CN107589155A - 一种电容式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传感器及其制备方法。本发明通过设置差分正负电极对，差分正负电极对包括第一正负电极对和第二正负电极对，并在第一正负电极对上设置一功能性材料层，实现差分测量，进而提高电容式传感器的精确度和灵敏度。

Description

一种电容式传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及传感器领域，尤其是一种电容式传感器及其制备方法。
背景技术
传感器作为现代信息技术的三大技术基石之一，在国民经济建设中占据有极其重要的地位。近年来，随着智能终端的高速发展，诸如智能手机、智能手表等可穿戴电子设备对可集成式的多功能传感器提出了更高的需求。
电容式传感器是以各种类型的电容器作为传感元件，将被测物理量或机械量转换成为电容量变化的一种转换装置，实际上就是一个具有可变参数的电容器。例如，环境气体传感器可以对环境中的部分气体进行检测和测试含量，在环境保护领域显示了极大应用潜力。部分环境气体传感器是基于柔性基板，但是却不能消除柔性基板对传感器的电容噪音的影响，导致传感器测试数据偏差较大。
发明内容
为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种精度高的电容式传感器及其制备方法。
本发明所采用的技术方案是：一种电容式传感器，包括基板，还包括设置在所述基板上的差分正负电极对，所述差分正负电极对包括第一正负电极对和第二正负电极对，所述第一正负电极对上设置有功能性材料层。
进一步地，所述基板与差分正负电极对之间设置有温度补偿层。
进一步地，所述温度补偿层包括加热电极和第一绝缘层，所述加热电极设置在基板之上，所述第一绝缘层覆盖在加热电极之上。
进一步地，所述电容式传感器还包括覆盖在第一正负电极对之上的第二绝缘层。
进一步地，所述第一正负电极对和第二正负电极对均为指状交叉正负电极对。
进一步地，所述功能性材料层为对湿度敏感的功能性材料层、对氨气敏感的功能性材料层或对一氧化碳敏感的功能性材料层。
进一步地，所述功能性材料层的厚度为1μm－3μm。
本发明所采用的另一技术方案是：一种电容式传感器的制备方法，包括以下步骤：
对基板进行清洗，并吹干所述基板至无杂质；
在所述基板上制备差分正负电极对，所述差分正负电极对包括第一正负电极对和第二正负电极对；
在所述第一正负电极对上制备功能性材料层。
进一步地，将功能性材料通过丝网印刷、狭缝涂布或喷墨打印涂布在所述第一正负电极对上以制备所述功能性材料层。
进一步地，将导电材料通过丝网印刷、狭缝涂布或喷墨打印涂布在所述基板上以制备所述差分正负电极对。
进一步地，所述第一正负电极对和第二正负电极对均为指状交叉正负电极对。
进一步地，所述功能性材料层为对湿度敏感的功能性材料层、对氨气敏感的功能性材料层或对一氧化碳敏感的功能性材料层。
进一步地，所述功能性材料层的厚度为1μm－3μm。
本发明的有益效果是：
本发明通过设置差分正负电极对，差分正负电极对包括第一正负电极对和第二正负电极对，并在第一正负电极对上设置一功能性材料层，实现差分测量，进而提高电容式传感器的精确度和灵敏度。
附图说明
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：
图1是本发明中一种电容式传感器的一具体实施例俯视图；
图2是本发明中一种电容式传感器的一具体实施例左视图；
图3是本发明中一种电容式传感器的加热电极的一具体实施例示意图；
图4是本发明中一种电容式传感器的差分正负电极对的一具体实施例示意图；
图5是本发明中一种电容式传感器的制备方法的一具体实施例方法流程图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
