各个组件，使整个传感器具有了良好的透气性、高的灵敏度，且功能纳米填料的加入使得传感器量程拓宽，有利于人体的长时间穿戴来实时监测人体的微弱生命体征信号。

Description

电容式柔性压力传感器及其制备方法
技术领域
本公开属于压力传感器技术领域，涉及一种电容式柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
近年来，可穿戴触觉传感器快速渗透到智能穿戴、电子皮肤、智能机器人等各个领域，其中电阻式触觉传感器的灵敏度和量程都得到了很好的提升，而电容式压力传感器同时实现低成本、高灵敏度和大量程的特点一直是其发展的难点。
通过硅倒膜法、光刻法、反应离子束刻蚀法等在薄膜表面构筑微纳结构，制作带微纳结构的压力传感器是一种有效的提高传感器性能的方法。但一方面，构筑微纳结构的仪器昂贵或者制作流程复杂，另一方面，微纳结构的受压范围较小，导致传感器的高灵敏度区间只存在于一个较小的压力范围，制约其实际应用。现有的电容式柔性压力传感器存在材料选择单一、高灵敏度量程范围小、制作流程繁琐、难实现大面积制作、成本太高等问题。
发明内容
(一)要解决的技术问题
本公开提供了一种电容式柔性压力传感器及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。
(二)技术方案
根据本公开的一个方面，提供了一种电容式柔性压力传感器，包括：第一柔性纳米纤维薄膜层；第二柔性纳米纤维薄膜层，与第一柔性纳米纤维薄膜层相对设置；第一电极层，附着于第一柔性纳米纤维薄膜层内侧；第二电极层，附着于第二柔性纳米纤维薄膜层内侧；以及纳米纤维复合薄膜介电层，设置于第一电极层与第二电极层之间。
在本公开的一些实施例中，第一柔性纳米纤维薄膜层和第二柔性纳米纤维薄膜层的材料为如下材料中的一种或几种：热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、聚丙烯腈(PAN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰胺(PA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)、聚乳酸(PLA)和聚醚砜(PES)。
在本公开的一些实施例中，第一电极层和第二电极层的材料为如下材料中的一种或几种：银纳米线、银纳米颗粒导电油墨涂层或者碳纳米管、石墨烯和氧化铟锡(ITO)形成的涂层。
在本公开的一些实施例中，纳米纤维复合薄膜介电层为含有功能纳米填料的聚合物复合纳米纤维薄膜；该含有功能纳米填料的聚合物复合纳米纤维薄膜中的聚合物纳米纤维的材料为如下材料中的一种或几种：聚丙烯腈(PAN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰胺(PA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)、聚氨酯(TPU)、聚乳酸(PLA)和聚醚砜(PES)。
在本公开的一些实施例中，纳米纤维复合薄膜介电层的厚度介于20μm～50μm之间。
在本公开的一些实施例中，功能纳米填料的质量分数介于0.1％～2％之间。
在本公开的一些实施例中，功能纳米填料的材料为：银钠米线、SiO2纳米颗粒、TiO2纳米颗粒或碳纳米管。
在本公开的一些实施例中，功能填料为银钠米线，添加量为质量分数介于0.1％～0.9％之间；或功能填料为SiO2纳米颗粒，添加量为质量分数介于0.1％～0.6％之间；或功能填料为TiO2纳米颗粒，添加量为质量分数介于0.1％～0.6％之间；功能填料的材料还可以是其他介电常数大于聚合物纳米纤维的介电常数的材料，如碳纳米管等材料。
根据本公开的另一个方面，提供了一种电容式柔性压力传感器的制备方法，包括：制备第一柔性纳米纤维薄膜层和第二柔性纳米纤维薄膜层；以第一柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第一电极层，以第二柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第二电极层；将功能纳米填料加入到高分子聚合物中配置纺丝液，基于静电纺丝工艺制备纳米纤维复合薄膜介电层；以及将带有第一电极层的第一柔性纳米纤维薄膜层、纳米纤维复合薄膜介电层和带有第二电极层的第二柔性纳米纤维薄膜层按照电极层相对的形式，以“夹心三明治”结构进行封装，得到电容式柔性压力传感器。
