CN111765998A - 柔性电容传感器 - Google Patents

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马卓敏
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    • G01L1/14—Measuring force or stress, in general by measuring variations in capacitance or inductance of electrical elements, e.g. by measuring variations of frequency of electrical oscillators
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Abstract

本发明公开柔性电容传感器，包括具有柱状微结构的PDMS介电层及两个ITO/PET导电膜构成的上下电极，PDMS介电层采用以下方式制作：将PDMS DC184、PDMS SE1700按预定比例混合制作成PMDS混合胶；分两次匀涂PMDS混合胶在载玻片上，第一次涂完后固化处理，继续匀涂，形成电容传感器初步介电层；将具有孔洞的PCET模板放在二次涂的PDMS膜上后抽真空处理，使PDMS进入PCET模板孔洞里，固化后形成柱状微结构；洗除PCTE模板，形成PDMS电容传感器介电层。本发明能达到理想高度，提高可压缩性，同时具有很好的稳定性，不易坍塌，使柔性电容传感器保持优异灵敏度。

Description

柔性电容传感器
技术领域
本发明涉及柔性电子技术领域，特别是涉及一种柔性电容传感器。
背景技术
近年来，柔性电子领域发展日新月异。柔性传感器正成为未来机器人，体外诊断和能量收集中的重要应用器件。根据机器人系统、假肢和可穿戴医疗设备的最新进展，致力于用简单的方法实现高灵敏度的柔性传感器成为实验人员的研究热点。并且，柔性电子领域快速发展的同时，也需要电子器件制备工艺的进步。
最近，PDMS薄膜由于具有优异的弹性和介电性能，其常常充当柔性电容传感器的柔性纳米介电层。此外，它还由于自身优异的生物相容性、本征的高拉伸性、化学惰性、稳定性以及可变的机械性能，常常充当柔性电子器件的基础材料，例如柔性电容传感器的上下电极。为了实现柔性电容传感器的高灵敏度，通常采用这两种途径：(1)利用渗透理论，在柔性聚合物中添加导电填料。常填充的导电颗粒主要有金属材料和碳材料。例如，金属纳米颗粒、金属纳米线、碳纳米管、石墨等。(2)制备具有微结构的介电层，即使用气隙来增加可压缩性，例如，金字塔、纳米针和柱状等。在PDMS薄膜添加金属纳米线和创建微结构不仅可以提高可拉伸性，而且可以赋予柔性传感器更高的灵敏度和更快的响应时间。与此同时，如何制备较为凸显的微结构并可以很好维持该结构的柔性传感器也值的研究人员思考。对于柱状微结构来说，其高度越高，即具有很大的可压缩性，同时具有较合适的刚性，不易坍塌，便可实现柔性电容传感器的高灵敏度和稳定性。但符合以上特性的柱状结构的制备具有一定难度，一方面由于PDMS在常温时是一种黏稠液体，经固化后成胶状。这两种状态均容易变形，且不易恢复。另一方面，由于柱状结构其具有微米级的尺寸，在制备过程和使用过程中容易坍塌。因此，制备稳定性好、不易坍塌的较高柱状微结构是一个有待解决的难题。
因此，目前迫切需要提出一种方法来制备柔性电容传感器，其既有很大压缩性的微结构和导电填充材料的柔性电极，又可以保证传感器具有稳定的高灵敏度。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种柔性电容传感器，其既有极高的生物相容性、很大压缩性的微结构，又可以保证传感器具有稳定的高灵敏度，且制作方法操作简单、成本较低、对操作环境的要求较低，为柔性传感器微结构的制备工艺开辟了新的道路。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
柔性电容传感器，包括具有柱状微结构的PDMS介电层以及位于PDMS介电层上下的两个ITO/PET导电膜构成的电极，所述PDMS介电层采用以下方式制作：
将PDMS DC184、PDMS SE1700按预定比例混合制作成PMDS混合胶；
分两次匀涂PMDS混合胶在载玻片上，第一次涂完后固化处理，得到第一层PDMS膜，继续匀涂，得到第二层PDMS膜，形成电容传感器初步介电层；
将具有孔洞的PCET模板放在第二层PDMS膜上，对该PCET模板与电容传感器初步介电层抽真空处理，使PDMS胶体进入PCET模板的孔洞里，经过固化后，形成稳定的柱状微结构；
洗除PCTE模板，形成所述具有柱状微结构的PDMS电容传感器介电层。
所述第一层PDMS膜的厚度为200um，所述第一层PDMS膜的厚度为100um。
所述PCET模板的厚度为13um表面随机分布孔洞的孔径为5um。
所述PCET模板采用二氯甲烷溶解法清除。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明采用PDMS胶的两种不同型号、杨氏模量不同的PDMS SE1700和PDMS DC184来制备具有柱状微结构的介电层，杨氏模量的大小标志了材料的刚性，杨氏模量越大，材料越不易发生形变。这样，制备出的微结构可以达到理想的高度，提高可压缩性，同时具有很好的稳定性，不易坍塌，从而使柔性电容传感器保持优异的灵敏度。
