CN113091961A - 可调量程电容式柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可变量程电容式柔性压力传感器及其制备方法，本发明在电容器两电极之间设置磁流变介质层，通过外加磁场调节磁流变介质层的机械特性，优点是使电容器实现传感器压力检测量程的调节。

Description

可调量程电容式柔性压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及智能流体、柔性传感器领域，具体涉及一种可调量程电容式柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
磁场响应型智能粒子悬浮液(称为磁流变)由非导电介质与悬浮的磁性纳米颗粒组成，这种体系在磁场作用下能产生明显的磁流变效应，在无外加磁场时，磁流变液表现为牛顿流体状态；当有外加磁场作用时，其内部的磁性颗粒会在几毫秒内沿磁场方向排列成链，磁流变液由液体状态变为类固体状态。由于这种转变是可逆、迅速、可控的，因此，自磁流变液问世以来，在汽车制动器、离合器、阻尼器、密封器件、医疗器械和航天航空等领域有了越来越多的应用。
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。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。此外，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也具有重要意义。
发明内容
针对上述问题，本发明的目的在于提供一种可调量程电容式柔性压力传感器及其制备方法。该柔性电容式压力传感器采用薄膜空腔型结构，空腔内设置磁流变介质层，基于磁流变介质层的磁流变效应使得薄膜在外力情况下发生的形变受外磁场影响，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。
为实现上述目的，本发明所采用的技术方案为：
第一方面，本发明提供一种可调量程电容式柔性压力传感器，由上电极层、柔性薄膜层、柔性腔体、磁流变介质层、下电极层、励磁线圈层组成，上电极层位于最上方，柔性薄膜层覆盖在柔性腔体上方，磁流变介质层被设置于柔性腔体中，柔性腔体下方是下电极层，励磁线圈层置于下电极层下方。
所述上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及以上材料的复合物。
所述柔性薄膜层的材质为柔韧性优良的有机物，如聚二甲基硅氧烷。
所述柔性腔体的材质为柔韧性优良的有机物，如聚二甲基硅氧烷，柔性腔体两端留有通孔用于加注磁流变介质。
所述磁流变介质层为三部分组成：磁性纳米颗粒、非磁性载液和添加剂，是一种磁场-粘度敏感性流体材料；其中，磁性纳米颗粒可以是四氧化三铁纳米颗粒，钕铁硼纳米颗粒或铁，钴，镍等磁性金属纳米颗粒，添加剂通常为由超精细石英粉形成的硅胶，起到稳定分散纳米颗粒，防止团聚的作用；其中，非磁性载液可以是水、硅油；磁流变介质层填充在柔性腔体中。
所述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及以上材料的复合物。
所述励磁线圈层由柔韧性良好的绝缘高分子聚合物和金属线圈组成，其中，绝缘高分子聚合物可以是聚二甲基硅氧烷、PET、TPE等；金属线圈的材质采用导电性良好的金属，如Cu、Al等，金属线圈嵌入在绝缘高分子聚合物中。
第二方面，本发明提供一种可调量程柔性电容式压力传感器，其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制备一层上电极层；
(3)采用3D打印法或模板法制备两端带通孔的柔性腔体，将柔性腔体粘贴在柔性薄膜层下方；
(4)采用沉积工艺在柔性腔体下方制备一层下电极层；
(5)通过柔性腔体两端通孔向柔性腔体内注入磁流变介质，形成磁流变介质层，封堵通孔。
(6)将金属线圈浸泡在绝缘高分子聚合物溶液中，固化绝缘高分子聚合物，形成内嵌有金属线圈的励磁线圈层，将励磁线圈层粘附在下电极层下方。
本发明的工作原理如下：
本发明的基本思想是在电容器两电极之间设置磁流变介质层，通过励磁线圈层所产生的磁场调节磁流变介质层的机械特性，使得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，借助对可动电极形变的调节控制电容器压力-电容值变化特性，从而实现传感器压力检测量程的调节。
与现有压力传感器技术相比，本发明有益效果及优点如下：
1、具有柔性。该压力传感器选用柔性材料，通过3D打印或模板法等制作方法，可实现较高的拉伸比，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，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为可调量程电容式柔性压力传感器结构示意图。
图2为可调量程电容式柔性压力传感器制备工艺流程。
图3为励磁线圈层结构示意图。
图中：1、上电极层；2、柔性薄膜层；3、柔性腔体；4、磁流变介质层；5、下电极层；6、励磁线圈层；601、绝缘高分子聚合物；602、金属线圈。
具体实施方式
本发明中可调量程电容式柔性压力传感器，由上电极层1、柔性薄膜层2、柔性腔体3、磁流变介质层4、下电极层5、励磁线圈层6组成，如图1所示。
本发明中可调量程电容式柔性压力传感器的制备方法，如图2所示，包括以下步骤：
(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向柔性腔体3内注入磁流变介质，形成磁流变介质层4，封堵通孔。
(6)将金属线圈602浸泡在绝缘高分子聚合物601溶液中，固化绝缘高分子聚合物601，形成内嵌有金属线圈602的励磁线圈层6，将励磁线圈层6粘附在下电极层5下方。
下面结合附图和具体的实施例对本发明的技术方案作进一步描述，以下实施例并不构成对本发明的限定。
实施例1
(1)采用涂布工艺将聚二甲基硅氧烷溶液均匀涂布在平面基板上，在60℃下固化30分钟，形成聚二甲基硅氧烷柔性薄膜层，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，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打印材料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20分钟；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30分钟，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)在柔性腔体下方贴附一层铜膜，作为下电极层，如图2d)所示。
(5)将由铜线圈在PDMS溶液中浸泡，固化PDMS溶液，形成含有铜线圈的PDMS薄膜，将其贴在下电极层之下，如图2e)所示。
(6)使用注射泵从柔性腔体通孔端注入磁流变介质，柔性腔体内填充满磁流变介质后，在两通孔端口填充聚二甲基硅氧烷溶液，并在60℃下热固化30分钟，使聚二甲基硅氧烷溶液固化从而封堵住通孔，如图2f)所示。
实施例2
(1)采用涂布工艺将聚二甲基硅氧烷溶液均匀涂布在平面基板上，在60℃下固化30分钟，形成聚二甲基硅氧烷柔性薄膜层，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，作为上电极层，如图2b)所示；
(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打印材料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20分钟；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30分钟后剥离，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30分钟，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)在柔性腔体下方贴附一层铜膜，作为下电极层，如图2d)所示。
(5)将由铜线圈在PDMS溶液中浸泡，固化PDMS溶液，形成含有铜线圈的PDMS薄膜，将其贴在下电极层之下，如图2e)所示。
(6)使用注射泵从柔性腔体通孔端注入磁流变介质，柔性腔体内填充满磁流变介质后，在两通孔端口填充聚二甲基硅氧烷溶液，并在60℃下热固化30分钟，使聚二甲基硅氧烷溶液固化从而封堵住通孔，如图2f)所示。

