CN109724720B - 一种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。本发明从上到下依次包括上中空柔性基体层、柔性毫米结构层、介电层、下中空柔性基体层。上中空柔性基体层和下中空柔性基体层内部均有空腔，通过注入液态金属从而在空腔内部形成液态金属电极；上中空柔性基体层的空腔下底面为柔性微纳结构，下中空柔性基体层的空腔上底面为柔性微纳结构；柔性毫米结构层为两个PDMS薄膜，两个PDMS膜位于上中空柔性基体层下表面的两侧；介电层位于上中空柔性基体层和下中空柔性基体层之间。本发明引入液态金属作为电极，较大提高了灵敏度、稳定性，且器件的柔韧性更好，在拉伸的情况下仍能精确测出压力大小。
Description
技术领域
本发明属于传感技术领域，具体涉及一种电容式柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
对人类而言，海洋与人类生活息息相关，紧密相连。其给我们的生活带来的价值更是无法估量的，由此可见海洋对我们人类的生活有着极其重要的作用。一般来说，海洋状况的检测参数包括盐度、压力、流速等。
海洋水压对于水下机械、潜艇、探测物等的探测深度直接造成影响，水压的实时测量能够控制水下机械的下潜深度，对于保证机械安全运行有重要的意义。如今携带有各类传感和检测仪器的新型水下航行器、机器人在我国的海洋开发甚至国防事业中将起巨大作用。新型水下机器人及其所负载的传感检测系统正朝着微小型化、柔性异形化和仿生化方向发展。
鉴于上述原因，需要设计一种可贴附于各种不规则潜航器表面的柔性，高灵敏度的压力传感器。为保证器件的柔性，研究者通常采用静电纺丝所得的材料制作柔性电极，具有较好的柔性，较好的化学稳定性以及高导电性等优异的特性，但是在较大拉伸或弯曲的情况下，其性质并不稳定；部分研究者基于印刷透明电极设计的可拉伸压力传感器既具有可拉伸、透明化特点，又具有较高的灵敏度与稳定性，但其灵敏度和稳定性有待进一步提高。
因此，现有技术中缺少了一种适用于水下工作能抵挡水流冲击，并且具有较好的拉伸弯曲性能、灵敏度比较高的压力传感器。
发明内容
为了解决背景技术中的问题，本发明提供了一种电容式柔性压力传感器及其制备方法，引入液态金属阵列作为电极，具有高灵敏度、高稳定性、高延展与弯曲性能等优点，在拉伸的情况下仍能精确测出压力大小。
本发明采用的技术方案如下：
一、一种电容式柔性压力传感器
从上到下依次包括上中空柔性基体层、柔性毫米结构层、介电层和下中空柔性基体层；上中空柔性基体层内部有上中空柔性基体层空腔，下中空柔性基体层内部有下中空柔性基体层空腔，上中空柔性基体层空腔与下中空柔性基体层空腔中均通过注入液态金属从而在空腔内部形成金属电极；上中空柔性基体层空腔的下底面为平均高度10～15um的柔性微纳结构，下中空柔性基体层空腔上底面为平均高度10～15um的柔性微纳结构；上中空柔性基体层和下中空柔性基体层之间设有介电层；柔性毫米结构层为柔性材料制成的膜，两个柔性膜分别位于上中空柔性基体层下表面的两端。
所述液态金属为在常温下为液态的合金，优选为镓铟合金。
所述上中空柔性基体层和下中空柔性基体层空腔中的金属电极均通过电线引出或者通过连通其他外部液态腔引出作为压力传感器电信号输出的两极。
所述柔性微纳结构为表面有凸起的微结构且凸起高度不均匀，柔性微纳结构凸起的整体平均宽度为10～50um，平均高度为10-15um。
所述介电层的厚度为150um～300um，介电层上表面有凸起结构，凸起结构的高度为1um～60um。
所述的两个柔性膜之间的距离为15mm～20mm，柔性膜的厚度为1mm～2mm。
