CN110346837A - 一种基于电容器边缘场效应的柔性电容型接近传感器及传感方法 - Google Patents
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Abstract
基于电容器边缘场效应的柔性电容型接近传感器，包括平面薄膜状上表面具有微结构的柔性电介质材料，附着于所述柔性电介质材料上表面的图案化电极，附着于所述柔性电介质材料下表面图案化电极；所述柔性电介质材料、所述柔性电介质材料上表面的电极、柔性电介质材料下表面的电极通过以下步骤提供对外界物体接近距离的电学响应，外界接近物体拦截部分所述柔性电介质材料、所述柔性电介质材料上表面的电极、柔性电介质材料下表面的电极构成的电容器边缘电场，所述电容器的电场强度降低，电容值减小，由此对外界物体存在或距离接近产生电学响应。
Description
技术领域
本发明涉及了一种能够应用于可穿戴设备，智能机器人，柔性电子等领域的对周围接近物体有电学响应的柔性电容型接近传感器及传感方法。
背景技术
接近感测，无需直接接触检测对象，就能将检测对象的移动信息和存在信息转化为电学响应。传统的接近传感器主要基于红外光、超声波、磁感应等原理，是非柔性的，通常体积较大，难以应用在对柔性可拉伸有高要求的可穿戴设备上。
当前在柔性电子领域，已经报道了多种高灵敏度的柔性压力传感器，但对于柔性接近传感方面的研究却相当少。接近感测，作为压力感测的一种互补功能，可以扩展普通单功能触觉传感器的检测模式，实现对接近对象精确位置的识别与快速响应。而基于电容测量的接近传感器易于制作和集成，并且可以在不受颜色和纹理影响的情况下检测接近的物体。
发明内容
本发明目的是，提供一种可应用于可穿戴设备，智能机器人，柔性电子等领域的柔性电容型接近传感器及传感方法。
本发明的技术方案是：一种柔性电容型接近传感器，平面薄膜状或上表面具有微结构的柔性电介质材料；附着于所述柔性电介质材料上表面的图案化电极；附着于所述柔性电介质材料下表面图案化电极；所述柔性电介质材料、所述柔性电介质材料上表面的电极、柔性电介质材料下表面的电极通过以下步骤提供对外界物体接近距离的电学响应，外界接近物体拦截部分所述柔性电介质材料、所述柔性电介质材料上表面的电极、柔性电介质材料下表面的电极构成的电容器边缘电场，所述电容器的电场强度降低，电容值减小，由此对外界物体接近距离产生电学响应。
所述平面薄膜状柔性电介质材料，上、下表面均为平面的薄膜材料。
所述上表面具有微结构的柔性电介质材料，下表面为平面，上表面具有凸起状微结构的薄膜材料。
所述凸起状微结构，柱状、棱锥状、棱台状、半球状的凸起微结构；周期性分布于所述薄膜材料的整个上表面或图案化区域内；能够增强所述的电容器的边缘电场，提高所述柔性电容型接近传感器的灵敏度。
所述棱锥状的凸起微结构，呈N棱锥的周期性阵列；所述N棱锥中的N是大于3的正数；所述N棱锥或N棱台的特征尺寸从50-500um不等；所述阵列周期从50-500um不等；所述结构以体对称轴垂直于所述柔性电介质材料，并且棱锥尖端远离所述柔性电介质材料来进行配置和布置。
所述柔性电介质材料，易于加工为所述凸起状微结构的柔性可拉伸材料，如聚二甲基硅氧烷、聚氨酯弹性体、苯乙烯系弹性体或橡胶。
所述附着于所述柔性电介质材料上表面的图案化电极，在所述柔性电介质材料上表面通过磁控溅射、电子束蒸镀、热蒸镀等成膜方法和物理掩模版形成图案化的金属薄膜电极或其他导电性良好且于所述柔性电介质材料上表面具有良好附着性的柔性薄膜导电电极材料，如金、银、铜、铝、铂、氧化铟锡等。
