CN113138042B - 一种pdms—ps聚合物电介质的电容式柔性压力传感器及其制作工艺 - Google Patents

Abstract

本发明提出了一种PDMS—PS聚合物电介质的电容式柔性压力传感器，包括电极，所述电极包括PDMS基底薄膜，所述PDMS基底薄膜之间设置有电介层薄膜，所述电介层薄膜包括PDMS—PS聚合物，所述PDMS基底薄膜对应所述电介层薄膜的一侧设置有微结构，另一侧设置导电薄膜，两侧电极通过胶布与导线连接。通过采用上述技术方案，电介层薄膜采用PDMS—PS聚合物，受压易变形，由于材料的弹性其电容也会随着改变，从而进一步引起电流的变化，电阻率变化大，从而提高了传感器的灵敏度，实现了高灵敏度的力传感。

Description

一种PDMS—PS聚合物电介质的电容式柔性压力传感器及其制 作工艺

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体涉及一种PDMS—PS聚合物电介质的电容式柔性压力传感器及其制作工艺。

背景技术

随着新材料和微纳米技术的发展，大量的柔性传感器被应用于机器人皮肤、智能假肢、可穿戴设备等领域。目前传感器根据能量和信息转换方式可以分为以下几类: 电容式、电阻式、压电式。相比其他形式的传感器，电容式传感器具有结构简单、灵敏度高、性能稳定等特点，引起越来越多的学者对其进行关注和研究。

常见的电容式压力传感器多以“三明治”结构为主，由上下两个电极及中间的介电层组成。对于介电层，由于弹性介电层杨氏模量的限制电容式压力传感器难以达到高灵敏度的要求。当前，改善电容式性能的方法主要有以下两种。一种是在中间介电层表面增加微结构，降低介电层的杨氏模量，增加形变能力，从而提高传感器的灵敏度性能。另一种就是在中间介电层中添加纳米材料改变传感器的介电常数。故研究适合的敏感材料或是微纳结构及其相关制作工艺是电容式柔性压力传感器发展的关键。近年来对电容式柔性压力传感器性能的改善方法主要集中在介电层的材料与微结构的改进，采用浸泡法制作敏感层，对于电极一般采用Ag、Au的溶液制备电容式压力传感器传感器具有较高的灵敏度，但是其昂贵的导电材料和复杂制作工艺严重影响了其实用性。

发明内容

基于上述问题，本发明目的在于提供一种高灵敏、低成本的PDMS—PS聚合物电介质的电容式柔性压力传感器及其制作工艺。

针对以上问题，提供了如下技术方案：一种PDMS—PS聚合物电介质的电容式柔性压力传感器，包括电极，所述电极包括PDMS基底薄膜，所述PDMS基底薄膜之间设置有电介层薄膜，所述电介层薄膜包括PDMS—PS聚合物，所述PDMS基底薄膜对应所述电介层薄膜的一侧设置有微结构，另一侧设置导电薄膜，两侧电极通过胶布与导线连接。

通过采用上述技术方案，电介层薄膜采用PDMS—PS聚合物，受压易变形，由于材料的弹性其电容也回随着改变，从而进一步引起电流的变化，电阻率变化大，从而提高了传感器的灵敏度，实现了高灵敏度的力传感。

本发明进一步设置：所述微结构包括多个微型单元，所述微型单元包括一个以上的不同高度的金字塔凸部，所述金字塔凸部包括第一凸部和第二凸部，所述第一凸部的高度为h1，所述第二凸部的高度为h2，h1 ＞ h2，所述微型单元以第一凸部为中心，第二凸部设置于第一凸部的四周。

通过采用上述技术方案，弹性材料的形变为传感器的高灵敏度提供保障，但材料的形变之后的扩散也使得其残剩一定的滞后性，多级金字塔可以有效的减少由于黏附现象产生的传感器的滞后性。

本发明进一步设置：所述金字塔凸部还包括第三凸部，所述第三凸部的高度为h3，h1 ＞ h2＞ h3，所述第二凸部设置第一凸部与第三凸部之间，每个微型单元中，第一凸部、第二凸部和第三凸部呈十字轴分布。

通过采用上述技术方案，金字塔凸部可为多级设置，从每个微型单元截面来看，由多个不同高度的金字塔凸块构成了大金字塔凸块，其形变程度随金字塔凸部的级数增加，其灵敏度越高。

本发明进一步设置：相邻微型单元之间构成方形空隙。

通过采用上述技术方案，十字轴分布，相邻微型单元之间构成方形空隙，减小了传感器微结构的密度，提升了传感器的灵敏度。

本发明进一步设置：所述金字塔凸部还包括第三凸部，所述第三凸部的高度为h3，h1 ＞ h2＞ h3，所述第二凸部设置第一凸部与第三凸部之间，每个微型单元中，第一凸部、第二凸部和第三凸部呈金字塔分布。

