CN112985648A - 一种介电层及其制备方法、电容压力传感器及其应用 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性压力传感器的制备方法及其制备的柔性压力传感器，该柔性压力传感器的检测范围可到500Kpa，相比于目前电容式压力传感器的检测范围最大约为120Kpa有了较大提高。同时在小压力范围下，灵敏度较高，实现了既能够检测大压力范围又能在小压力区间保持较高的灵敏度。基于此特性，扩大了柔性压力传感器在人力压力检测领域的应用范围，使其既可以实现小压力范围下，例如测量血压，保持较高的灵敏度，又可以实现在较大压力范围内的检测，例如步态检测。

Description

一种介电层及其制备方法、电容压力传感器及其应用
技术领域
本发明涉及人体压力检测技术领域，特别是涉及一种介电层及其制备方法、电容压力传感器及其应用。
背景技术
随着可穿戴设备和柔性电子快速发展，越来越多的人体姿态检测和生理状态监测系统被运用于生活当中，包括人体姿态检测设备穿上他可以对人体动作细节进行捕捉，再依靠强大的计算机算法可以还原人体的动作细节，这对人体科学和体育学有着极大的帮助与应用。柔性可穿戴设备还包括能够实时的检测人体的脉搏心跳体温等生理参数功能。其实时监测的特性可以摆脱大型医疗设备的束缚，让医疗走进家庭。时医疗未来化的趋势。
无论是移动医疗的生理监测，还是体感检测人体姿态检测都需要可穿戴传感器的参与，其作用和功能是检测人体内部和外部因运动而产生的压力的变化。目前柔性压力传感器很难兼顾能够检测大压力范围并在小压力区间保持较高的灵敏度。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的无法兼顾能够检测大压力范围并在小压力区间保持较高的灵敏度的缺陷，而提供一种介电层的制备方法。
本发明的另一个目的，是提供一种介电层，该介电层为离子凝胶材料，表面具有褶皱。
本发明的另一个目的，是提供一种柔性压力传感器，将上述介电层夹装在两个导电电极之间。
本发明的另一个目的，是提供上述柔性压力传感器在智能可穿戴设备中的应用。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
一种介电层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：将PDMS和其固化剂搅拌均匀，所得混合样品滴涂在载玻片上并依次进行匀胶处理和干燥固化，成膜后从载玻片揭下得PDMS薄膜；
步骤2：将所得PDMS薄膜拉伸固定后进行紫外臭氧处理，释放拉伸后形成褶皱PDMS薄膜；
步骤3：将离子液体和聚合物F加入丙酮，混合均匀形成离子凝胶；
步骤4：所得离子凝胶滴涂在步骤2所得褶皱PDMS薄膜的褶皱面上，并依次进行匀胶处理和干燥固化，成膜后从模板上揭下得到具有褶皱面的离子凝胶薄膜。
在上述技术方案中，步骤1中，PDMS和其固化剂的质量比例为(8-12):1。
在上述技术方案中，步骤1中，搅拌均匀所得混合样品放置在真空容器中真空消泡后再进行匀胶处理。
在上述技术方案中，步骤2中，所述拉伸固定的拉伸比例为40-80％；紫外臭氧处理时间为14-20h。
在上述技术方案中，步骤1和步骤4中，所述匀胶处理条件为，使用匀胶机以450r/min-550r/min的速度匀胶处理30s-60s；所述干燥固化条件为，在真空干燥箱中以80-90℃的温度干燥固化2-4h。匀胶机参数影响膜的厚度；
在上述技术方案中，步骤3中，离子液体和聚合物F的质量比例为(4-5.5)：5.5，聚合物F和丙酮的质量比例为1：(5-8)，所述聚合物F为1,1,2,3,3,3-六氟-1-丙烯与1,1-二氟乙烯的聚合物，所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺试剂。
离子液体质量比例越高，所得介电层制备的传感器的灵敏度越高，但是恢复能力重复性越差，丙酮质量比例越高薄膜越薄。
本发明的另一方面，上述制备方法制备得到的介电层。
本发明的另一方面，上述介电层在电容压力传感器中的应用。
本发明的另一方面，一种电容压力传感器，包括两个导电电极和一个上述介电层，所述介电层夹装在两个导电电极之间，介电层与电极自然贴合，为在不同应用场景固定可以适当使用胶带固定，切忌将胶带贴在电极正上方这样会给传感器一个压力；
所述导电电极的制备方法为，将银纳米线乙醇溶液均匀的涂在CPI薄膜上，干燥后外接导电胶带制作成导电电极。外接导电胶带的目的是方便测量电容信号。
