CN109883582A - 一种基于导电橡胶的柔性电容传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于导电橡胶的柔性电容传感器。该传感器以柔性导电橡胶为导电极板，以柔性纯橡胶为介电层，利用喷涂工艺制备电容传感器各层，辅助以表面微结构。制备的柔性电容传感器对外界载荷产生显著的信号响应，可用于拉伸、压缩及运动测试。其中介电层的纯橡胶由80～90wt％液态橡胶和10～20wt％固化剂混炼制成；导电橡胶由40wt％～60wt％液态橡胶、10～15wt％固化剂、20wt％～30wt％导电填料、以及10～20wt％稀释剂混炼制成，通过分层喷涂和分步或整体固化后，获得具有良好力学信号响应的柔性电容传感器。该电容器导电极板层为导电橡胶，介电层均为纯液态橡胶，是真正意义上的完全柔性传感器。

Description

一种基于导电橡胶的柔性电容传感器

技术领域

本发明涉及一种基于导电橡胶的柔性电容传感器，其制备的柔性电容器可作为电子元件和传感器器件，属于电子设备领域。

背景技术

柔性电子设备在目前的发展中有着广泛的前景，如柔性智能手机，电子皮肤，可穿戴健康检测器等领域。目前，柔性电子器件多用作传感器领域。将传感器接入相匹配的电路和信号处理器中，在外加载荷和特定环境下，柔性传感器电学性能发生改变，从而达到信号反馈的效果。柔性传感器在可穿戴电子材料和未来人机交互领域有着巨大的发展潜力，主要以电容、电阻传感器为主。柔性电容传感器常用纯橡胶作为介电层。为了进一步提高介电常数，提升电容敏感度，还可以用混有填料的复合橡胶或在橡胶层上做微结构处理。而电极层则分为两种，第一种为传统金属电极，通常选用铜电极和金箔。第二种为复合型电极，许多研究中将导电材料制备成导电网络或者导电薄膜，再贴附具有高弹性的有机橡胶类材料，为电极层提供了支撑。选用的导电材料主要有纳米金属线、碳系填料(碳纳米管、石墨烯、碳纤维)、镍包颗粒系列(镍包石墨和镍包碳纤维等)、以及一些无机导电颗粒。在制备工艺方面。根据设计的电容结构复杂程度不同，常用的制备方法有旋涂、铸模、喷涂、3D打印和光刻工艺等，利用这些工艺将混合的液态复合胶制备成目标结构和形状，从而得到的柔性导电结构。

专利CN206116459U(申请日期2016年8月9日，公开日期2017年4 月19日)公开了一种三明治式结构的柔性电容式压力传感器，该结构由柔性基底层、下金属电极层、柔性介电层、上金属电极层从下至上依次排列；电容片与多个电容电极之间通过弯曲线相连接；所述柔性基底层、柔性介电层均采用聚二甲基硅氧烷或聚酰亚胺或聚对苯二甲酸乙二醇酯或柔性玻璃或金属箔或试纸，电极层采用光刻、溅射沉积的方法，构造带有纹路花样的铜电极。该传感器总厚度为2.2-11μm左右。该专利存在的局限性：1)光刻工艺制备的电极纹路，工艺复杂，光刻胶的清洗导致排放大，成本高。2)金属电极为非柔性材料，虽然衬附在柔性橡胶上，但其整体结构却为非完全的柔性材料。3)专利陈述中缺少传感器性能的测试数据，难以评价其性能优劣。

专利CN105067682A(申请日期2015年8月19日，公开日期2015年11 月18日)公开了一种柔性电容式湿度传感器，该湿度传感器包括LCP柔性衬底、第一金属电极板、氧化石墨烯薄膜层和第二金属电极板，其中，第一金属电极板和第二金属电极板分别固定连接在柔性衬底的顶面；氧化石墨烯薄膜层填充在第一金属电极板和第二金属电极板之间的空隙中，且覆盖在第一金属电极板的顶面和第二金属电极板的顶面，其中金属薄膜的电极层利用光刻工艺制备。该湿度传感器具有灵敏度高，响应速度快，湿滞回差小，结构简单，长期稳定性好等优点，且能够广泛使用于生物医学、可穿戴设备等领域。该专利存在的局限性：1)利用光刻工艺制备金属电极，工艺繁琐，有污染；2)金属电极为非柔性材料，虽然贴附在LCP柔性基板上，但整体结构仍为非完全柔性材料，且金属薄膜与LCP基板的亲和性一般，可穿戴性差；3) 所用介电层中含有的氧化石墨烯，产量低，价格高。

专利CN105286814A(申请日期2015年10月16日，公开日期2016年2 月3日)公开了一种柔性电容式脉搏传感器阵列，特征包括：(1)弹性绝缘膜组成的电容绝缘层，(2)粘贴在弹性绝缘膜一边的导电薄膜组成的电容第一电极，(3)粘贴在弹性绝缘膜另一边的导电薄膜组成的电容第二电极，(4)第二电极的导电薄膜具有三角形(或矩形)插指式的阵列结构，(5)第二电极上的每一个三角形与第一电极组成一个电容，整体形成一个传感电容阵列。电极层材料采用光刻的工艺制备而得，该专利发明提供一种柔性的电容式脉搏传感器，具有柔韧度好，灵敏度高，稳定性强，抗干扰能力强等特点。该专利存在的局限性：1)采用将导电金属膜黏贴在弹性绝缘膜作为电极层，为非全柔性材料，专利中并没有报道具体使用的材料；2)插指式阵列结构通过光刻法制备而得，该工艺步骤复杂，除胶处理会有排放；3)专利中缺少性传感器对脉搏测试的性能指标。