Claims (10)

1.一种可变量程电容式柔性压力传感器及其制备方法，其特征在于：该可变量程电容式柔性压力传感器由上电极层、柔性薄膜层、柔性腔体、磁流变介质层、下电极层和励磁线圈层组成；所述上电极层位于最上方；所述柔性薄膜层覆盖在柔性腔体上方；所述磁流变介质层被设置于柔性腔体中；所述柔性腔体下方是下电极层；所述励磁线圈层置于下电极层下方。
2.根据权利要求1所述可变量程电容式柔性压力传感器，其特征在于：所述上电极层的材质为导电性良好的材料，为金属、无机导电材料或有机导电高分子材料中任一种或两种及以上材料的复合物。
3.根据权利要求1或2所述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韧性优良的聚二甲基硅氧烷。
4.根据权利要求1或2所述可变量程电容式柔性压力传感器，其特征在于：所述柔性腔体的材质为柔韧性优良的有机物，柔性腔体两端留有通孔用于加注磁流变介质。
5.根据权利要求3所述可变量程电容式柔性压力传感器，其特征在于：所述柔性腔体的材质为柔韧性优良的有机物，柔性腔体两端留有通孔用于加注磁流变介质。
6.根据权利要求1或2或5所述可变量程电容式柔性压力传感器，其特征在于：所述磁流变介质层磁流变介质层填充在柔性腔体中，是一种磁场-粘度敏感性流体材料，为三部分组成：磁性纳米颗粒、非磁性载液和添加剂；其中，所述磁性纳米颗粒为四氧化三铁纳米颗粒、钕铁硼纳米颗粒或铁、钴、镍磁性金属纳米颗粒中任一种；所述添加剂为由超精细石英粉形成的硅胶，起到稳定分散纳米颗粒，防止团聚的作用；所述非磁性载液是水或硅油。
7.根据权利要求1或2或5所述可变量程电容式柔性压力传感器，其特征在于：所述下电极层的材质为导电性良好的材料，为金属、无机导电材料或有机导电高分子材料中任一种或两种及以上材料的复合物。
8.根据权利要求6所述可变量程电容式柔性压力传感器，其特征在于：所述下电极层的材质为导电性良好的材料，为金属、无机导电材料或有机导电高分子材料中任一种或两种及以上材料的复合物。
9.根据权利要求1或2或5或8所述可变量程电容式柔性压力传感器，其特征在于：所述下励磁线圈层由柔韧性良好的绝缘高分子聚合物和金属线圈组成；其中，所述绝缘高分子聚合物为聚二甲基硅氧烷、PET或TPE中任一种；所述金属线圈的材质采用导电性良好的金属，金属线圈嵌入在绝缘高分子聚合物中。
10.一种如权利要求9所述可变量程柔性电容式压力传感器的制备方法，其特征在于：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制备一层电极层；
(3)采用3D打印法或模板法制备两端带通孔的柔性腔体，将柔性腔体粘贴在柔性薄膜层下方；
(4)采用沉积工艺在柔性腔体下方制备一层电极层；
(5)通过柔性腔体两端通孔向柔性腔体内注入磁流变介质，形成磁流变介质层，封堵通孔；
(6)将金属线圈浸泡在绝缘高分子聚合物溶液中，固化绝缘高分子聚合物，形成内嵌有金属线圈的励磁线圈层，将励磁线圈层粘附在下电极层下方。
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