CN109520645A - 一种一体式电容式传感器及其制备方法和应用 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种一体式电容式传感器及其制备方法和应用，所述传感器包括具有多孔结构的介电层，以及位于介电层两侧的电极层；其中，所述介电层的孔壁上负载离子物质。本发明提供的传感器具有一体化、灵敏度高、透气性好的优点，可以应用于制作健康监测器件或户外运动服装等。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，涉及一种一体式电容式传感器及其制备方法和应用。
背景技术
近年来，压力传感器在可穿戴式电子产品、医疗健康监测设备、电子皮肤、平板显示、航空航天、人工智能等领域有着巨大应用潜力，受到人们越来越多的关注。压力传感器按照工作原理主要分为压阻式、电容式、压电式和摩擦式传感器。其中电容式传感器通过外界力的变化从而引起电容值的变化，该类型传感器响应快、能耗低、结构简单、信噪比低，引起广泛的关注。目前所报道的电容式的压力传感器仍然存在一些缺点，例如灵敏度低，采用全密封模式封装器件导致不透气，很难制备大面积的样品等。通过在电极或介电层构建一些微结构来提高传感器的灵敏度已被证实是一种可行的方法，然而薄膜表面微纳结构的获取方式诸如硅倒膜法、光刻法、反应离子束刻蚀法等，其不仅价格昂贵，且灵敏度提高量不显著。
CN107505068A公开了一种电容式柔性压力传感器及其制备方法，其中，该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；以及纳米纤维膜介电层，设置于第一电极层与第二电极层之间；该纳米纤维薄膜作为介电层，由静电纺丝制备得到，介电层的多孔结构提高了传感器的灵敏度，并且保持传感器的透气性。然而，该发明只是单纯的通过多孔结构来提高灵敏度，其灵敏度的增加量是非常有限的，并且在外界压力较大的情况下(高压区)，由于多孔层被压实，其灵敏度大幅降低，影响其使用范围。CN105547531A提供了一种高灵敏电容式压力传感器及其制作方法，该传感器包括衬底，压力弹性膜，分别固定在衬底上的第一固定基座、第二固定基座和第三固定基座，机械杆，支撑轴，第一叉指电极和第二叉指电极，第一引线电极和第二引线，绝缘材料。该发明通过机械放大杆的使用，使压力膜的变形成倍放大，从而提高了电容检测的灵敏度。然而，该发明为提高灵敏度而采用机械杆，很大程度上影响到传感器使用的舒适性，且该传感器结构复杂，不利于生产制备。CN108472846A公开了一种用于生物电极的一体式传感器和用于生产的方法，包括：穿过背衬材料的膜注塑导电树脂以直接在所述背衬材料中形成所述传感器，所述传感器包括设置在所述膜的第一侧上的接触面和从与所述第一侧相背的所述膜的第二侧凸出的柱；以及用不可极化的导电材料涂覆所述接触面。但是透气性差且灵敏度较低。
因此，需要开发一种灵敏度高，结构简单且透气排汗性较好的一体式传感器以满足应用要求。
发明内容
本发明的目的在于提供一种一体式电容式传感器及其制备方法和应用，本发明提供的一体式电容式传感器实现了传感器件的一体化，而且所得到的传感器件灵敏度高，透气性好；且原料成本低廉，制备工艺简单，方便大规模工业化生产；所述一体式电容式传感器可用于制作户外运动衣物、可穿戴式健康监测器件等，具有广阔的应用价值。
为达到此发明目的，本发明采用以下技术方案：
第一方面，本发明提供了一种一体式电容式传感器，所述传感器包括具有多孔结构的介电层，以及位于介电层两侧的电极层；
其中，所述介电层的孔壁上负载离子物质。
本发明提供的传感器具有一体化、灵敏度高、透气性好的优点；在本发明中，在介电层的孔壁上负载离子物质，在外力作用下，离子物质的存在使传感器形成一种独特的超级电容层，从而可以大幅提高传感器的灵敏度，进而提高信号监测的准确性，并且离子物质的存在不会影响介电层的通孔性，进而可以保持介电层良好的透气排汗性。
优选地，所述电极层具有网状多孔结构。
本发明提供的网状多孔结构的电极可以进一步增加传感器的透气排汗性。