专利CN106813811A(申请日期2017年1月20日，公开日期2017年6 月9日)公开了一种高灵敏度的电容型柔性压力传感器，具有多层次微结构材料，附着于多层次微结构材料表面上为电容器上电极、介电材料和介电材料下表面的电容器下电极；多层次微结构材料和电介电材料平面平行叠合；所述多层次微结构材料，多层次微结构材料为如下结构：纵截面的形状为面分布且排列的若干金字塔形或边缘平滑的类金字塔形、半球形、椭球形、圆锥形、V字形形状；多层次微结构材料采用聚合物弹性材料。所述传感器的 PDMS介电层采用光刻工艺获得表面微结构，电极层采用蒸镀的方式，在 PDMS介电层表面获得一层Ti和Au的薄膜，传感器总厚度为0.5mm，在80kPa 时电容增量为300-700％，但该专利还存在以下的局限：1)利用光刻、蒸镀等工艺构造微结构和电极薄膜，制备步骤复杂，成本高；2)电极层为传统金属薄膜，非完全柔性；3)Au，Ti薄膜成本高。

专利CN106813811A(申请日期2017年1月20日，公开日期2017年6 月9日)公开了一种柔性、电容式触觉传感器以及制造众多这种触觉传感器的方法。该电容式触觉传感器包含薄的、柔性、透明、绝缘的衬底。薄的、柔性、透明的电阻材料膜层被加到衬底的一面上，薄的、柔性、透明、压力敏感的粘附材料膜层被加到衬底的另一面上。可卸除薄片可以覆盖在该粘附层上。众多薄的、柔性的电极，电导线和导电区域被加到电阻层上。柔性且透明的薄膜层保护触觉传感器的灵敏接触区域。该传感器为线状传感器，直径小于1mm，采用Ag纤维作为传感器的电极层材料，介电层为树脂胶和织物的混合体，在服役中，以站立状态作为初始值，为6.1pF，在走路，上楼，蹲起的过程中，电容值增幅分别为5％，8％和15％。该专利存在以下局限：1) 传感器初始值较小，且灵敏度低，对运动响应幅度不大；2)电极材料选用Ag线，成本较高，且并非完全柔性；3)传感器本身以织物作为支撑材料，不具备很好的延展性。

郭小辉等人在(郭小辉,黄英,腾珂等.全柔性电容式触觉传感阵列设计与实验.电子测量与仪器学报,2015,9(29):1278-1285)中以炭黑填充硅橡胶作为电容式触觉传感器的弹性介电层，聚酰亚胺为柔性基体，有机硅导电银胶和金属膜为上、下两柔性极板，共同构成压力敏感单元，并排列成可拼接式阵列结构。传感器顶端具有凸起触点结构，总厚度为3mm左右，整个传感器为圆柱形按键结构，通过连接集成信号电路，可实现按键响应功能，该传感器在600kPa的压力下，电容值增量为160％。文章中设计的传感器具有以下局限：1)电极层采用传统金属薄膜，为非完全柔性材料，不能承受拉伸载荷； 2)样品总体厚度较大(达到3mm)，不易作为可穿戴设备使用；3)在服役方面局限于压力传感，未报道在其他载荷情况下的响应情况。

孙英等人在(孙英，尹泽楠，许玉杰等.电容式柔性触觉传感器的研究与进展.微纳电子技术,2017,10(54):684-693)中概括综述了近些年来柔性电容式传感器的发展，大部分研究与发明主要基于平板电容的变极距改变电容值的原理，设计并构造各种柔性电容型传感器，其中电极层主要以金属薄膜、导电纳米线和导电纤维构造的导电材料，介电层则以柔性橡胶为主，如PDMS 等，也可在PDMS中填入其他物质构成复合材料从而增大介电常数，提高电容传感器的灵敏度。还有研究，对电容内部各层构造精细的微结构从而提升信号的响应。研究的柔性电容传感器厚度在0.4-1mm不等，灵敏度为 1.9-3.5pF/N。综述中涉及的电容型传感器具有以下局限：1)大多传感器主要检测压力信号，很少报道其他载荷下的响应情况；2)以光刻、沉积等方式构造电极层纹路或内部微结构，工艺繁琐，清洗废液难处理；3)纳米材料制作电极，预处理复杂，成本高。

