CN108731851B - 一种柔性电容式压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种柔性电容式压力传感器，所述柔性电容式压力传感器包括上电极、下电极，夹设于上电极和下电极之间的复合电介质层，其中，复合电介质层包括与所述上电极连接的第一结构层、与所述下电极连接的第二结构层、以及设置在第一结构层和第二结构层之间的可形变层；所述可形变层具有拓扑结构。与现有技术相比，本发明提出了基于3D打印技术的电容式压力传感器结构，精确控制压敏材料中孔的尺寸和分布，从而改善传感器的动态范围和线性度；复合电介质层的可形变结构的设置，还充分利用了介电应变效应的特性，提高了介质材料的介电应变系数，可以进一步提高传感器的灵敏度。

Description

一种柔性电容式压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及微电子技术领域，特别地涉及一种柔性电容式压力传感器及其制备方法。
背景技术
目前，越来越多的特殊信号和特殊环境要求传感器具有透明、柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特性。因此，研制高性能、低成本的柔性压力传感器具有十分广阔的应用前景。从敏感机制上看，目前报导出的柔性压力传感器的类型主要可以分为电阻式压力传感器和电容式压力传感器两种。从结构设计上看，这两种类型的柔性压力传感器的结构非常类似，一般都包含两层柔性电极和一层柔性压敏材料。对于电阻式柔性压力传感器，柔性压敏材料通常是一些多孔复合聚合物材料，主要包含两部分：柔性基底和增敏材料。它的制备方法主要是在柔性基底材料中掺入一定量导电的纳米颗粒或纳米线。在压力的作用下，压敏材料的电阻率和厚度发生改变，导致两个柔性电极之间的电阻值变化。通过测量器件的电阻值可以推断结构所承受的压力。电阻式柔性压力传感器的优点主要是灵敏度高，器件的制备和表征比较方便，但是，这种类型的压力传感器不适合低功耗应用。对于柔性电容式传感器，压力作用下压敏电介质受压发生形变，电容值发生变化。电容变化的因素包括两个方面：一方面，压力作用使电容的极板间距发生变化。另一方面，压力的作用使电介质的介电常数发生变化。从宏观的角度来说，压力的作用使电介质中的空气被挤压，电介质层中的固体电介质与空气的比率发生改变，电介质的介电常数发生变化。从微观的角度来说，压力的作用会使固态电介质的形态发生变化，而电介质的形态与价电子的运动密切相关。价电子的运动在很大程度上直接和间接地决定了电介质的几何性质和电极化性质，最终体现在电容极板上的极化电荷的变化。电介质分子/原子的极化状态发生变化实际上是改变了电介质的介电常数。这种现象即我们所说的“介电应变效应”。与电阻式柔性压力传感器相比，电容式柔性压力传感器具有一个典型的优点是低功耗，因此，受到越来越多的关注。
从现有的研究成果来看，电阻式和电容式柔性压力传感器都存在压力测量范围偏小的问题。主要体现在低压范围，器件灵敏度较理想，但是压力增大到一定数值(一般小于5kPa，有的甚至只有0.5kPa)，器件灵敏度迅速下降并且测试曲线呈现较明显的非线性。造成这种现象的主要原因是加工方法的局限性。多孔压敏电介质的制备多采用在柔性材料和功能粒子的共混溶液中加入如去离子水或易挥发的有机溶液的方法，然后通过加热使去离子水或者有机溶液挥发形成多孔结构。但这种加工方法会造成孔的几何尺寸及分布较随机，压敏材料的动态范围及线性特性较差。因此，需要扩展柔性压力传感器的测量范围，同时确保器件在整个压力测量范围内具有较高的灵敏度和良好的线性度。
发明内容
为了解决有柔性压力传感器存在压力测量范围小、线性特性差等问题，本发明提供了一种柔性电容式压力传感器，所述柔性电容式压力传感器包括上电极、下电极，夹设于上电极和下电极之间的复合电介质层，其中，复合电介质层包括与所述上电极连接的第一结构层、与所述下电极连接的第二结构层、以及设置在第一结构层和第二结构层之间的可形变层；所述可形变层具有拓扑结构。
优选地，所述拓扑结构包括并联的多列可形变部，该可形变部被构造成由多个空心柱体沿其截面中心轴线方向堆叠形成。
