CN110514230A - 拉伸弯曲柔性传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开的一种拉伸弯曲柔性传感器及其制备方法，其中拉伸弯曲柔性传感器包括功能电容层，基底支撑层，表面封装层和导电层。柔性基底层通过采用细菌纤维素纸/硅胶复合有机聚合物材料制备而成的矩形波弯曲形状结构使得拉伸弯曲柔性传感器具有高耐久度和稳定性；电极层引出Top+，Top‑，Bottom+，Bottom‑两对电接口，通过选择不同的电接口组合，可以实现对拉伸/压缩和弯曲的感知。本发明在基底支撑层的支撑下，柔性拉伸弯曲角度传感器具有固有的高拉伸性，高稳定性和高耐久度，本发明的柔性拉伸弯曲角度传感器由两种感知拉伸和弯曲两种功能感知模式；本发明制备简单，无污染，成本低，易于大规模生产制备。

Description

拉伸弯曲柔性传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及柔性电子传感器，具体涉及一种拉伸弯曲柔性传感器及其制备方法。
背景技术
目前的柔性传感器包括压电式，压阻式，压容式和摩擦电式柔性传感器。其中，压容式传感器具有结构简单、动态响应特性好等优点，主要依赖于形变过程中极板面积变化，极板间距离发生变化，极板间介质材料的介电常数发生变化实现对于压力或形变的感知。
目前的传感器大多数依赖于上述四种工作原理来实现对于压力/形变的感知，而对于弯曲或拉伸层非常规变形的感知仍然处于探索阶段，目前并没有完善的解决方案。而且，由于传感原理或柔性材料本身的问题，目前的柔性拉伸/弯曲角度传感器的稳定性和耐久度比较差，制约了柔性传感器的实际使用。
发明内容
发明目的：本发明的目的是提供一种拉伸弯曲柔性传感器及制备方法，解决现有传感器稳定性和耐久性差的问题。
技术方案：本发明所述的拉伸弯曲柔性传感器，包括基底支撑层，所述基底支撑层上设置有导电层和若干个电容，所述基底支撑层、导电层和电容表面均覆盖有表面封装层。
所述基底支撑层为具有矩形波弯曲形状的细菌纤维树脂/硅胶复合有机聚合物框架。
所述导电层采用导电铜金属薄层，共引出两对电极接口Top+，Top-，Bottom+，Bottom-。
所述若干电容分成两行设置在所述基底支撑层上
所述电容为平行板电容，包括上电极层-电介质层-下电极层。
所述上电极层和下电极层采用导电铜胶带，所述电介质层采用VHB聚丙烯酸酯双面泡绵胶带。
所述表面封装层采用聚乙烯吡咯烷酮制成。
本发明所述的拉伸弯曲柔性传感器的制备方法，包括以下步骤：
1)将商用的细菌纤维悬浮液与硅胶按质量比1:10混合，磁搅拌使得两者混合均匀，之后浇筑到矩形波弯曲形状模具中，真空恒温干燥，制备得到基底支撑层；
(2)在制备的基底支撑层的内凹槽的两侧贴合一层单面导电粘性铜带，作为功能电容层中的上下电极层；在制备的基底支撑层内凹槽底部的外贴合一层单面导电粘性铜带作为导电层，在制备的基底支撑层最左侧和最右侧的拐角均贴合导电粘性铜带，分别作为上层串联功能电容层的上电极接口Top+，Top-和下层串联功能电容层的下电极接口Bottom，Bottom-；
(3)将尺寸与基底支撑层的内凹槽一致的VHB聚丙烯酸酯双面泡绵胶带长方体放置于所述步骤(2)中上下电极层之间，将粘合胶涂抹在VHB电介质层四周，按压使 VHB电介质层和上下电极层紧密接触，室温干燥后，制备得单电容，步骤(2)中的导电层将电容串联起来，形成功能电容层；
(4)将聚乙烯吡咯烷酮和水按质量比3:7混合，搅拌均匀后喷涂在所述步骤(1)-(3) 制备得各个结构上，即得拉伸弯曲柔性传感器。
有益效果：本发明在基底支撑层的支撑下，柔性拉伸弯曲角度传感器具有固有的高拉伸性，高稳定性和高耐久度，本发明的柔性拉伸弯曲角度传感器由两种感知拉伸和弯曲两种功能感知模式；本发明制备简单，无污染，成本低，易于大规模生产制备。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的框架结构示意图；