Kilsoo Lee等人在(Kilsoo Lee,Jaeho镍包石墨粉Lee,Gwa镍包石墨粉 mook Kimet al.Rough-Surface-Enabled Capacitive Pressure Sensors with 3D TouchCapability.Small,2017,13,1700268)中在纸片上用铅笔画出石墨电极，再在纸面旋涂6μm的PDMS，制备好的两个纸片对向想贴，得到石墨纸片电容，厚度为0.3mm。该电容在10kPa的压力下，电容增量可达220％，后接入 RC信号电路中，设计成为键盘，该电容以纸片存在以下局限：1)纸片作为支撑材料，具有一定的柔软和弯曲性，但无法拉伸，综合力学性能不好，易受环境影响产生损坏；2)电极层材料为铅笔芯中的石墨涂抹成的石墨粉，自身不具有结构强度；3)采用分布拼合的方式构造电容，欠缺一定的整体性。

Hairong Kou等人在(Hairong Kou,Lei Zhang,Qiulin Tan et al.Wirelessflexible pressure sensor based on micro-patterned Graphene/PDMS composite.Sensors and Actuators A:Physical,2018,277:150-155)中利用光刻工艺构造带有的纹路铜电极，选用石墨烯和PDMS复合材料作为介电层，将石墨烯与PDMS 复合的液态橡胶旋涂在毛玻璃上构造表面微结构，固化脱模后，与带有纹路的铜电极按照夹层式结构组装，最后用PDMS在外侧进行封装，最后得到电容传感器，总厚度在0.4mm左右，该传感器在100kPa的压力下电容增量达到 300％左右，初始电容值较小为2.4pF，该传感器还存在以下局限：1)所使用的电极材料为传统铜薄电极，并非全柔性材料；2)使用PDMS添加石墨烯的复合材料作为介电层，结构复杂，成本较高，且对性能提升不大；3)初始电容值较小，在实际服役中，信噪比低，信号噪声难处理。

Darren J.Lipomi等人在(Darren J.Lipomi1,Michael Vosgueritchian1,Benjamin C-K.Tee et al.Skin-like pressure and strain sensors based ontransparent elastic films of carbon nanotubes.Nature Nanotechnology,2011,12(6):788-792)中将碳纳米管在PDMS上喷涂成条状，在将两片柔性电极之间加入Ecoflex，构成三明治结构的柔性电容传感器，厚度为1.3mm。该传感器具有很好的压力和拉伸响应。在0.8MPa的压力下，其电容量增大20％，在50％的应变载荷下，其电容增大量为20％，在施载和卸载的过程中具有很好的稳定性。该传感器存在以下局限：1)以碳纳米管单一组分作为导电材料，连接性较弱，碳纳米管容易从PDMS支撑层脱落；2)碳纳米管附着在PDMS，属于两层拼合结构，并非完全柔性材料，且多次受载时界面易开裂；3)在实际服役载荷下，灵敏度低，传感器响应不高。

Shijie Guo等人在(Shijie Guo,Takahisa Shiraoka,Seisho Inada et al.ATwo-Ply Polymer-Based Flexible Tactile Sensor Sheet Using ElectricCapacitance. Sensors,2014,14:2225-2238)中提及一种利用两层平行带状电极，以定向正交的排列方式，之间加入介电层，构成多单元式电容传感阵列。制作方法为通过丝网印刷工艺，将导电导电橡胶油墨置于聚合物(聚氨酯橡胶)板上形成电极。每层的电极宽度为11.6mm，一共包含16个电极，构成16×16＝256 的传感阵列，介电层选用3mm厚的氨基甲酸乙酯泡沫。电容传感阵列总厚度为3.2mm。电容初始值<1pF，在压力载荷下，电容最大增加到6.5pF。该研究存在以下局限：1)电极层虽然采用导电橡胶全柔性材料作为电极，增加传感器整体的柔性，但其称附在聚氨酯橡胶基板上形成两层拼合结构，整体性较差；2)文中并没有明确报道选用导电橡胶油墨的材料，无法评价其材料特性。 3)电容阵列中的单元初始电容值过低，对压力载荷虽有明显响应，但信噪比高。

综上所述，现有的柔性电容传感器存在以下局限性：

(1)电容传感器的电极层材料或者使用导电填料(颗粒、纤维或纳米线)，用溶剂作为载体以涂抹等方式置于柔性衬板上形成两层拼合结构，或者以蒸镀方式在柔性衬板上沉积金属薄膜(铜、铝、金或银)，这种导电层与柔性衬板结构的电极层并非是真正意义上的完全柔性结构，承载时电极易破坏，且多次受载时界面易开裂。

(2)大部分专利发明的电容传感器，常用光刻法构造电极纹路或表面微结构，工艺繁琐，排放大，成本高。

(3)大部分研究，设计内部或表面微结构来提升传感器灵敏度，但微结构的制备以光刻、注模为主，工艺繁琐，成本较高。

(4)有些电极材料采用贵金属或纳米金属丝，成本高；。

发明内容

本发明针对现有技术存在的问题，提出了一种基于导电橡胶的柔性电容传感器。

一种基于导电橡胶的柔性电容传感器。该传感器由上下导电极板和中间介电层组成。上下导电极板材料为导电橡胶，该导电橡胶由液态橡胶、导电填料以及的稀释剂混炼制成，中间介电层为一层或多层纯橡胶，所选用的导电填料为通过分层喷涂和分步或整体固化组装后制备而成。其特征在于碳系填料、金属粉或金属包覆型粉料，导电填料的尺寸为微米级，其中填料形状又分为纤维状、片状和球形。进一步为提升传感器响应性能，利用具有微结构的衬底设计内部含有微结构的电容传感器，以提高电容响应灵敏度，衬底特征为表面为颗粒突起结构、凹坑结构或纤维编制的结状凸起结构，构造导电橡胶和纯橡胶薄片表面具有衬底的表面微结构，利用组装拼接制得微结构的柔性薄片电容传感器，制备流程见附图说明1。