优选地，所述空心柱体的数量至少为两个；所述空心柱体的截面形状为方形、圆形或者多边形。
优选地，所述上电极和所述下电极均为柔性平面板。
优选地，所述第一结构层为与所述上电极相对应的柔性平面板，所述第二结构层为与所述下电极相对应的柔性平面板。
本发明还提供了一种柔性电容式压力传感器的制备方法，所述制备方法包括：
准备所述柔性电容式压力传感器的制作模具，所述模具包括上模具及与上模具相组配的下模具，所述上模具包括多个间隔设置的第一柱体及围绕第一柱体的第一腔体，所述下模具包括多个间隔设置的第二柱体及围绕第二柱体的第二腔体，所述第一腔体与所述第二腔体相连通；
配制复合电介质溶液，以配制用于制备所述复合电介质层的共混溶液；
将配制好的共混溶液注入整个模具中，直至填满整个模具；
对填充有所述共混溶液的模具进行固化处理和脱模处理；
脱模后形成具有拓扑结构的复合电介质层，其中，所述第一腔体和所述第二腔体形成所述复合电介质层的可形变部、第一结构层和第二结构层；
在所述复合电介质层的上、下表面设置柔性电极板。
优选地，所述复合电介质溶液通过取一定量聚偏氟乙烯粉末溶于二甲基乙酰胺形成。
优选地，所述制备方法还包括在该复合电介质溶液中掺入铁电纳米颗粒，并且在掺入铁电纳米颗粒之前对该铁电纳米颗粒进行表面包覆处理。
优选地，所述上模具和所述下模具采用3D打印技术制备，其中，第一柱体和第二柱体的截面形成为方形、圆形或者多边形。
优选地，所述固化处理包括通过烘箱或加热板进行加热固化；和/或在将配制好的共混溶液注入整个模具之前，对所述整个模具内涂覆脱模剂。
本发明的有益效果：
本发明提出了基于3D打印技术的电容式压力传感器结构，精确控制压敏材料中孔的尺寸和分布，从而改善传感器的动态范围和线性度；复合电介质层的可形变结构的设置，还充分利用了介电应变效应的特性，各电偶极子垂直方向上距离的靠近可以提高介质材料的介电应变系数，可以进一步提高传感器的灵敏度。
附图说明
图1为本发明的实施例1的柔性电容式压力传感器的立体结构示意图；
图2为本发明的实施例1的柔性电容式压力传感器的另一角度的结构示意图；
图3为本发明的实施例1的另一实施方式的柔性电容式压力传感器的立体结构示意图；
图4为本发明的实施例1的另一实施方式的柔性电容式压力传感器的另一角度的结构示意图；
图5为本发明的实施例2的柔性电容式压力传感器中的复合电介质层模具的剖面示意图；
图6为本发明的实施例2的柔性电容式压力传感器中的复合电介质层模具的另一角度的剖面示意图。
图7为本发明的实施例2的另一实施方式的柔性电容式压力传感器中的复合电介质层模具的剖面示意图；
图8为本发明的实施例2的另一实施方式的柔性电容式压力传感器中的复合电介质层模具的另一角度的剖面示意图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式结合附图对本发明作进一步详细说明。本发明可以以多种不同的形式来实现，并不限于本实施例所描述的实施方式。提供以下具体实施方式的目的是便于对本发明公开内容更清楚透彻的理解，其中上、下、左、右等指示方位的字词仅是针对所示结构在对应附图中位置而言。
实施例1
参照图1，本发明提供一种柔性电容式压力传感器，该柔性电容式压力传感器包括上电极1、下电极2以及夹设在上电极1和下电极2之间的复合电介质层3，其中，上电极1和下电极2均为柔性平面板；复合电介质层3具有拓扑结构。
具体地，如图2所示，复合电介质层3包括与上电极1连接的第一结构层31、与下电极2连接的第二结构层33、设置在第一结构层31和第二结构层33之间的可形变层32，第一结构层31为与上电极31相对应的柔性平面板，第二结构层33为与下电极2相对应的柔性平面板；复合电介质层3具有拓扑结构，进一步地，可形变层32具有拓扑结构，该拓扑结构由并联的多列可形变部321形成，可形变部321被构造成由多个空心柱体沿其截面中心轴线方向堆叠形成，在本实施方式中，可形变部321被构造成由多个空心方形柱体沿其对角线线方向堆叠形成，换言之，空心柱体的截面形状为方形，但是不限于此，还可以为圆形或者多边形，对于空心柱体的截面为圆形的实施方式，可参见图3和图4；空心柱体的数量为两个，但是还可以为三个、四个、五个等；可形变层32能够随着压力变化而发生均匀形变，上述拓扑结构由具有上述结构的可形变层32形成。由此可知，上述拓扑结构可等效为多个并联连接的弹簧，在压力作用下，复合电介质层3、即可形变部321被挤压，并产生应力/应变。
