CN112179529A - 一种基于弹性微珠的电容型压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于弹性微珠的电容型压力传感器及其制备方法，该电容型压力传感器结构包括基底、电极层、介电层，在第一介电层和第二介电层之间设置有多个弹性微珠，弹性微珠材料为聚二甲基硅氧烷，在电容型压力传感器的介电层中引入弹性微珠，增加了介电层中的空气间隙，减小了介电层的杨氏模量，同时使传感器受到压力时内部应力集中分布于弹性微珠，器件更容易发生形变，进而提高电容型压力传感器的灵敏度和检测范围，结果表明，本发明提供的基于弹性微珠的电容型压力传感器在0‑10kPa下灵敏度为0.0479kPa‑1，是介电层为平面结构的电容型压力传感器灵敏度的9倍，在10‑100kPa下灵敏度为0.0066kPa‑1，传感器的压敏特性确实得到了有效提升，该传感器制备工艺简单且经济。

Description

一种基于弹性微珠的电容型压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于压力传感器领域，具体涉及一种基于弹性微珠的电容型压力传感器及其制备方法。
背景技术
压力传感器指能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用的输出的电信号的器件或装置，广泛应用于生物医学、电子皮肤、运动检测等领域，电容式压力传感器是一种利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器，具有结构简单、能耗低、稳定性好和响应速度快等优点。
不同的应用场景对压力传感器的性能需求不同，对于人体脉搏、呼吸等微小生理信号及运动的检测，要求压力传感器能够在低压力范围(<10kPa)具有高灵敏度和快响应速度，对于人体关节弯曲和肌肉运动的检测则要求压力传感器能够在大压力范围(10-100kPa)内正常工作，传统的电容型压力传感器的电极与介电层均采用平面结构，存在着灵敏度低、检测范围窄、响应速度慢等缺点，而相关一些研究试图对电容型压力传感器的电极或介电层进行微结构化，来提升传感器的压敏特性，但效果都不是很好，无法满足相关应用需求。
发明内容
本发明的目的在于：为解决以上现有技术中电容型压力传感器存在的技术问题，本发明提供了一种基于弹性微珠的电容型压力传感器，弹性微珠材料为聚二甲基硅氧烷，其杨氏模量为750kPa，在电容型压力传感器的介电层中引入弹性微珠，增加介电层中的空气间隙，以减小介电层的杨氏模量，同时使传感器受到压力时内部应力集中分布于弹性微珠，器件更容易发生形变，进而提高电容型压力传感器的灵敏度和检测范围。
本发明采用的技术方案如下：一种基于弹性微珠的电容型压力传感器，该电容型压力传感器结构包括基底、电极层、介电层及弹性微珠，所述基底包括第一基底、第二基底，所述电极层包括第一电极层、第二电极层，所述介电层包括第一介电层、第二介电层，所述传感器结构的部件由内到外设置的顺序依次为介电层、电极层、基底，第一介电层、第二介电层设置在最内层，第一电极层、第二电极层设置在次外层，第一基底、第二基底设置在最外层，所述弹性微珠设置在第一介电层和第二介电层之间，且与第一介电层和第二介电层相连。
进一步地，所述弹性微珠的数量设置为多个，且弹性微珠之间设置有空气间隙。
优选地，所述弹性微珠的具体材质为固态聚二甲基硅氧烷，所述弹性微珠的直径为50-500μm。
优选地，第一基底和第二基底的材料为聚二甲基硅氧烷。
优选地，第一电极层和第二电极层的材料为导电银浆。
优选地，第一介电层和第二介电层的材料为硅胶，硅胶的产品型号为Ecoflex-0030。
具体地，本发明通过在电容型压力传感器的介电层中引入弹性微珠，增加介电层中的空气间隙，以减小介电层的杨氏模量，同时使传感器受到压力时内部应力集中分布于弹性微珠，器件更容易发生形变，进而提高电容型压力传感器的灵敏度和检测范围。