1.一种基于导电橡胶的柔性电容传感器，其特征在于：该传感器由上下导电极板和中间介电层组成；上下导电极板材料为液态导电橡胶，该液态导电橡胶由含固化剂的液体橡胶、导电填料以及稀释剂混炼制成，中间介电层为含固化剂的液体橡胶，通过分层喷涂、分步或整体固化组装后制备而成，固化后的含固化剂的液体橡胶和液态导电橡胶均变为固态；喷涂工艺要求的物料黏度<1800mPa·s，含固化剂的液体橡胶本身为纯流体，流动性好，黏度在 1000～1500mPa·s；液态导电橡胶中含有导电填料，混合后物料整体黏度>2000mPa·s，需用稀释剂将黏度稀释到<1800mPa·s；

其制备步骤如下：

(1)普通平板电容器

①含固化剂的液体橡胶制备，将液态橡胶加入固化剂；

②液态导电橡胶制备，将液态橡胶中加入固化剂、导电填料和稀释剂，混合均匀，得到液体导电橡胶原料；

③下导电极板成型，液态导电橡胶经喷涂、除气和固化工序获得下层导电极板；

④将含固化剂的液体橡胶喷涂在下导电极板上，并经除气和固化工序获得含下导电极板和介电层的两层结构；

⑤上导电极板成型，在含导电极板和介电层两层结构的介电层上继续喷涂液体导电橡胶，经除气和固化工序获得含导电极板-介电层-导电极板的三层结构的柔性平板电容传感器。

2.或者其制备步骤如下：

①含固化剂的液体橡胶制备，将液态橡胶加入固化剂混合；

②液态导电橡胶制备，将液态橡胶中加入固化剂、导电填料和稀释剂，混合均匀，得到液态导电橡胶原料；

③布置多块表面含有微结构的疏水布、毛玻璃或砂纸衬底；微结构的大小为15-150μm，高度为10-20μm

④导电极板成型，液态导电橡胶喷涂在一块衬底上、经除气和固化工序获得表面含有微结构导电极板层；

⑤介电层成型：含固化剂的液体橡胶喷涂在另一块衬底上，并经除气和固化工序获得表面含有微结构的介电层；

⑥脱膜成型，分别将固化的导电橡胶和含固化剂的橡胶将从衬底上脱下，将制得的两片表面含微结构的导电橡胶之间插入一片制得的含微结构的含固化剂的橡胶，插入引出铜电极，再经液态橡胶粘接、封边和固化后得到微结构电容。

3.进一步，使用的含固化剂的液体橡胶为80～90wt％含固化剂的液体橡胶和10～20wt％固化剂混炼制成；使用的液态导电橡胶由40wt％～60wt％含固化剂的液体橡胶、10～15wt％固化剂、20～30wt％导电填料、10～20wt％稀释剂混炼制成。

4.进一步，使用的液态橡胶为高温或室温固化橡胶。橡胶种类：聚二甲基硅氧烷：PDMS，黏度为3000-5000mPa·s；顺-1,4-聚异戊二烯：NR黏度为 500-1200mPa·s；乙烯基封端聚二甲基硅氧烷：HTV，黏度为 15000～25000mPa·s；羟基聚二甲基硅氧烷：RTV，黏度为5000～10000Pa·s。

5.进一步，加入的稀释剂为二甲基硅油，黏度为1～200mPa·s，将液态导电橡胶黏度稀释到<1800mPa·s。

6.进一步，导电橡胶中加入的导电填料为碳系填料、金属粉或金属包覆型粉料，导电填料的尺寸为微米级。

7.进一步，微结构为颗粒突起结构或纤维编制的结状凸起结构。

8.进一步，在拉伸、压力或人体运动的服役条件下，电容值会随着外加载荷量或运动模式的变化而变化，具有信号响应功能。

导电橡胶是一种具有良好导电性的弹性材料。在橡胶中加入导电填料，当填充体积一定时，填料间会相互接触，构成导电通路，随着填充份数的增高，导电性能更好，但力学性能会受到影响。每种填料根据不同的渗流阈值，填充即可。本发明具备了两层附和结构的非完全柔性电极，即将导电颗粒或金属薄膜附着在柔性基板上构造的电极所不具有的完全柔性结构的优点，而且导电橡胶的基体与作为介电层的橡胶均为弹性材料，其力学性能和物理性能相近，整体均匀好，在承受拉、压等载荷时结构不易开裂，可靠性好。同时在不同的载荷下，导电橡胶内部导电网络受到影响，因此导电橡胶的导电性会发生变化。在电容传感器中，根据平板电容器原理，在外加载荷的作用下，引起电容器极面导电性、极面间距、极板面积或介电层介电常数均会引起电容值的改变，以填充型导电橡胶制备的柔性电容，具有很好的延展性，在外力的作用下，易发生形变，所以电容响应敏感，不仅如此，由于导电橡胶在外加载下其导电性会发生变化，因此以导电橡胶作为电容电极层，在受载条件下，电容不仅是因为极面间距发生改变，其电极层的导电性也会发生改变，这两者共同作用，会使电容传感器响应更加灵敏。对于内含微结构的电容，内部含有空气隙，在受载条件下，不仅极面间距，电极层导电性会发生变化，其内部介电常数也会发生改变，这三者的改变引起电容值的变化，从而使电容传感器的信号响应更加敏感。

