CN112816107A - 一种可变量程电容式柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种可变量程电容式柔性压力传感器，它包括自下而上依次设置的下电极层、柔性腔体、柔性薄膜层和上电极层，其中柔性腔体中填充电流变介质层。本发明首次提出将电容器与填充电流变介质的柔性结构结合，在电容器两个可动电极之间设置电流变介质层，通过外加电场调节电流变介质层的机械特性，使所得柔性电容器可动电极在同等外力情况下所产生的形变发生改变，借助对柔性薄膜受力形变的影响调节两电极板间的压力‑电容特性，从而实现传感器压力检测量程的调节；本发明所得压力传感器可有效兼顾高灵敏度和宽线性量程，对推动柔性压力传感器的发展具有重要的研究和应用意义。

Description

一种可变量程电容式柔性压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于智能流体、柔性传感器技术领域，具体公开了一种可变量程电容式柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术

柔性压力传感器作为一种新型压力传感器,具有轻薄便携、柔韧性好及可检测复杂曲面及特殊接触面间压力等特点，可应用于人体运动检测、健康诊断、智能服装、电子皮肤、汽车行业、人机界面、移动通信等领域。柔性压力传感器能够在一定压力作用下发生形变，并根据形变量的大小来输出与之对应的电学信号。相对于传统的硬质硅基传感器，柔性压力传感器兼具弯折、拉伸、扭转等柔性功能特点。引入微结构加工技术的柔性压力传感器能够表现出更高的灵敏度。可以预见这种高灵敏度和高稳定性以及抗疲劳性的柔性压力传感器将在移动医疗、电子皮肤、可穿戴设备、人机交互等领域有很大应用场景。将柔性压力传感器制备成阵列，贴敷在机器人表面，以阵列像素传感机制模拟人类触觉。通过阵列传感机制来赋予机器人形状识别和压力定位的能力，这项技术加速了机器人在军事领域，工业自动化以及远程医疗等领域的应用。此外，柔性压力传感器不仅可以使机器人通过多点压力感知的方式模拟人类的触觉，还可以赋予机器人听觉。Guo等人制备出了由带有微结构的多个通道的氟化乙烯丙烯以及上下薄膜电极组成的听觉传感器。其中氟化乙烯丙烯薄膜上的微结构有效的提高了该听觉传感器的灵敏度。在机器人的人工耳蜗内集成该款听觉传感器可以有效记录外界声音。

然而，现有柔性压力传感器由于量程固定，高灵敏度和宽线性量程难以同时实现。因此，进一步设计制造出结构简单、可调节量程的柔性压力传感器对推动柔性压力传感器的发展具有重要的研究和应用意义。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种可变量程电容式柔性压力传感器，采用薄膜空腔型结构，并在空腔内设置电流变介质层，基于电流变介质层的电流变效应使薄膜在外力情况下发生的形变受外电场影响，借助对薄膜受力形变的影响调节两电极板间的压力-电容特性，最终实现柔性电容式压力传感器检测量程的可调性；且涉及的制备方法简单、操作方便，适合推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种可变量程电容式柔性压力传感器，它包括自下而上依次设置的下电极层、柔性腔体、柔性薄膜层和上电极层，其中柔性腔体中填充电流变介质层；通过施加外加电场，调控其量程。

上述方案中，所述上电极层和下电极层的材质为导电性良好的材料，包括但不限定于金属、无机导电材料、有机导电高分子材料或以上材料的复合物。

上述方案中，所述柔性薄膜层的材质为柔性绝缘有机物，可选用聚二甲基硅氧烷或热塑性聚氨酯弹性体橡胶等。

上述方案中，所述柔性腔体的材质为柔韧性优良的有机物，可选用聚二甲基硅氧烷或光固化树脂，等。

上述方案中，所述柔性腔体设有加注电流变介质的通孔。

上述方案中，所述电流变介质层为为高介电材料制备的绝缘分散液(电压-粘度敏感性流体材料)，其中高介电材料可选用C@TiO₂纳米颗粒、聚苯胺、聚二苯胺、聚吡咯、聚3,4-乙撑二氧噻吩及其衍生物中的一种或几种；绝缘液可选用纯水、硅油，等。

上述方案中，所述高介电材料可优选为C@TiO₂纳米颗粒，由碳纳米颗粒附着在TiO₂纳米颗粒表面形成的核壳复合材料，其与绝缘液的体积比为1:(2-3)。

上述一种可变量程柔性电容式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)采用印刷工艺制备柔性薄膜层；