图3为电容的结构示意图；
图4位本发明实例的后端电路设计图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明进行进一步说明。
如图1-3所示，拉伸弯曲柔性传感器，包括功能电容层，基底支撑层1，表面封装层3和导电层。功能电容层由两行间隔排列的电容2组成，导电层5和电容设置在基底支撑层上，基底支撑层、导电层和电容表面均覆盖有表面封装层。
其中，基底支撑层为具有内凹槽4的有机聚合物框架，内凹槽为矩形波弯曲形状，基底支撑层采用模具浇筑技术制备而成，材料为细菌纤维素纸/硅胶复合材料，模具形状为矩形波弯曲形状，这种材料和结构形状提高了拉伸弯曲传感器的稳定性和耐久度。
导电层5选择导电铜单面胶带，粘合基底支撑层的有机聚合物框架表面上，并形成两对电极接口Top+，Top-，Bottom+，Bottom-。
两行电容分别放置于基底支撑层的上凹陷矩形和下凹陷矩形部分，其中每行的多个电容串联方式，每个电容采用平行板电容，包括上电极层22-电介质层21-下电极层23，其中，上电极层和下电极层采用导电铜胶带，电介质层采用VHB聚丙烯酸酯双面泡绵胶带，通过电容的变化实现对弯曲和拉伸的感知。
绝缘层材料采用聚乙烯吡咯烷酮(PVP)，采用喷涂工艺喷涂在器件表面，起到保护和电绝缘的作用。
制备本发明时，包括以下步骤：
(1)基底支撑层的制备
将商用的细菌纤维悬浮液与硅胶按一定质量比1:10混合，磁搅拌10分钟使得两者混合均匀，之后浇筑到预先制备的矩形波弯曲形状模具中，之后真空恒温干燥1小时，制备得基底支撑层；细菌纤维度的添加增加了基底支撑层的刚性和杨氏模量。
(2)电极层的制备
在制备的基底支撑层1的内凹槽4的两侧贴合一层单面导电粘性铜带，作为功能电容层中的上下电极层；在制备的基底支撑层内凹槽底部的外贴合一层单面导电粘性铜带作为导电层，导电层将电容串联起来，形成功能电容层，在制备的基底支撑层最左侧和最右侧的拐角均贴合导电粘性铜带，分别作为上层串联功能电容层的上电极接口Top+， Top-和下层串联功能电容层的下电极接口Bottom，Bottom-。
(3)功能电容层的制备
将VHB聚丙烯酸酯双面泡绵胶带小长方体放置于步骤(2)中上下电极层之间。为加固VHB电介质层和上下铜电极层的连接强度，对于每一个电容单元，将粘合胶涂抹在VHB 电介质层四周，之后轻轻按压侧面的上下电极层，使VHB电介质层和上下铜电极层紧密接触，室温干燥1-1.5小时，制备得功能电容层。
(4)表面封装层的制备
将聚乙烯吡咯烷酮(PVP)和水按照质量比3:7混合，搅拌均匀，之后喷涂在步骤(1)-(3)制备得结构上，覆盖裸露的功能电容层和导电层，实现对功能电容层和导电层的电绝缘保护,在室温下干燥一段时间，制备得拉伸弯曲柔性传感器。
使用本发明时，后端硬件电路设计原理如图3所示，通过选择不同的开关闭合，可以选择不同的工作模式，具体地工作模式和对应的开关闭合如下:
(1)S1和S6闭合
此时，拉伸弯曲柔性传感器处于拉伸压缩感知模式下，上下层电容器处于并联模式，总电容输出
当拉伸弯曲柔性传感器受力处于拉伸状态时，每个平行板电容器双电极层之间的距离增加，导致上下层每个平行板电容器的电容降低，进而导致上层电容C1和下层电容C2降低,拉伸弯曲柔性传感器的总输出电容降低，且降低的程度随拉伸的长度增加而增加。
当拉伸弯曲柔性传感器受力处于压缩状态时，每个平行板电容器双电极层之间的距离降低，导致上下层每个平行板电容器的电容增加，进而导致上层电容C1和下层电容 C2增加，拉伸弯曲柔性传感器的总输出电容增加，且增加的程度随压缩程度的增加而增加。