一种基于弹性微珠的电容型压力传感器的制备方法，具体步骤如下：
1)将聚二甲基硅氧烷主剂与固化剂按质量比10:1混合均匀，真空脱气；
2)称取十二烷基硫酸钠粉末与去离子水混合配制十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液，十二烷基硫酸钠粉末与去离子水的混合料液比为0.05g/ml；
3)将硅胶型号为Ecoflex-0030的A成分和B成分按质量比1:1混合均匀；
4)用注射器将经步骤1)处理之后的聚二甲基硅氧烷注入步骤2)中的十二烷基硫酸钠水溶液中；
5)将步骤4)中的混合液体放在磁力搅拌加热台上，70℃水浴加热搅拌2个小时；
6)将步骤5)中的混合液体以4000rpm的转速离心、干燥，获得直径为50-500μm的固态聚二甲基硅氧烷微珠；
7)将经步骤1)处理之后的聚二甲基硅氧烷旋涂在玻璃基片上，加热固化，获得固态聚二甲基硅氧烷基底，分别为第一基底、第一基底；
8)在步骤7)中制备所得到的固态聚二甲基硅氧烷第一基底、第一基底上分别刮涂导电银浆，加热固化，即在固态聚二甲基硅氧烷第一基底、第一基底上分别得到导电银浆电极层，分别为第一电极层、第二电极层；
9)将步骤3)中的硅胶型号为Ecoflex-0030的混合物旋涂在步骤8)中制得的导电银浆第一电极层、第二电极层上，加热固化，即在导电银浆电极层第一电极层、第二电极层上分别得到硅胶型号为Ecoflex-0030介电层，分别为第一介电层、第二介电层；
10)将步骤6)中制得的固态聚二甲基硅氧烷微珠分散在无水乙醇中，获得固态聚二甲基硅氧烷微珠乙醇分散液，将所述分散液旋涂在第二介电层上，加热干燥；
11)将以上由第一基底、第一电极层和第一介电层组成的结构，放置于弹性微珠上，使得弹性微珠位于第一介电层和所述第二介电层之间，即得到本发明所述的由第一基底、第二基底、第一电极层、第二电极层、第一介电层、第二介电层及多个弹性微珠构成的电容型压力传感器。
具体地，以上步骤1)中所使用的的固化剂，为市面上所售的与聚二甲基硅氧烷主剂搭配使用的常规固化剂。
相较于现有技术，本发明的有益效果是：
(1)在电容型压力传感器的介电层中引入弹性微珠，增加介电层中的空气间隙，以减小介电层的杨氏模量，同时使传感器受到压力时内部应力集中分布于弹性微珠，器件更容易发生形变，进而提高电容型压力传感器的灵敏度和检测范围；
(2)本发明提供的基于弹性微珠的电容型压力传感器在0-10kPa下灵敏度为0.0479kPa-1，是介电层为平面结构的电容型压力传感器灵敏度的9倍；在10-100kPa下灵敏度为0.0066kPa-1，本发明的技术方案有效提高了电容型压力传感器的灵敏度和检测范围，并且该传感器的制备工艺简单且经济，适合批量生产。
附图说明
图1为本发明一种基于弹性微珠的电容型压力传感器结构示意图；
图2为本发明一种基于弹性微珠的电容型压力传感器中固态聚二甲基硅氧烷弹性微珠的表征图；
图3为本发明一种基于弹性微珠的电容型压力传感器制备方法流程图；
图4为本发明一种基于弹性微珠的电容型压力传感器的敏感机理展示图；
图5为本发明一种基于弹性微珠的电容型压力传感器与介电层为平面结构的电容压力传感器对压力的响应对比图；
附图标记为：1-第一基底，2-第二基底，3-第一电极层，4-第二电极层，5-第一介电层，6-第二介电层，7-弹性微珠。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明，即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。
实施例1
如图1所示，一种基于弹性微珠的电容型压力传感器，该电容型压力传感器结构包括第一基底1、第二基底2、第一电极层3、第二电极层4、第一介电层5、第二介电层6及弹性微珠7，多个弹性微珠7设置在第一介电层5和第二介电层6之间，且与第一介电层5和第二介电层6相连接，弹性微珠7之间设置有空气间隙，该电容型压力传感器结构由内到外设置的顺序依次为介电层、电极层、基底，第一介电层5、第二介电层6设置在最内层，第一电极层3、第二电极层4设置在次外层，第一基底1、第二基底2设置在最外层，第一介电层5与第二介电层6位于第一电极层3和所述第二电极层4之间，第一电极层3、第二电极层4位于第一基底1、第二基底2之间。