在本公开的一些实施例中，以第一柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第一电极层，以第二柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第二电极层的步骤之后还包括：在制备完第一电极层和第二电极层之后，利用导电银胶或银浆在两个电极层上各引出导线。
在本公开的一些实施例中，功能纳米填料为银纳米线，高分子聚合物为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)，基于静电纺丝工艺制备纳米纤维复合薄膜介电层包括：将长度介于8μm～9μm之间的银钠米线(AgNWs)加入到高分子聚合物为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)的N，N-二甲基甲酰胺/二氯甲烷(DMF/DCM)混合液中，在室温下磁力搅拌，得到悬浮液，静置脱泡，备用；将得到的悬浮液作为纺丝液，在纺丝装置上进行纺丝，得到热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、银钠米线(AgNWs)(TPU@AgNWs)纳米纤维复合薄膜介电层；其中，在纺丝装置上设置的纺丝参数如下：纺丝电压介于18kV～26kV之间；进液速度介于0.3mL/h～0.6mL/h之间；接收距离介于13cm～20cm之间；纺丝温度介于45℃～80℃之间，纺丝时间介于6h～8h之间，得到的热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)@银钠米线(AgNWs)纳米纤维复合薄膜介电层的厚度介于20μm～50μm之间。
在本公开的一些实施例中，功能纳米填料为球形SiO2纳米颗粒，高分子聚合物为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)，基于静电纺丝工艺制备纳米纤维复合薄膜介电层包括：将球形SiO2纳米颗粒加入到高分子聚合物为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)的酰胺/二氯甲烷(DMF/DCM)混合液中，在室温下磁力搅拌，得到悬浮液，静置脱泡，备用；将得到的悬浮液作为纺丝液，在纺丝装置上进行纺丝，得到热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、二氧化硅(TPU@SiO2)纳米纤维复合薄膜介电层；其中，在纺丝装置上设置的纺丝参数如下：纺丝电压介于18kV～26kV之间；进液速度介于0.3mL/h～0.6mL/h之间；接收距离介于13cm～20cm之间；纺丝温度介于45℃～80℃之间，纺丝时间介于3h～5h之间，得到的热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、二氧化硅(TPU@SiO2)纳米纤维复合薄膜介电层的厚度介于25μm～35μm之间。
在本公开的一些实施例中，功能纳米填料为球形TiO2纳米颗粒，高分子聚合物为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)，基于静电纺丝工艺制备纳米纤维复合薄膜介电层包括：将球形TiO2纳米颗粒加入到高分子聚合物为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)的酰胺/二氯甲烷(DMF/DCM)混合液中，在室温下磁力搅拌，得到悬浮液，静置脱泡，备用；将得到的悬浮液作为纺丝液，在纺丝装置上进行纺丝，得到热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、二氧化钛(TPU@TiO2)纳米纤维复合薄膜介电层；其中，在纺丝装置上设置的纺丝参数如下：纺丝电压介于15kV～20kV之间；进液速度介于0.3mL/h～0.6mL/h之间；接收距离介于13cm～20cm之间；纺丝温度介于45℃～80℃之间，纺丝时间介于4h～6h之间，得到的热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、二氧化钛(TPU@TiO2)纳米纤维复合薄膜介电层的厚度介于30μm～40μm之间。
