CN110715757A - 一种基于碳化棉织物薄膜电极的电容式压力传感器 - Google Patents

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方强龙
金尚忠
徐时清
沈洋
张淑琴
黄帅
何坤
雒玉蓉
杨茹
张振
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Abstract

本发明公开了一种基于碳化棉织物薄膜电极的电容式压力传感器，将碳化棉织物作为薄膜电极的传感材料，将碳化棉织物复合溶液涂覆在固定电级上热封形成碳化棉织物薄膜电极，通过检测电路形成的检测装置检测到电荷量的变化，再通过转换电路将电荷量转换为电流信号输出。该薄膜电极的电容式压力传感器应用的碳化棉织物薄膜制备工艺简单、灵活性高、承受压力范围大、灵敏度高，且压力传感器适合低压下工作，具有较高的过载能力。

Description

一种基于碳化棉织物薄膜电极的电容式压力传感器
技术领域
本发明属于柔性电子技术领域，尤其涉及一种基于碳化棉织物薄膜电极的电容式压力传感器的设计。
背景技术
柔性压力传感器作为可穿戴式柔性器件的重要组成部分，在实时健康监测、人体运动监测、人机交互和电子皮肤等领域得到了广泛的关注。
传统的压力传感平台是以金属和半导体为基础的，这些压力传感器的柔软性和灵活性已不能满足人们对压力传感器的要求。
近年来，多种新型材料被用作柔性压力传感器的传感材料，这些材料通常与柔性基体结合，所得到的的传感器具有优异的灵活性。然而，复杂的制备工艺和昂贵的原材料是这些压力传感器不可忽视的缺点，而且这些传感材料具有未知的毒性和对环境的不利影响，因此，我们迫切需要一种简单、经济、具有高机电性能、高生物相容性和环境友好性的柔性压力传感器。
发明内容
本发明的目的在于提供一种基于碳化棉织物薄膜电极的电容式压力传感器，以解决上述背景技术中提出现有的制备工艺复杂、原材料昂贵的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种基于碳化棉织物薄膜电极的电容式压力传感器，用碳化棉织物作压力传感器的传感材料，制成一个碳化棉织物薄膜电极，当受到压力作用时，薄膜就会发生形变，从而产生位移，导致薄膜跟固定电极之间的电容量就会发生变化，检测装置检测到膜片中心产生的位移就能得出电容量的变化，通过转换电路将电容量变化，最终转变为一个电流信号输出。
进一步地，碳化棉织物薄膜电极由碳化棉织物复合溶液涂覆在固定电极上，并用热塑性聚氨酯薄膜热封形成。
进一步地，碳化棉织物复合溶液由以下方法制备得到：先将热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)在50℃磁场中搅拌8h，再在二甲基乙酰胺中溶解，然后将碳化棉织物(CCF)浸泡在TPU溶液中5分钟，取出放在80℃烤箱中干燥，上述过程重复三遍，以确保TPU是完全一致的涂层。
进一步地，碳化棉织物的制备方法如下：将棉织物(CF)依次用乙醇和去离子水清洗五次，再放在60℃烤箱中烘烤8小时，取出放在室温下自然冷却，再在氮气气氛下加热到800℃，保持一小时后取出放在室温下冷却，即可得到碳化棉织物。
进一步地，碳化棉织物薄膜电极与固定电极之间用硅油填充液填充使薄膜成球形，便于感知变形程度。
进一步地，检测装置可用橡胶膜片、波纹管膜片和弹簧片作测压元件，当薄膜感受到压力时，其膜片中心处就会产生一个位移，依据位移与电容的转换关系得出电容量的变化。
进一步地，转换电路可由相敏检波电路以及电压电流转换电路组成，将电容量的变化转换成4-20mA的标准电流信号，再通过放大电路放大输出即可。
与现有技术相比，本基于碳化棉织物薄膜电极的电容式压力传感器的有益效果是：
1、该传感器中应用的碳化棉织物薄膜制备工艺简单、灵活性高、承受压力范围大、灵敏度高；
2、该压力传感器具有高机电性能、高生物相容性和环境友好性；
3、该压力传感器适合低压下工作，有较高的过载能力。
附图说明
图1是本发明一种基于碳化棉织物薄膜电极的电容式压力传感器的流程图。
图2是本发明一种基于碳化棉织物薄膜电极的电容式压力传感器实施的结构图。
图3是本发明一种基于碳化棉织物薄膜电极的电容式压力传感器的转换电路实现的电路图。
图4是本发明一种基于碳化棉织物薄膜电极的电容式压力传感器的检测装置的结构图。
图中：1、碳化棉织物薄膜电极；2、硅油填充液；3、固定电极；4、镀膜绝缘体；5、波纹管膜片；6、橡胶膜片；7、弹簧片。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