二、一种电容式柔性压力传感器的制备方法
包括以下步骤：(以PDMS作为柔性材料为例)
步骤1：将PDMS的前驱体和固化剂按照10：1的比例混合均匀，滴涂在有凸起结构的模板表面，经印模、固化后取下模板表面的膜，所得膜即为具有微纳结构的柔性基底；
步骤2：在干净平整的硅片层上悬涂光刻胶Su8，通过掩膜版依次经前烘、曝光、后烘、显影后得到表面有长方体形凸起的光刻胶层；在光刻胶层上表面悬涂液态PDMS，之后在90℃烘干10min即得带凹槽的柔性基底；
步骤3：在干净平整的硅片层上悬涂光刻胶Su8，通过与步骤2相反的掩膜版依次经前烘、后烘、曝光、显影，显影后得到长方体形凹陷的光刻胶层；(步骤3与步骤2中的掩膜版相比曝光部分与非曝光部分对调)
步骤4：在步骤3所得的光刻胶层上表面悬涂液态PDMS，悬涂转速为4000r/min，悬涂时间为30s，在PDMS未干时将步骤1所得的具有微纳结构的柔性基底带有微纳结构的一面朝下贴在步骤3所得的光刻胶层带有长方体形凹陷的一面上，使得具有微纳结构的柔性基底两侧粘接上未干的PDMS，微纳结构的部位不粘接未干的PDMS，然后将具有微纳结构的柔性基底揭下后将其与步骤2所得的带凹槽的柔性基底相贴合，在25℃固化两天后即得上中空柔性基体层；
步骤5：用微量注射器向步骤4得到的上中空柔性基体层的空腔中注入液态金属，然后用磁力搅拌器搅拌液态金属或借助磁场使得液态金属完全浸润微纳结构；
步骤6：利用模具在上中空柔性基体层的下表面两侧分别浇筑一个2mm高的PDMS膜，两PDMS膜之间间隔15mm，两PDMS膜作为柔性毫米结构层；
步骤7：重复步骤1～5，制得与上中空柔性基体层结构相同的下中空柔性基体层；
步骤8：重复步骤1，将制备得到的具有微纳结构的柔性基底作为柔性压力传感器的介电层；
步骤9：将上述步骤所制得的上中空柔性基体层、介电层、下中空柔性基体层按序上下对齐层叠好后用PDMS进行封装。
所述步骤1中有凸起结构的模板为1～30cm2的植物叶片或沙粒尺寸为1～15um的砂纸。
所述步骤1中具有微纳结构的柔性基底的上表面均为微纳结构，优选为上表面中间位置具有微纳结构。
所述步骤2中悬涂光刻胶Su8的悬涂工艺条件为前转转速500r/min，持续时间为10s，后转转速为3000r/min，持续时间为30s；前烘的工艺为先在65℃温度条件下烘焙5min，之后在95℃温度条件下烘焙15min，最后曝光50s；后烘的工艺为先在65℃温度条件下烘焙5min，之后在95℃温度条件下烘焙20min；悬涂液态PDMS的悬涂工艺条件为前转转速为500r/min，持续时间为30s，后转转速为4000r/min，持续时间为60s。
所述步骤9中上中空柔性基体层与下中空柔性基体层空腔中带有微纳结构的一面均朝向介电层。
所述上、下中空柔性基体层在具体实施时可朝两侧延伸。
本发明的有益效果是：
(1)本发明采用液态金属作为电极，由于液态金属可流动的特性，器件的延展性和可弯曲性有了很大的提升，连续弯折数次后依旧能保持稳定的检测性能，且导电性能也能维持在较高的水平。
(2)本发明在中空腔的上表面或者下表面设计的微纳结构与液态金属完全浸润，在受到压力形变时，由于微纳结构的存在，会增加两金属电极之间距离的变化，从而使得传感器更加灵敏。
(3)本发明增加了两个毫米级的PDMS膜、一个具有微纳结构的介电层，增大了器件中部的形变，从而提高了器件的灵敏度。
附图说明
图1.本发明的分层截面结构示意图。
图2.具有微纳结构的柔性基底结构图。
图3.带凹槽的柔性材料层、Su8层和硅片层三层结构图。
图4.微纳结构的柔性基底与未干的柔性材料层结合过程图。