在本公开的一些实施例中，制备第一柔性纳米纤维薄膜层和第二柔性纳米纤维薄膜层包括：配置静电纺丝溶液；利用纺丝装置和配置的静电纺丝溶液进行纺丝，得到柔性纳米纤维薄膜层；以及将纺丝得到的柔性纳米纤维薄膜层干燥，使纺丝的溶剂挥发得到第一柔性纳米纤维薄膜层和第二柔性纳米纤维薄膜层。
在本公开的一些实施例中，以第一柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第一电极层，以第二柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第二电极层包括：采用丝网印刷方式，在第一柔性纳米纤维薄膜层表面印刷第一电极层，在第二柔性纳米纤维薄膜层表面印刷第二电极层。
(三)有益效果
从上述技术方案可以看出，本公开提供的电容式柔性压力传感器及其制备方法，具有以下有益效果：
该电容式柔性压力传感器的介电层采用含有功能纳米填料的聚合物纳米纤维复合薄膜，基底同样采用纳米纤维薄膜，拓宽了材料选择的范围，将印刷与静电仿丝工艺结合来制作电容式柔性压力传感器，这两种成熟工艺的结合，实现了柔性器件的大面积制备，降低了成本；同时，将纳米纤维薄膜运用到电容式柔性压力传感器的各个组件，使整个传感器具有了良好的透气性、高的灵敏度，且具有更大的量程，有利于人体的长时间穿戴来实时监测人体的微弱生命体征信号。
附图说明
图1为根据本公开实施例电容式柔性压力传感器的截面结构示意图。
图2为根据本公开实施例电容式柔性压力传感器的制备方法流程图。
图3为根据本公开实施例TPU@AgNWs纳米纤维复合薄膜介电层的扫描电子显微镜(SEM)图片。
图4为根据本公开实施例TPU@SiO2纳米颗粒纤维复合薄膜介电层的扫描电子显微镜(SEM)图片。
图5为根据本公开实施例TPU@TiO2纳米颗粒纤维复合薄膜介电层的扫描电子显微镜(SEM)图片。
图6A为根据本公开第二个实施例所示方法制备的电容式柔性压力传感器的电容变化率与压力关系图。
图6B为根据本公开第三个实施例所示方法制备的电容式柔性压力传感器的电容变化率与压力关系图。
图6C为根据本公开第四个实施例所示方法制备的电容式柔性压力传感器的电容变化率与压力关系图。
【符号说明】
110-第一柔性纳米纤维薄膜层；120-第一电极层；
210-第二柔性纳米纤维薄膜层；220-第二电极层；
300-纳米纤维复合薄膜介电层。
具体实施方式
本公开提供了一种电容式柔性压力传感器及其制备方法，将丝网印刷与静电纺丝两种成熟工艺结合起来，极大的简化了传统微纳结构构筑的流程，实现了柔性压力传感器件的低成本、大面积的制备，且拓宽了传感器材料选择的范围；同时，由于介电层采用含有功能纳米填料的聚合物纳米纤维复合薄膜，使整个传感器具有了良好的透气性、高的灵敏度，且具有更大的量程，有利于人体的长时间穿戴来实时监测人体的微弱生命体征信号。
为使本公开的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本公开进一步详细说明。
复合材料在受压状态下介电常数会发生变化，特别是接近复合材料渗透阈值时，介电常数会发生剧变，因此为了达到提高传感器的灵敏度、扩大相应量程的目的，使用功能纳米材料对压力传感器的介电层进行微纳结构和介电常数的调控。另一方面，静电纺丝得到的纳米纤维薄膜具有多孔结构、形貌均匀、比表面积大等优点，通过在纺丝液中加入一些功能纳米材料，有利于获得形貌均匀的纳米纤维复合薄膜。这样，由于多种高分子聚合物可以通过静电纺丝制成纳米纤维薄膜，有助于改善目前压力传感器基底层和介电层选择单一、制作流程复杂且高灵敏度量程范围小、制作流程繁琐、难实现大面积制作、成本太高等问题。
在本公开的第一个示例性实施例中，提供了一种电容式柔性压力传感器。
图1为根据本公开实施例电容式柔性压力传感器的截面结构示意图。如图1所示，电容式柔性压力传感器，包括：第一柔性纳米纤维薄膜层110；第二柔性纳米纤维薄膜层210，与第一柔性纳米纤维薄膜层110相对设置；第一电极层120，附着于第一柔性纳米纤维薄膜层110内侧；第二电极层220，附着于第二柔性纳米纤维薄膜层210内侧；以及纳米纤维复合薄膜介电层300，设置于第一电极层120与第二电极层220之间，与第一电极层120和第二电极层220之间存在间距，且间距值在外界压力下发生变化。