因而，微集成芯片通过分析总输出电容的变化率来表征拉伸/压缩程度，其中，Cout_0为初始电容。拉伸弯曲柔性传感器总输出电容的变化率的绝对值随拉伸或压缩程度的增大而变大。
(2)S2,S3,S4,和S5闭合
此时，拉伸弯曲柔性传感器处于弯曲感知模式下，上下层电容器工作于差分模式，拉伸弯曲柔性传感器的总输出电容为
当拉伸弯曲柔性传感器受力向上弯曲时，上层平行板电容器因压缩而使得双电极层之间的距离降低，平行板电容器的电容增加，上层电容C1增加，而下层平行板电容器因拉伸而使得双电极层之间的距离增加，平行板电容器的电容降低，上层电容C2降低，总电容输出Cout输出为正值且逐渐随着向上弯曲角度的增加而增大。
当拉伸弯曲柔性传感器受力向下弯曲时，上层平行板电容器因拉伸而使得双电极层之间的距离增加，平行板电容器的电容降低，上层电容C1降低，而下层平行板电容器因拉伸而使得双电极层之间的距离降低，平行板电容器的电容增加，上层电容C2增加，总电容输出Cout输出为负值且逐渐随着向下弯曲角度的增加，Cout的绝对值增大。
因而，微集成芯片通过分析总输出电容的变化率来表征弯曲方向及角度，其中正值为向上弯曲，负值为向下弯曲，并且随着弯曲角度的增加，总输出电容Crela的绝对值逐渐增加。

Claims (8)

1.一种拉伸弯曲柔性传感器，其特征在于，包括基底支撑层(1)，所述基底层上设置有若干内凹槽，所述内凹槽内嵌有电容(2)，所述电容(2)之间通过导电层(5)连接，所述基底支撑层、导电层和电容表面均覆盖有表面封装层(3)。
2.根据权利要求1所述的拉伸弯曲柔性传感器，其特征在于，所述基底支撑层为具有矩形波弯曲形状的细菌纤维素纸/硅胶复合有机聚合物框架。
3.根据权利要求1所述的拉伸弯曲柔性传感器，其特征在于，所述导电层采用导电铜金属薄层，共引出两对电极接口Top+，Top-，Bottom+，Bottom-。
4.根据权利要求1所述的拉伸弯曲柔性传感器，其特征在于，所述若干电容分成两行设置在所述基底支撑层上。
5.根据权利要求1所述的拉伸弯曲柔性传感器，其特征在于，所述电容为平行板电容，包括上电极层(22)、电介质层(21)和下电极层(23)，所述电介质层(21)设置在上电极层(22)和下电极层(23)之间。
6.根据权利要求5所述的拉伸弯曲柔性传感器，其特征在于，，所述上电极层和下电极层采用导电铜胶带，所述电介质层采用VHB聚丙烯酸酯双面泡绵胶带。
7.据权利要求1所述的拉伸弯曲柔性传感器，其特征在于，所述表面封装层采用聚乙烯吡咯烷酮制成。
8.如权利要求1-7任一项所述的拉伸弯曲柔性传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)将商用的细菌纤维悬浮液与硅胶按质量比1:10混合，磁搅拌使得两者混合均匀，之后浇筑到矩形波弯曲形状模具中，真空恒温干燥，制备得到基底支撑层；
(2)在制备的基底支撑层的内凹槽的两侧贴合一层单面导电粘性铜带，作为功能电容层中的上下电极层；在制备的基底支撑层内凹槽底部的外贴合一层单面导电粘性铜带作为导电层，在制备的基底支撑层最左侧和最右侧的拐角均贴合导电粘性铜带，分别作为上层串联功能电容层的上电极接口Top+，Top-和下层串联功能电容层的下电极接口Bottom，Bottom-；
(3)将尺寸与基底支撑层的内凹槽一致的VHB聚丙烯酸酯双面泡绵胶带长方体放置于所述步骤(2)中上下电极层之间，将粘合胶涂抹在VHB电介质层四周，按压使VHB电介质层和上下电极层紧密接触，室温干燥后，制备得单电容，步骤(2)中的导电层将电容串联起来，形成功能电容层；
(4)将聚乙烯吡咯烷酮和水按质量比3:7混合，搅拌均匀后喷涂在所述步骤(1)-(3)制备得各个结构上，即得拉伸弯曲柔性传感器。
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