如图2所示，弹性微珠7的具体材质为固态聚二甲基硅氧烷，弹性微珠7的直径为50-500μm。
实施例2
如图3所示，一种基于弹性微珠的电容型压力传感器的制备方法具体步骤如下：
1)将聚二甲基硅氧烷主剂与相应的固化剂按质量比10:1混合均匀，真空脱气；
2)称取十二烷基硫酸钠粉末与去离子水混合配制十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液，十二烷基硫酸钠粉末与去离子水的混合料液比为0.05g/ml，例如：称取2g十二烷基硫酸钠粉末与40mL去离子水进行混合配制；
3)选择型号为Ecoflex-0030的硅胶，将其A成分和B成分按质量比1:1混合均匀；
4)用注射器将经步骤1)处理之后的聚二甲基硅氧烷注入步骤2)中的十二烷基硫酸钠水溶液中；
5)将步骤4)中的混合液体放在磁力搅拌加热台上，70℃水浴加热搅拌2个小时；
6)将步骤5)中的混合液体以4000rpm的转速离心、干燥，获得直径为50-500μm的固态聚二甲基硅氧烷微珠；
7)将经步骤1)处理之后的聚二甲基硅氧烷旋涂在玻璃基片上，加热固化，获得固态聚二甲基硅氧烷基底，分别为第一基底1、第一基底2；
8)在步骤7)中制备所得到的固态聚二甲基硅氧烷第一基底1、第一基底2上分别刮涂导电银浆，加热固化，即在固态聚二甲基硅氧烷第一基底1、第一基底2上分别得到导电银浆电极层，分别为第一电极层3、第二电极层4；
9)将步骤3)中制得的硅胶混合物旋涂在步骤8)中制得的导电银浆第一电极层3、第二电极层4上，加热固化，即在导电银浆电极层第一电极层3、第二电极层4上分别得到硅胶介电层，分别为第一介电层5、第二介电层6；
10)将步骤6)中制得的固态聚二甲基硅氧烷微珠分散在无水乙醇中，获得固态聚二甲基硅氧烷微珠乙醇分散液，将所述分散液旋涂在第二介电层6上，加热干燥；
11)将以上由第一基底1、第一电极层3和第一介电层5组成的结构，放置于弹性微珠7上，使得弹性微珠7位于第一介电层5和第二介电层6之间，即得到本发明所述的由第一基底1、第二基底2、第一电极层3、第二电极层4、第一介电层5、第二介电层6及多个弹性微珠7构成的电容型压力传感器。
以上步骤1)中所使用的的固化剂，为市面上所售的与聚二甲基硅氧烷主剂搭配使用的常规固化剂，当以聚二甲基硅氧烷为主剂，其相应的固化剂都是一样的。
实施例3
如图4所示，为进一步说明通过本发明以上制备方法制备所得到的基于弹性微珠的电容型压力传感器灵敏度和检测范围的实际效果，进行了如下分析：
根据电容型压力传感器的电容计算公式：
Figure BDA0002665660480000051
其中，C表示传感器的电容值，ε0表示真空介电常数，εr表示介电层的相对介电常数，A表示上下电极的有效相对面积，d表示上下电极间的距离。
弹性微珠在介电层间引入空气间隙，减小介电层的杨氏模量，同时使传感器受到压力时内部应力集中分布于弹性微珠，当电容型压力传感器受到压力作用时，上下电极间的距离变化值△d相比于平面结构介电层更大，使传感器的电容变化值更大，提高了电容型压力传感器的灵敏度。
电容型压力传感器的灵敏度是指单位压力下器件电容的相对变化量，公式为：
Figure BDA0002665660480000052
其中S是电容型压力传感器的灵敏度，△C是传感器电容的变化值，C0是传感器的初始电容值，P是传感器受到的压强。