下面对本实施例中电容式柔性压力传感器的各个部分进行详细介绍。
第一柔性纳米纤维薄膜层110和第二柔性纳米纤维薄膜层210分别作为承载第一电极层120和第二电极层220的基底，采用静电纺丝技术制备，二者的材料为如下材料中的一种或几种但不限于此：聚丙烯腈(PAN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、尼龙6(PA6)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)、聚氨酯(TPU)、聚乳酸(PLA)和聚醚砜(PES)；第一柔性纳米纤维薄膜层110和第二柔性纳米纤维薄膜层210的厚度介于50μm～100μm之间；第一柔性纳米纤维薄膜层110和第二柔性纳米纤维薄膜层210的材料可以相同，也可以不同；二者的厚度可以相同，也可以不同。
第一电极层120和第二电极层220的材料为如下材料中的一种但不限于此：银纳米线、银纳米颗粒、碳纳米管、石墨烯和氧化铟锡(ITO)；第一电极层120和第二电极层220的材料可以相同，也可以不相同。
纳米纤维复合薄膜介电层300为含有功能纳米填料的聚合物复合纳米纤维薄膜，功能纳米填料的质量分数介于0.1％～2％之间，纳米纤维复合薄膜介电层300的厚度介于20μm～50μm之间。
含有功能纳米填料的聚合物复合纳米纤维薄膜中的聚合物纳米纤维的材料为如下材料中的一种但不限于此：聚丙烯腈(PAN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、尼龙6(PA6)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)、聚氨酯(TPU)、聚乳酸(PLA)、聚醚砜(PES)。
在一些实施例中，功能填料为银钠米线，添加量为质量分数介于0.1％～0.9％之间；
在另一些实施例中，功能填料为SiO2纳米颗粒，添加量为质量分数介于0.1％～0.6％之间；
在其它一些实施例中，功能填料为TiO2纳米颗粒，添加量为质量分数介于0.1％～0.6％之间。
下面介绍本实施例电容式柔性压力传感器的工作原理：一方面，当作为基底的第一柔性纳米纤维薄膜层110和第二柔性纳米纤维薄膜层210受到压力时，纳米纤维复合薄膜介电层300的等效介电常数发生变化；同时，另一方面，分别附着于第一柔性纳米纤维薄膜层110和第二柔性纳米纤维薄膜层210内侧的第一电极层120和第二电极层220之间的间距也会随之发生变化。两方面原因都将引起传感器电容值的变化，通过外引导线连接电容测试仪来检测电容值变化，进一步可反映传感器受力情况，从而实现压力传感。
在本公开的第二个示例性实施例中，提供了一种电容式柔性压力传感器的制备方法。
图2为根据本公开实施例电容式柔性压力传感器的制备方法流程图。如图2所示，本公开电容式柔性压力传感器的制备方法，包括：
步骤S202：基于静电纺丝工艺制备第一柔性纳米纤维薄膜层和第二柔性纳米纤维薄膜层；
制备第一柔性纳米纤维薄膜层和第二柔性纳米纤维薄膜层的方法如下：配置静电纺丝溶液；利用纺丝装置和配置的静电纺丝溶液进行纺丝，得到柔性纳米纤维薄膜层；将纺丝得到的柔性纳米纤维薄膜层干燥，使纺丝的溶剂挥发得到第一柔性纳米纤维薄膜层和第二柔性纳米纤维薄膜层。
本实施例以制备第一柔性纳米纤维薄膜层和第二柔性纳米纤维薄膜层的材料均为热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)的纳米纤维薄膜层为例进行说明，制备的具体步骤如下：
步骤S202a：将一定量的TPU切片加入到N，N-二甲基甲酰胺/二氯甲烷(DMF/DCM)的混合液体系中，在室温下磁力搅拌12h，使其配制成质量分数为20％的TPU均一溶液，静置脱泡，备用；
步骤S202b：以步骤S202a得到的质量分数为20％的均一TPU溶液为纺丝液，以实验室自制纺丝机为纺丝装置，进行纺丝得到TPU纳米纤维薄膜；
其纺丝参数如下：纺丝电压为：20kV；进液速度为：0.4mL/h；接收距离为15cm；纺丝温度为：65℃，纺丝时间为6h；
步骤S202c：将步骤S202b制得的TPU纳米纤维薄膜置于干燥箱中进行干燥，干燥时间为2h，使纤维膜表面的溶剂挥发完全，得到第一柔性纳米纤维薄膜层和第二柔性纳米纤维薄膜层，本实施例中二者的厚度均为50μm。
