CN108645896A - 一种电容式传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容式传感器及其制备方法，包括下基板、加热电极、上基板和至少一个正负电极对，加热电极设置在下基板的上方，上基板设置在加热电极的上方，正负电极对设置在上基板的上方，正负电极对覆有功能性材料层。设置加热电极可以提高电容式传感器的感应性能，实现连续感知。

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

传感器是国家现代化的一种体现，在国民经济中占有越来越重要的地位。随着时代的发展，传感器的应用领域也越来越广泛，诸如智能电视，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。

电容式传感器就是以电容器作为基础传感元件，将电容的变化转化为我们所需要的物理量。例如，温度传感器可以实时对温度进行监控，湿度传感器可以感应到湿度的变化，有些危害性的气体用传感器实时监控就可以起到预警的作用，在企业及民生方面有着巨大的潜力。除了传统的感性外，选择性和稳定性，这些应用的要求其他功能如低消耗，低成本，高效率或便携性等。目前，很多传感器材料的感应性能很好，但是却没法连续的感知，材料在感应高浓度的气体后，再也无法感知低浓度的气体，影响传感器的感应性能。

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电容式传感器及其制备方法，用于提高电容式传感器的感应性能，实现连续感知。

本发明所采用的技术方案是：一种电容式传感器，包括下基板、加热电极、上基板和至少一个正负电极对，所述加热电极设置在下基板的上方，所述上基板设置在加热电极的上方，所述正负电极对设置在上基板的上方，所述正负电极对覆有功能性材料层。

进一步地，所述电容式传感器包括至少两个正负电极对，至少一个正负电极对覆有功能性材料层，至少一个正负电极对未覆有功能性材料层。

进一步地，所述加热电极上设置有金属保护层，所述上基板设置在金属保护层的上方。

进一步地，所述功能性材料层还覆有保护绝缘层。

进一步地，所述正负电极对为指状交叉电极对。

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和/或对氨气敏感的功能性材料层和/或对二氧化氮敏感的功能性材料层。

进一步地，所述下基板和/或下基板为柔性基板。

进一步地，所述功能性材料层的厚度为300nm。

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：

对下基板、上基板进行清洗并吹干；

在所述上基板的下方制备加热电极；

在所述上基板的上方制备至少一个正负电极对；

在所述正负电极对上覆盖功能性材料层；

在所述加热电极的下方安装所述下基板，完成所述电容式传感器的制备。

进一步地，所述电容式传感器的制备方法还包括步骤：

在所述功能性材料层上覆盖保护绝缘层。

本发明的有益效果是：

本发明一种电容式传感器及其制备方法，包括下基板、加热电极、上基板和至少一个正负电极对，加热电极设置在下基板的上方，上基板设置在加热电极的上方，正负电极对设置在上基板的上方，正负电极对覆有功能性材料层。设置加热电极可以提高电容式传感器的感应性能，实现连续感知。

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是本发明一种电容式传感器的一具体实施例示意图；

图2是图1在J-J方向上的剖视图；

图3是图1在K-K方向上的剖视图；

图4是本发明一种电容式传感器的一具体实施例立体示意图；

图5是本发明一种电容式传感器的正负电极对的一具体实施例示意图；

图6是本发明一种电容式传感器的加热电极的一具体实施例示意图；

图7是本发明一种电容式传感器的制备方法的一具体实施例流程图；

其中，1-下基板；2-加热电极；3-上基板；4-第一正负电极对；5-第二正负电极对；6-第三正负电极对；7-第四正负电极对；8-第一功能性材料层；9-第二功能性材料层；10-第三功能性材料层。

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。

一种电容式传感器，参考图1至图4，图1是本发明一种电容式传感器的一具体实施例示意图；图2是图1在J-J方向上的剖视图；图3是图1在K-K方向上的剖视图；图4是本发明一种电容式传感器的一具体实施例立体示意图；包括下基板1、加热电极2、上基板3和至少一个正负电极对，正负电极对如图2中的第一正负电极对4和第二正负电极对5，加热电极2设置在下基板1的上方，上基板3设置在加热电极2的上方，正负电极对设置在上基板3的上方，正负电极对覆有功能性材料层，功能性材料层如图2中的第三功能性材料层10。

其中，上基板对加热电极起保护作用。加热电极能够覆盖全部的正负电极对，对所有的正负电极对实现加热，加热电极不仅可以在传感器制作时进行加热以方便功能性材料沉积以制备功能性材料层；而且通过增加一个加热装置即加热电极，能够使功能性材料层在感知高浓度气体后，通过加热恢复到原先的状态，则可以继续感知其他浓度的气体，实现传感器测量的连续性，提高电容式传感器的感应性能。

