CN110836738A - 一种柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种柔性压力传感器，包括相对放置的两个柔性压力传感元件，所述柔性压力传感元件包括依次设置的柔性衬底层、电极层和介电层，所述柔性衬底层的材料为布料，所述布料表面为凹凸不平的结构。本发明还涉及一种柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：（1）对布料进行预处理，得到柔性衬底层；（2）将柔性衬底层平铺，在柔性衬底层上沉积石墨烯或蒸镀一层纳米金属，形成具有凹凸表面的电极层；（3）在电极层上旋涂处理形成介电层，接着在70‑90℃下进行加热固化，固化时间0.8‑1.2h，冷却至室温，制成柔性压力传感元件；（4）将两个柔性压力传感元件相对放置，制成柔性压力传感器。本发明的柔性压力传感器灵敏度高，制作方法简单，成本较低。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
压力传感器可以对外力施加于压力传感器表面时产生的变化产生感应，并对压力大小做出相应变化。柔性压力传感器是压力传感器的一种，柔性压力传感器是通过选用材料的特性，可以进行一定程度的弯曲，用于覆盖非水平表面，广泛应用在工业、医疗和实际生活中。
当压力传感器感应到表面产生压力变化时，将压力变化转变为电学信号。因此，压力传感器制备时，需要选用对外施压力敏感的材料，即使在外施压力很微弱的状态下，也可以发生提供足够的变化，从而提高电学信号的灵敏度。而对柔性压力传感器的衬底要求而言，衬底需要有足够的弹性能够根据覆盖物的表面进行贴合覆盖的同时不影响压力传感器中的电极层和介电层性质，同时承受高应力和提供高灵敏度的信号。
目前，在制备柔性压力传感器的技术中，大量采用了微结构阵列，即通过微电子机械加工技术，在衬底模板上制备出具有微纳结构阵列，然后在结构阵列膜上设置电极层。涉及到的技术及工艺包括但不局限扩散、沉积、溅射、腐蚀、光刻，工艺略显复杂。尽管该技术可以实现精确批量制作微结构阵列，但直接导致了流程大，难度高，成本居高不下等缺点。此外，传统的制备方法无法实现大面积柔性压力传感器的制备，在工业生产制造，尤其是涉及到工业机器人应用场合中，应用范围受到了严重局限。
发明内容
本发明克服了现有技术的不足，提供一种灵敏度高、费时少、成本低廉的柔性压力传感器及其制备方法。
为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：一种柔性压力传感器，其特征在于，包括相对放置的两个柔性压力传感元件，所述柔性压力传感元件包括依次设置的柔性衬底层、电极层和介电层，所述柔性衬底层的材料为布料，所述布料表面为凹凸不平的结构。
本发明一个较佳实施例中，一种柔性压力传感器进一步包括所述凹凸不平的结构包括间隔设置的凹陷部和凸起部。
本发明一个较佳实施例中，一种柔性压力传感器进一步包括所述凹陷部的中心点与凸起部的中心点之间的距离不超过1mm。
本发明一个较佳实施例中，一种柔性压力传感器进一步包括所述布料采用平纹纺织布料、斜纹纺织布料、缎纹纺织布料中的任意一种。
本发明一个较佳实施例中，一种柔性压力传感器进一步包括所述电极层的材料为石墨烯或纳米金属。
本发明一个较佳实施例中，一种柔性压力传感器进一步包括所述介电层的材料为聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、丙烯酸树脂或乙烯基树脂。
一种柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
（1）对布料进行预处理，得到柔性衬底层；
（2）将柔性衬底层平铺，在柔性衬底层上沉积石墨烯或蒸镀一层纳米金属，形成具有凹凸表面的电极层；
（3）在电极层上旋涂处理形成介电层，接着在70-90℃下进行加热固化，固化时间0.8-1.2h，冷却至室温，制成柔性压力传感元件；
（4）将两个柔性压力传感元件相对放置，制成柔性压力传感器。
本发明一个较佳实施例中，一种柔性压力传感器的制备方法进一步包括所述步骤（1）中，预处理包括采用中性洗涤剂清洗后，自然干燥。
本发明一个较佳实施例中，一种柔性压力传感器的制备方法进一步包括所述步骤（3）中，将浓度为30%-50%的聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、丙烯酸树脂或乙烯基树脂中的任意一种，以600-1000rpm的旋转速度通过真空匀胶仪旋涂在电极层上，旋涂时间为20-40s，厚度为10-20μm。