图5.上中空柔性基体层结构图。
图6.带有柔性毫米结构层的上中空柔性基体层结构图。
图7.有应力作用在传感器上时本发明的截面图。
图中：1.上中空柔性基体层，2.上中空柔性基体层空腔，3.柔性微纳结构，4.柔性毫米结构层，5.介电层，6.下中空柔性基体层空腔，7.下中空柔性基体层，8.具有微纳结构的柔性基底，9.带凹槽的柔性基底，10.光刻胶层，11.硅片层，未干的PDMS层12，长方体形凹陷的光刻胶层13，另一硅片层14。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步说明(以PDMS为柔性材料为例)。
如图1所示为本发明柔性压力传感器的截面结构示意图。从上到下依次包括上中空柔性基体层1、柔性毫米结构层4、介电层5和下中空柔性基体层7；上中空柔性基体层1内部有上中空柔性基体层空腔2，下中空柔性基体层7内部有下中空柔性基体层空腔6，上中空柔性基体层空腔2与下中空柔性基体层空腔6中均通过注入液态金属从而在空腔内部形成金属电极，上中空柔性基体层空腔2下底面为柔性微纳结构3，下中空柔性基体层空腔6上底面为柔性微纳结构3；上中空柔性基体层1下表面和下中空柔性基体层7之间设有介电层5，柔性毫米结构层4由两个PDMS膜组成，两个PDMS膜分别位于上中空柔性基体层1下表面和介电层5上表面之间的两侧。
柔性微纳结构3为表面有凸起的微结构且凸起高度不均匀，柔性微纳结构3凸起的整体平均宽度为50-100um，平均高度为10-15um；介电层5的厚度为150um到300um，介电层5上表面有凸起结构，凸起结构的高度为1um到60um；柔性毫米结构层4中的两个PDMS膜之间的距离为15mm到20mm，PDMS膜的厚度为1mm到2mm；主要用于增大压力所带来的形变，使得传感器更加灵敏。
当传感器受到外界压力的作用时，整个传感器发生如图7所示的形变，由于液态金属的可流动性，使得液态金属电极可与柔性基体一起进行形变，从而增大了两电极之间的相对面积；另外电极上的微纳结构使得传感器的形变更大。
下面结合下述电容公式对本发明的作用原理进行阐述：
S代表电容两极板的相对面积，d代表两极板之间的距离；当有外界压力作用时，S增大，d减小同时发生，从而使得电容变化更大，传感器更加灵敏。
本发明的制备方法包括如下步骤：
步骤1：将PDMS(聚二甲基硅氧烷)的前驱体和固化剂按照10：1的比例混合均匀，滴涂在清洗、吹干后的新鲜绿萝叶片表面；
步骤2：待PDMS在叶片表面基本平整后，置于70℃烘箱中固化3h，固化完成，取下PDMS薄膜，得到如图2所示的具有微纳结构的柔性基底8，其中，柔性基底的厚度为250μm；
步骤3：在干净平整的硅片层11上悬涂光刻胶Su8，前转转速为500r/min，持续10s；后转转速为3000r/min，持续30s；之后进行前烘，65℃下烘焙5min，95℃下烘焙15min，曝光50s；之后进行后烘，65℃下烘焙5min，95℃下烘焙20min；最后使用掩膜版进行显影后得到表面有高度约为75um长方体形凸起的光刻胶层10；
步骤4：在光刻胶层10上进行液态PDMS的悬涂，将液态PDMS滴在光刻胶Su8层10上表面，悬涂前转转速为500r/min，持续30s，悬涂后转转速为4000r/min，持续60s；悬涂之后在90℃的情况下烘干10min，最后得到如图3所示的带凹槽的柔性基底9；
步骤5：在干净平整的另一硅片层14上悬涂光刻胶Su8，通过与步骤3相反的掩膜版依次经前烘、后烘、曝光、显影，显影后得到表面有深度约为75um长方体形凹陷的光刻胶层13；(步骤3与步骤5中的掩膜版相比曝光部分与非曝光部分对调)