请参阅图1-4，本发明提供一种技术方案：一种基于碳化棉织物薄膜电极的电容式压力传感器，将碳化棉织物作为薄膜电极的传感材料，将碳化棉织物复合溶液涂覆在固定电极3上热封形成碳化棉织物薄膜电极1，通过检测电路形成的检测装置检测到电荷量的变化，再通过转换电路将电荷量转换为电流信号输出，其中碳化棉织物复合溶液由以下方法制备得到：
一、首先将将棉织物(CF)依次用乙醇和去离子水清洗五次，再放在60℃烤箱中烘烤8小时，取出放在室温下自然冷却，再在氮气气氛下加热到800℃，保持一小时后取出放在室温下冷却，即可得到碳化棉织物；
二、接着再先将热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)在50℃磁场中搅拌8h，再在二甲基乙酰胺中溶解，然后将碳化棉织物(CCF)浸泡在TPU溶液中5分钟，取出放在80℃烤箱中干燥，上述过程重复三遍，以确保TPU是完全一致的涂层。
图1是本发明一种基于碳化棉织物薄膜电极的电容式压力传感器的流程图，主要由测量部分与转换部分组成，检测装置检测到膜片中心处的位移变化就能得出电容量的变化，再通过转换电路将电容量的变化最终转换为一个电流信号输出。
图2是本发明一种基于碳化棉织物薄膜电极的电容式压力传感器的实施结构图，其中主要是碳化棉织物薄膜电极1和镀膜绝缘体4构成，碳化棉织物薄膜电极1与底下固定电极3之间用硅油填充液2填充，使碳化棉织物薄膜电极1成弧形便于受压变形，当受到压力作用时，薄膜就会发生形变，从而产生位移，导致碳化棉织物薄膜电极1跟固定电极3之间的电容量就会发生变化，通过引线将数据传输到检测装置中即可。
图3是图1中转换部分的电路图，主要由解调器、振荡器、电流限制器和电路转换器组成，通过此电路可将电容量的变化转换为4-20mA电流信号，再经放大电路放大输出即可。
图4是检测装置图，由橡胶膜片6、波纹管膜片5和弹簧片7作测压元件，由压强变化得出位移，再依据位移与电容的转换关系得出电容量的变化，其中位移与电容的关系可由式
Figure RE-GDA0002312210210000041
得到，C为电容量，ε为介电常数，A 为极板面积，d为极间距离，当A、d、C分别以mm2、mm和pf为单位时， k＝0.008858。
尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种基于碳化棉织物薄膜电极的电容式压力传感器，其特征在于：将碳化棉织物作为薄膜电极的传感材料，将碳化棉织物复合溶液涂覆在固定电极(3)上热封形成碳化棉织物薄膜电极(1)，通过检测电路形成的检测装置检测到电荷量的变化，再通过转换电路将电荷量转换为电流信号输出。
2.根据权利要求1所述的碳化棉织物复合溶液，其特征在于：溶液的制备，包括以下步骤：
先将热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)在50℃磁场中搅拌8h，再在二甲基乙酰胺中溶解，然后将碳化棉织物(CCF)浸泡在TPU溶液中5分钟，取出放在80℃烤箱中干燥，上述过程重复三遍。
3.根据权利要求1所述的碳化棉织物，其特征在于：其制备方法，包括以下步骤：
将棉织物(CF)依次用乙醇和去离子水清洗五次，再放在60℃烤箱中烘烤8小时，取出放在室温下自然冷却，再在氮气气氛下加热到800℃，保持一小时后取出放在室温下冷却，即可得到碳化棉织物。
4.根据权利要求1所述的碳化棉织物，其特征在于：其颜色由白变黑，变成石墨状碳材料。
5.根据权利要求1所述的碳化棉织物，其特征在于：导电率随碳化温度的升高而增大。
6.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：碳化棉织物薄膜电极(1)与固定电极(3)之间用硅油填充液(2)填充。
7.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：其检测依托于碳化棉织物薄膜电极(1)与镀膜绝缘体(4)构成的实施系统。
8.根据权利要求1所述的检测装置，其特征在于：由橡胶膜片(6)、波纹管膜片(5)和弹簧片(7)作测压元件。
9.根据权利要求1所述的转换电路，其特征在于：主要由解调器、振荡器、电流限制器和电流转换器组成。
10.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，其具有良好的稳定性、可靠性和耐用性。
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