本发明制备的柔性电容传感器存在以下特点：①具有良好的工艺完整性，制备效率高；②基于导电橡胶制备的柔性电容传感器是真正意义上的完全柔性产品，电极层采用导电橡胶，介电层采用橡胶，导电橡胶为均匀材料且与介电层具有很好的亲和性，整体样品延伸率高；③制备的柔性电容传感器具有力学信号响应的性能，对手指触压有着很好的响应性，手指触压可使传感器电容值提升120％；④制备的两种柔性传感器厚度薄，总厚度均低于1mm，普通平板电容厚度为0.5mm左右，内含微结构电容厚度为0.7mm左右；⑤制备条件安全，使用的原材料为无毒害的硅橡胶及填料，且无明显排放，环境友好。

创新性及说明

区别于目前报道的柔性电容传感器，本专利基于导电橡胶和纯橡胶材料，利用喷涂工艺制备出结构型柔性电容传感器，创新性在于该传感器所有涉及材料均为柔性材料，是真正意义上的全柔性产品。本专利技术难点在于高灵敏度电容器柔性材料的设计和薄层结构的制备，解决的方案是技术上采用喷涂工艺，通过调配橡胶黏度和优化工艺参数来控制层厚；结构上进一步引入表面微结构提高传感器的灵敏度，材料上选择导电橡胶作为导电层，在保证柔性的基础上，以导电橡胶的压阻效应来进一步提高传感器对外界刺激的响应，同时利用导电橡胶与纯橡胶的力学性能和物力性能相近的特点，确保发明的柔性传感器使用可靠性，即长期使用不易开裂破坏。

附图说明

图1两种柔性电容传感器制备流程

图2为普通无微结构电容横截面显微照片

图3为微结构电容传感器内部显微照片

图4为两种电容在(a)压力载荷下、(b)拉伸应变载荷下电容响应强度

图5为含有微结构的电容在人手指触压时的信号响应

具体实施方式

以下结合实施例对本发明的效果进行说明。

实例1：

液态纯橡胶配方为80wt％PDMS和20wt％道康宁184B固化剂混合，混合后液态纯橡胶黏度为1100mPa·s；液态导电橡胶配方为60wt％PDMS、10wt％道康宁184B固化剂、20wt％镍包碳纤维填料(镍包碳纤维长度为 110μm，直径为12μm)和10wt％二甲基硅油稀释剂混合，混合后液态导电橡胶黏度为1000mPa·s。按照以下步骤进行制备：①第一电极层制备，将液态导电橡胶放入喷枪中，在0.7MPa的压力喷涂在PET膜上，进一步在-0.1MPa 环境下进行真空除气10min，最后150℃放置5min固化成型；②介电层制备，将纯液态橡胶放入喷枪中，在0.7MPa的压力下喷涂在①中制备的第一电极层上，进一步在-0.1MPa环境下进行真空除气10min，最后最后150℃放置5min 固化成型。③喷涂第三层电极层，将混有填料液体导电橡胶放入喷枪中，在 0.7MPa的压力喷涂在②中制备的介电层上，进一步在-0.1MPa环境下进行真空除气10min，最后最后150℃放置5min固化成型；④脱膜：将制备的三层结构样品从PET膜脱下，得到柔性传感器。普通平板电容形貌见图2。

制得的样品为普通平板柔性电容传感器，初始值为42pF，总厚度为 0.5mm，在20kPa的压力下，电容值最大增量可达20％见图4(a)。在100％拉伸应变载荷下，电容值最大增量可达24％，见图4(b)。

实例2：

液态纯橡胶配方为90wt％PDMS和10wt％道康宁184B固化剂混合；混合后液态纯橡胶黏度为1300mPa·s；液态导电橡胶配方为40wt％PDMS、 10wt％道康宁184B固化剂、30wt％镍包碳纤维填料(镍包碳纤维长度为95μm，直径为10μm)和20wt％二甲基硅油稀释剂混合，混合后液态导电橡胶黏度为 1080mPa·s。按照以下步骤进行制备：①第一电极层制备，将液态导电橡胶放入喷枪中，在0.7MPa的压力喷涂在PET膜上，进一步在-0.1MPa环境下进行真空除气10min，最后150℃放置5min固化成型；②介电层制备，将纯液态橡胶放入喷枪中，在0.7MPa的压力下喷涂在①中制备的第一电极层上，进一步在-0.1MPa环境下进行真空除气10min，最后最后150℃放置5min固化成型。③喷涂第三层电极层，将混有填料液体导电橡胶放入喷枪中，在0.7MPa 的压力喷涂在②中制备的介电层上，进一步在-0.1MPa环境下进行真空除气 10min，最后最后150℃放置5min固化成型；④脱膜：将制备的三层结构样品从PET膜脱下，得到柔性传感器。

