CN111552381A - 电容式压力传感器及其制备方法和钢琴手套 - Google Patents

电容式压力传感器及其制备方法和钢琴手套 Download PDF

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Abstract

一种电容式压力传感器及其制备方法和钢琴手套，该电容式压力传感器包括第一衬底；第一电极，其设置在第一衬底上；介电层，其设置在第一电极上；第二电极，其设置在介电层上；以及第二衬底，其设置在第二电极。本发明通过采用3D结构的介电层构建柔性电容式压力传感器，成功的解决了电容式压力传感器灵敏度低的问题，所制备的电容式压力传感器灵敏度非常的高；本发明设计的3D结构的电容式压力传感器响应速度很快，能够准确无误的采集到所有人体发出的压力信号。

Description

电容式压力传感器及其制备方法和钢琴手套
技术领域
本发明属于柔性电子器件领域和压力传感器领域，具体涉及一种电容式压力传感器及其制备方法和钢琴手套。
背景技术
为了促进人与机器设备之间的交互通信，可集成到人体中的可穿戴传感器件已经从科幻小说中发展为成熟的消费和医疗产品。在可穿戴电子设备的硬件设计中，柔性压力传感器是其中非常重要的一个研究方向。显示技术，移动电话，准触觉传感器和物联网行业等迅速增长的市场导致了对于高性能、最先进的压力传感器的需求越来越大。
压力传感器根据其感应机制，可以分为晶体管感应、电容感应、压电感应、压阻感应。柔性压力传感器因其特殊的要求，在当前技术下面临着很多挑战，比如：电阻式压力传感器耗能较大，基于晶体管结构的压力传感器工作电压高。然而，可穿戴领域的应用对器件有很严格的要求，必须能够在低电压下工作且具有较小的能量损耗，因此很难满足可穿戴领域的应用和需求。电容式压力传感器因其工作电压低、能耗低且对温度不敏感拥有较好的稳定性而时候应用于可穿戴领域中的柔性压力传感器。
然而因为大多数压力相应材料(如弹性体和凝胶)的介电常数都比较低，所以在受到压力发生形变时电容变化比较小。因此电容式压力传感器的灵敏度都比较低。基于以上问题，本发明设计并制备了一种3D结构的电容式压力传感器，因其特殊的结构可以实现高灵敏度，对小压力有着很好的响应，从而解决可穿戴设备中的柔性压力传感器对于高灵敏度、低功耗、低工作电压器件的要求。进而在此基础上制作了钢琴手套，能够实现简单的乐曲演奏，因其便携性，可以满足人们随时随地联系和演奏音乐。同时，因其能够实现人机交互，可以应用于非常广泛的领域。
发明内容
本发明首先提供了一种3D结构的电容式压力传感器及其制备方法，用于至少部分解决可穿戴领域对于高灵敏度、低功耗、低工作电压的柔性压力传感器的需求。其次，本发明基于上面的基础设计并制备了一种钢琴手套，能够随时随地演奏一些简单的音乐并实现人机交互功能。
为了实现上述目的，作为本发明的一个方面，提供了一种电容式压力传感器，包括：
第一衬底；
第一电极，其设置在第一衬底上；
介电层，其设置在第一电极上；
第二电极，其设置在介电层上；以及
第二衬底，其设置在第二电极。
作为本发明的另一个方面，还提供了一种如上所述电容式压力传感器的制备方法，包括：
在第一衬底上制备第一电极；
在第二衬底上制备第二电极；
制备介电层，将上述制备好的第一电极和第二电极分别转移至该介电层的两面后封装，即得到所述电容式压力传感器。
作为本发明的又一个方面，还提供了一种钢琴手套，包括：
如上所述的电容式压力传感器或如上所述制备方法得到的电容式压力传感器；
手机钢琴应用软件；以及
传感器信号采集和传输电路，其包括微处理单元、信号测量电路和无线传输模块，无线传输模块实现电路板与手机钢琴软件之间的信息传输和控制。
基于上述技术方案可知，本发明的电容式压力传感器及其制备方法和钢琴手套相对于现有技术至少具有以下优势之一：
1、本发明通过采用3D结构的介电层构建柔性电容式压力传感器，成功的解决了电容式压力传感器灵敏度低的问题，所制备的电容式压力传感器灵敏度能够达到4.12kPa-1，能够探测到的最小压力为0.9Pa，灵敏度非常的高；
2、本发明设计的3D结构的电容式压力传感器响应速度很快，小于100ms，能够准确无误的采集到所有人体发出的压力信号；