所述柔性电介质材料上表面电极的图案化，叉指状、类叉指状、二维阿基米德螺线状、二维方形螺旋线状、类螺旋线状或其他具有高的面积与周长比的图案；提高所述金属薄膜电极表面积与周长比，进而增强所述的电容器的边缘电场，提高所述柔性电容型接近传感器的灵敏度。
所述附着于所述柔性电介质材料下表面的图案化电极，在所述柔性电介质材料上表面通过磁控溅射、电子束蒸镀、热蒸镀、丝网印刷、喷墨打印等成膜方法和物理掩模版形成图案化的金属薄膜电极或其他导电性良好且于所述柔性电介质材料上表面具有良好附着性的柔性薄膜导电电极材料，如金、银、铜、铝、铂、氧化铟锡、聚苯胺、聚吡咯、PEDOT等。
所述柔性电介质材料下表面电极的图案化，叉指状、类叉指状、二维阿基米德螺线状、二维方形螺旋线状、类螺旋线状或其他具有高的面积与周长比的图案；提高所述金属薄膜电极表面积与周长比，进而增强所述的电容器的边缘电场，提高所述柔性电容型接近传感器的灵敏度；所述柔性电介质材料上表面电极的图案化形状呈现“互补”关系。
所述“互补”关系，所述柔性电介质材料下表面的图案化形状与所述柔性电介质材料上表面的图案化形状一致或相类似；所述柔性电介质材料下表面的图案化形状与在所述柔性电介质材料上表面的投影与所述柔性电介质材料上表面的图案化形状呈现不重合或小部分重合面积且近似互补的关系。
本发明的传感方法即所述电学响应，外界接近物体拦截部分所述的电容器的边缘电场，所述电容器的电场强度降低，电容值减小，反映出外界物体的存在；所述电容器的电容变化同外界物体距离所述柔性电介质材料上表面的图案化电极的间距变化呈现负相关关系。
有益效果：本发明提供一种传感器实现接近传感方法，特别是柔性非接触接近传感器的电学响应，并进一步通过附着在所述柔性电介质材料上、下表面薄膜电极的图案化来获得高灵敏度。本发明将通过以下附图及具体实施方式举例说明，但所述有益效果不限于以下附图及具体实施方法。
附图说明
图1.采用平面薄膜状柔性可拉伸介质层的电容型接近传感器的结构示意图；
图2.采用平面薄膜状柔性可拉伸介质层的电容型接近传感器的电学等效示意图；其中左图A为电场分布模型，右图B为等效电容模型；
图3.采用平面薄膜状柔性可拉伸介质层的电容型接近传感器的接近距离-电容响应数据；
图4.采用具有微结构的柔性可拉伸介质层的电容型接近传感器的结构示意图；
图5.采用具有微结构的柔性可拉伸介质层的电容型接近传感器的电学等效示意图；其中左图A为电场分布模型，右图B为等效电容模型；
图6.采用具有微结构的柔性可拉伸介质层的电容型接近传感器的接近距离-电容响应数据。
具体实施方式
参照附图，进一步阐述本公开在实际接近传感中获得对外界接近物体的电学响应的具体实施方式。此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，但不用于限定本发明。
实施例1：采用平面薄膜状柔性可拉伸介质层构建电容型接近传感器
以柔性电介质材料上、下表面的方形螺旋线状1、3的图案化电极为例，参照附图1设计采用平面薄膜状柔性可拉伸介质层2构建电容型接近传感器，其制备步骤为：
(1)将聚二甲基硅氧烷预聚物(PDMS，常用型号为Sylgard 184，交联剂与预聚物比例为1：10)浇筑于一平面上，抽真空，排除气泡，室温水平放置4小时，后置于烘箱50-80℃，固化2-4小时；
(2)将固化后的PDMS薄膜揭下，裁剪为合适大小，在PDMS薄膜的一面贴上具有螺线状图案的物理掩模版，溅射厚度为30-80纳米的螺线状金属薄膜电极，如金、铂等；
(3)在所得PDMS薄膜的另一面贴上与步骤(19)所述螺线状掩模版互补的物理掩模版，溅射厚度为30-80纳米的螺线状金属薄膜电极，如金、铂等。