制得的样品为普通平板柔性电容传感器，初始值为47pF，总厚度为 0.54mm，在20kPa的压力下，电容值增量可达25％。在100％拉伸载荷下，电容值最大增量可达28％。

实例3：

液态纯橡胶配方为85wt％PDMS，加入15wt％道康宁184B固化剂混合，混合后液态纯橡胶黏度为1140mPa·s；液态导电橡胶配方为50wt％PDMS、 10wt％道康宁184B固化剂、25wt％镍包碳纤维填料(镍包碳纤维长度为 130μm，直径为17μm)，和15wt％二甲基硅油稀释剂混合，混合后液态导电橡黏度为900mPa·s。按照以下步骤进行制备：①布置两块表面含有微结构的疏水布衬底，疏水布表面具有纤维结状纹理，纤维结宽度为100μm，结点高度为15μm。②喷涂电极层，将液态导电橡胶放入喷枪中，在0.7MPa的压力下喷涂到第一块衬底上，在-0.1MPa下进行真空除气10min，进一步，在 150℃环境下放置7min进行固化；③喷涂介电层，将液态纯橡胶放入喷枪中，在0.7MPa的压力下喷涂到第二块衬底上，在-0.1MPa下进行真空除气10min，进一步，在150℃环境下放置7min进行固化。④脱膜，分别将固化的导电橡胶和纯橡胶将从含有微结构的衬底上膜脱下；⑤组装，将②中制得的表面含微结构的导电橡胶取两片，之间插入③中制得的介电层一片，引出铜电极，再利用液态橡胶粘接、封边。⑥成型，将所得样品放入170℃环境下10min 进行封边处理，取出后得到微结构电容。微结构电容各层结构形貌见图3(a)，电极层表面形貌见图3(b)，电容介电层表面微结构形貌见图3(c)。

制得的样品为内含微结构柔性电容传感器，初始值为17pF，总厚度为 0.72mm，在20kPa的压力下，电容值最大增量可达120％，见图4(a)。在100％拉伸载荷下，电容值最大增量可达130％，见图4(b)。对人手指触压的响应，手指触碰到传感器时，电容增长量为176％；人每走一步时，电容增量为90％，见图5。

实例4：

液态纯橡胶配方为90wt％RTV和10wt％二月桂酸二丁基锡固化剂混合，混合后液态纯橡胶黏度为1200mPa·s；液态导电橡胶配方为50wt％RTV、 10wt％二月桂酸二丁基锡固化剂、25wt％碳纤维(碳纤维长度为110μm，直径80μm)和15wt％二甲基硅油稀释剂混合，混合后液态导电橡胶黏度为 1300mPa·s。按照以下步骤进行制备：①第一电极层制备，将液态导电橡胶放入喷枪中，在0.7MPa的压力喷涂在PET膜上，进一步在-0.1MPa环境下进行真空除气10min，最后室温放置2h固化成型；②介电层制备，将纯液态橡胶放入喷枪中，在0.7MPa的压力下喷涂在①中制备的第一电极层上，进一步在-0.1MPa环境下进行真空除气10min，最后室温放置2h固化成型。③喷涂第三层电极层，将混有填料液体导电橡胶放入喷枪中，在0.7MPa的压力喷涂在②中制备的介电层上，进一步在-0.1MPa环境下进行真空除气10min，最后室温放置2h固化成型；④脱膜：将制备的三层结构样品从PET膜脱下，得到柔性传感器。

制得的样品为普通平板柔性电容传感器，初始值为44pF，总厚度为 0.56mm，在20kPa的压力下，最大增量可达27％。在100％拉伸载荷下，电容值最大增量可达26％。

实例5

液态纯橡胶配方为84％NR和16wt％甲酸固化剂混合，混合后液态纯橡胶黏度为800mPa·s；液态导电橡胶配方为48wt％NR、15wt％甲酸固化剂、 27wt％镍包石墨粉(镍包石墨粉为片状粉，直径50μm，厚度10μm)和10wt％二甲基硅油稀释剂，混合后液态导电橡胶黏度为540mPa·s。按照以下步骤进行制备：①第一电极层制备，将液态导电橡胶放入喷枪中，在0.7MPa的压力喷涂在PET膜上，进一步在-0.1MPa环境下进行真空除气10min，最后最后 120℃放置15min固化成型；②介电层制备，将纯液态橡胶放入喷枪中，在 0.7MPa的压力下喷涂在①中制备的第一电极层上，进一步在-0.1MPa环境下进行真空除气10min，最后最后120℃放置15min固化成型。③喷涂第三层电极层，将混有填料液体导电橡胶放入喷枪中，在0.7MPa的压力喷涂在②中制备的介电层上，进一步在-0.1MPa环境下进行真空除气10min，最后最后120℃放置5min固化成型；④脱膜：将制备的三层结构样品从PET膜脱下，得到柔性传感器。