3、本发明提供的上下衬底为聚二甲基硅氧烷(PDMS，polydimethylsiloxane)等柔性可拉伸可弯折的材料，具有非常好的可拉伸可弯折特性，并且与人体皮肤贴合好，安全无害，且有良好的透气性；
4、本发明提供的3D结构的介电层材料为Ag纳米线与热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、聚乙烯醇(PVA)、聚偏氟乙烯(PVDF)等有机聚合物其中的至少一种混合溶液经过静电纺丝得到的，具有很好的可拉伸可弯折性，性能稳定，不受温度和湿度的影响；
5、本发明提供的3D结构的电容式压力传感器具有制作过程简单、易操作，且体积小、质量轻、可弯曲、可拉伸、易携带等优点；
6、采用10个本发明提供的3D结构的电容式压力传感器与设计的信号采集和传输电路板进行连接，并将其置入手套当中制作钢琴手套。该钢琴手套具有质量轻、易携带、穿戴方便，并且能够演奏简单的乐曲，满足人们对于音乐的追求。
附图说明
图1示意性示出了本发明实施例中3D结构的电容式压力传感器的结构图；
图2示意性示出了本发明实施例中Ag纳米线扫描电子显微镜图；
图3示意性示出了本发明实施例中AgNWs/TPU纳米纤维扫描电子显微镜图；
图4示意性示出了本发明实施例中3D结构的电容式压力传感器在不同压力下的电容响应；
图5示意性示出了本发明实施例中3D结构的电容式压力传感器的响应时间。
附图标记说明：
1-上衬底；2-上电极；3-介电层；4-下电极；5-下衬底。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明作进一步的详细说明。
本发明公开了一种电容式压力传感器，包括：
第一衬底；
第一电极，其设置在第一衬底上；
介电层，其设置在第一电极上；
第二电极，其设置在介电层上；以及
第二衬底，其设置在第二电极。
在本发明的一些实施例中，所述第一衬底采用的材料包括聚二甲基硅氧烷或硅胶；
在本发明的一些实施例中，所述第二衬底采用的材料包括聚二甲基硅氧烷或硅胶。
在本发明的一些实施例中，所述第一电极采用的材料包括金、银、铝或铬中的任一种；
在本发明的一些实施例中，所述第二电极采用的材料包括金、银、铝或铬中的任一种。
在本发明的一些实施例中，所述介电层采用的材料是通过Ag纳米线与有机聚合物溶液经过静电纺丝得到的。
在本发明的一些实施例中，所述有机聚合物包括热塑性聚氨酯弹性体橡胶、聚乙烯醇或聚偏氟乙烯中的至少一种。
本发明还公开了一种如上所述的电容式压力传感器的制备方法，包括：
在第一衬底上制备第一电极；
在第二衬底上制备第二电极；
制备介电层，将上述制备好的第一电极和第二电极分别转移至该介电层的两面后封装，即得到所述电容式压力传感器。
在本发明的一些实施例中，所述介电层的制备方法包括：
将Ag纳米线溶液加入有机聚合物溶液中形成静电纺丝液；
将静电纺丝液纺丝后得到的纳米纤维材料，将纳米纤维材料制作成介电层。
在本发明的一些实施例中，所述静电纺丝液中银纳米线的浓度为5至15mg/mL；
在本发明的一些实施例中，有机聚合物的浓度为10至15mg/mL。
本发明还公开了一种钢琴手套，包括：
如上所述的电容式压力传感器或如上所述制备方法得到的电容式压力传感器；
手机钢琴应用软件；以及
传感器信号采集和传输电路，其包括微处理单元、信号测量电路和无线传输模块，无线传输模块实现电路板与手机钢琴软件之间的信息传输和控制。
在本发明的一些实施例中，所述的钢琴手套中含有10个该电容式压力传感器；
在本发明的一些实施例中，所述电容式压力传感器与信号采集和传输电路之间通过杜邦线连接。
以下通过具体实施例结合附图对本发明的技术方案做进一步阐述说明。需要注意的是，下述的具体实施例仅是作为举例说明，本发明的保护范围并不限于此。
本实施例提供了一种3D结构的电容式压力传感器，如图1所示，包括：上衬底1(第二衬底)，上电极2(第二电极)，传感器的介电层3，下电极4(第一电极)与下衬底5(第一衬底)；这5层按照顺序依次叠加，组成一个三明治结构的电容式压力传感器。
其中，上衬底1和下衬底5采用的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS，polydimethylsiloxane)等柔性可拉伸可弯折的材料中的一种。
