CN110579296A - 倾斜结构增强的双电层电容式柔性压力传感器及制造方法 - Google Patents

倾斜结构增强的双电层电容式柔性压力传感器及制造方法 Download PDF

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Abstract

一种倾斜结构增强的双电层电容式柔性压力传感器及制造方法，传感器包括倾斜微结构电极以及由聚合物与离子液体两相复合而成的电解质层，制造方法是先制备倾斜凹槽压印模具，再使用纳米压印和溅射沉积的方法制备倾斜微结构电极，然后进行工作对电极与固态电解质的制备，再进行倾斜微结构电极与固态电解质及工作对电极的组装；传感器在接入电容测试系统后，电解质层中离子和外电路中电子在电压作用下会聚集在倾斜微结构电极与电解质层接触界面处，形成被测双电层电容，电容值与电解质层和倾斜微结构电极的界面面积成正相关，当传感器受力后接触面积增加从而导致电容值增大；本发明传感器具有很大的测量范围并且在大压力范围内都具有极高的灵敏度。

Description

倾斜结构增强的双电层电容式柔性压力传感器及制造方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，特别涉及一种倾斜结构增强的双电层电容式柔性压力传感器及制造方法。
背景技术
近年来可穿戴设备、电子皮肤以及智能机器人等领域的发展对传感器提出了柔性化、微型化以及集成化等新的要求。而作为传感器本身，则需要有很好的传感性能比如高灵敏度、良好的静态以及动态响应、长使用寿命、高分辨率以及大的测量范围等。按照传感机理不同，柔性传感器主要可以分为压电式、电阻式以及电容式三类。其中，压电式传感器只能检测动态力的响应而不能检测静态力，电阻式传感器的灵敏度普遍较低并且具有较为严重的迟滞，而电容式传感器具有快响应速度、较高灵敏度以及良好的静态以及动态响应。因此，研制一种柔性的低成本、高性能的电容式传感器具有十分广阔的应用前景。
最常见的电容式传感器原理大致如下：外界力施加在电容传感器表面导致传感器两个电极之间的间距发生变化，从而进一步造成电容值变化，通过检测电容值的改变既可以感知力的变化。此类电容传感器的设计制造思路大致都是通过微纳制造技术对介电层进行微结构化从而使得介电层厚度即电极板间距更容易发生变化。这种方法可以从一定程度上提高传感器的灵敏度，但是由于间距变化有限导致灵敏度不能突破一定的上限，同时由于电容极板间距的可变化范围较小导致测试范围较小。此外，极板间距变化的过程中结构化区域的空气也被挤压，空气占比的减小导致的介电常数变化会造成传感信号明显的非线性。
针对上述问题，近几年有研究利用电解质层与电极层界面处的双电层电容作为传感基础，电容值大小与界面接触面积成正相关，通过接触界面的面积变化引起电容值变化从而感知力的变化。此类传感器具有很高的灵敏度以及很大的测量范围，然而现有的研究都是对电解质层进行结构化以提升受力过程中接触面积的相对变化值，从而提高传感器灵敏度，其结构化方法主要是使电解质层布满阵列的锥状或者球状结构。这种结构化方法在低压力范围具有理想的灵敏度，但是压力增大到一定数值以后相对面积变化变缓，器件灵敏度迅速下降并且呈现较明显的非线性。同时，结构化的电解质层的机械特性普遍较差，在长期使用过程中会产生不可逆的变形，导致器件性能的变化。因此，需要开发新的离子电容式传感器制造方法，既能实现传感器稳定的结构，扩展传感器测量范围，并且保证在整个测量范围内都具有高灵敏度。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种倾斜结构增强的双电层电容式柔性压力传感器及制造方法，倾斜微结构电极在整个压力区间内具有很大的且近线性的相对面积变化，因此传感器具有很大的测量范围并且在大压力范围内都具有极高的灵敏度。
为了达到上述目的，本发明采取的技术方案为：