参考图1、图2、图3和图4，图1是本发明中一种电容式传感器的一具体实施例俯视图；图2是本发明中一种电容式传感器的一具体实施例左视图；图3是本发明中一种电容式传感器的加热电极的一具体实施例示意图；图4是本发明中一种电容式传感器的差分正负电极对的一具体实施例示意图；一种电容式传感器，包括基板1、加热电极2、第一绝缘层3、差分正负电极对、功能性材料层和第二绝缘层10，差分正负电极对包括第一正负电极对和第二正负电极对，本实施例中，包括3组差分正负电极对，其中，第一正负电极对如图4中的4、5和6，对应的第二正负电极对如图4中的11、12和13；加热电极2和第一绝缘层3组成温度补偿层，如图2所示依次设置在基板1上面，差分正负电极对设置在第一绝缘层3之上，在差分正负电极对的第一正负电极对上设置有功能性材料层，如图2所示，与三组差分正负电极对对应，功能性材料层设置在第一正负电极对(如图2中的4、5和6)之上，有三处(如图2中的7、8和9)；第二绝缘层10设置在第一正负电极对上。功能性材料层不仅需要对电容式传感器所检测的物理量具有很小的反应时间、比较大的介电常数的改变，还必须具有很高的恢复度。
本发明在基板上制备了一个温度补偿层，可以实现对电容式传感器进行温度补偿，使得电容式传感器能在恒定的温度进行测试，并能在低温下工作。本发明的电容式传感器集成了有设置功能性材料层的第一正负电极对和未设置功能性材料层的第二正负电极对进行差分传感测量，从而消除基底、加热电极、第一绝缘层等对功能性材料层产生的反应，从而提高电容式传感器的精确度。另外，电容式传感器的制备工艺简单，操作环境要求不高，成片率高，可进行大批量制备，节省了大量的人力、物力以及财力。
作为技术方案的进一步改进，参考图1和图2，本实施例中，基板为柔性透明基板，柔性透明基底的厚度为50μm－125μm。参考图3，加热电极2为环形电极，环形电极的厚度为5μm－15μm，环形间距为30μm－50μm。本发明的电容式传感器对环形电极进行电镀金属保护层处理，电镀金属保护层后的环形电极的表面不仅更加平整、光滑，而且可以保护环形电极不被腐蚀，环形电极结构通过弯弯曲曲的构造，增长了电极的长度，从而在有效的面积内增加了电极的电阻，这样增加了电阻的发热量，实现给第一绝缘层上面的传感器(即功能性材料层)提供热量的功能。第一绝缘层3为透明绝缘层薄膜，其导热性能好，导热系数大于2W/mK，并且介电常数高，对功能性材料层不会有很大的反应，其厚度为14μm－50μm，第一绝缘层3为Parylene系列涂层材料。而第二绝缘层10也为透明绝缘层薄膜，作为电容式传感器的绝缘保护层，第二绝缘层10必须是高介电常数，透气不透水的薄膜，并且对功能性材料层不会有很大的反应。透明绝缘层薄膜能隔绝大气环境中的灰尘、水滴等大分子，并且可以使得气体分析物(电容式传感器为气体传感器时)能够透过第二绝缘层薄膜进入功能性材料层。而且可使得电容式传感器在经受轻微物理损伤的时候，表层透明绝缘层薄膜可以保护其下面的结构不受损伤。第二绝缘层10的厚度必须适中，太厚会降低分析气体进入功能性材料层的量，从而降低电容式传感器的灵敏度，太薄不能很好的起到作为绝缘保护层的作用；因此，本实施例中，第二绝缘层10的厚度为0.5μm－1.5μm。第二绝缘层10可选用AF或Cytop系列涂层材料。
作为技术方案的进一步改进，参考图4，第一正负电极对(图4中的4、5和6)和第二正负电极对(图4中的11、12和13)均为指状交叉正负电极对。指状交叉正负电极对的厚度为5μm－10μm，指状交叉正负电极对的电极间(正负电极之间)的距离为40μm－100μm。设计成指状交叉正负电极对的好处在于：
1、能够使得功能性材料层(作为介电层)的制备十分简单方便。
2、能够使得功能性材料层充分暴露在测试环境中(接触面大，传感更加准确)。
3、功能性材料层可以根据需要做成多层结构，功能性材料层的厚度可调节。
作为技术方案的进一步改进，本实施例中，功能性材料层为对湿度敏感的功能性材料层、对氨气敏感的功能性材料层或对一氧化碳敏感的功能性材料层。功能性材料层的厚度为1μm－3μm。本发明中，选用上述三种功能性材料层制成气体传感器，则本发明的电容式传感器能够探测环境中的相对湿度值，氨气和一氧化碳的含量和变化。本发明将多个感应环境气体的电容式传感器集成在柔性透明基板上，使得电容式传感器能够兼容可穿戴电子设备。