其中，上电极2和下电极4采用的材料为金、银、铝、铬等导电性好的金属材料中的一种。
其中，传感器的介电层采用的材料为Ag纳米线与热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、聚乙烯醇(PVA)、聚偏氟乙烯(PVDF)等有机聚合物其中的至少一种混合溶液经过静电纺丝得到的。
本实施例还提供了一种钢琴手套，该器件包括10个上述3D结构的电容式压力传感器，对应10根手指，一套传感器信号采集和传输电路，一个手机钢琴应用软件。传感器信号采集和传输电路包括微处理单元、信号测量电路和无线传输模块(蓝牙模块)。
3D结构的电容式压力传感器与信号采集和传输电路之间通过杜邦线连接在一起，电路板上的无线传输模块(蓝牙模块)实现电路板与手机钢琴软件之间的信息传输和控制。每一个手指上的压力传感器对应一个音符，当手指按下，压力传感器发生形变，手机中对应的音符就会发出声音，从而可以研究简单的音乐。该传感器可以用来解决对于小压力信号产生灵敏的响应，用于解决对于手指压力信号的感应和接受问题。传感器信号采集电路用来解决采集压力传感器感应到的手指压力信号，进行信号变换，并通过蓝牙模块将信号传输到手机软件中，控制手机软件，实现钢琴演奏。
上述钢琴手套的制备方法，包括：
S1、制备3D结构的电容式压力传感器的上衬底1和下衬底5；
S2、在上衬底1和下衬底5上面分别制备上电极2和下电极4；
S3、制备电容式压力传感器的介电层，并将介电层转移到下电极上面；
S4、将上电极转移到介电层的另一面，并进行封装，得到3D结构的电容式压力传感器；
S5、将3D结构的电容式压力传感器编织到手套中手指的对应部位；
S6、通过杜邦线将3D结构的电容式压力传感器与传感器信号采集和传输电路连接起来，并通过电路中的无线传输模块将信号传递到手机中的钢琴应用软件，实现钢琴手套的功能，即通过手指触碰手套中的3D结构的电容式压力传感器来控制手机中的钢琴软件发出对应音符的声音，实现演奏的功能。
其中，上衬底1、下衬底5和上电极2、下电极4的制备方法如下：
S1将PDMS弹性体和固化剂按照10∶1的比例混合并用磁力搅拌30min直至二者完全混合；
S2将S1中得到的溶液旋涂到Si衬底上，转速为1000rpm；
S3在80℃下固化2h，Si表面的溶液固化成膜，并将此薄膜从Si衬底表面揭下来，得到上衬底)和下衬底5；
S4采用热蒸发法在S3得到的上衬底1和下衬底5的一面分别蒸镀一层70nm厚的金膜(Au)，得到上电极2和下电极4。
其中，银(Ag)纳米线的制备方法如下：
S1将0.2g分子量为360000的聚乙烯吡咯烷酮(PVP)加入到25mL的乙二醇溶液中，并将溶液在60℃的油浴锅中搅拌2h直至完全溶解；
S2将0.25g的硝酸银(AgNO3)加入到S1中得到的溶液，搅拌溶解10～15min；
S3将1mg的三氯化铁(FeCl3)加入到10mg的乙二醇中并搅拌至完全溶解；
S4取3.5g的S3溶液加入到S2溶液中并搅拌1～2min；
S5将S4的溶液转移到反应釜中，并在130℃的烘箱中加热反应5h。
S6将S5得到的反应后的溶液转移到离心管中，并以7500r/min的转速离心5min；
S7将S6得到的离心后离心管中的上层清液倒掉并加入丙酮溶液，再以3500r/min的转速离心5min；
S8将S7得到的离心后离心管中的上层清液倒掉并加入乙醇溶液，再以3500r/min的转速离心5min；
S9将S8得到的离心后离心管中的上层清液倒掉并加入丙酮溶液，再以3500r/min的转速离心5min；
S10将S9得到的离心后离心管中的上层清液倒掉并加入乙醇溶液，再以3500r/min的转速离心5min；
S11将S10得到的离心后离心管中的上层清液倒掉并加入1mL的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶解沉淀物，得到Ag纳米线溶液，Ag纳米线的扫描电镜图如图2所示。
其中，3D结构的电容式压力传感器介电层的制备方法如下：