附图说明
图1为本发明提供的的柔性电容传感器的介电材料的制备示意图；
图2为本发明提供的柔性电容传感器的制作流程示意图；
图3为本发明提供的柔性电容传感器的制作中所用PCET模板的示意图；
图4为本发明提供的柔性电容传感器的立体示意图；
图中：1为厚度为200um的第一层PDMS膜，2为具有两层PDMS膜的初步介电层，3为具有随机分布的孔径相同的孔洞PCTE模板，4为镶嵌在PCTE模板中的PDMS柱体，5为柱状微结构，6为具有柱状微结构的PDMS介电层，7为随机分布于PCET模板上的孔径相同的孔洞；8为柔性电容传感器的上极板，9为柔性电容传感器的下极板，10为PDMS SE1700样品，11为PDMSDC184样品，12为按比例混合搅拌均匀的混合PDMS样品。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-4所示，本发明提供的基于介电材料混合比例的AgNWs嵌入PDMS的高灵敏度柔性电容传感器，包括具有柱状微结构的PDMS介电层以及位于PDMS介电层上下的两个ITO/PET导电膜构成的电极，所述PDMS介电层采用以下方式制作：
首先，制备混合PMDS样品。由于经常使用的PDMS DC184的杨氏模量较小，会导致之后柱状微结构的制备中可能会存在一定困难。又由于柱状结构的高度会影响传感器的灵敏度，因此，根据传感器想要实现的灵敏度来配制PDMS DC184和PDMS SE1700的混合胶样品，为制备高稳定性的柱状结构奠定基础,PDMS DC184和PDMS SE1700的质量混合比为4:1-2:1。
其次，匀涂混合PMDS样品。该电介质材料PDMS分两次匀在载玻片上。第一次在载玻片上匀200um混合PMDS样品，之后进行固化处理，得到第一层PDMS膜。在此基础上，继续匀100um混合PMDS样品，且不进行任何处理，得到第二层PDMS膜。这两层PDMS膜共同构成电容传感器的初步介电层。
之后，利用PCET模板制备微结构。将提前准备好的PCET模板轻轻放置在之前处理过的两层PDMS膜共同构成电容传感器的初步介电层上。其中，根据想要实现的柱状结构的高度选用合适厚度的PCET模板。
在这里选用厚度为13um的PCET模板，且其表面随机分布有孔径均为5um的孔洞。之后，再对该模板与PDMS样品进行抽真空处理。这样，可以利用气压使得PCET模板下面的PDMS胶体进入模板中的孔洞里。由于孔洞具有一定的高度，因此，将样品再一次经过固化后，即可在PDMS上稳定的形成柱状微结构。
最后，洗除PCTE模板。由于二氯甲烷具有极强的溶解能力，因此，在保持PDMS柱状微结构不被破坏的同时，使用二氯甲烷试剂用于将PCTE模板洗除，使得样品仅由柱状PDMS和PDMS膜构成。这样，具有柱状微结构的电容传感器介电层制备完毕。
需要说明的是，该电容器的上下电极由ITO/PET(氧化铟锡/聚对苯二甲酸)导电膜构成。ITO导电膜是采用磁控溅射的方法，在透明ITO导电膜镀层并经高温退火处理得到。由于ITO/PET导电膜可以很好地固定在制备好的介电层上，不易脱落，具有很好的稳定性，因此选用ITO/PET导电膜充当电极。
与现有技术相比较，本发明柔性传感器具有以下有益效果：
1.灵敏度高，本发明的柱状微结构杨氏模量较大、高度相对较大、具有很大的可压缩性。同时，柔性电极里添加的粒子AgNWS也可以增大介电常数，这都可以很大程度地提高柔性电容传感器的灵敏度；
2.稳定性好，本发明的柱微状结构可进行多次压缩，不易坍塌，具有很高的稳定性和可靠性，可使用周期较长；
3.操作简单，本发明通过将两种不同杨氏模量的PDMS胶进行一定的配比混合，同时，柔性电极的制备也不需要磁控溅射、高温退火等复杂的工艺，实验步骤简单、易操作；
4.对操作环境的要求较低，本发明在使用和洗除PCTE模板时均不需要超净环境，普通实验环境即可完成实验；
5.成本低，本发明使用的PDMS SE1700、PDMS DC184以及柔性电极均为实验中常用的平价材料。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.柔性电容传感器，其特征在于，包括具有柱状微结构的PDMS介电层以及位于PDMS介电层上下的两个ITO/PET导电膜构成的电极，所述PDMS介电层采用以下方式制作：
将PDMS DC184、PDMS SE1700按预定比例混合制作成PMDS混合胶；
分两次匀涂PMDS混合胶在载玻片上，第一次涂完后固化处理，得到第一层PDMS膜，继续匀涂，得到第二层PDMS膜，形成电容传感器初步介电层；
将具有孔洞的PCET模板放在第二层PDMS膜上，对该PCET模板与电容传感器初步介电层抽真空处理，使PDMS胶体进入PCET模板的孔洞里，经过固化后，形成稳定的柱状微结构；
洗除PCTE模板，形成所述具有柱状微结构的PDMS电容传感器介电层。
2.如权利要求1所述柔性电容传感器，其特征在于，所述第一层PDMS膜的厚度为200um，所述第一层PDMS膜的厚度为100um。
3.如权利要求1所述柔性电容传感器，其特征在于，所述PCET模板的厚度为13um表面随机分布孔洞的孔径为5um。
4.如权利要求1所述柔性电容传感器，其特征在于，所述PCET模板采用二氯甲烷溶解法清除。
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