本发明一个较佳实施例中，一种柔性压力传感器的制备方法进一步包括将聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、丙烯酸树脂或乙烯基树脂与庚烷溶剂混合均匀旋涂在电极层上。
本发明具有以下有益效果：
（1）本发明通过选用布料作为柔性压力传感器的衬底，以石墨烯作为电极层，以聚二甲基硅氧烷涂层获得后作为介电层，获得柔性压力传感元件，对两个柔性压力传感元件进行介电层相对布置，获得柔性压力传感器，通过布料表面凹凸不平的特点，在保持较大柔性的基础上，可以使介电层接触区域的空气层发生变化，提高传感器灵敏度。
（2）与传统的柔性压力传感器相比，本压力传感器制作流程较短，制作方法简单便利，制作成本较低。
附图说明
下面结合附图和实施例对本发明进一步说明。
图1是本发明的优选实施例的结构示意图。
具体实施方式
现在结合附图和实施例对本发明作进一步详细的说明，这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明本发明的基本结构，因此其仅显示与本发明有关的构成。
如图1所示，一种柔性压力传感器，包括相对放置的两个柔性压力传感元件2，柔性压力传感元件2包括依次设置的柔性衬底层4、电极层6和介电层8，柔性衬底层4的材料为布料，布料表面为凹凸不平的结构。
本发明优选凹凸不平的结构包括间隔设置的凹陷部10和凸起部12。进一步优选凹陷部10的中心点与凸起部12的中心点之间的距离d不超过1mm。
本发明优选布料采用平纹织布、斜纹织布、缎纹织布中的任意一种。
本发明优选电极层6的材料为石墨烯或纳米金属。纳米金属还可以是纳米金或纳米银。
本发明优选介电层8的材料为聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、丙烯酸树脂或乙烯基树脂。
从电极层6中引出导线14，实现与外部设备连接。
实施例一
一种柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
（1）对平纹纺织布料进行预处理，预处理包括采用中性洗涤剂清洗后，自然干燥，得到柔性衬底层4；
（2）将柔性衬底层4平铺，在柔性衬底层4上沉积石墨烯，形成具有凹凸表面的电极层6；
（3）将聚二甲基硅氧烷与庚烷溶剂混合均匀，聚二甲基硅氧烷的浓度为40%，以800rpm的旋转速度通过真空匀胶仪在电极层6上旋涂，旋涂时间为30s，厚度为15μm，形成介电层8，接着在80℃下进行加热固化，固化时间1h，冷却至室温，制成柔性压力传感元件2，将导线一端接入到电极层6中；
（4）将两个柔性压力传感元件2相对放置，制成柔性压力传感器。
该柔性压力传感器的工作原理为在外加压力的作用下，相对的柔性衬底层4由于不光滑的平面接触会产生变形，导致元件结构中的介电层8接触面积增大，空气层减少。外加压力的大小改变，介电层8的接触面积也随之改变，进而使柔性压力传感器的电容等特征参数发生相应改变。等到压力释放后，根据柔性衬底层4自身的特点，柔性衬底层4带动电极层6和介电层8回复到原位，该柔性压力传感器的电容特征参数同时发生相应改变，而通过检测测试仪表中等特征参数的变化即可推断出压力的大小及其变化。
实施例二
一种柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
（1）对斜纹纺织布料进行预处理，预处理包括采用中性洗涤剂清洗后，自然干燥，得到柔性衬底层4；
（2）将柔性衬底层4平铺，在柔性衬底层4上沉积石墨烯，形成具有凹凸表面的电极层6；
（3）将聚二甲基硅氧烷与庚烷溶剂混合均匀，聚二甲基硅氧烷的浓度为50%，以1000rpm的旋转速度通过真空匀胶仪在电极层6上旋涂，旋涂时间为20s，厚度为10μm，形成介电层8，接着在70℃下进行加热固化，固化时间1.2h，冷却至室温，制成柔性压力传感元件2，将导线一端接入到电极层6中；
（4）将两个柔性压力传感元件2相对放置，制成柔性压力传感器。
该柔性压力传感器的工作原理为在外加压力的作用下，相对的柔性衬底层4由于不光滑的平面接触会产生变形，导致元件结构中的介电层8接触面积增大，空气层减少。外加压力的大小改变，介电层8的接触面积也随之改变，进而使柔性压力传感器的电容等特征参数发生相应改变。等到压力释放后，根据柔性衬底层4自身的特点，柔性衬底层4带动电极层6和介电层8回复到原位，该柔性压力传感器的电容特征参数同时发生相应改变，而通过检测测试仪表中等特征参数的变化即可推断出压力的大小及其变化。
实施例三
一种柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
（1）对缎纹纺织布料进行预处理，预处理包括采用中性洗涤剂清洗后，自然干燥，得到柔性衬底层4；