本发明进一步设置：所述微结构由MEMS技术刻蚀硅片基底后由PDMS固化后制得。

通过采用上述技术方案，通过MEMS技术，加工精度高，微结构由PDMS固化后制得，成品率高。

本发明进一步设置：所述导电薄膜为MWCNT薄膜。

通过采用上述技术方案，MWCNT薄膜导电性强，成本低。

本发明进一步设置：所述MWCNT薄膜由所述PDMS基底薄膜多次喷射MWCNT后烘干获得。

通过采用上述技术方案，使得MWCNT薄膜成型更加均匀，增加导电率。

一种用于生产PDMS基底薄膜的制作工艺，步骤如下：

步骤一、利用MEMS技术在硅片基底上刻蚀出凹槽备用；

步骤二、将PDMS与固化剂按10：1比例配比后在真空箱中抽真空20min去除气泡；

步骤三、将配置好的PDMS预置体倒入硅片基底中，放入匀胶机旋转速度为350rad/min，时间为100s；

步骤四、将涂有PDMS基底的硅片在80℃真空烤箱中固化3h得到带有微结构的PDMS基底薄膜；

步骤五、配置无水乙醇和MWCNT质量比为99：1的溶液，超声搅拌1小时后备用；

步骤六、利用喷壶将溶液喷在PDMS基底薄膜表面，放入80℃烤箱中烘干五分钟，并重复3-4次。

本发明的有益效果：相比现有的柔性电容式传感器，本发明制作方法简单，效率高，成本较低，可实现大批量的生产。

一种用于生产电介层薄膜的制作工艺，步骤如下：

步骤一、在PDMS中加入重量比2％的PS，超声搅拌2h使微球均匀分布在溶液中；

步骤二、将步骤一所得溶液放入150℃的加热装置中加热15min，使微球膨胀；

步骤三、将步骤二所得溶液以10：1比例放入固化剂，通过搅拌使其均匀混合；

步骤四、将步骤三所得溶液倒入玻璃皿，放入70℃真空烤箱中，固化3h后可得PDMS-PS介电层薄膜。

本发明的有益效果：当压力作用于传感器表面时，上层电极与下层电极的微结构与介电层接触，引起表面积的变化导致电容发生改变。利用PS与PDMS聚合得到的介电层弹性材料，与电极的微结构并举的方式实现高灵敏度的压力传感。该传感器在人体健康监测、医疗器械、柔性电子皮肤、柔性触摸屏、工业机器人、可穿戴电子产品等领域具有广泛的应用价值。

附图说明

图1为本发明传感器的结构爆炸图；

图2为本发明传感器的结构示意图；

图3为本发明PDMS基底薄膜的结构示意图；

图4为本发明方法中电极的制作工艺流程图；

图5为本发明方法中电介层薄膜的制作工艺步骤二的示意图；

图6为本发明方法中电介层薄膜的制作工艺流程图；

图7为本发明与其他现有电容式柔性压力传感器的在不同压力下的电容变化率对比表；

图中标号含义：1-电极；2-PDMS基底薄膜；21-微结构；211-金字塔凸部；2111-第一凸部；2112-第二凸部；2113-第三凸部；212-微型单元；213-方形空隙；22-导电薄膜；3-电介层薄膜；5-胶布。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

参见附图1-7，本实施例公开的一种PDMS—PS聚合物电介质的电容式柔性压力传感器，包括电极1，所述电极1包括PDMS基底薄膜2，所述PDMS基底薄膜2之间设置有电介层薄膜3，所述电介层薄膜3包括PDMS—PS聚合物，所述PDMS基底薄膜2对应所述电介层薄膜3的一侧设置有微结构21，另一侧设置导电薄膜22，两侧电极1通过胶布5与导线连接。

本发明进一步设置：所述微结构包括多个微型单元212，所述微型单元212包括一个以上的不同高度的金字塔凸部211，所述金字塔凸部211包括第一凸部2111和第二凸部2112，所述第一凸部2111的高度为h1，所述第二凸部2112的高度为h2，h1 ＞ h2，所述微型单元212以第一凸部2111为中心，第二凸部2112设置于第一凸部2111的四周。

本发明进一步设置：所述金字塔凸部211还包括第三凸部2113，所述第三凸部2113的高度为h3，h1 ＞ h2＞ h3，所述第二凸部2112设置第一凸部2111与第三凸部2113之间，每个微型单元212中，第一凸部2111、第二凸部2112和第三凸部2113呈十字轴分布。

本发明进一步设置：相邻微型单元212之间构成方形空隙213。

本发明进一步设置：所述金字塔凸部211还包括第三凸部2113，所述第三凸部2113的高度为h3，h1 ＞ h2＞ h3，所述第二凸部2112设置第一凸部2111与第三凸部2113之间，每个微型单元212中，第一凸部2111、第二凸部2112和第三凸部2113呈金字塔分布。