本发明的另一方面，上述电容压力传感器在智能可穿戴设备中的应用。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1.本发明提供的介电层电容初始值较小，且宽高比较大，即在压缩同一高度，介电层与电极接触的面积变化的更大，介电层与电极接触面积越大，根据灵敏度公式，初始值越小，宽高比越大，灵敏度越高。
2.本发明提供的电容压力传感器检测范围可到500Kpa，相比于目前电容式压力传感器的检测范围最大约为120Kpa有了较大提高。同时在小压力范围下，灵敏度较高，在2kPa压力范围内，其灵敏度可达70kPa-1在2kpa-100kPa-1之间灵敏度约26kPa-1。实现了既能够检测大压力范围又能在小压力区间保持较高的灵敏度。基于此特性，扩大了柔性压力传感器在人力压力检测领域的应用范围，使其既可以实现小压力范围下，例如测量血压，保持较高的灵敏度，又可以实现在较大压力范围内的检测，例如步态检测。
附图说明
图1所示为模板的制备方法流程图；
图2所示为离子凝胶薄膜制备方法流程图；
图3所示为导电电极制备方法流程图；
图4所示为器件工作原理图；
图5所示为电容的相对变化量随压力变化曲线；
图中：1-PDMS，2-固化剂，3-载玻片，4-混合样品，5-匀胶机，6-真空干燥箱，7-拉伸固定好的样品，9-紫外臭氧处理装置，10-紫外臭氧灯，12-模板，13-离子液体，14-聚合物F，15-烧杯，16-丙酮溶液，17-磁珠，18-离子凝胶，19-离子凝胶薄膜，20-银纳米线乙醇溶液，21-CPI薄膜，22-导电电极，24-外界压力。
具体实施方式
以下结合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。
实验仪器型号：真空烘箱(DZF-6020)，磁力搅拌仪器(HJ-6型)，匀胶机(中科院KW-4A)，紫外光处理等设备(自制)。
实施例1
一种用于电容压力传感器的介电层的制备方法，包括以下步骤：
步骤1：制备模板
如图1所示，首先将聚二甲基硅氧烷1(PDMS)和其固化剂2(美国道康宁公司型号PDMS184，其固化剂与PDMS为成套购买)按质量比例10：1的比例搅拌均匀并放置真空容器中真空消泡，在真空环境下混合样品的内部气泡会因为气压的降低而溢出。真空消泡后的混合样品4滴涂在载玻片3上并使用匀胶机5以500r/min的速度匀胶处理1min，将匀胶处理好的样品放置在真空干燥箱6中以80℃的温度干燥固化4h。将样品取出并将干燥固化好的PDMS薄膜7从载玻片揭下后进行拉伸固定，拉伸比例为40％，将拉伸固定好的PDMS薄膜7放置在紫外臭氧处理装置9中进行紫外臭氧处理14h，紫外臭氧装置内的紫外臭氧灯10会产生臭氧，臭氧和PDMS发生化学反应可以在其表面形成一层硬质的二氧化硅薄膜，而PDMS是柔性的软材料，释放拉伸后由于PDMS和二氧化硅的杨氏模量不同会撕裂，二氧化硅薄膜在PDMS表面形成波浪褶皱。将该褶皱PDMS薄膜放置在玻璃基片上形成模板12。
步骤2：制备离子凝胶
如图2所示，将离子液体13(1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺试剂)和聚合物F14(1,1,2,3,3,3-六氟-1-丙烯与1,1-二氟乙烯的聚合物)按照质量比例4.5：5加入装有丙酮溶液16的烧杯15中，通过磁珠17混合搅拌1h形成离子凝胶18。
步骤3：制备离子凝胶薄膜
将步骤2制备的离子凝胶18滴涂在步骤1所得模板12上，使用匀胶机以500r/min的速度进行匀胶处理，然后在真空干燥箱中以80℃的温度干燥固化2h，得离子凝胶薄膜19，将所得离子凝胶薄膜19从模板上揭下作为电容传感器的介电层。
应用上述制备方法制备所得离子凝胶薄膜，一面为以褶皱PDMS薄膜为模板的褶皱面，另一面为平面。
依照本发明内容进行工艺参数调整，均可制备本发明的介电层，并表现出与实施例1基本一致的性能。
实施例2
一种电容压力传感器，包括两个导电电极和一个权利要求7所述的介电层，所述介电层夹装在两个导电电极之间。
导电电极的制备方法：
如图3所示，在CPI薄膜21上滴涂银纳米线乙醇溶液20(南京先锋纳米公司，浓度10mg/ml)，然后用棒23涂的方式将银纳米线乙醇溶液20均匀的涂在CPI薄膜21上，室温干燥0.5h，将涂有银纳米线的CPI薄膜外接导电胶带制作成导电电极22。
如图4所示，步骤3所得离子凝胶薄膜19被夹持在两个步骤4所得导电电极22之间，形成柔性压力传感器。其中离子凝胶薄膜19作为介电层，涂有银纳米线的CPI薄膜外接导电胶带作为导电电极22。