步骤S204：以第一柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第一电极层，以第二柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第二电极层；
以第一柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第一电极层，以第二柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第二电极层的方法如下：采用丝网印刷方式，在第一柔性纳米纤维薄膜层表面印刷第一电极层，在第二柔性纳米纤维薄膜层表面印刷第二电极层。
本实施例以第一电极层和第二电极层的材料均为银纳米颗粒导电油墨或银纳米线导电油墨涂层为例进行说明，制备的具体步骤为：采用丝网印刷方式，在纳米纤维薄膜层表面印刷银纳米颗粒导电油墨或者银纳米线导电油墨，从而得到电极层。
步骤S206：在制备完第一电极层和第二电极层之后，利用导电银胶或银浆在两个电极层上各引出导线；
导线为铜导线或铝箔导线，引出铜导线或铝箔导线的目的是为了测试传感器的性能。
步骤S208：将功能纳米填料加入到高分子聚合物中配置纺丝液，基于静电纺丝工艺制备纳米纤维复合薄膜介电层；
功能纳米填料较优的选择有：银钠米线(AgNWs)、TiO2纳米颗粒和SiO2纳米颗粒。
本实施例以银纳米线作为功能纳米填料为例说明纳米纤维复合薄膜介电层的制备过程，制备的具体步骤如下：
步骤S208a：将长度介于8μm～9μm之间的银钠米线(AgNWs)加入到TPU的DMF/DCM混合液中，在室温下磁力搅拌12h，得到稳定的悬浮液，静置脱泡，备用；
步骤S208b：以步骤S208a得到悬浮液作为纺丝液，以实验室自制纺丝机为纺丝装置，进行纺丝得到TPU@AgNWs纳米纤维复合薄膜介电层；
其纺丝参数如下：纺丝电压为20kV；进液速度为0.4mL/h；接收距离为15cm；纺丝温度为65℃，纺丝时间为4h，得到的TPU@AgNWs纳米纤维复合薄膜介电层的厚度为40μm。
图3为根据本公开实施例TPU@AgNWs纳米纤维复合薄膜介电层的扫描电子显微镜(SEM)图片。图中可以明显看出银纳米线散布在聚合物TPU纳米纤维中，且TPU纳米纤维形貌较好，没有出现明显的纺锤体，纤维直径分布均匀。
步骤S210：将带有第一电极层及其上的导线的第一柔性纳米纤维薄膜层、纳米纤维复合薄膜介电层以及带有第二电极层及其上的导线的第二柔性纳米纤维薄膜层按照电极层相对的形式，以“夹心三明治”结构进行封装，得到电容式柔性压力传感器；
本实施例以第一柔性纳米纤维薄膜层和第二柔性纳米纤维薄膜层的材料均为TPU的纳米纤维薄膜层为例进行说明封装过程。按“夹心三明治”结构进行封装的具体过程包括：将带有第一电极层的第一柔性纳米纤维薄膜层作为上TPU纳米纤维薄膜层，将带有第二电极层的第二柔性纳米纤维薄膜层作为下TPU纳米纤维薄膜层，上、下TPU纳米纤维薄膜层中的电极相对放置，然后采用粘贴方式进行固定，得到全纳米纤维膜构成的透气型电容式柔性压力传感器。
需要说明的是，步骤S206的作用是方便后续测试，对于电容式柔性压力传感器的制备来说不是必须的，在其它实施例中，可以直接在步骤S204之后进行步骤S208和步骤S210，且将步骤S210中有关导线的部分去掉。
在本公开的第三个实施例中，提供了另一种电容式柔性压力传感器的制备方法。该实施例与第二实施例相比，区别如下：
在步骤S208中，以球形SiO2纳米颗粒作为功能纳米填料为例说明纳米纤维复合薄膜介电层的制备过程，制备的具体步骤如下：
步骤S208a’：将球形SiO2纳米颗粒加入到TPU的DMF/DCM混合液中，在室温下磁力搅拌12h，得到稳定的悬浮液，静置脱泡，备用；
步骤S208b’：将步骤S208a’得到的悬浮液作为纺丝液，以实验室自制纺丝机为纺丝装置，进行纺丝得到TPU@SiO2纳米颗粒纤维复合薄膜介电层；
其纺丝参数如下：纺丝电压为23kV；进液速度为0.4mL/h；接收距离为15cm；纺丝温度为65℃，纺丝时间为3h，得到的TPU@SiO2纳米颗粒纤维复合薄膜介电层的厚度为30μm。
图4为根据本公开实施例TPU@SiO2纳米颗粒纤维复合薄膜介电层的扫描电子显微镜(SEM)图片。图中可以明显看出球形纳米二氧化硅颗粒的粒径较为均一，均匀嵌入在聚合物TPU纤维中，SiO2颗粒彼此间没有团聚现象发生。