制得的样品为普通平板柔性电容传感器，初始值为41pF，总厚度为 0.51mm，在20kPa的压力下，电容值增量可达24％。在100％拉伸载荷下，电容值最大增量可达26％。

实例6：

液态纯橡胶配方为82wt％RTV和18wt％二月桂酸二丁基锡固化剂混合，混合后液态纯橡胶黏度为1000mPa·s；液态导电橡胶配方为50wt％RTV、 15wt％二月桂酸二丁基锡固化剂、25wt％镍包石墨粉(镍包石墨粉为片状粉，直径80μm，厚度14μm)和10wt％二甲基硅油稀释剂，混合后液态导电橡胶黏度为1050mPa·s。按照以下步骤进行制备：①布置两块表面含有微结构的疏水布衬底，疏水布表面为纤维结状纹理，纤维结宽度为90μm，结点高度为22μm。②喷涂电极层，将液态导电橡胶放入喷枪中，在0.7MPa的压力下喷涂到第一块衬底上，在-0.1MPa下进行真空除气10min，进一步，在室温放置 2h进行固化；③喷涂介电层，将液态纯橡胶放入喷枪中，在0.7MPa的压力下喷涂到第二块衬底上，在-0.1MPa下进行真空除气10min，进一步，在室温放置2h进行固化。④脱膜，分别将固化的导电橡胶和纯橡胶将从含有微结构的衬底上膜脱下；⑤组装，将②中制得的表面含微结构的导电橡胶取两片，之间插入③中制得的介电层一片，引出铜电极，再利用液态橡胶粘接、封边。⑥成型，将所得样品放入170℃环境下10min进行封边处理，取出后得到微结构电容。

制得的样品为内含微结构柔性电容传感器，初始值为15pF，总厚度为 0.7mm，在20kPa的压力下，最大增量可达125％。在0-100％拉伸载荷下，电容值随着拉伸应变量的增大而增大，电容值最大增量可达134％。对人手指触压的响应，手指触碰到传感器时，电容增长量为162％；人每走一步时，电容增量为94％。

实例7：

液态纯橡胶配方为87wt％HTV和13wt％3450B固化剂混合，混合后液态纯橡胶黏度为1120mPa·s；液态导电橡胶配方为54wt％HTV、10wt％ 3450B固化剂、26wt％铝粉(所用铝粉的直径为30μm)份和10wt％二甲基硅油稀释剂，混合后液态导电橡胶黏度为1200mPa·s。按照以下步骤进行制备：①布置两块表面含有微结构的砂纸，选用280号砂纸作为衬底，表面颗粒状结构，颗粒大小为50μm。②喷涂电极层，将液态导电橡胶放入喷枪中，在 0.7MPa的压力下喷涂到第一块衬底上，在-0.1MPa下进行真空除气10min，进一步在150℃环境下放置10min进行固化；③喷涂介电层，将液态纯橡胶放入喷枪中，在0.7MPa的压力下喷涂到第二块衬底上，在-0.1MPa下进行真空除气10min，进一步在150℃环境下放置10min进行固化。④脱膜，分别将固化的导电橡胶和纯橡胶将从含有微结构的衬底上膜脱下；⑤组装，将②中制得的表面含微结构的导电橡胶取两片，之间插入③中制得的介电层一片，引出铜电极，再利用液态橡胶粘接、封边。⑥成型，将所得样品放入170℃环境下10min进行封边处理，取出后得到微结构电容。

制得的样品为内含微结构柔性电容传感器，初始值为19pF，总厚度为 0.75mm，在20kPa的压力下，电容值最大增量可达132％。在100％拉伸载荷下，电容值最大增量可达137％。对人手指触压的响应，手指触碰到传感器时，电容增长量为171％；人每走一步时，电容增量为85％。

实例8:

液态纯橡胶配方为85％NR以及15％甲酸固化剂，混合后液态纯橡胶黏度为600mPa·s；液态导电橡胶配方为55wt％NR、15％甲酸固化剂、20wt％银包玻璃纤维(银包覆量为67％，纤维长度为97μm，直径为14μm。)和10wt％二甲基硅油稀释剂，混合后液态导电橡胶黏度为760mPa·s。①布置两块表面含有微结构的毛玻璃衬底，毛玻璃表面具有坑洼状结构，圆坑的直径为 1mm，深度为0.13mm。②喷涂电极层，将液态导电橡胶放入喷枪中，在0.7MPa 的压力下喷涂到第一块衬底上，在-0.1MPa下进行真空除气10min，进一步在 120℃环境下放置15min进行固化；③喷涂介电层，将液态纯橡胶放入喷枪中，在0.7MPa的压力下喷涂到第二块衬底上，在-0.1MPa下进行真空除气10min，进一步在120℃环境下放置15min进行固化。④脱膜，分别将固化的导电橡胶和纯橡胶将从含有微结构的衬底上膜脱下；⑤组装，将②中制得的表面含微结构的导电橡胶取两片，之间插入③中制得的介电层一片，引出铜电极，再利用液态橡胶粘接、封边。⑥成型，将所得样品放入140℃环境下20min进行封边处理，取出后得到微结构电容。