当有外界压力24时施加时导电电极22和离子凝胶薄膜19介电层的接触面积会增大，由于离子凝胶薄膜19内有导电离子在导电电极22两端的电场作用下会在表面上形成感应电荷，这样在离子凝胶薄膜19介电层和导电电极22之间形成了一个双电层电容器，并且其电容值随着接触面积的增加而增加。因此当有外力施加时该传感器的电容值将变大。如图4所示由于波浪褶皱的结构，当大压力施加时其接触面积也会有较大提高。
如图5所示，电容的相对变化量随压力值变化曲线，即按压后的电容值减去初始电容值比上初始电容值。从图中可以看出，其检测范围可到500Kpa。目前电容式压力传感器的检测范围最大约为120KPa。图5曲线的斜率可以表示为该传感器的灵敏度。即随着压力的增加，电容值变大的情况。传感器灵敏度定义为电容值的变化量比上初始电容值再除以施加在传感器上的压强。图5曲线的斜率就反映了灵敏度的特征。在2kPa压力范围内，其灵敏度可达70kPa-1在2kpa-100kPa-1之间灵敏度约26kPa-1为随着压强的增大，电容值变化越缓慢，这是因为在大压力下很难再造成传感器介电层的形变。
实施例3
本实施例是在实施例1和实施例2的基础上介绍其应用。
具体实施场景一
高灵敏度的实现可以将传感器贴附在人体的脉搏处，人体脉搏跳动所产生的舒张压大约在100pa左右，通过观察外接LCR表观察并记入电容变化情况。可以得知被测试者的脉搏信息从而可以更科学的进行脉搏分析。
具体实施场景二
所述的传感器可以组成阵列形式，每一个传感器作为阵列上的一点检测该点处压力变化。利用阵列排布的传感器可以检测整个平面不同区域的压力变化特征。阵列大小，数量可以根据不同场景设置。
具体实施场景三
所诉传感器可以检测大压力范围的压力，可以用于步态检测，将传感器贴在鞋垫上，可以检测人体走路的压强变化，进而可以用于分析人的步态信息。
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 (10)

1.一种介电层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1：将PDMS和其固化剂搅拌均匀，所得混合样品滴涂在载玻片上并依次进行匀胶处理和干燥固化，成膜后从载玻片揭下得PDMS薄膜；
步骤2：将所得PDMS薄膜拉伸固定后进行紫外臭氧处理，释放拉伸后形成褶皱PDMS薄膜；
步骤3：将离子液体和聚合物F加入丙酮，混合均匀形成离子凝胶；
步骤4：所得离子凝胶滴涂在步骤2所得褶皱PDMS薄膜的褶皱面上，并依次进行匀胶处理和干燥固化，成膜后从模板上揭下得到具有褶皱面的离子凝胶薄膜。
2.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，PDMS和其固化剂的质量比例为(8-12):1。
3.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1中，搅拌均匀所得混合样品放置在真空容器中真空消泡后再进行匀胶处理。
4.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤2中，所述拉伸固定的拉伸比例为40-80％；紫外臭氧处理时间为14-20h。
5.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤1和步骤4中，所述匀胶处理条件为，使用匀胶机以450-550r/min的速度匀胶处理30s-60s；所述干燥固化条件为，在真空干燥箱中以80-90℃的温度干燥固化2-4h。
6.如权利要求1所述的制备方法，其特征在于，步骤3中，离子液体和聚合物F的质量比例为(4-5.5)：5.5，聚合物F和丙酮的质量比例为1：(5-8)，所述聚合物F为1,1,2,3,3,3-六氟-1-丙烯与1,1-二氟乙烯的聚合物，所述离子液体为1-乙基-3-甲基咪唑啉双(三氟甲基磺酰基)亚胺试剂。
7.应用权利要求1-6任一项所述的制备方法制备得到的介电层。
8.如权利要求7所述介电层在电容压力传感器中的应用。
9.一种电容压力传感器，其特征在于，包括两个导电电极和一个权利要求7所述的介电层，所述介电层夹装在两个导电电极之间；
所述导电电极的制备方法为，将银纳米线乙醇溶液均匀的涂在CPI薄膜上，干燥后外接导电胶带制作成导电电极。
10.如权利要求9所述的电容压力传感器在智能可穿戴设备中的应用。
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