在本公开的第四个实施例中，提供了又一种电容式柔性压力传感器的制备方法。该实施例与第二实施例相比，区别如下：
在步骤S208中，以球形TiO2纳米颗粒作为功能纳米填料为例说明纳米纤维复合薄膜介电层的制备过程，制备的具体步骤如下：
步骤S208a”：将球形TiO2纳米颗粒加入到TPU的DMF/DCM混合液中，在室温下磁力搅拌12h，得到稳定的悬浮液，静置脱泡，备用；
步骤S208b”：将步骤S208a”得到的悬浮液作为纺丝液，以实验室自制纺丝机为纺丝装置，进行纺丝得到TPU@TiO2纳米颗粒纤维复合薄膜介电层；
其纺丝参数如下：纺丝电压为：18kV；进液速度为：0.4mL/h；接收距离为15cm；纺丝温度为60℃，纺丝时间为4h，得到的TPU@TiO2纳米纤维复合薄膜介电层的厚度为35μm。
图5为根据本公开实施例TPU@TiO2纳米颗粒纤维复合薄膜介电层的扫描电子显微镜(SEM)图片。图中可以明显看出纳米二氧化钛颗粒分布在聚合物TPU纤维中，TiO2颗粒彼此间有少量的团聚现象发生。但TiO2颗粒的加入导致TPU纤维的形貌出现变化，纤维直径不均。
特别说明的是，本公开的静电纺丝参数不局限于具体实施例中的参数，可以根据实际厚度需要以及设备自身的工艺情况进行适应性调整。
对根据本公开实施例制备的电容式柔性压力传感器与不填充功能纳米填料的纳米纤维膜介电层构成的电容式柔性压力传感器进行了传感性能测试，得到二者的性能对比曲线，下面的描述中为了简洁，将不填充功能纳米填料的纳米纤维膜介电层(材料为TPU)称为纯(TPU)纳米纤维薄膜。图6A为根据本公开第二个实施例所示方法制备的电容式柔性压力传感器的电容变化率与压力关系图。图6B为根据本公开第三个实施例所示方法制备的电容式柔性压力传感器的电容变化率与压力关系图。图6C为根据本公开第四个实施例所示方法制备的电容式柔性压力传感器的电容变化率与压力关系图。其中，这里的压力传感器的灵敏度定义为：单位压力变化对应的电容变化率的大小；灵敏度的值等于电容变化率与压力关系曲线的斜率。
根据图6A可知，由TPU@AgNWs纳米纤维复合薄膜介电层组装的电容式柔性压力传感器在压力＜500Pa范围内，灵敏度高达8.908kPa-1，而以纯TPU纳米纤维薄膜为介电层的传感器在压力＜600Pa范围内，灵敏度为3.167kPa-1；根据图6B可知，由TPU@SiO2纳米纤维复合薄膜介电层组装的电容式柔性压力传感器在压力＜600Pa范围内，灵敏度高达5.319kPa-1，而以纯TPU纳米纤维薄膜为介电层的传感器在相同压力范围内，灵敏度仅为3.167kPa-1；根据图6C可知，由TPU@TiO2纳米纤维复合薄膜介电层组装的电容式柔性压力传感器在压力＜800Pa范围内，灵敏度高达5.933kPa-1，而以纯TPU纳米纤维薄膜为介电层的传感器在压力＜600Pa范围内，灵敏度仅为3.167kPa-1。因此，制备出来的带纳米纤维复合薄膜介电层的电容式柔性压力传感器具有较高的灵敏度和较大的量程。
综上所述，本公开提供了一种电容式柔性压力传感器及其制备方法，将丝网印刷与静电纺丝两种成熟工艺结合起来，极大的简化了传统微纳结构构筑的流程，实现了柔性压力传感器件的低成本、大面积的制备，且拓宽了传感器材料选择的范围；同时，由于介电层采用含有功能纳米填料的聚合物纳米纤维复合薄膜，使整个传感器具有了良好的透气性、高的灵敏度，且具有更大的量程，有利于人体的长时间穿戴来实时监测人体的微弱生命体征信号。
除非有所知名为相反之意，本说明书及所附权利要求中的数值参数是近似值，能够根据通过本公开的内容所得的所需特性改变。具体而言，所有使用于说明书及权利要求中表示组成的含量、反应条件等等的数字，应理解为在所有情况中是受到「约」的用语所修饰。一般情况下，其表达的含义是指包含由特定数量在一些实施例中±10％的变化、在一些实施例中±5％的变化、在一些实施例中±1％的变化、在一些实施例中±0.5％的变化。
再者，单词“包含”或“包括”不排除存在未列在权利要求中的元件或步骤。位于元件之前的单词“一”或“一个”不排除存在多个这样的元件。
以上所述的具体实施例，对本公开的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本公开的具体实施例而已，并不用于限制本公开，凡在本公开的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本公开的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种电容式柔性压力传感器，包括：
