CN112484887A - 宽量程柔性电容式压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了宽量程柔性电容式压力传感器及其制备方法，包括有传感器上电极，复合介质层和传感器下电极，传感器按照从上至下顺序依次设置有传感器上电极、复合介质层和传感器下电极，所述复合介质层由柔性材料掺杂铁电材料纳米颗粒、碳纳米管和发泡材料组成，在智能按键、电子绘画及书写设备中具有广阔的应用前景，结构简单，加工方便，可以改善现有的柔性压力传感器测量范围小以及线性特性差的现状，本发明对柔性电介质层设计成多层不同孔隙率且厚度可控的多孔材料堆叠的结构，在施加在上表面的压力作用下，柔性电介质层发生垂直向下的位移及应变，传感器的电容值随所加压力的增大而增大，使整个传感器可获得一个较大的压力测量范围。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器技术领域，尤其是宽量程柔性电容式压力传感器及其制备方法。
背景技术
目前，越来越多的特殊信号和特殊环境要求传感器具有透明、柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特性。随着人工智能的迅速发展，智能设备的发展速度逐渐加快，各大厂商都在想方设法提升人们的使用体验。例如将压力传感器嵌入智能设备的屏幕中，人们在使用时对屏幕施加不同的压力，可以使智能设备响应不同的功能。多孔压敏电介质的制备多采用在柔性材料前驱体溶液中加入如去离子水或者发泡剂的方法，然后通过加热使去离子水或者有机溶液挥发形成多孔结构。
但是从现有的研究成果来看，电阻式和电容式柔性压力传感器都存在压力测量范围偏小的问题，主要体现在低压范围内，器件灵敏度较理想，但是压力增大到一定数值(一般小于1kPa，有的甚至只有0.5kPa)，器件灵敏度迅速下降，并且测试曲线呈现较明显的非线性，造成这种现象的主要原因是加工方法的局限性，但如果不对多孔材料的空隙率和分布进行控制，孔的几何尺寸及分布较随机，柔性电介质的动态范围较差，现有柔性压力传感器中，多孔压敏材料的制备方式决定了孔的分布及尺寸较难控制，导致压敏材料的受压动态范围较小且线性度较差。
因此，需要进一步拓展柔性压力传感器的测量范围。
发明内容
本发明针对背景技术中的不足，提供了宽量程柔性电容式压力传感器及其制备方法。
本发明为解决上述现象，采用以下的技术方案，宽量程柔性电容式压力传感器，包括有传感器上电极、复合介质层和传感器下电极，传感器按照从上至下顺序依次设置有传感器上电极，复合介质层和传感器下电极，所述复合介质层由柔性材料掺杂铁电材料纳米颗粒、碳纳米管和发泡材料组成。
作为本发明的进一步优选方式，所述传感器上电极和传感器下电极采用铜箔材料，所述复合介质层为多层不同空隙率的多孔材料，所述复合介质层从上到下各层中孔隙率依次减小。
作为本发明的进一步优选方式，所述柔性材料采用聚偏氟乙烯PDMS、聚二甲基硅氧烷PVDF或聚对苯二甲酸乙二醇酯PET，所述铁电材料纳米颗粒采用碳酸钡BaTiO3或铌镁酸铅PMN。
宽量程柔性电容式压力传感器的制备方法，制备步骤包括如下：
S1，打印模具：利用3D打印机打印出制备长方体电介质的模具；
S2，溶合搅拌：取碳纳米管黑色粉末和铁电材料纳米颗粒溶于聚二甲基硅氧烷溶剂，并用磁力搅拌机充分搅拌，直至均匀；
S3，分别添加NaHCO3粉末：将S2步骤所得的共混溶液分成三份，放入三个小烧杯中，并分别向其中加入不同质量的NaHCO3粉末，使得三份中所含NaHCO3的质量分数分别为15％、20％和25％，并用磁力搅拌机充分搅拌均匀；
S4，试验15％的NaHCO3：先将质量分数为15％的NaHCO3共混溶液注入已均匀喷涂脱模剂的模具中，将其置于烘箱热板上，调整加热温度至100℃，使其中的NaHCO3完全分解，并加热使该层电介质完全固化；