(4)上、下表面图案化电极上可以再覆盖平面绝缘薄膜材料。
参照附图2的电路等效图解释了采用平面薄膜状柔性可拉伸介质层构建电容型接近传感器的工作原理，接近的物体(例如：手指)会拦截部分所述柔性电介质材料上表面电极上方的边缘电场线，手指与所述上表面电极产生电容耦合，降低了所述接近传感器上、下电极之间的电场强度，存储在电容中的电荷减少，导致Cm减小；同时分流部分的耦合电容Cs与所述接近传感器电容Cm串联，总电容值减小。另外，手指距离接近传感器上电极越近，分流情况越显著，Cm值变化越大。附图3展示了本实施例1的具体实施效果。
实施例2：采用具有微结构的柔性可拉伸介质层构建电容型接近传感器
以分布在柔性电介质材料上表面的方形螺旋线状的图案化区域上的四棱锥状微结构和柔性电介质材料上、下表面的方形螺旋线状的图案化金属薄膜电极为例，参照附图4设计采用具有微结构的柔性可拉伸介质层构建电容型接近传感器，其制备步骤为：
(1)采用<100>晶向氧化硅片，表面为厚度约为350-450纳米的热氧化层，将氧化硅片清洗并烘干；
(2)在氧化硅片表面旋涂S1813光刻胶，旋涂速度为3000-5000转/分钟，旋涂时间为30-60秒，置于100-120℃热台上烘烤1分钟；
(3)所得样品放置在有掩模光刻机中曝光，曝光时间4-10秒，随后置于正交显影液中显影10-20秒，最后置于100-120℃热台上烘烤2分钟，得到边长为50-200微米，中心间距为50-400微米的正方形阵列图案；
(4)所的样品置于49％氢氟酸溶液和40％氟化铵溶液按体积1：6比例配置的BOE刻蚀液中，对氧化硅层刻蚀5-15min后清洗，吹干，得到步骤(3)中所述的以氧化硅为模板的正方形阵列图案；
(5)所的样品置于丙酮中浸泡3-5min，除去氧化硅片表面的光刻胶，吹干；
(6)所的样品置于25％四甲基氢氧化铵水溶液中，水浴加热90℃，刻蚀2-4小时，得到四棱锥形图案阵列；
(7)所的样品置于步骤(4)所述BOE刻蚀液中刻蚀氧化硅掩模5-10分钟，得到四棱锥形图案阵列的模板；
(8)将聚二甲基硅氧烷预聚物(PDMS，常用型号为Sylgard 184，交联剂与预聚物比例为1：10)浇筑于模板上，抽真空，排除气泡，室温水平放置4小时，后置于烘箱50-80℃，固化2-4小时；
(9)将固化后的PDMS薄膜揭下，裁剪为合适大小，在具有微结构的一面贴上具有螺线状图案的物理掩模版，溅射厚度为30-80纳米的螺线状金属薄膜电极，如金、铂等；
(10)在所得PDMS薄膜的另一面贴上与步骤(19)所述螺线状掩模版互补的物理掩模版，溅射厚度为30-80纳米的螺线状金属薄膜电极，如金、铂等。
参照附图5的电路等效图解释了采用具有微结构的柔性可拉伸介质层构建电容型接近传感器的工作原理，接近的物体(例如：图中为手指)会拦截部分所述柔性电介质材料上表面电极上方的边缘电场线，手指与所述上表面电极产生电容耦合，降低了所述接近传感器上、下电极之间的电场强度，存储在电容中的电荷减少，导致Cm减小；同时分流部分的耦合电容Cs与所述接近传感器电容Cm串联，总电容值减小。另外，手指距离接近传感器上电极越近，分流情况越显著，Cm值变化越大。附图6展示了本实施例2的具体实施效果。
Claims (10)
1.一种基于电容器边缘场效应的柔性电容型接近传感器，其特征是，包括平面薄膜状上表面具有微结构的柔性电介质材料，附着于所述柔性电介质材料上表面的图案化电极，附着于所述柔性电介质材料下表面图案化电极；所述柔性电介质材料、所述柔性电介质材料上表面的电极、柔性电介质材料下表面的电极通过以下步骤提供对外界物体接近距离的电学响应，外界接近物体拦截部分所述柔性电介质材料、所述柔性电介质材料上表面的电极、柔性电介质材料下表面的电极构成的电容器边缘电场，所述电容器的电场强度降低，电容值减小，由此对外界物体存在或距离接近产生电学响应。