一种倾斜结构增强的双电层电容式柔性压力传感器，包括倾斜微结构电极以及由聚合物与离子液体两相复合而成的电解质层，在接入电容测试系统后，电解质层中离子和外电路中电子在电压作用下会聚集在倾斜微结构电极与电解质层接触界面处，形成被测双电层电容，电容值与电解质层和倾斜微结构电极的界面面积成正相关，当传感器受力后接触面积增加从而导致电容值增大。
一种倾斜结构增强的双电层电容式柔性压力传感器的制造方法，包括以下步骤：
第一步，压印模具的制备及处理：压印模具1采用光刻和翻模的工艺制备，在光刻胶上制作倾斜的片状阵列，用聚二甲基硅氧烷(PDMS)与固化剂以质量比10：1混合后做两次翻模得到与光刻结构一致的压印模具1，倾斜角度为20-40°；
第二步，倾斜微结构电极的制备：基材2采用柔性聚酰亚胺膜(PI膜)，利用匀胶机在基材2表面旋涂一层厚度为微米级别的聚偏氟乙烯(PVDF)溶液并在热板上把残余溶剂蒸干得到聚偏氟乙烯薄膜3；随后以15MPa的压力将压印模具1压在聚偏氟乙烯薄膜3上，并保持压力放置于烘箱中180℃加热30-40分钟，之后取出冷却至室温后脱模得到倾斜微结构化聚偏氟乙烯薄膜4，用磁控溅射工艺在倾斜微结构化聚偏氟乙烯薄膜4上溅射一层导电金属得到倾斜微结构电极5；
第三步，工作对电极与固态电解质的制备：在另一基材2上溅射一层导电金属作为工作对电极6，在工作对电极6表面旋涂聚合物与离子液体溶液后烘干得到电解质薄膜7，随后在电解质薄膜7四周固定四片聚二甲基硅氧烷(PDMS)垫片8；
第四步，倾斜微结构电极与固态电解质及工作对电极的组装：在聚二甲基硅氧烷垫片8表面涂敷一层未固化的聚二甲基硅氧烷作为粘结剂，将聚二甲基硅氧烷垫片8与倾斜微结构电极5的非图形区域对准并加压使之接触，保持压力放置于热板上90℃加热8-10分钟完成组装；
第五步，从倾斜微结构电极5、工作对电极6引出接线与电容测试系统相连进行测试，测试中倾斜微结构电极与电解质的接触界面处聚集异性电荷，形成双电层电容。
所述的第一步中第一次翻模得到的模具需要进行低表面能处理，以防止第二次翻模脱模过程中结构断裂，低表面能处理是将模具用氟硅烷溶液浸泡6小时，并170℃烘烤12小时。
所述的第二步和第三步中溅射的导电金属是铜、银、金具有高电导率的金属材料。
所述的第三步中的聚合物和离子液体溶液是以1：1的质量比将聚合物和离子液体分散在溶剂中并在60℃的水浴环境下用磁力搅拌机搅拌使其充分溶解得到；聚合物和离子液体溶液是聚乙烯醇(PVA)和1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐([EMIM]OTF)的水溶液，或者聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)和1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([EMIM]BF4)或者1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([EMIM]TFSI)的丙酮溶液。
所述的第三步中的聚二甲基硅氧烷垫片8的厚度为电解质薄膜7与倾斜微结构电极5高度总和，聚二甲基硅氧烷垫片8的厚度通过刻蚀、翻模工艺控制。
本发明的有益效果为：
本发明提出了一种倾斜结构增强的双电层电容式柔性压力传感器及制造方法，传感器拥有极高的灵敏度以及极大的测试范围；可适用于多种聚合物和离子液体体系，各种体系只需要能够旋涂成膜，对体系的可加工性以及可成型性要求不高，而且电解质薄膜在工作中不参与变形，因此对其机械特性没有较高要求。光刻翻模工艺能够精确控制倾斜微结构电极形状和尺寸，可以得到大面积均匀一致并且可控的图形结构。倾斜微结构电极能够保证在整个测量范围内拥有极高的灵敏度，同时避免电解质层结构化带来的不可逆变形。除此之外，可以通过控制倾斜微结构电极的倾斜角度以及形状、尺寸等调整器件灵敏度和测量范围。
附图说明
图1为实施例压印模具1的结构示意图。
图2为实施例在基材2上制备一层聚偏氟乙烯薄膜3的示意图。
图3为实施例压印模具1压在聚偏氟乙烯薄膜3上使其成型的示意图。
图4为实施例脱模后形成的倾斜微结构化聚偏氟乙烯薄膜4的示意图。
图5为实施例在倾斜微结构化聚偏氟乙烯薄膜4上溅射一层导电金属形成的倾斜微结构电极5的示意图。