S5，试验20％的NaHCO3：再将质量分数为20％的NaHCO3共混溶液注入S4步骤所得的第一层电介质上方，按同样的方法加热使其中的NaHCO3完全分解，并加热使该层电介质完全固化；
S6，试验25％的NaHCO3：最后将质量分数为25％的NaHCO3共混溶液注入S5步骤所得的第二层电介质上方，按同样的方法加热使其中的NaHCO3完全分解，并加热使该层电介质完全固化；
S7，模具剥离：用镊子将S6步骤所得的最终电介质从模具中剥离；
S8，粘贴金属电极测试：对剥离后的电介质上下表面粘贴柔性导电电极并将电极引出以方便测试。
本发明宽量程柔性电容式压力传感器，在智能按键、电子绘画及书写设备中具有广阔的应用前景，结构简单，加工方便，可以改善现有的柔性压力传感器测量范围小以及线性特性差的现状，本发明对柔性电介质层设计成多层不同孔隙率且厚度可控的多孔材料堆叠的结构，在施加在上表面的压力作用下，柔性电介质层发生垂直向下的位移及应变，传感器上下极板的间距增大，复合电介质中各电偶极子的耦合作用增强，传感器的电容值随所加压力的增大而增大；最上层电介质由于孔隙率最大，对微小压力的反应敏感，越往下的电介质层中的孔隙率越小，敏感的压力范围增大，使整个传感器可获得一个较大的压力测量范围，通过调节多孔电介质的各层不同孔隙率材料的厚度还可以改善电介质的线性特性。
附图说明
图1为本发明的主视图；
图2为本发明的剖面图；
图3为本发明模具的主视图；
图4为本发明模具的剖面图；
图5为本发明工艺制备的流程图。
图中：传感器上电极1，复合电介质2，传感器下电极3。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中，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。
本发明提供一种实施例技术方案：宽量程柔性电容式压力传感器的制备方法，制备步骤包括如下：
S1，打印模具：利用3D打印机打印出制备长方体电介质的模具；
S2，溶合搅拌：取碳纳米管(2％)黑色粉末和铁电材料纳米颗粒(如BaTiO3)(15％)溶于聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶剂，并用磁力搅拌机充分搅拌，直至均匀；
S3，分别添加NaHCO3粉末：将S2步骤所得的共混溶液分成三份，放入三个小烧杯中，并分别向其中加入不同质量的NaHCO3粉末，使得三份中所含NaHCO3的质量分数分别为15％、20％和25％，并用磁力搅拌机充分搅拌均匀；
S4，试验15％的NaHCO3：先将质量分数为15％的NaHCO3共混溶液注入已均匀喷涂脱模剂的模具中，将其置于烘箱热板上，调整加热温度至100℃，使其中的NaHCO3完全分解，并加热使该层电介质完全固化；
S5，试验20％的NaHCO3：再将质量分数为20％的NaHCO3共混溶液注入S4步骤所得的第一层电介质上方，按同样的方法加热使其中的NaHCO3完全分解，并加热使该层电介质完全固化；
S6，试验25％的NaHCO3：最后将质量分数为25％的NaHCO3共混溶液注入S5步骤所得的第二层电介质上方，按同样的方法加热使其中的NaHCO3完全分解，并加热使该层电介质完全固化；
S7，模具剥离：用镊子将S6步骤所得的最终电介质从模具中剥离；
S8，粘贴金属电极测试：对剥离后的电介质上下表面粘贴柔性导电电极并将电极引出以方便测试。
宽量程柔性电容式压力传感器，包括有传感器上电极1，复合介质层2和传感器下电极3，这三层材料构成了一个类似“三明治”结构的电容，传感器按照从上至下顺序依次设置有传感器上电极1、复合介质层2和传感器下电极3，所述复合介质层2由柔性材料掺杂铁电材料纳米颗粒、碳纳米管和发泡材料组成。