本发明进一步设置：所述微结构21由MEMS技术刻蚀硅片基底4后由PDMS固化后制得。

本发明进一步设置：所述导电薄膜22为MWCNT薄膜。

本发明进一步设置：所述MWCNT薄膜由所述PDMS基底薄膜2多次喷射MWCNT后烘干获得。

上述的“之间”并不仅仅指方位、位置之间，还包括指不同零件的相互作用之间的意思，上述的“上、下”只是相对描述，便于描述和理解，不排除使用其它可能性。

参见附图4，一种用于生产PDMS基底薄膜2的制作工艺，步骤如下：

步骤一、利用MEMS技术在硅片基底上刻蚀出凹槽备用；

步骤二、将PDMS与固化剂按10：1比例配比后在真空箱中抽真空20min去除气泡；

步骤三、将配置好的PDMS预置体倒入硅片基底中，放入匀胶机旋转速度为350rad/min，时间为100s；

步骤四、将涂有PDMS基底的硅片在80℃真空烤箱中固化3h得到带有微结构21的PDMS基底薄膜2；

步骤五、配置无水乙醇和MWCNT质量比为99：1的溶液，超声搅拌1小时后备用；

步骤六、利用喷壶将溶液喷在PDMS基底薄膜2表面，放入80℃烤箱中烘干五分钟，并重复3-4次。

参见附图5-6，一种用于生产电介层薄膜3的制作工艺，步骤如下：

步骤一、在PDMS中加入重量比2％的PS，超声搅拌2h使微球均匀分布在溶液中；

步骤二、将步骤一所得溶液放入150℃的加热装置中加热15min，使微球膨胀；

步骤三、将步骤二所得溶液以10：1比例放入固化剂，通过搅拌使其均匀混合；

步骤四、将步骤三所得溶液倒入玻璃皿，放入70℃真空烤箱中，固化3h后可得PDMS-PS介电层薄膜。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，上述假设的这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种PDMS—PS聚合物电介质的电容式柔性压力传感器，其特征在于：包括电极，所述电极包括PDMS基底薄膜，所述PDMS基底薄膜之间设置有电介层薄膜，所述电介层薄膜包括PDMS—PS聚合物，所述PDMS基底薄膜对应所述电介层薄膜的一侧设置有微结构，另一侧设置导电薄膜，两侧电极通过胶布与导线连接，所述微结构包括多个微型单元，所述微型单元包括一个以上的不同高度的金字塔凸部，所述金字塔凸部包括第一凸部和第二凸部，所述第一凸部的高度为h1，所述第二凸部的高度为h2，h1 ＞ h2，所述微型单元以第一凸部为中心，第二凸部设置于第一凸部的四周，所述金字塔凸部还包括第三凸部，所述第三凸部的高度为h3，h1 ＞ h2＞ h3，所述第二凸部设置第一凸部与第三凸部之间，每个微型单元中，第一凸部、第二凸部和第三凸部呈十字轴分布，每个微型单元截面为由多个不同高度的金字塔凸部构成的大金字塔凸块，相邻微型单元之间构成方形空隙。

2.根据权利要求1所述的一种PDMS—PS聚合物电介质的电容式柔性压力传感器，其特征在于：所述微结构由MEMS技术刻蚀硅片基底后由PDMS固化后制得。

3.根据权利要求1所述的一种PDMS—PS聚合物电介质的电容式柔性压力传感器，其特征在于：所述导电薄膜为MWCNT薄膜。

4.根据权利要求3所述的一种PDMS—PS聚合物电介质的电容式柔性压力传感器，其特征在于：所述MWCNT薄膜由所述PDMS基底薄膜多次喷射MWCNT后烘干获得。

5.一种用于生产如权利要求1-4任一项所述的一种PDMS—PS聚合物电介质的电容式柔性压力传感器的电极的制作工艺，其特征在于，步骤如下：

步骤一、利用MEMS技术在硅片基底上刻蚀出凹槽备用；

步骤二、将PDMS与固化剂按10：1比例配比后在真空箱中抽真空20-40min去除气泡；

步骤三、将配置好的PDMS预置体倒入硅片基底中，放入匀胶机旋转速度为350r/min，时间为2min；

步骤四、将涂有PDMS基底的硅片在80℃真空烤箱中固化3h得到带有微结构的PDMS基底薄膜；

步骤五、配置无水乙醇和MWCNT质量比为99：1的溶液，超声搅拌60-70min后备用；

步骤六、利用喷壶将溶液喷在PDMS基底薄膜表面，放入80℃烤箱中烘干五分钟，并重复3-4次。

6.一种用于生产如权利要求1-4任一项所述的一种PDMS—PS聚合物电介质的电容式柔性压力传感器的电介层薄膜的制作工艺，其特征在于，步骤如下：

步骤一、在PDMS中加入重量比2％的PS，超声搅拌2h使微球均匀分布在溶液中；

步骤二、将步骤一所得溶液加热至150℃，时间为15-20min，使微球膨胀；

步骤三、将步骤二所得溶液以10：1比例放入固化剂，通过搅拌使其均匀混合；

步骤四、将步骤三所得溶液倒入玻璃皿，放入80℃真空烤箱中，固化3h以上后可得PDMS-PS介电层薄膜。

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