如图5所示，本发明提供的基于弹性微珠的电容型压力传感器在0-10kPa下灵敏度为0.0479kPa-1，是介电层为平面结构的电容型压力传感器灵敏度的9倍；在10-100kPa下灵敏度为0.0066kPa-1，本发明的技术方案提高了电容型压力传感器的灵敏度和检测范围，并且制备工艺简单、经济，适合批量生产。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种基于弹性微珠的电容型压力传感器，其特征在于，所述传感器结构包括基底、电极层、介电层，所述基底包括第一基底(1)、第二基底(2)，所述电极层包括第一电极层(3)、第二电极层(4)，所述介电层包括第一介电层(5)、第二介电层(6)，所述第一介电层(5)、第二介电层(6)设置在最内层，第一电极层(3)、第二电极层(4)设置在次外层，第一基底(1)、第二基底(2)设置在最外层，所述第一介电层(5)、第二介电层(6)之间设置有弹性微珠(7)，所述弹性微珠(7)与第一介电层(5)、第二介电层(6)相连接，所述弹性微珠(7)的数量设置为多个，所述弹性微珠(7)之间设置有空气间隙。
2.根据权利要求1所述的一种基于弹性微珠的电容型压力传感器，其特征在于，所述弹性微珠(7)的直径为50-500μm。
3.根据权利要求2所述的一种基于弹性微珠的电容型压力传感器，其特征在于，所述弹性微珠(7)的制作材料为聚二甲基硅氧烷。
4.根据权利要求1所述的一种基于弹性微珠的电容型压力传感器，其特征在于，所述第一基底(1)和第二基底(2)的制作材料为聚二甲基硅氧烷。
5.根据权利要求1所述的一种基于弹性微珠的电容型压力传感器，其特征在于，所述第一电极层(3)和第二电极层(4)的制作材料为导电银浆。
6.根据权利要求1所述的一种基于弹性微珠的电容型压力传感器，其特征在于，所述第一介电层(5)和第二介电层(6)的制作材料为硅胶，所述硅胶的具体型号为Ecoflex-0030。
7.一种基于弹性微珠的电容型压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)将聚二甲基硅氧烷主剂与固化剂按质量比10:1混合均匀，真空脱气；
2)称取十二烷基硫酸钠粉末与去离子水混合配制十二烷基硫酸钠(SDS)水溶液，十二烷基硫酸钠粉末与去离子水的混合料液比为0.05g/ml；
3)选取型号为Ecoflex-0030的硅胶，将硅胶的A成分和B成分按质量比1:1混合均匀；
4)用注射器将经步骤1)处理之后的聚二甲基硅氧烷注入步骤2)中的十二烷基硫酸钠水溶液中；
5)将步骤4)中的混合液体放在磁力搅拌加热台上，70℃水浴加热搅拌2个小时；
6)将步骤5)中的混合液体以4000rpm的转速离心、干燥，获得直径为50-500μm的固态聚二甲基硅氧烷微珠；
7)将经步骤1)处理之后的聚二甲基硅氧烷旋涂在玻璃基片上，加热固化，获得固态聚二甲基硅氧烷基底，分别为第一基底(1)、第一基底(2)；
8)在步骤7)中制备所得到的固态聚二甲基硅氧烷第一基底(1)、第一基底(2)上分别刮涂导电银浆，加热固化，即在固态聚二甲基硅氧烷第一基底(1)、第一基底(2)上分别得到导电银浆电极层，分别为第一电极层(3)、第二电极层(4)；
9)将步骤3)制备得到的硅胶混合物旋涂在步骤8)中制得的导电银浆第一电极层(3)、第二电极层(4)上，加热固化，即在导电银浆电极层第一电极层(3)、第二电极层(4)上分别得到硅胶介电层，分别为第一介电层(5)、第二介电层(6)；
10)将步骤6)中制得的固态聚二甲基硅氧烷微珠分散在无水乙醇中，获得固态聚二甲基硅氧烷微珠乙醇分散液，将所述分散液旋涂在第二介电层(6)上，加热干燥；
11)将以上由第一基底(1)、第一电极层(3)和第一介电层(5)组成的结构，放置于弹性微珠(7)上，使得弹性微珠(7)位于第一介电层(5)和所述第二介电层(6)之间，即得到本发明所述的由第一基底(1)、第二基底(2)、第一电极层(3)、第二电极层(4)、第一介电层(5)、第二介电层(6)及多个弹性微珠(7)构成的电容型压力传感器。
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