优选地，所述电极层的厚度为1-10μm，例如2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm等，进一步优选5-10μm，更进一步优选2μm。
优选地，所述电极层的孔径为0.1-100μm，例如0.5μm、1μm、5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm等。
优选地，所述电极层的制备原料包括金、银、铜、铝或不锈钢中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合为：金与银的组合，金与铜的组合，银与铜的组合，铜与铝的组合，金、银与铝的组合，铜、铝、银与不锈钢的组合等，进一步优选银。
优选地，所述离子物质包括离子液体、离子凝胶、氯化钠、氯化钾、磷酸盐、碳酸钠或碳酸氢钠中的任意一种或至少两种的组合。其中典型但非限制性的组合为：离子液体与氯化钠的组合，离子凝胶与氯化钠的组合，氯化钠与氯化钾的组合，碳酸钠与碳酸氢钠的组合，离子液体、氯化钠与氯化钾的组合，离子凝胶、氯化钠、磷酸盐与氯化钾的组合，优选离子液体。
优选地，所述介电层的制备原料包括纸、聚苯乙烯泡沫、棉布、硝化纤维素、纤维素、聚酰亚胺、聚酯、聚酰胺、聚苯乙烯或醋酸纤维素中的任意一种或至少两种的组合。
优选地，所述介电层的厚度为0.1-10mm，例如0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm等。
优选地，所述介电层的孔径为0.1-500μm，例如0.1μm、5μm、10μm、50μm、100μm、200μm、300μm、400μm、450μm等。
本发明所述的“包括”，意指其除所述组分外，还可以包括其他组分，这些其他组分赋予布料不同的特性。除此之外，本发明所述的“包括”，还可以替换为封闭式的“为”或“由……组成”。
第二方面，本发明提供了如第一方面所述的一体式电容式传感器的制备方法，所述制备方法包括：在介电层两侧沉积电极层，得到所述一体式电容式传感器。
优选地，所述介电层的制备方法包括：将多孔状介电膜浸入含有离子物质的溶液中，然后干燥，得到所述介电层。
本发明提供的制备方法简单易行，并且原料成本低，方便大规模的工业化生产。
优选地，所述离子物质和所述多孔状介电膜的质量比为1:(1-5)，例如1:2、1:3、1:4等，进一步优选1:5。
优选地，所述干燥包括真空干燥、加热干燥、鼓风干燥或自然干燥中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选自然干燥。
优选地，所述干燥的时间为1-60min，例如2min、5min、10min、12min、15min、18min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min等，进一步优选20-40min，更进一步优选30min。
优选地，所述沉积的方法包括玻璃棒刮膜、热蒸镀、磁控溅射、喷枪喷涂、旋转涂覆或滴定中的任意一种或至少两种的组合，优选喷枪喷涂。
优选地，所述沉积的温度为25-100℃，例如28℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃等，进一步优选25-80℃，更进一步优选40℃。
第三方面，本发明提供了如第一方面所述的一体式电容式传感器在功能器件或功能衣物中的应用。
优选地，所述功能器件或功能衣物用于监测人体运动信号或监测人体生理信号，进而可以判断人体健康情况。
相比于传统的传感器应用于布料衣物时，为了保持布料的透气性，通常采用分布排列组合的方式而言，本发明提供的传感器具有良好的透气性，可以全覆盖布面，具有更好的监测信号的效果。
本发明提供的传感器不仅在低压区和高压区均具有高的灵敏度，还具有很好的透气及力学性能，使得由该传感器件制作的健康监测器件或户外运动服装有很大的应用空间。
相对于现有技术，本发明具有以下有益效果：