进一步地，上述气体传感器都是基于电容检测，指状交叉正负电极对的正负电极分别作为电容的正负电极。由于三种不同的功能性材料层分别对大气环境中的湿度、氨气、一氧化碳产生物理或者化学反应，当大气环境中的湿度(水汽，为气体)、氨气、一氧化碳的含量发生变化的时候，会引起功能性材料层的介电常数和体积发生改变，从而引起电容式传感器的电容发生变化，通过微弱电容采集板卡连接到差分正负电极对以采集在不同含量分析物的环境中功能性材料层对应的电容。反过来就可以通过采集到的电容数值得知相对应的大气环境中的湿度、氨气、一氧化碳的含值。实际上，基底、加热电极、第一绝缘层等其它因素将对电容产生等同的电容噪音影响，因此，本发明将在设置有功能性材料层的第一正负电极对采集到的电容变化数值减去在未设置功能性材料层的第二正负电极对采集到的电容变化数值，减去了基底、加热电极、第一绝缘层等其它因素对电容产生的电容噪音影响，进而提高了气体传感器的传感精度。
作为技术方案的进一步改进，对湿度敏感的功能性材料层为醋酸丁酸纤维素和乙酸乙酯按照1：11的质量比进行配比制得。对氨气敏感的功能性材料层为聚苯胺、聚噻吩或聚吡咯等纳米粒子材料形成的溶液。对一氧化碳敏感的功能性材料层为碳纳米管或者碳纳米管和其它聚合物混合的材料所制得。
参考图5，图5是本发明中一种电容式传感器的制备方法的一具体实施例方法流程图，基于上述电容式传感器，本发明还提供一种电容式传感器的制备方法，包括以下步骤：
基板的处理：基板选用柔性透明基板，将柔性透明基板用清水洗净，然后用酒精再次清洗，用氮气吹净表面，再将柔性透明基板放入丙酮中浸泡数分钟后拿出，并用氮气吹净至基板上无杂质和灰尘，将经过上述处理过后的柔性透明基板进行等离子刻蚀以将柔性基板表面粗糙化；并进行加热烘烤，本实施例中，加热温度选用150摄氏度。
加热电极的制作：加热电极为环形电极，在经过上述处理后的柔性透明基板上，将导电材料(即电极材料)通过喷墨打印、丝网印刷或狭缝涂布制作出环形的电极结构并进行烘烤，本实施例中，加热温度选用120摄氏度。在同种电极材料下，加热电极的环形间距与整个电容式传感器的温度补偿性能息息相关，如果环形间距太大的话，相同面积排布的电阻长度不够，就不能补偿到相应的温度。本实施例中，环形电极的厚度为5μm－15μm，间距为30μm－50μm，
电镀金属保护层：在上述制备的环形电极的表面电镀金属保护层并再次进行烘烤，本实施例中，加热温度选用120摄氏度。电镀金属保护层后的环形电极表面不仅更加平整、光滑，而且可以保护环形电极不被腐蚀，环形电极通过弯弯曲曲的构造，增长了电极的长度，从而在有效的面积内增加了电极的电阻，这样增加了电阻的发热量，实现给导热性能好的第一绝缘层上面的传感器(即功能性材料层)提供热量的功能。
涂布第一绝缘层：在电镀金属保护层的环形电极的上方区域通过丝网印刷、狭缝涂布或喷墨打印等工艺制备第一绝缘层(第一绝缘层为导热性能好的透明绝缘层薄膜)并进行加热固化，加热是起到固化和平整化第一绝缘层的作用。本实施例中，加热温度选用110摄氏度，第一绝缘层的厚度为14μm－50μm。导热性能好的透明绝缘层薄膜的作用是将环形电极产生的热量均匀的分散在功能性材料层上，并且导热性能好的透明绝缘层薄膜不能对电容式传感器的传感性能有很大的影响(第一绝缘层的介电常数高，其物理和化学特性不会随着大气环境中湿度、氨气、一氧化碳的量变化而变化，并且导热系数大于2W/mK)。
制作差分正负电极对：在导热性能好的第一绝缘层上方通过喷墨打印、丝网印刷或狭缝涂布出指状交叉正负电极对(即差分正负电极对)，并进行烘烤，本实施例中，加热温度选用110摄氏度，电极厚度为5μm－10μm，电极间的距离为40μm－100μm。由于环境中需要探测气体的含量不一样，所以探测不同的气体传感器的灵敏度也就不一样，针对这种情况，可以通过调节电极间的间距和电极厚度来改变电容式传感器的灵敏度。并且，对于差分正负电极对，需要第一正负电极对和第二正负电极对具有相同的参数，即两个正负电极对完全相同。
涂布功能性材料层：功能性材料层只涂布差分正负电极对中的一个电极对，本发明中，选择涂布第一正负电极对。采用丝网印刷、喷墨打印或狭缝涂布等工艺，在第一正负电极对上涂布厚度在1μm－3μm之间，厚度均匀的薄膜，并进行加热固化得到功能性材料层；功能性材料层包括对湿度敏感的功能性材料层、对氨气敏感的功能性材料层或对一氧化碳敏感的功能性材料层。本发明中，同时选用上述三种功能性材料层。