工作原理
首先，本发明的柔性电容式压力传感器在压力作用下发生形变，该传感器的上电极1、下电极2之间的间距发生变化；其次，复合电介质层中可形变部与空气比例发生变化，根据电介质理论，电介质的介电常数会发生变化；最后，压力作用会在复合电介质层中产生应力/应变，根据介电应变效应，会导致电介质的介电常数发生变化。因此，传感器的输出电容发生变化。
实施例2
参照图5和图6，本发明还提供一种用于实施例1的柔性电容式压力传感器的制备方法，具体包括：
准备形成复合电介质层的上模具4及与上模具4相组配的下模具5(图5和图6中，用斜线表示的阴影部分为上模具，用格子表示的阴影部分为下模具)，具体地，上模具4和下模具5可以采用3D打印技术制备，通过卡合方式结合，沿卡口将上模具4和下模具5组装成完整的、且具有拓扑结构的复合电介质层模具，其中，上模具4包括多个间隔设置的第一柱体及围绕第一柱体的第一腔体；下模具5包括多个间隔设置的第二柱体及围绕第二柱体的第二腔体，第一柱体和第二柱体的截面形成为方形、圆形或者多边形，对于第一柱体和第二柱体的截面形成为圆形的实施方式，具体参见图7和图8；当上模具4和下模具5组装时，第一腔体与所述第二腔体相连通，并形成多列沿对角线堆叠的柱体，由此成型具有多列可形变部321的拓扑结构，进而形成可形变层32、第一结构层31和第二结构层33，以形成复合电介质层3。
由于3D打印技术可以控制压敏介质层中孔的尺寸和分布，因此，可以使传感器获得较大的动态范围。随着压力的增大，传感器中的电介质层的拓扑结构可以被持续压缩直至复合电介质充满整个电介质层。因此，电介质的介电常数具有较大的变化范围。
配制用于制备复合电介质层的共混溶液，具体地，取一定量聚偏氟乙烯(PVDF)粉末溶于二甲基乙酰胺(DMAC)制成PVDF质量分数为15％的混合溶液，用质量分数为5-20％的偶联剂稀释溶液对待掺入上述混合溶液的铁电纳米颗粒进行喷涂或者浸渍使其包覆在纳米颗粒表面，向制备好的PVDF/DMAC混合溶液中掺入铁电纳米颗粒(如BaTiO3)并搅拌均匀，以完成共混溶液的配制。具体地，掺入铁电纳米颗粒的比例可以调节，一般来说铁电纳米颗粒的比例越高，制备出的复合电介质层3的介电常数越大。但是由于有渗流阈值的限制，铁电纳米颗粒的比例不宜过大(一般体积分数低于50％)，否则电介质的损耗将增大。
在复合电介质层模具中均匀喷涂脱模剂，将配制好的共混溶液注入涂有脱模剂的模具中，直至填满整个模具，同时轻轻震动模具，避免复合电介质层产生空洞；
将上述模具放置于例如80℃左右的烘箱中或加热板上加热至固化；
进行脱模处理，分别将上模具4和下模具5沿卡口部分推离，使制备的复合电介质层3剥离出来；
对脱模后的复合电介质层3的上、下表面例如通过粘贴的方式设置柔性导电电极板，可采用银纳米线与聚二甲基硅氧烷(PDMS)的复合材料，以形成上电极1和下电极2，并将上、下电极引出以方便测试。
通过上述制备方法形成复合电介质层的柔性电容式压力传感器，介电常数具有较大的变化范围；由于复合电介质层中的可形变部实际上可以看成多个并联连接的弹簧结构，复合电介质层具有较好的压敏特性，还使传感器获得较好的线性特性，可将非线性误差控制在5％以内。
与现有技术相比，本发明提出了基于3D打印技术的电容式压力传感器结构，精确控制压敏材料中孔的尺寸和分布，从而改善传感器的动态范围和线性度。同时，该结构电介质层的拓扑设计还充分利用了介电应变效应的特性，各电偶极子垂直方向上距离的靠近可以提高介质材料的介电应变系数，可以进一步提高传感器的灵敏度。