作为技术方案的进一步改进，电容式传感器包括至少两个正负电极对，至少一个正负电极对覆有功能性材料层，至少一个正负电极对未覆有功能性材料层。本实施例中，参考图4和图5，图5是本发明一种电容式传感器的正负电极对的一具体实施例示意图，本发明的电容式传感器包括四个正负电极对，分别为第一正负电极对4、第二正负电极对5、第三正负电极对6和第四正负电极对7，其中，第二正负电极对5、第三正负电极对6和第四正负电极对7分别覆盖不同的功能性材料层，第一正负电极对4不覆盖功能性材料层，以实现跟第二正负电极对5、第三正负电极对6和第四正负电极对7形成对比传感测量，从而消除基板、加热电极等材料的影响。同时，三个正负电极对覆盖不同种类的功能性材料层，对不同的气体敏感度不同，不仅使结果更精确，提高电容式传感器的精确度和灵敏度，而且可以检测更多的气体。具体地，第二正负电极对5上覆盖有第三功能性材料层10，第三正负电极对6上覆盖有第一功能性材料层8，第四正负电极对7上覆盖有第二功能性材料层9。

作为技术方案的进一步改进，加热电极上设置有金属保护层，上基板设置在金属保护层的上方。金属保护层可以采用铬、镍等金属来实现，不仅可以增大加热电极的加热面积，而且能够起到保护作用，还能够实现更均匀地加热，实现功能性材料沉积，以及传感器对气体感应后，实现对功能性材料层的性能恢复的作用。进一步地，本发明中，功能性材料层还覆有保护绝缘层。保护绝缘层的材料可以是含氟聚合物的一种，例如聚四氟乙烯材料，厚度为1μm左右。另外，参考图6，图6是本发明一种电容式传感器的加热电极的一具体实施例示意图，加热电极2为环形电极，可以实现均匀加热，加热电极的厚度为10μm左右，环形电极的间距为40μm左右。

作为技术方案的进一步改进，参考图5，正负电极对为指状交叉电极对。指状交叉电极对跟外界接触面积比较大，感知精度更高。指状交叉电极对的厚度为8μm左右，指状交叉正负电极对两个电极之间的距离为70μm左右。指状交叉电极对能够将功能性材料层充分与空气相接触，这样增大了与空气的接触面积，使得测试更加准确。另外，下基板和/或下基板为柔性基板。柔性基板的厚度为50μm左右，柔性材料可以是聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)等。柔性基板实现了传感器件的柔性化，具有轻便、应用范围广、成本低、新颖和机械灵活性等优点。进一步地，功能性材料层的厚度为300nm。功能性材料层也可以根据需要做成多层的结构，厚度可以根据实际需要进行调节。功能性材料层为对湿度敏感的功能性材料层和/或对氨气敏感的功能性材料层和/或对二氧化氮敏感的功能性材料层。利用碳纳米纤维和金属制成功能性材料层，不同的金属可以感应不同的气体，例如金和钯金属装饰，不同的功能性材料层对不同的气体有着不同的响应，增加了对气体感应的准确性。在上基板上有四个不同的正负电极对，对金属类型进行选择和对金属的装饰比例进行控制，可以控制传感器响应的时间，并且利用不同被测目标气体分子的不同相互作用，进而提高了传感器的准确度。

基于上述的电容式传感器，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：

对下基板、上基板进行清洗并吹干；

在上基板的下方制备加热电极；

在上基板的上方制备至少一个正负电极对；

在正负电极对上覆盖功能性材料层；

在加热电极的下方安装下基板，完成电容式传感器的制备。

参考图7，图7是本发明一种电容式传感器的制备方法的一具体实施例流程图，下面对电容式传感器的制备流程具体说明如下：

对下基板、上基板进行清洗并吹干：下基板和上基板是选用柔性基板，柔性基板的材料如聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)等。将柔性基板放到超声波水中反复清洗，然后放酒精中清洗，清洗完之后用氮气将表面吹干。再将柔性基板放入丙酮中清洗后，放入烘干箱中在150℃温度下进行烘干，将基板表面用离子刻蚀的方法进行粗糙化处理，离子刻蚀机的功率为200w，刻蚀时间为10s，这种表面改性的操作使得柔性基板更容易沉积金属电极(即加热电极和正负电极对)。

在上基板的下方制备加热电极：加热电极是环形电极，完全覆盖了所有的正负电极对，将导电材料通过喷墨打印或者丝网印刷的方式，在下基板的下方制作出来环形电极，并对环形电极在150℃的温度下进行加热烘烤两个小时。环形电极的厚度跟间距要适宜，太大或者太小都会影响到功能性材料恢复的情况。在本发明中，环形电极的厚度在10μm左右，间距是在30μm左右。在制作好环形电极之后用喷墨打印、丝网印刷以及涂布的方式，在环形电极上面沉积金属保护层(铬，镍等)，沉积金属保护层后，环形电极能够更加稳定地提供热量，而且还能保护环形电极不受腐蚀。