2)采用沉积工艺在柔性薄膜层上部制备上电极层；

3)采用3D打印法或模板法制备两端带加注孔的柔性腔体，并将柔性腔体设置在柔性薄膜层的下部；

4)采用沉积工艺在柔性腔体的下部制备下电极层；

5)通过柔性腔体两端的加注孔向柔性腔体内注入电流变介质，封堵通孔，即得所述可变量程电容式柔性压力传感器。

本发明的原理为：本发明首次提出将电容器与填充电流变介质层的柔性结构结合，在电容器两个可动电极之间设置电流变介质层，通过外加电场调节电流变介质层的机械特性，使得柔性电容器可动电极在同等外力情况下所产生的形变发生改变，借助对柔性薄膜受力形变的影响调节两电极板间的压力-电容特性，从而实现传感器压力检测量程的调节，可有效兼顾高灵敏度和宽线性量程。

与现有压力传感器技术相比，本发明的有益效果为：

1)具有柔性；本发明所述压力传感器呈柔性，能够满足可穿戴设备、电子皮肤等应用需求；

2)可实现检测量程连续调节；该压力传感器仅需通过控制电极板间电压变量即可实现检测量程的连续调节，涉及的原理和结构简单，易于实现连续可调；

3)微型化，该压力传感器尺寸设计灵活，可实现微型化，易于集成在不同系统中。

附图说明

图1为本发明一个实施例所述可变量程电容式柔性压力传感器的结构示意图。

图2为本发明一个实施例所述可变量程电容式柔性压力传感器的制备工艺流程。

其中，1-上电极层；2-柔性薄膜层；3-柔性腔体；4-电流变介质；5-下电极层。

图3为实施例2所得电容式柔性压力传感器在不同外电场条件下传感器承受压力与输出电压的关系图。

具体实施方式

为了更好地理解本发明，下面结合实施例进一步阐明本发明的内容，但本发明的内容不仅仅局限于下面的实施例。

本发明提供的可变量程电容式柔性压力传感器(结构示意图见图1)，它包括自上而下依次设置的上电极层1、柔性薄膜层2、柔性腔体3和下电极层5，其中其中柔性腔体3中填充电流变介质4；其制备方法包括以下步骤(流程示意图见图2)：

1)采用印刷工艺制备柔性薄膜层2；

2)采用沉积工艺在柔性薄膜层上制备一层电极层1；

3)采用3D打印法或模板法制备两端带通孔301的柔性腔体3，将柔性腔体3粘贴在柔性薄膜层2下方；

4)采用沉积工艺在柔性腔体3下方制备一层电极层5；

5)通过柔性腔体两端通孔301向柔性腔体3内注入电流变介质，形成电流变介质层4，封堵通孔。

以下实施例中，采用的C@TiO₂纳米颗粒为C纳米粒子包覆在TiO₂纳米颗粒表面形成的核壳复合材料(粒径为200nm左右)，其制备方法包括如下步骤：将1g葡萄糖溶于30ml水和200ml乙醇中，将30ml钛酸丁酯加入300ml乙醇中，并将其加入上述所得葡萄糖溶液中，水解完成后，离心取所得沉淀物，洗涤后在70℃条件下烘干4h，再在500℃、氮气氛围中碳化处理3h。

以下实施例中，采用的柔性光固化树脂elastic由formlabs公司提供；采用的聚二甲基硅氧烷为道康宁提供的DC184。

实施例1

一种可变量程电容式柔性压力传感器，其制备方法包括如下步骤：

1)将聚二甲基硅氧烷均匀涂布在平面基板上，在60℃温度条件下固化30min，形成厚度为200um的聚二甲基硅氧烷柔性薄膜层(可承受200％的应变)，如图2a)所示；

2)采用溅射工艺在聚二甲基硅氧烷柔性薄膜层上方沉积一层铜膜(厚度为0.02mm)，作为上电极层，如图2b)所示；

3)使用Solidworks软件设计柔性腔体模型，将设计好的模型导入光固化打印机，根据设计模型打印机将柔性化合物(柔性光固化树脂elastic)打印成柔性腔体结构，清洗，烘干后使用紫外线对柔性腔体进一步固化20min；在聚二甲基硅氧烷柔性薄膜层表面涂覆一层聚二甲基硅氧烷溶液作为粘接层后，将其贴附在柔性腔体上方，在60℃下进行热固化30min，使得聚二甲基硅氧烷溶液固化，将聚二甲基硅氧烷柔性薄膜层与柔性腔体紧密粘接在一起，形成密封柔性腔体，如图2c)所示；

4)使用注射泵从柔性腔体通孔端注入电流变介质(C@TiO₂纳米颗粒与二甲基硅油按3:7 的体积比混合而成)，柔性腔体内填充满电流变介质后，在两通孔端口填充聚二甲基硅氧烷溶液，并在60℃下热固化30min，使聚二甲基硅氧烷溶液固化从而封堵住通孔，如图2d)所示；