步骤6：在步骤5所得的光刻胶层13上表面悬涂液态PDMS，悬涂转速为4000r/min，悬涂时间为30s，在PDMS未干时将步骤1所得的具有微纳结构的柔性基底8带有微纳结构的一面朝下贴在步骤5所得的光刻胶层13带有长方体形凹陷的一面上，使得具有微纳结构的柔性基底8两侧贴上未干的PDMS层12上，微纳结构的部位不贴上未干的PDMS，两侧带有未干的PDMS，如图4所示，然后将具有微纳结构的柔性基底8揭下后将其与步骤4所得的带凹槽的柔性基底9相贴合，在25℃固化两天后即得上中空柔性基体层1；
步骤5：将步骤2中具有微纳结构的柔性基底8与步骤4中带凹槽的柔性基底9用PDMS黏连起来。在干净的玻璃片上进行液态PDMS的悬涂，转速为4000r/min，持续30s；在PDMS未干的时候将具有微纳结构的柔性基底8贴在玻璃片上，揭下后将其与带凹槽的柔性基底9贴合在一起，在室温下固化两天，得到如图5所示的上中空柔性基体层1，其中，9为带凹槽的柔性基底，8为具有微纳结构的柔性基底；
步骤6：用微量注射器向图5的空腔中注入液态金属，然后用磁力搅拌器搅拌液态金属或借助磁场使得液态金属完全浸润微纳结构，之后在空腔中插入软排线；
步骤7：利用模具在步骤6所得基底的下表面两侧分别浇筑一个2mm高的PDMS膜，两PDMS膜之间间隔15mm，得到如图6所示的带有柔性毫米结构层4的上中空柔性基体层1，然后沿图6中所示虚线进行切割，至此上中空柔性基体层1制作完毕；
步骤8：重复步骤1到步骤6，制得与上中空柔性基体层1结构相似的下中空柔性基体层6；
步骤9：重复步骤2，将制备得到的具有微纳结构的柔性基底作为柔性压力传感器的介电层5；
步骤10：将以上所制得的上中空柔性基体层1、介电层5，下中空柔性基体层6按照“三明治”结构对齐叠好后，最后并用PDMS进行封装。
以上给出的实施例是实现本发明较优的例子，本发明不限于上述实施例。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明实施例相关的部分而非全部。
Claims (10)
1.一种电容式柔性压力传感器，其特征在于：从上到下依次包括上中空柔性基体层(1)、柔性毫米结构层(4)、介电层(5)和下中空柔性基体层(7)；上中空柔性基体层(1)内部有上中空柔性基体层空腔(2)，下中空柔性基体层(7)内部有下中空柔性基体层空腔(6)，上中空柔性基体层空腔(2)与下中空柔性基体层空腔(6)中均通过注入液态金属从而在空腔内部形成液态金属电极；上中空柔性基体层空腔(2)的下底面与下中空柔性基体层空腔(6)上底面均为柔性微纳结构(3)；上中空柔性基体层(1)下表面和下中空柔性基体层(7)上表面之间设有介电层(5)；柔性毫米结构层(4)由两个柔性膜组合，两个柔性膜分别位于上中空柔性基体层(1)下表面和介电层(5)上表面之间的两侧。
2.根据权利要求1所述的电容式柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性压力传感器均采用柔性材料PDMS制成。
3.根据权利要求1所述的电容式柔性压力传感器，其特征在于：所述液态金属为在常温下为液态的镓铟合金。
4.根据权利要求1所述的电容式柔性压力传感器，其特征在于：所述的上中空柔性基体层(1)和下中空柔性基体层(7)空腔中的液态金属电极均通过电线引出作为压力传感器电信号输出的两极。
5.根据权利要求1所述的电容式柔性压力传感器，其特征在于：所述柔性微纳结构(3)为表面有凸起的微结构且凸起高度不均匀，柔性微纳结构(3)中每个凸起的平均宽度为10～50um，平均高度为10～15um；所述介电层(5)的厚度为150um～300um，介电层(5)上表面有凸起结构，凸起结构的高度为1um～60um。