在上基板的上方制备至少一个正负电极对：使用柔性基板的主要挑战之一是传感器的金属电极的制造，金属电极通过喷墨印刷的方式，所使用的喷墨打印，丝网印刷或者狭缝涂布的方式，在上基板的上方形成四个正负电极对，即指状交叉电极对(叉指电极)。然后进行烘干固化，制作四个叉指电极，正负电极对的厚度为8μm左右，电极之间的距离为70μm左右。采用指状交叉电极对大大增加了对感应气体的感应面积，提高感应准确性。

在正负电极对上覆盖功能性材料层：功能性材料层作为传感层，本实施例中，利用功能性材料制作而成，功能性材料层以金属纳米纤维为例，纳米纤维用不同的金属装饰可以制得不同的金属纳米纤维，不同的金属制得的金属纳米纤维对不同的气体有不同的感应反应。金属纳米纤维的制作过程如下：首先，直接混合盐前体与纳米纤维进行搅拌，需要完全浸渍碳纳米纤维表面与盐前体，在250转/分钟的速度下球磨工作3小时。最后，在氧气中退火400℃以获得金属纳米颗粒。沉积金属装饰纳米纤维是通过喷雾完成，在叉指电极上沉积一层金属纳米纤维制得功能性材料层，通过喷涂法涂覆基材。异丙醇作为纳米纤维的载体，使用异丙醇沉积，浓度大致相当为0.1mg/ml。沉积的厚度为300nm左右。这种有机溶剂是最充分的溶剂，因为经上述处理后的纳米纤维在其中完全稳定中等，且其沸点足够低，以允许小的从喷雾产生的液滴几乎立即蒸发在加热的基材上。另外，传感器具有多个叉指电极时，可以有选择性地将功能性材料层设置确定的叉指电极上，可以使用微加工的面具遮挡住不需要设置功能性材料层的叉指电极，参考图4，其中第二正负电极对5、第三正负电极对6和第四正负电极对7分别覆盖了不同的功能性材料，第一正负电极对4不覆盖功能性材料层。

涂布保护绝缘层：由于功能性材料层直接暴露在空气中，会沾上灰尘及脏物，使表面感知性能降低，所以在功能性材料层的上面喷墨打印、丝网印刷或者涂布一层疏松多孔的材料(例如含氟聚合物的一种，如聚四氟乙烯材料)，厚度为1μm，可以对功能性材料层起到保护性的作用，在100℃温度下烘烤5min，从而避免了功能性材料层与外界直接的接触。

传感器件的封装：下基板与加热电极接触粘合，以保护加热电极不受破坏。

传感器的功能性材料层的复位：当功能性材料层与气体，如氨气进行反应后，有一个过程来清理和复位纳米纤维表面是非常必要的。金属纳米颗粒与碳纳米管之间的有效电子相互作用，促进了通过由这些混合材料形成的功能性材料层的电导率的变化来检测气体。利用设计好的LabVIEW软件来控制印刷在底部的加热电极，温度的升高会清洁并重置纳米纤维的表面，迫使化学物质解吸，从而改变传感器的响应。使用一个自动的程序，连续两个氨气脉冲，选择这个方法来获得每个温度的响应时间和响应幅度的信息，系统可以连续的测试气体的含量。在较高温度下，解吸大于吸附，系统也将自动复位。

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 (10)

1.一种电容式传感器，其特征在于，包括下基板、加热电极、上基板和至少一个正负电极对，所述加热电极设置在下基板的上方，所述上基板设置在加热电极的上方，所述正负电极对设置在上基板的上方，所述正负电极对覆有功能性材料层。

2.根据权利要求1所述的电容式传感器，其特征在于，所述电容式传感器包括至少两个正负电极对，至少一个正负电极对覆有功能性材料层，至少一个正负电极对未覆有功能性材料层。

3.根据权利要求1所述的电容式传感器，其特征在于，所述加热电极上设置有金属保护层，所述上基板设置在金属保护层的上方。

4.根据权利要求1至3任一项所述的电容式传感器，其特征在于，所述功能性材料层还覆有保护绝缘层。

5.根据权利要求1至3任一项所述的电容式传感器，其特征在于，所述正负电极对为指状交叉电极对。

6.根据权利要求1至3任一项所述的电容式传感器，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和/或对氨气敏感的功能性材料层和/或对二氧化氮敏感的功能性材料层。

7.根据权利要求1至3任一项所述的电容式传感器，其特征在于，所述下基板和/或下基板为柔性基板。

8.根据权利要求1至3任一项所述的电容式传感器，其特征在于，所述功能性材料层的厚度为300nm。

9.一种电容式传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

对下基板、上基板进行清洗并吹干；

在所述上基板的下方制备加热电极；

在所述上基板的上方制备至少一个正负电极对；

在所述正负电极对上覆盖功能性材料层；

在所述加热电极的下方安装所述下基板，完成所述电容式传感器的制备。

10.根据权利要求9所述的电容式传感器的制备方法，其特征在于，还包括步骤：

在所述功能性材料层上覆盖保护绝缘层。