5)在柔性腔体下方贴附一层铜膜(厚度为0.02mm)，作为下电极层，即得所述可变量程电容式柔性压力传感器，如图2e)所示。

实施例2

一种可变量程电容式柔性压力传感器，其制备方法包括如下步骤：

1)将聚二甲基硅氧烷均匀涂布在平面基板上，在60℃下固化30min，形成厚度为200um 的聚二甲基硅氧烷柔性薄膜层；

2)采用溅射工艺在聚二甲基硅氧烷柔性薄膜层上方沉积一层铜膜(厚度为0.02mm)，作为上电极层；

3)使用Solidworks软件设计柔性腔体模具模型，将设计好的模型导入光固化打印机，根据设计模型打印机将塑性化合物(塑性光固化树脂clear)打印成柔性腔体的模具结构，清洗，烘干后使用紫外线对模具进一步固化20min；固化成型后将聚二甲基硅氧烷注入到模具中，并在60℃下进行热固化30min后剥离，获得柔性腔体；聚二甲基硅氧烷柔性薄膜层表面涂覆一层聚二甲基硅氧烷溶液作为粘接层后，将其贴附在柔性腔体上方，在60℃下进行热固化 30min，使得聚二甲基硅氧烷溶液固化，将聚二甲基硅氧烷柔性薄膜层与柔性腔体紧密粘接在一起，形成密封柔性腔体；

4)使用注射泵从柔性腔体通孔端注入电流变介质(C@TiO₂纳米颗粒与二甲基硅油按 3:7的体积比混合而成)，柔性腔体内填充满电流变介质后，在两通孔端口填充聚二甲基硅氧烷溶液，并在60℃下热固化30min，使聚二甲基硅氧烷溶液固化从而封堵住通孔；

5)在柔性腔体下方贴附一层铜膜(厚度为0.02mm)，作为下电极层，即得所述可变量程电容式柔性压力传感器，如图2e)所示。

图3为本实施例所得可变量程电容式柔性压力传感器在不同外电场条件(0kV、1kV)下传感器承受压力与输出电压的关系图；结果表明在不同外加电场作用下，本发明所得传感器对不同压力会产生不同的电容信号反应，可实现对柔性压力传感器量程的可控调节。

显然，上述实施例仅仅是为清楚地说明所作的实例，而并非对实施方式的限制。对于所属领域的普通技术人员来说，在上述说明的基础上还可以做出其它不同形式的变化或变动。这里无需也无法对所有的实施方式予以穷举。而因此所引申的显而易见的变化或变动仍处于本发明创造的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种可变量程电容式柔性压力传感器，其特征在于，它包括自下而上依次设置的下电极层、柔性腔体、柔性薄膜层和上电极层，其中柔性腔体中填充电流变介质层。

2.根据权利要求1所述的可变量程电容式柔性压力传感器，其特征在于，所述电流变介质层为高介电材料制备的绝缘分散液。

3.根据权利要求2所述的可变量程电容式柔性压力传感器，其特征在于，所述高介电材料为C@TiO₂纳米颗粒、聚苯胺、聚二苯胺、聚吡咯、聚3,4-乙撑二氧噻吩及其衍生物中的一种或几种。

4.根据权利要求2所述的可变量程电容式柔性压力传感器，其特征在于，所述绝缘分散液采用的绝缘液为纯水或硅油。

5.根据权利要求1所述的可变量程电容式柔性压力传感器，其特征在于，所述上电极层和下电极层选用的材质为导电材料。

6.根据权利要求1所述的可变量程电容式柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性薄膜层的材质为柔性绝缘有机物；所述柔性腔体的材质为柔韧性有机物。

7.根据权利要求1所述的可变量程电容式柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性腔体设有加注电流变介质的通孔。

8.根据权利要求1所述的可变量程电容式柔性压力传感器，其特征在于，通过将可变量程电容式柔性压力传感器置于外电场环境中，改变其量程。

9.权利要求1～8任一项所述可变量程电容式柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

1)采用印刷工艺制备柔性薄膜层；

2)采用沉积工艺在柔性薄膜层上部制备上电极层；

3)采用3D打印法或模板法制备两端带加注孔的柔性腔体，并将柔性腔体设置在柔性薄膜层的下部；

4)采用沉积工艺在柔性腔体的下部制备下电极层；

5)通过柔性腔体两端的加注孔向柔性腔体内注入电流变介质，封堵加注孔，即得所述可变量程电容式柔性压力传感器。

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