第一柔性纳米纤维薄膜层；
第二柔性纳米纤维薄膜层，与第一柔性纳米纤维薄膜层相对设置；
第一电极层，附着于第一柔性纳米纤维薄膜层内侧；
第二电极层，附着于第二柔性纳米纤维薄膜层内侧；以及
纳米纤维复合薄膜介电层，设置于第一电极层与第二电极层之间。
2.根据权利要求1所述的电容式柔性压力传感器，其中：
所述第一柔性纳米纤维薄膜层和第二柔性纳米纤维薄膜层的材料为如下材料中的一种或几种：热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、聚丙烯腈(PAN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰胺(PA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)、聚乳酸(PLA)和聚醚砜(PES)。
3.根据权利要求1或2所述的电容式柔性压力传感器，其中，所述第一电极层和第二电极层的材料为如下材料中的一种或几种：银纳米线、银纳米颗粒导电油墨涂层或者碳纳米管、石墨烯和氧化铟锡(ITO)形成的涂层。
4.根据权利要求1至3任一项所述的电容式柔性压力传感器，其中：
所述纳米纤维复合薄膜介电层为含有功能纳米填料的聚合物复合纳米纤维薄膜；
所述含有功能纳米填料的聚合物复合纳米纤维薄膜中的聚合物纳米纤维的材料为如下材料中的一种或几种：聚丙烯腈(PAN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰胺(PA)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)、聚氨酯(TPU)、聚乳酸(PLA)和聚醚砜(PES)。
5.根据权利要求4所述的电容式柔性压力传感器，其中，所述纳米纤维复合薄膜介电层的厚度介于20μm～50μm之间。
6.根据权利要求4或5所述的电容式柔性压力传感器，其中，所述功能纳米填料的质量分数介于0.1％～2％之间。
7.根据权利要求4或5所述的电容式柔性压力传感器，其中，所述功能纳米填料的材料为：银钠米线、SiO2纳米颗粒、TiO2纳米颗粒或碳纳米管。
8.根据权利要求7所述的电容式柔性压力传感器，其中：
所述功能填料为银钠米线，添加量为质量分数介于0.1％～0.9％之间；或
所述功能填料为SiO2纳米颗粒，添加量为质量分数介于0.1％～0.6％之间；或
所述功能填料为TiO2纳米颗粒，添加量为质量分数介于0.1％～0.6％之间。
9.一种电容式柔性压力传感器的制备方法，包括：
制备第一柔性纳米纤维薄膜层和第二柔性纳米纤维薄膜层；
以第一柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第一电极层，以第二柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第二电极层；
将功能纳米填料加入到高分子聚合物中配置纺丝液，基于静电纺丝工艺制备纳米纤维复合薄膜介电层；以及
将带有第一电极层的第一柔性纳米纤维薄膜层、纳米纤维复合薄膜介电层和带有第二电极层的第二柔性纳米纤维薄膜层按照电极层相对的形式，以“夹心三明治”结构进行封装，得到电容式柔性压力传感器。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其中，所述制备第一柔性纳米纤维薄膜层和第二柔性纳米纤维薄膜层包括：
配置静电纺丝溶液；
利用纺丝装置和配置的静电纺丝溶液进行纺丝，得到柔性纳米纤维薄膜层；以及
将纺丝得到的柔性纳米纤维薄膜层干燥，使纺丝的溶剂挥发得到第一柔性纳米纤维薄膜层和第二柔性纳米纤维薄膜层。
11.根据权利要求9或10所述的制备方法，其中，所述以第一柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第一电极层，以第二柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第二电极层包括：
采用丝网印刷方式，在第一柔性纳米纤维薄膜层表面印刷第一电极层，在第二柔性纳米纤维薄膜层表面印刷第二电极层。
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