(1)在本发明中，在介电层的孔壁上负载离子物质，在外力作用下，离子物质的存在使传感器形成一种独特的超级电容层，从而可以大幅提高传感器的灵敏度，进而提高信号监测的准确性，并且离子物质的存在不会影响介电层的通孔性，进而可以保持介电层良好的透气排汗性；
(2)本发明提供的传感器具有一体化、灵敏度高、透气性好的优点；其中，低压区灵敏度为，高压区灵敏度为，透气性为；
(3)本发明提供的传感器可以应用于制作健康监测器件或户外运动服装等，并且由于本发明提供的传感器具有较高的灵敏度，可以监测人体较微弱的信号，例如脉搏，心跳等。
附图说明
图1是本发明实施例1提供的传感器的结构示意图。
其中，1-介电层；11-离子物质；2-电极。
图2是本发明实施例1提供的醋酸纤维素多孔膜的扫描电镜图。
图3是本发明实施例1提供的负载离子液体后醋酸纤维素多孔膜的扫描电镜图。
图4为本发明实施例1所提供的传感器的扫描电镜图。
图5为本发明实施例1提供的传感器的灵敏度测试图。
图6为本发明对比例2提供的传感器的灵敏度测试图。
具体实施方式
下面通过具体实施方式来进一步说明本发明的技术方案。本领域技术人员应该明了，所述实施例仅仅是帮助理解本发明，不应视为对本发明的具体限制。
实施例1
一种一体式电容式传感器，如图1所示，由具有多孔结构的介电层，以及位于介电层两侧的电极层组成。
其中，介电层为醋酸纤维素多孔膜层，在孔壁上负载有离子液体；电极层为具有网状多孔结构的银膜层。
制备方法如下：
(1)选取厚度为100μm，孔径为5μm的醋酸纤维素多孔膜，将醋酸纤维素多孔膜浸入到含有离子液体的乙醇溶液中，然后自然晾干，得到介电层；其中，离子液体与醋酸纤维素多孔膜的质量比为1:5；
(2)通过喷枪喷涂的方法在介电层的上下表面分别涂覆一层金属银纳米线，喷涂的温度为40℃，喷涂厚度为3μm，得到一体式电容式传感器。
实施例2
一种一体式电容式传感器，由具有多孔结构的介电层，以及位于介电层两侧的电极层组成。
其中，介电层为A4纸层，在孔壁上负载有离子液体；电极层为具有网状多孔结构的银膜层。
制备方法如下：
(1)将A4纸浸入到含有离子液体的乙醇溶液中，然后自然晾干，得到介电层；其中，离子液体与A4纸的质量比为1:5；
(2)通过喷枪喷涂的方法在介电层的上下表面分别涂覆一层金属银纳米线，喷涂的温度为40℃，喷涂厚度为5μm，得到一体式电容式传感器。
实施例3
一种一体式电容式传感器，由具有多孔结构的介电层，以及位于介电层两侧的电极层组成。
其中，介电层为普通棉布层，在孔壁上负载有离子凝胶；电极层为具有网状多孔结构的银膜层。
制备方法如下：
(1)将棉布浸入到含有离子凝胶的乙醇溶液中，然后放置烘箱40℃烘干30min，得到介电层；其中，离子凝胶与棉布的质量比为1:4；
(2)通过喷枪喷涂的方法在介电层的上下表面分别涂覆一层金属银纳米线，喷涂的温度为40℃，喷涂厚度为5μm，得到一体式电容式传感器。
实施例4
一种一体式电容式传感器，由具有多孔结构的介电层，以及位于介电层两侧的电极层组成。
其中，介电层为醋酸纤维素多孔膜层，在孔壁上负载有聚乙烯吡咯烷酮和氯化钠；电极层为具有网状多孔结构的银膜层。
制备方法如下：
(1)选取厚度为100μm，孔径为5μm的醋酸纤维素多孔膜，将醋酸纤维素多孔膜浸入到含有聚乙烯吡咯烷酮和氯化钠的水溶液中，然后放置烘箱40℃烘干20min，得到介电层；其中，聚乙烯吡咯烷酮和氯化钠与醋酸纤维素多孔膜的质量比为1:5；
(2)通过喷枪喷涂的方法在介电层的上下表面分别涂覆一层金属银纳米线，喷涂的温度为40℃，喷涂厚度为5μm，得到一体式电容式传感器。
实施例5
一种一体式电容式传感器，由具有多孔结构的介电层，以及位于介电层两侧的电极层组成。
其中，介电层为聚苯乙烯泡沫层，在孔壁上负载有离子液体；电极层为具有网状多孔结构的铝膜层。
制备方法如下：
(1)选取厚度为200μm，孔径为20μm的商业泡沫，将泡沫浸入到含有离子液体的乙醇溶液中，然后自然晾干，得到介电层；其中，离子液体与泡沫的质量比为1:4；