以上所述，仅为本发明专利较佳的具体实施方式，但本发明专利的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明专利揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明专利的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性电容式压力传感器，其特征在于，所述柔性电容式压力传感器包括上电极、下电极，夹设于上电极和下电极之间的复合电介质层，其中，复合电介质层包括与所述上电极连接的第一结构层、与所述下电极连接的第二结构层、以及设置在第一结构层和第二结构层之间的可形变层；所述可形变层具有拓扑结构；
所述柔性电容式压力传感器采用下述制备方法得到：
准备所述柔性电容式压力传感器的制作模具，所述模具包括上模具及与上模具相组配的下模具，所述上模具包括多个间隔设置的第一柱体及围绕第一柱体的第一腔体，所述下模具包括多个间隔设置的第二柱体及围绕第二柱体的第二腔体，所述第一腔体与所述第二腔体相连通；
配制复合电介质溶液，以配制用于制备复合电介质层的共混溶液；
将配制好的共混溶液注入整个模具中，直至填满整个模具；
对填充有所述共混溶液的模具进行固化处理和脱模处理；
脱模后形成具有拓扑结构的复合电介质层，其中，所述第一腔体和所述第二腔体形成所述复合电介质层的可形变层、第一结构层和第二结构层；
在所述复合电介质层的上、下表面分别设置柔性电极板作为所述上电极和所述下电极。
2.根据权利要求1所述的柔性电容式压力传感器，其特征在于，所述拓扑结构包括并联的多列可形变部，该可形变部被构造成由多个空心柱体沿其截面中心轴线方向堆叠形成。
3.根据权利要求2所述的柔性电容式压力传感器，其特征在于，所述空心柱体的数量至少为两个；所述空心柱体的截面形状为方形、圆形或者多边形。
4.根据权利要求1所述的柔性电容式压力传感器，其特征在于，所述上电极和所述下电极均为柔性平面板。
5.根据权利要求4所述的柔性电容式压力传感器，其特征在于，所述第一结构层为与所述上电极相对应的柔性平面板，所述第二结构层为与所述下电极相对应的柔性平面板。
6.一种柔性电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：
准备所述柔性电容式压力传感器的制作模具，所述模具包括上模具及与上模具相组配的下模具，所述上模具包括多个间隔设置的第一柱体及围绕第一柱体的第一腔体，所述下模具包括多个间隔设置的第二柱体及围绕第二柱体的第二腔体，所述第一腔体与所述第二腔体相连通；
配制复合电介质溶液，以配制用于制备复合电介质层的共混溶液；
将配制好的共混溶液注入整个模具中，直至填满整个模具；
对填充有所述共混溶液的模具进行固化处理和脱模处理；
脱模后形成具有拓扑结构的复合电介质层，所述复合电介质层包括与上电极连接的第一结构层、与下电极连接的第二结构层、以及设置在第一结构层和第二结构层之间的可形变层，其中，所述第一腔体和所述第二腔体形成所述复合电介质层的可形变层、第一结构层和第二结构层；
在所述复合电介质层的上、下表面分别设置柔性电极板作为所述上电极和所述下电极。
7.根据权利要求6所述的柔性电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述复合电介质溶液通过取一定量聚偏氟乙烯粉末溶于二甲基乙酰胺形成。
8.根据权利要求6所述的柔性电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法还包括在该复合电介质溶液中掺入铁电纳米颗粒，并且在掺入铁电纳米颗粒之前对该铁电纳米颗粒进行表面包覆处理。
9.根据权利要求6所述的柔性电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述上模具和所述下模具采用3D打印技术制备，其中，第一柱体和第二柱体的截面形成为方形、圆形或者多边形。
10.根据权利要求6所述的柔性电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述固化处理包括通过烘箱或加热板进行加热固化；和/或在将配制好的共混溶液注入整个模具之前，对所述整个模具内涂覆脱模剂。
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