粗糙化功能性材料层的表面：将功能性材料层的表面进行等离子刻蚀处理以粗糙化功能性材料层的表面，等离子刻蚀参数根据功能性材料层和第二绝缘层进行决定，对功能性材料层进行表面改性，增加功能性材料层表面的粗糙度，使得在改性后的功能性材料层表面更加容易涂布其它材料，即便于后续涂布第二绝缘层。
涂布第二绝缘层：在经过粗糙化的功能性材料层上方区域过丝网印刷、狭缝涂布或喷墨打印等工艺制备透明绝缘层薄膜(即第二绝缘层)，并进行加热固化，本实施例中，加热温度选用120摄氏度，第二绝缘层的厚度为0.5－1.5μm。固化的目的一是为了让功能性材料层更加平整、光滑，二是为了让第二绝缘层的结构稳定。第二绝缘层的作用是防止大气中的其它气体影响电容式传感器的性能和保护功能性材料层不被破坏。
进一步地，本发明中，对湿度敏感的功能性材料层是将醋酸丁酸纤维素和乙酸乙酯按照1：11的质量比进行配比得到。
对氨气敏感的功能性材料层的制备：将0.6ml的蒸馏苯胺，3.4g的十二烷基苯磺酸，0.36g的过硫酸铵添加到40ml的去离子水中，搅拌2.5h，直到形成一种粘性溶液，然后就可以通过印刷工艺涂布在传感器上。总之，就是用聚苯胺纳米粒子形成的溶液通过印刷工艺涂布在传感器上。聚苯胺纳米粒子可以用聚噻吩、聚吡咯等纳米粒子材料来代替。
对一氧化碳敏感的功能性材料层的制备：将1ml的碳纳米管分散液加入9ml的超纯水中，然后用超声清洗设备超声分散30分钟，再往超声后的样品中加入10mg的铂金粉，继续用超声清洗设备超声分散30分钟，然后就可以通过印刷工艺涂布在传感器上。碳纳米管还可以用碳纳米管和其它聚合物混合的材料来代替。
本发明可以用于其他电容式传感器，如电容式液位传感器等。
以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。

Claims (13)

1.一种电容式传感器，包括基板，其特征在于，还包括设置在所述基板上的差分正负电极对，所述差分正负电极对包括第一正负电极对和第二正负电极对，所述第一正负电极对上设置有功能性材料层。
2.根据权利要求1所述的一种电容式传感器，其特征在于，所述基板与差分正负电极对之间设置有温度补偿层。
3.根据权利要求2所述的一种电容式传感器，其特征在于，所述温度补偿层包括加热电极和第一绝缘层，所述加热电极设置在基板之上，所述第一绝缘层覆盖在加热电极之上。
4.根据权利要求1所述的一种电容式传感器，其特征在于，所述电容式传感器还包括覆盖在第一正负电极对之上的第二绝缘层。
5.根据权利要求1至4任一项所述的一种电容式传感器，其特征在于，所述第一正负电极对和第二正负电极对均为指状交叉正负电极对。
6.根据权利要求1至4任一项所述的一种电容式传感器，其特征在于，所述功能性材料层为对湿度敏感的功能性材料层、对氨气敏感的功能性材料层或对一氧化碳敏感的功能性材料层。
7.根据权利要求1至4任一项所述的一种电容式传感器，其特征在于，所述功能性材料层的厚度为1μm－3μm。
8.一种电容式传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
对基板进行清洗，并吹干所述基板至无杂质；
在所述基板上制备差分正负电极对，所述差分正负电极对包括第一正负电极对和第二正负电极对；
在所述第一正负电极对上制备功能性材料层。
9.根据权利要求8所述的一种电容式传感器的制备方法，其特征在于，将功能性材料通过丝网印刷、狭缝涂布或喷墨打印涂布在所述第一正负电极对上以制备所述功能性材料层。
10.根据权利要求8所述的一种电容式传感器的制备方法，其特征在于，将导电材料通过丝网印刷、狭缝涂布或喷墨打印涂布在所述基板上以制备所述差分正负电极对。
11.根据权利要求8至10任一项所述的一种电容式传感器的制备方法，其特征在于，所述第一正负电极对和第二正负电极对均为指状交叉正负电极对。
12.根据权利要求8至10任一项所述的一种电容式传感器的制备方法，其特征在于，所述功能性材料层为对湿度敏感的功能性材料层、对氨气敏感的功能性材料层或对一氧化碳敏感的功能性材料层。
13.根据权利要求8至10任一项所述的一种电容式传感器的制备方法，其特征在于，所述功能性材料层的厚度为1μm－3μm。
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