(2)通过电子束蒸镀的方法在介电层的上下表面分别沉积一层金属铝膜，沉积厚度为5μm，得到一体式电容式传感器。
实施例6
一种一体式电容式传感器，由具有多孔结构的介电层，以及位于介电层两侧的电极层组成。
其中，介电层为涤纶布料层，在孔壁上负载有甘油和氯化钾；电极层为具有网状多孔结构的铜膜层。
制备方法如下：
(1)选取普通商用涤纶布料，将涤纶布浸入到含有甘油和氯化钾的水溶液中，然后放置烘箱40℃烘干40min，得到介电层；其中，甘油和氯化钾与涤纶布料的质量比为1:5；
(2)通过磁控溅射的方法在介电层的上下表面分别沉积一层金属铜膜，沉积厚度为10μm，得到一体式电容式传感器。
实施例7
一种一体式电容式传感器，由具有多孔结构的介电层，以及位于介电层两侧的电极层组成。
其中，介电层为聚乳酸多孔膜层，在孔壁上负载有离子凝胶；电极层为具有网状多孔结构的银膜层。
制备方法如下：
(1)选取厚度为100μm，孔径为10μm的聚乳酸多孔膜，将聚乳酸多孔膜浸入到含有离子凝胶的乙醇溶液中，然后自然晾干，得到介电层；其中，离子凝胶与聚乳酸多孔膜的质量比为1:4；
(2)通过喷枪喷涂的方法在介电层的上下表面分别涂覆一层金属银纳米线，喷涂的温度为40℃，喷涂厚度为2μm，得到一体式电容式传感器。
实施例8
一种一体式电容式传感器，由具有多孔结构的介电层，以及位于介电层两侧的电极层组成。
其中，介电层为尼龙布料层，在孔壁上负载有聚乙烯吡咯烷酮和氯化钠；电极层为具有网状多孔结构的铜膜层。
制备方法如下：
(1)选取普通商用尼龙布料，将尼龙布料浸入到含有聚乙烯吡咯烷酮和氯化钠的水溶液中，然后烘箱40℃烘干60min，得到介电层；其中，聚乙烯吡咯烷酮和氯化钠与尼龙布料的质量比为1:3；
(2)通过磁控溅射的方法在介电层的上下表面分别沉积一层金属铜膜，沉积厚度为10μm，得到一体式电容式传感器。
实施例9
一种一体式电容式传感器，由具有多孔结构的介电层，以及位于介电层两侧的电极层组成。
其中，介电层为聚乳酸多孔膜层，在孔壁上负载有离子凝胶；电极层为具有网状多孔结构的银膜层。
制备方法如下：
(1)选取厚度为10mm，孔径为500μm的聚乳酸多孔膜，将聚乳酸多孔膜浸入到含有离子凝胶的乙醇溶液中，然后自然晾干，得到介电层；其中，离子凝胶与聚乳酸多孔膜的质量比为1:3；
(2)通过喷枪喷涂的方法在介电层的上下表面分别涂覆一层金属银纳米线，喷涂的温度为40℃，喷涂厚度为2μm，得到一体式电容式传感器。
实施例10
与实施例1的区别仅在于，在本实施例中，将醋酸纤维素多孔膜替换为聚苯乙烯多孔膜。
实施例11
与实施例1的区别仅在于，在本实施例中，将具有网状多孔结构的银膜替换为铜膜。
对比例1
与实施例1的区别仅在于，在本对比例中，将醋酸纤维素多孔膜替换为致密的醋酸纤维素膜。
对比例2
与实施例1的区别仅在于，在本对比例中，不含有离子液体。
对比例3
与实施例1的区别仅在于，在本对比例中，将具有网状多孔结构的银膜替换为致密金属银膜。
性能测试
对实施例1-11和对比例1-3提供的一体式电容式传感器进行性能测试，方法如下：
(1)形貌表征：利用扫描电子显微镜进行形貌分析；
其中，图2为实施例1提供的醋酸纤维素多孔膜的扫描电镜图；图3为实施例1提供的负载离子液体后醋酸纤维素多孔膜的扫描电镜图；图4为实施例1提供的传感器的扫描电镜图。从图中可以看出，在负载离子液体后，醋酸纤维素多孔膜的孔洞没有太大变化，基本上没有被堵住；进一步的，最后得到的传感器同样为多孔状结构，具有有益的透气性。
对于其他实施例的性能表征结果同实施例1。
(2)灵敏度测试：使用计算机控制的拉力机对样品的传感性能进行动态测试，并在电容测试仪中测试电容的变化，测试频率为1×105Hz，然后计算样品的灵敏度及响应时间；
图5为实施例1提供的传感器的灵敏度测试图，图6为对比例2提供的传感器的灵敏度测试图。从图中可以看出，本发明提供的传感器的灵敏度低压区(0-0.5KPa)达到4.46KPa-1(S1)，高压区(10-120KPa)为0.0143KPa-1(S3)；而没有负载离子液体的传感器在低压区的灵敏度为1.37KPa-1(S1)，高压区的灵敏度为0.00121KPa-1(S3)；由此可知，负载离子液体后，其灵敏度大幅上升。