图6为实施例旋涂得到的电解质薄膜7以及聚二甲基硅氧烷垫片8的示意图。
图7为实施例倾斜微结构电极与固态电解质及工作对电极的组装的示意图。
图8为实施例受力工作的示意图。
图9为实施例工作时双电层界面聚集电荷的示意图。
具体实施方式
下面将结合附图和实施例对本发明制造方法做详细描述。
一种倾斜结构增强的双电层电容式柔性压力传感器的制造方法，包括以下步骤：
第一步，压印模具的制备及处理：参照图1，压印模具1采用光刻和翻模的工艺制备，在光刻胶上光刻并且显影得到倾斜的片状阵列凹模结构，后用聚二甲基硅氧烷(PDMS)与固化剂以质量比10：1混合后翻模得到凸模，对凸模进行低表面能处理即将模具用氟硅烷溶液浸泡6小时，并170℃烘烤12小时后再次翻模得到与光刻胶结构一致的压印模具1，倾斜角度为20-40°；
第二步，倾斜微结构电极的制备：基材2采用柔性聚酰亚胺膜(PI膜)，利用匀胶机在基材2表面旋涂一层厚度为微米级别的聚偏氟乙烯(PVDF)溶液并在热板上把残余溶剂蒸干得到聚偏氟乙烯薄膜3，旋涂转速越低得到的聚偏氟乙烯薄膜3越厚，则需要的加热时间则越长，反之则加热时间越短，如图2所示；随后以15MPa的压力将压印模具1压在聚偏氟乙烯薄膜3上，并保持压力放置于烘箱中180℃加热30-40分钟，如图3所示；之后取出冷却至室温后脱模得到倾斜微结构化聚偏氟乙烯薄膜4，如图4所示；再用磁控溅射工艺在倾斜微结构化聚偏氟乙烯薄膜4上溅射一层厚度约为100nm的导电金属得到倾斜微结构电极5，如图5所示；磁控溅射的导电金属可以是铜、银、金等具有高电导率的金属材料；
第三步，工作对电极与固态电解质的制备：在另一基材2上溅射一层厚度约为100nm的导电金属作为工作对电极6，在工作对电极6表面旋涂聚合物与离子液体溶液后烘干得到电解质薄膜7，电解质薄膜7厚度由旋涂转速与时间控制，随后在电解质薄膜7四周固定四片聚二甲基硅氧烷(PDMS)垫片8，如图6所示；
溅射的导电金属可以是铜、银、金等具有高电导率的金属材料；
聚合物和离子液体溶液是以1：1的质量比将聚合物和离子液体分散在溶剂中并在60℃的水浴环境下用磁力搅拌机搅拌使其充分溶解得到；聚合物和离子液体溶液是聚乙烯醇(PVA)和1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐([EMIM]OTF)的水溶液，或者聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)和1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([EMIM]BF4)或者1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([EMIM]TFSI)的丙酮溶液；
聚二甲基硅氧烷垫片8的厚度为电解质薄膜7与倾斜微结构电极5高度总和，聚二甲基硅氧烷垫片8的厚度通过刻蚀、翻模工艺控制；
第四步，倾斜微结构电极与固态电解质及工作对电极的组装：在聚二甲基硅氧烷垫片8表面涂敷一层未固化的聚二甲基硅氧烷作为粘结剂，将聚二甲基硅氧烷垫片8与倾斜微结构电极5的非图形区域对准并加压使之接触，保持压力放置于热板上90℃加热约10分钟完成组装，如图7所示；
第五步，从倾斜微结构电极5、工作对电极6引出接线与电容测试系统相连进行测试，受力后倾斜微结构电极5发生弯曲，与电解质层接触面逐渐增大，如图8所示；测试中倾斜微结构电极5与电解质的接触界面处聚集异性电荷，形成被测双电层电容，如图9所示。
本发明可适用于多种聚合物和离子液体体系，各种体系只需要能够旋涂成膜，对体系的可加工性以及可成型性要求不高，而且电解质薄膜在工作中不参与变形，因此对其机械特性没有较高要求。光刻翻模工艺能够精确控制倾斜微结构电极形状和尺寸，可以得到大面积均匀一致并且可控的图形结构。倾斜微结构电极能够保证在整个测量范围内拥有极高的灵敏度，同时避免电解质层结构化带来的不可逆变形。除此之外，可以通过控制倾斜微结构电极的倾斜角度以及形状、尺寸等调整器件灵敏度和测量范围。