2.根据权利要求1所述的电容型接近传感器，其特征是，平面薄膜状柔性电介质材料上、下表面均为平面的薄膜即电极材料；或下表面为平面，上表面具有凸起状微结构的薄膜即电极材料。
3.根据权利要求2所述的电容型接近传感器，其特征是，所述凸起状微结构的薄膜材料，上表面具有凸起状微结构为柱状、棱锥状、棱台状、半球状的凸起微结构；周期性的分布于所述薄膜电极材料的整个上表面或图案化区域内；能够增强电容器的边缘电场，提高所述柔性电容型接近传感器的灵敏度。
4.根据权利要求3所述的电容型接近传感器，其特征是，所述棱锥状的凸起微结构，呈N棱锥的周期性阵列；所述N棱锥中的N是大于3的正数；所述N棱锥或N棱台的特征尺寸从50-500um不等；所述阵列周期从50-500um不等；所述结构以体对称轴垂直于所述柔性电介质材料，并且棱锥尖端远离所述柔性电介质材料来进行配置和布置。
5.根据权利要求4所述的电容型接近传感器，其特征是，所述的柔性电介质材料，易于加工为所述凸起状微结构的柔性可拉伸材料，如聚二甲基硅氧烷、聚氨酯弹性体、苯乙烯及其衍生物等弹性体或橡胶。
6.根据权利要求1所述的电容型接近传感器，其特征是，所述的附着于所述柔性电介质材料上表面与下表面的图案化电极，是在所述柔性电介质材料上与下表面通过磁控溅射、电子束蒸镀、热蒸镀、丝网印刷、喷墨打印等成膜方法和物理掩模版形成图案化的金属薄膜电极或其他导电性良好且于所述柔性电介质材料上表面具有良好附着性的柔性薄膜导电电极材料，包括金、银、铜、铝、铂、氧化铟锡、聚苯胺、聚吡咯、PEDOT。
7.根据权利要求6所述的电容型接近传感器，其特征是，所述的图案化电极为叉指状、类叉指状、二维阿基米德螺线状、二维方形螺旋线状、类螺旋线状或其他具有高的面积与周长比的图案；提高所述金属薄膜电极表面积与周长比，进而增强所述的电容器的边缘电场，提高所述柔性电容型接近传感器的灵敏度。
8.根据权利要求6所述的电容型接近传感器，其特征是，所述的附着于所述柔性电介质材料下表面的图案化电极，叉指状、类叉指状、二维阿基米德螺线状、二维方形螺旋线状、类螺旋线状或其他具有高的面积与周长比的图案；提高所述金属薄膜电极表面积与周长比，进而增强所述的电容器的边缘电场，提高所述柔性电容型接近传感器的灵敏度；与上表面所述的图案化形状呈现“互补”关系。
9.根据权利要求8所述的电容型接近传感器，其特征是，所述的“互补”关系，所述柔性电介质材料下表面的图案化形状与所述柔性电介质材料上表面的图案化形状一致或相类似；所述柔性电介质材料下表面的图案化形状与在所述柔性电介质材料上表面的投影与所述柔性电介质材料上表面的图案化形状呈现不重合或小部分重合面积且近似互补的关系；减小了所述柔性电介质材料上表面的图案化电极和所述柔性电介质材料下表面的图案化电极之间只经过所述柔性电介质材料，而不经过外界环境的电场线，相当于增强权利要求1所述的电容器的边缘电场，提高所述柔性电容型接近传感器的灵敏度。
10.根据权利要求1-9之一所述的电容型接近传感器的传感方法，其特征是，进行电学响应传感，指外界接近物体拦截部分所述的电容器的边缘电场，所述电容器的电场强度降低，电容值减小，反映出外界物体的存在；所述电容器的电容变化同外界物体距离所述柔性电介质材料上表面的图案化电极的间距变化呈现负相关关系，即外界物体距离所述柔性电介质材料上表面的图案化电极的间距越近电容变化越大。
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