对于其他实施例的表征结果见表1。
(3)透气性测试：将样品覆盖在开口的玻璃瓶(玻璃瓶内装有干燥剂)，计算单位面积单位时间内干燥剂质量的增加量来评定其透气性。
对实施例和对比例的测试结果见表1：
表1
由实施例和性能测试可知，本发明制备得到的一体式电容式传感器在低压和高压区均有很高的灵敏度，并且具有较优异的透气性；由实施例1和对比例1-2的对比可知本发明选用具有多孔结构的介电膜层且在孔壁上负载离子物质不仅可以提高传感器的灵敏度，又可以是传感器具有良好的透气性，二者缺一不可；由实施例1和对比例3的对比可知，本发明选用具有网状多孔结构的电极膜可以增加传感器的透气性。
申请人声明，本发明通过上述实施例来说明本发明的一体式电容式传感器及其制备方法和应用，但本发明并不局限于上述工艺步骤，即不意味着本发明必须依赖上述工艺步骤才能实施。所属技术领域的技术人员应该明了，对本发明的任何改进，对本发明所选用原料的等效替换及辅助成分的添加、具体方式的选择等，均落在本发明的保护范围和公开范围之内。
Claims (10)
1.一种一体式电容式传感器，其特征性在于，所述传感器包括具有多孔结构的介电层，以及位于介电层两侧的电极层；
其中，所述介电层的孔壁上负载离子物质。
2.根据权利要求1所述的一体式电容式传感器，其特征在于，所述电极层具有网状多孔结构；
优选地，所述电极层的厚度为1-10μm，进一步优选5-10μm，更进一步优选2μm；
优选地，所述电极层的孔径为0.1-100μm；
优选地，所述电极层的制备原料包括金、银、铜、铝或不锈钢中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选银。
3.根据权利要求1或2所述的一体式电容式传感器，其特征在于，所述离子物质包括离子液体、离子凝胶、氯化钠、氯化钾、磷酸盐、碳酸钠或碳酸氢钠中的任意一种或至少两种的组合，优选离子液体。
4.根据权利要求1-3中的任一项所述的一体式电容式传感器，其特征在于，所述介电层的制备原料包括纸、聚苯乙烯泡沫、棉布、硝化纤维素、纤维素、聚酰亚胺、聚酯、聚酰胺、聚苯乙烯或醋酸纤维素中的任意一种或至少两种的组合。
5.根据权利要求1-4中的任一项所述的一体式电容式传感器，其特征在于，所述介电层的厚度为0.1-10mm；
优选地，所述介电层的孔径为0.1-500μm。
6.根据权利要求1-5中的任一项所述的一体式电容式传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括：在介电层两侧沉积电极层，得到所述一体式电容式传感器。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述介电层的制备方法包括：将多孔状介电膜浸入含有离子物质的溶液中，然后干燥，得到所述介电层。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于，所述离子物质和所述多孔状介电膜的质量比为1:(1-5)，进一步优选1:5；
优选地，所述干燥包括真空干燥、加热干燥、鼓风干燥或自然干燥中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选自然干燥；
优选地，所述干燥的时间为1-60min，进一步优选20-40min，更进一步优选30min。
9.根据权利要求6-8中的任一项所述的制备方法，其特征在于，所述沉积的方法包括玻璃棒刮膜、热蒸镀、磁控溅射、喷枪喷涂、旋转涂覆或滴定中的任意一种或至少两种的组合，优选喷枪喷涂；
优选地，所述沉积的温度为25-100℃，进一步优选25-80℃，更进一步优选40℃。
10.根据权利要求1-5中的任一项所述的一体式电容式传感器在功能器件或功能衣物中的应用。
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