Claims (6)

1.一种倾斜结构增强的双电层电容式柔性压力传感器，其特征在于：包括倾斜微结构电极以及由聚合物与离子液体两相复合而成的电解质层，在接入电容测试系统后，电解质层中离子和外电路中电子在电压作用下会聚集在倾斜微结构电极与电解质层接触界面处，形成被测双电层电容，电容值与电解质层和倾斜微结构电极的界面面积成正相关，当传感器受力后接触面积增加从而导致电容值增大。
2.一种倾斜结构增强的双电层电容式柔性压力传感器的制造方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，压印模具的制备及处理：压印模具(1)采用光刻和翻模的工艺制备，在光刻胶上制作倾斜的片状阵列，用聚二甲基硅氧烷(PDMS)与固化剂以质量比10：1混合后做两次翻模得到与光刻结构一致的压印模具(1)，倾斜角度为20-40°；
第二步，倾斜微结构电极的制备：基材(2)采用柔性聚酰亚胺膜(PI膜)，利用匀胶机在基材(2)表面旋涂一层厚度为微米级别的聚偏氟乙烯(PVDF)溶液并在热板上把残余溶剂蒸干得到聚偏氟乙烯薄膜(3)；随后以15MPa的压力将压印模具(1)压在聚偏氟乙烯薄膜(3)上，并保持压力放置于烘箱中180℃加热30-40分钟，之后取出冷却至室温后脱模得到倾斜微结构化聚偏氟乙烯薄膜(4)，用磁控溅射工艺在倾斜微结构化聚偏氟乙烯薄膜(4)上溅射一层导电金属得到倾斜微结构电极(5)；
第三步，工作对电极与固态电解质的制备：在另一基材(2)上溅射一层导电金属作为工作对电极(6)，在工作对电极(6)表面旋涂聚合物与离子液体溶液后烘干得到电解质薄膜(7)，随后在电解质薄膜(7)四周固定四片聚二甲基硅氧烷(PDMS)垫片(8)；
第四步，倾斜微结构电极与固态电解质及工作对电极的组装：在聚二甲基硅氧烷垫片(8)表面涂敷一层未固化的聚二甲基硅氧烷作为粘结剂，将聚二甲基硅氧烷垫片(8)与倾斜微结构电极(5)的非图形区域对准并加压使之接触，保持压力放置于热板上90℃加热8-10分钟完成组装；
第五步，从倾斜微结构电极(5)、工作对电极(6)引出接线与电容测试系统相连进行测试，测试中倾斜微结构电极与电解质的接触界面处聚集异性电荷，形成双电层电容。
3.根据权利要求2所述的一种倾斜结构增强的双电层电容式柔性压力传感器的制造方法，其特征在于：所述的第一步中第一次翻模得到的模具需要进行低表面能处理，以防止第二次翻模脱模过程中结构断裂，低表面能处理是将模具用氟硅烷溶液浸泡6小时，并170℃烘烤12小时。
4.根据权利要求2所述的一种倾斜结构增强的双电层电容式柔性压力传感器的制造方法，其特征在于：所述的第二步和第三步中溅射的导电金属是铜、银、金具有高电导率的金属材料。
5.根据权利要求2所述的一种倾斜结构增强的双电层电容式柔性压力传感器的制造方法，其特征在于：所述的第三步中的聚合物和离子液体溶液是以1：1的质量比将聚合物和离子液体分散在溶剂中并在60℃的水浴环境下用磁力搅拌机搅拌使其充分溶解得到；聚合物和离子液体溶液是聚乙烯醇(PVA)和1-乙基-3-甲基咪唑三氟甲磺酸盐([EMIM]OTF)的水溶液，或者聚偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物(PVDF-HFP)和1-乙基-3-甲基咪唑四氟硼酸盐([EMIM]BF4)或者1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐([EMIM]TFSI)的丙酮溶液。
6.根据权利要求2所述的一种倾斜结构增强的双电层电容式柔性压力传感器的制造方法，其特征在于：所述的第三步中的聚二甲基硅氧烷垫片(8)的厚度为电解质薄膜(7)与倾斜微结构电极(5)高度总和，聚二甲基硅氧烷垫片(8)的厚度通过刻蚀、翻模工艺控制。
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