6.根据权利要求1所述的电容式柔性压力传感器，其特征在于，所述的两个柔性膜之间的距离为15mm～20mm，柔性膜的厚度为1mm～2mm。
7.应用于权利要求1-6任一所述的电容式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将PDMS的前驱体和固化剂按照10：1的比例混合均匀，滴涂在有凸起结构的模板表面，经印模、固化后取下模板表面的膜，所得膜即为具有微纳结构的柔性基底(8)；
步骤2：在干净平整的硅片层(11)上悬涂光刻胶Su8，通过掩膜版依次经前烘、曝光、后烘、显影后得到表面有长方体形凸起的光刻胶层(10)；在光刻胶层(10)上表面悬涂液态PDMS，之后在90℃烘干10min即得带凹槽的柔性基底(9)；
步骤3：在干净平整的硅片层(11)上悬涂光刻胶Su8，通过与步骤2相反的掩膜版依次经前烘、后烘、曝光、显影，显影后得到长方体形凹陷的光刻胶层(10)；
步骤4：在步骤3所得的光刻胶层(10)上表面悬涂液态PDMS，悬涂转速为4000r/min，悬涂时间为30s，在PDMS未干时将步骤1所得的具有微纳结构的柔性基底(8)带有微纳结构的一面朝下贴在步骤3所得的光刻胶层(10)上，使得具有微纳结构的柔性基底(8)两侧带有未干的PDMS，然后将具有微纳结构的柔性基底(8)揭下后将其与步骤2所得的带凹槽的柔性基底(9)相贴合，在25℃固化两天后即得上中空柔性基体层(1)；
步骤5：用微量注射器向步骤4得到的上中空柔性基体层(1)的空腔中注入液态金属，然后用磁力搅拌器搅拌液态金属或借助磁场使得液态金属完全浸润微纳结构；
步骤6：利用模具在上中空柔性基体层(1)的下表面两侧分别浇筑一个2mm高的PDMS膜，两PDMS膜之间间隔15mm，两PDMS膜作为柔性毫米结构层(4)；
步骤7：重复步骤1～5，制得与上中空柔性基体层(1)结构相同的下中空柔性基体层(7)；
步骤8：重复步骤1，将制备得到的具有微纳结构的柔性基底(8)作为柔性压力传感器的介电层(5)；
步骤9：将上述步骤所制得的上中空柔性基体层(1)、介电层(5)、下中空柔性基体层(7)按序上下对齐层叠好后用PDMS进行封装。
8.根据权利要求7所述的电容式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤1中有凸起结构的模板为1～30cm2的植物叶片或沙粒尺寸为1～15um的砂纸。
9.根据权利要求7所述的电容式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤2中悬涂光刻胶Su8的悬涂工艺条件为前转转速500r/min，持续时间为10s，后转转速为3000r/min，持续时间为30s；前烘的工艺为先在65℃温度条件下烘焙5min，之后在95℃温度条件下烘焙15min，最后曝光50s；后烘的工艺为先在65℃温度条件下烘焙5min，之后在95℃温度条件下烘焙20min；悬涂液态PDMS的悬涂工艺条件为前转转速为500r/min，持续时间为30s，后转转速为4000r/min，持续时间为60s。
10.根据权利要求7所述的电容式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤9中上中空柔性基体层(1)与下中空柔性基体层(7)空腔中带有微纳结构的一面均朝向介电层(5)。
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