所述传感器上电极1和传感器下电极3采用铜箔材料，具有良好的导电性和抗静电屏蔽特性，所述复合介质层2为多层不同空隙率的多孔材料，所述复合介质层2从上到下各层中孔隙率依次减小，复合介质层2是传感器的压力敏感层，当压力施加在传感器的电极表面，传感器的电容值发生变化。
所述柔性材料采用聚偏氟乙烯PDMS、聚二甲基硅氧烷PVDF或聚对苯二甲酸乙二醇酯PET，所述铁电材料纳米颗粒采用碳酸钡BaTiO3或铌镁酸铅PMN。
本发明的特点在于通过控制发泡材料的掺杂浓度，将电介质层设计成多层不同空隙率的多孔材料，电介质层可看作多个弹性系数不同的弹簧串联而成，在外界压力的作用下，电介质各层多孔材料发生不同程度的形变，空隙率越大的结构层形变越大，压力作用使各组分的电介质比例(复合电介质/空气)以及极化状态发生变化，因而等效介电常数发生变化；
此外，传感器上电极1和传感器下电极3之间的间距发生变化，传感器的电容值也随之发生变化，与单层单一孔隙率的电介质结构相比，采用这种多层不同孔隙率的电介质结构可以使整个传感器具有较大的动态范围，可以使传感器的压力测量范围得到有效的拓展；
此外，结合各多孔层的厚度设计还可以使传感器的线性度得到优化，具有较广的应用前景，例如用于智能按键，根据用户端施加的不同大小的压力调用不同的功能，实现更好的人机交互体验。
加入铁电纳米颗粒的比例可调节，铁电颗粒的比例越高，制备出的复合电介质介电常数越大，但由于有渗流阈值的限制，铁电纳米颗粒的比例不宜过大，否则电介质的损耗将增大。
本发明的工作原理是利用不同孔隙率的电介质可检测的压力范围不同，将不同孔隙率的多孔材料集成到一块柔性电介质中，与单一孔隙率的压力传感器相比，可使传感器的压力测量范围得到有效的拓展。
以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点,对于本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (4)
1.宽量程柔性电容式压力传感器，其特征在于，包括有传感器上电极(1)，复合介质层(2)和传感器下电极(3)，传感器按照从上至下顺序依次设置有传感器上电极(1)、复合介质层(2)和传感器下电极(3)，所述复合介质层(2)由柔性材料掺杂铁电材料纳米颗粒、碳纳米管和发泡材料组成。
2.根据权利要求1所述的宽量程柔性电容式压力传感器，其特征在于，所述传感器上电极(1)和传感器下电极(3)采用铜箔材料，所述复合介质层(2)为多层不同空隙率的多孔材料，所述复合介质层(2)从上到下各层中孔隙率依次减小。
3.根据权利要求1所述的宽量程柔性电容式压力传感器，其特征在于，所述柔性材料采用聚偏氟乙烯PDMS、聚二甲基硅氧烷PVDF或聚对苯二甲酸乙二醇酯PET，所述铁电材料纳米颗粒采用碳酸钡BaTiO3或铌镁酸铅PMN。
4.宽量程柔性电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，制备步骤包括如下：
S1，打印模具：利用3D打印机打印出制备长方体电介质的模具；
S2，溶合搅拌：取碳纳米管(2％)黑色粉末和铁电材料纳米颗粒(如BaTiO3)(15％)溶于聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶剂，并用磁力搅拌机充分搅拌，直至均匀；
S3，分别添加NaHCO3粉末：将S2步骤所得的共混溶液分成三份，放入三个小烧杯中，并分别向其中加入不同质量的NaHCO3粉末，使得三份中所含NaHCO3的质量分数分别为15％、20％和25％，并用磁力搅拌机充分搅拌均匀；
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2020
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