制得的样品为内含微结构柔性电容传感器，初始值为19pF，总厚度为 0.73mm，在20kPa的压力下，电容值最大增量可达126％。在100％拉伸载荷下，电容值最大增量可达134％。对人手指触压的响应，手指触碰到传感器时，电容增长量为174％；人每走一步时，电容增量为93％。

Claims (8)

1.一种基于导电橡胶的柔性电容传感器，其特征在于：该传感器由上下导电极板和中间介电层组成；上下导电极板材料为液态导电橡胶，该液态导电橡胶由含固化剂的液体橡胶、导电填料以及稀释剂混炼制成，中间介电层为含固化剂的液体橡胶，通过分层喷涂、分步或整体固化组装后制备而成，固化后的含固化剂的液体橡胶和液态导电橡胶均变为固态；喷涂工艺要求的物料黏度<1800mPa·s，含固化剂的液体橡胶本身为纯流体，流动性好，黏度在1000～1500mPa·s；液态导电橡胶中含有导电填料，混合后物料整体黏度>2000mPa·s，需用稀释剂将黏度稀释到<1800mPa·s；其制备步骤如下：

(1)普通平板电容器

①含固化剂的液体橡胶制备，将液态橡胶加入固化剂；

②液态导电橡胶制备，将液态橡胶中加入固化剂、导电填料和稀释剂，混合均匀，得到液体导电橡胶原料；

③下导电极板成型，液态导电橡胶经喷涂、除气和固化工序获得下层导电极板；

④将含固化剂的液体橡胶喷涂在下导电极板上，并经除气和固化工序获得含下导电极板和介电层的两层结构；

⑤上导电极板成型，在含导电极板和介电层两层结构的介电层上继续喷涂液体导电橡胶，经除气和固化工序获得含导电极板-介电层-导电极板的三层结构的柔性平板电容传感器。

2.一种基于导电橡胶的柔性电容传感器，其特征在于：该传感器由上下导电极板和中间介电层组成；上下导电极板材料为液态导电橡胶，该液态导电橡胶由含固化剂的液体橡胶、导电填料以及稀释剂混炼制成，中间介电层为含固化剂的液体橡胶，通过分层喷涂、分步或整体固化组装后制备而成，固化后的含固化剂的液体橡胶和液态导电橡胶均变为固态；喷涂工艺要求的物料黏度<1800mPa·s，含固化剂的液体橡胶本身为纯流体，流动性好，黏度在1000～1500mPa·s；液态导电橡胶中含有导电填料，混合后物料整体黏度>2000mPa·s，需用稀释剂将黏度稀释到<1800mPa·s；

其制备步骤如下：

①含固化剂的液体橡胶制备，将液态橡胶加入固化剂混合；

②液态导电橡胶制备，将液态橡胶中加入固化剂、导电填料和稀释剂，混合均匀，得到液态导电橡胶原料；

③布置多块表面含有微结构的疏水布、毛玻璃或砂纸衬底；微结构的大小为15-150μm，高度为10-20μm

④导电极板成型，液态导电橡胶喷涂在一块衬底上、经除气和固化工序获得表面含有微结构导电极板层；

⑤介电层成型：含固化剂的液体橡胶喷涂在另一块衬底上，并经除气和固化工序获得表面含有微结构的介电层；

⑥脱膜成型，分别将固化的导电橡胶和含固化剂的橡胶将从衬底上脱下，将制得的两片表面含微结构的导电橡胶之间插入一片制得的含微结构的含固化剂的橡胶，插入引出铜电极，再经液态橡胶粘接、封边和固化后得到微结构电容。

3.根据权利要求1或2所述的电容传感器，其特征在于，使用的含固化剂的液体橡胶为80～90wt％含固化剂的液体橡胶和10～20wt％固化剂混炼制成；使用的液态导电橡胶由40wt％～60wt％含固化剂的液体橡胶、10～15wt％固化剂、20～30wt％导电填料、10～20wt％稀释剂混炼制成。

4.根据权利要求1或2所述的电容传感器，其特征在于，使用的液态橡胶为高温或室温固化橡胶；橡胶种类：聚二甲基硅氧烷：PDMS，黏度为3000-5000mPa·s；顺-1,4-聚异戊二烯：NR黏度为500-1200mPa·s；乙烯基封端聚二甲基硅氧烷：HTV，黏度为15000～25000mPa·s；羟基聚二甲基硅氧烷：RTV，黏度为5000～10000Pa·s。

5.根据权利要求1或2所述的电容传感器，其特征在于，加入的稀释剂为二甲基硅油，黏度为1～200mPa·s，将液态导电橡胶黏度稀释到<1800mPa·s。

6.根据权利要求1或2所述的电容传感器，其特征在于，导电橡胶中加入的导电填料为碳系填料、金属粉或金属包覆型粉料，导电填料的尺寸为微米级。

7.根据权利要求1或2所述的电容传感器，其特征在于，微结构为颗粒突起结构或纤维编制的结状凸起结构。

8.根据权利要求1或2所述的电容传感器，其特征在于，在拉伸、压力或人体运动的服役条件下，电容值会随着外加载荷量或运动模式的变化而变化。