S1将4g热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)小球溶解在16gN,N-二甲基甲酰胺(DMF)溶液中，先静置半小时，随后搅拌一天直至完全溶解；
S2将4mL的Ag纳米线溶液加入到S1得到的溶液中，然后搅拌6h，以完全溶解；
S3将S2的到的溶液加入到推进泵上的针管中，针头处施加20kV的电压，针头下有一层铝箔，针头距离铝箔25cm，推进泵速度为1mL/h，开始静电纺丝；
S4一段时间后，铝箔表面形成一层白色的薄膜，此薄膜由S3中溶液静电纺丝的AgNWs/TPU纳米纤维组成，纳米纤维的扫描电镜图如图3所不；
S5将S4的白色薄膜从铝箔上揭下来，得到3D结构的电容式压力传感器的介电层3；
S6将已经制备好的上衬底1、上电极2、介电层3、下电极4、下衬底5按照顺序叠在一起，得到本实施例设计的3D结构的电容式压力传感器。
其中，钢琴手套的制备方法如下：
S1设计并制作信号采集和传输电路板；
S2将10个电容式压力传感器与S1的电路板连接在一起，并将压力传感器安装到手套每个手指的位置，完成钢琴手套的制备。
图4展示了本实施例设计制作的3D结构的电容式压力传感器在不同压力下的电容响应，从图中可以看出，传感器不仅对28kPa的大压力有很好的响应，对60Pa的小压力也有较好的响应，能清晰的分辨处压力的变化，感知大压力和小压力，并且具有很好的稳定性。
图5展示了本实施例设计制作的3D结构的电容式压力传感器对于棉花这种很轻很小的物体也有比较好的响应，可以体现本实施例的压力传感器有着非常好的灵敏度，可以很清晰的区分这种小压力和很轻的小物体。
以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种电容式压力传感器，其特征在于，包括：
第一衬底；
第一电极，其设置在第一衬底上；
介电层，其设置在第一电极上；
第二电极，其设置在介电层上；以及
第二衬底，其设置在第二电极。
2.如权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，
所述第一衬底采用的材料包括聚二甲基硅氧烷或硅胶；
所述第二衬底采用的材料包括聚二甲基硅氧烷或硅胶。
3.如权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，
所述第一电极采用的材料包括金、银、铝或铬中的任一种；
所述第二电极采用的材料包括金、银、铝或铬中的任一种。
4.如权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，
所述介电层采用的材料是通过Ag纳米线与有机聚合物溶液经过静电纺丝得到的。
5.如权利要求4所述的电容式压力传感器，其特征在于，
所述有机聚合物包括热塑性聚氨酯弹性体橡胶、聚乙烯醇或聚偏氟乙烯中的至少一种。
6.一种如权利要求1至5任一项所述的电容式压力传感器的制备方法，包括：
在第一衬底上制备第一电极；
在第二衬底上制备第二电极；
制备介电层，将上述制备好的第一电极和第二电极分别转移至该介电层的两面后封装，即得到所述电容式压力传感器。
7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，
所述介电层的制备方法包括：
将Ag纳米线溶液加入有机聚合物溶液中形成静电纺丝液；
将静电纺丝液纺丝后得到的纳米纤维材料，将纳米纤维材料制作成介电层。
8.如权利要求7所述的制备方法，其特征在于，
所述静电纺丝液中银纳米线的浓度为5至15mg/mL；有机聚合物的浓度为10至15mg/mL。
9.一种钢琴手套，其特征在于，包括：
如权利要求1至5任一项所述的电容式压力传感器或如权利要求6至8任一项所述制备方法得到的电容式压力传感器；
手机钢琴应用软件；以及
传感器信号采集和传输电路，其包括微处理单元、信号测量电路和无线传输模块，无线传输模块实现电路板与手机钢琴软件之间的信息传输和控制。
10.如权利要求9所述的钢琴手套，其特征在于，
所述的钢琴手套中含有10个该电容式压力传感器；
所述电容式压力传感器与信号采集和传输电路之间通过杜邦线连接。
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