（2）将柔性衬底层4平铺，将柔性衬底层4置于蒸镀设备中，在柔性衬底层4上蒸镀一层纳米金属，形成具有凹凸表面的电极层6；
（3）将聚二甲基硅氧烷与庚烷溶剂混合均匀，聚二甲基硅氧烷的浓度为30%，以600rpm的旋转速度通过真空匀胶仪在电极层6上旋涂，旋涂时间为40s，厚度为20μm，形成介电层8，接着在90℃下进行加热固化，固化时间0.8h，冷却至室温，制成柔性压力传感元件2，将导线一端接入到电极层6中；
（4）将两个柔性压力传感元件2相对放置，制成柔性压力传感器。
该柔性压力传感器的工作原理为在外加压力的作用下，相对的柔性衬底层4由于不光滑的平面接触会产生变形，导致元件结构中的介电层8接触面积增大，空气层减少。外加压力的大小改变，介电层8的接触面积也随之改变，进而使柔性压力传感器的电容等特征参数发生相应改变。等到压力释放后，根据柔性衬底层4自身的特点，柔性衬底层4带动电极层6和介电层8回复到原位，该柔性压力传感器的电容特征参数同时发生相应改变，而通过检测测试仪表中等特征参数的变化即可推断出压力的大小及其变化。
实施例四
实施例四与实施例一的区别点在于：布料选用斜纹纺织布料，石墨烯沉积厚度为实施例一中石墨烯沉积厚度的两倍。通过电极层6厚度的增加会直接导致外加压力实施时，特征信号会产生相应变化。
实施例五
实施例五与实施例一的区别点在于：将聚二甲基硅氧烷替换为环氧树脂。
实施例六
实施例六与实施例一的区别点在于：将聚二甲基硅氧烷替换为丙烯酸树脂。
实施例七
实施例七与实施例一的区别点在于：将聚二甲基硅氧烷替换为乙烯基树脂。
以上依据本发明的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关人员完全可以在不偏离本项发明技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改。本项发明的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定技术性范围。
Claims (10)
1.一种柔性压力传感器，其特征在于，包括相对放置的两个柔性压力传感元件，所述柔性压力传感元件包括依次设置的柔性衬底层、电极层和介电层，所述柔性衬底层的材料为布料，所述布料表面为凹凸不平的结构。
2.根据权利要求1所述的一种柔性压力传感器，其特征在于，所述凹凸不平的结构包括间隔设置的凹陷部和凸起部。
3.根据权利要求2所述的一种柔性压力传感器，其特征在于，所述凹陷部的中心点与凸起部的中心点之间的距离不超过1mm。
4.根据权利要求1或3所述的一种柔性压力传感器，其特征在于，所述布料采用平纹纺织布料、斜纹纺织布料、缎纹纺织布料中的任意一种。
5.根据权利要求1所述的一种柔性压力传感器，其特征在于，所述电极层的材料为石墨烯或纳米金属。
6.根据权利要求1所述的一种柔性压力传感器，其特征在于，所述介电层的材料为聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、丙烯酸树脂或乙烯基树脂。
7.一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
（1）对布料进行预处理，得到柔性衬底层；
（2）将柔性衬底层平铺，在柔性衬底层上沉积石墨烯或蒸镀一层纳米金属，形成具有凹凸表面的电极层；
（3）在电极层上旋涂处理形成介电层，接着在70-90℃下进行加热固化，固化时间0.8-1.2h，冷却至室温，制成柔性压力传感元件；
（4）将两个柔性压力传感元件相对放置，制成柔性压力传感器。
8.根据权利要求7所述的一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤（1）中，预处理包括采用中性洗涤剂清洗后，自然干燥。
9.根据权利要求7所述的一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）中，将浓度为30%-50%的聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、丙烯酸树脂或乙烯基树脂中的任意一种，以600-1000rpm的旋转速度通过真空匀胶仪旋涂在电极层上，旋涂时间为20-40s，厚度为10-20μm。
10.根据权利要求9所述的一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，将聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、丙烯酸树脂或乙烯基树脂与庚烷溶剂混合均匀旋涂在电极层上。
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