CN113203504A - 具有超高电容的柔性可穿戴压力传感器及压力传感器阵列 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种具有超高电容的柔性可穿戴压力传感器，包括由上至下依次设置的上部封装层，上部导电织布电极，中部支撑架，下部导电织布电极和下部封装层，所述中部支撑架内设置有中部导电水凝胶。本发明提出的压力传感器具有超高电容(可达到nF‑μF量级)，可有效抵抗环境电容噪声的干扰(pF量级)，具有高灵敏度、高信噪比的优势，可用于制备可穿戴阵列式压感皮肤。

Description

具有超高电容的柔性可穿戴压力传感器及压力传感器阵列

技术领域

本发明涉及压力传感器技术领域，具体地，涉及一种具有超高电容的柔性可穿戴压力传感器及压力传感器阵列。

背景技术

压力传感器能够感知外界压力并将压力信号转换为电信号，在工业生产、生活等领域具有相当广泛的应用。传统的压力传感器依赖刚性电子器件，难以顺应人体皮肤等柔软界面的形变，因此其应用领域受到了一定的限制。

近年来新兴的柔性压力传感器采用易变形、可拉伸的新型软体功能材料，具有良好的柔顺性和生物兼容性，可被应用于可穿戴式电子皮肤、软体机器人触觉感知等领域。

柔性压力传感器的机理可分为电阻式、电容式、压电式、摩擦电式等，其中电容压力传感器具有结构简单、性能稳定、不易受温度影响等优势，从而获得较多关注。

然而，现有的电容式柔性压力传感器通常采用平行板电容机理，即经典的上电极-介电层-下电极的“三明治”结构。由于该机理的物理局限，其电容量级仅限于pF量级，与电路中的寄生电容、外界环境噪声电容量级相当，易受噪声干扰且灵敏度低，不利于实际环境中的应用。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种具有超高电容的柔性可穿戴压力传感器及压力传感器阵列。

本发明的目的是通过以下方案实现的：

本发明的第一方面提供一种具有超高电容的柔性可穿戴压力传感器，包括由上至下依次设置的上部封装层，上部导电织布电极，中部支撑架，下部导电织布电极和下部封装层，所述中部支撑架内设置有中部导电水凝胶。

优选地，所述中部导电水凝胶的制备方法包括如下步骤：

(1)将丙烯酰胺单体与氯化钠或氯化锂按照质量比为2:3～2:3.5溶解于去离子水中，制成丙烯酰胺-盐离子溶液；优选的，丙烯酰胺单体的质量百分比是9.98wt％，氯化钠或氯化锂的质量百分比是16.16wt％；

(2)配制N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液作为交联剂，其溶液浓度为1.2wt％；

(3)将交联剂溶液、酮戊二酸、丙烯酰胺-盐离子溶液按照质量比为1:1.8:85～1:2:86混合并搅拌均匀，之后注入亚克力模具中，在紫外光中固化，即可制成导电水凝胶。优选的，将交联剂溶液(1.13wt％)，酮戊二酸(光引发剂)(2.2wt％)，丙烯酰胺-盐离子溶液(96.67％)混合并搅拌均匀，之后注入亚克力模具中，在365nm波长的紫外光中固化40分钟。

优选地，所述导电水凝胶的厚度为2mm–4mm。

优选地，所述上部导电织布电极和所述下部导电织布电极选用表面电镀铜、镍金属的聚酯纤维织布。优选地，所述上部导电织布电极和所述下部导电织布电极的厚度为100-200μm。

优选地，所述的中部支撑架能够将导电水凝胶置于其中空间隙，从而形成环状支撑结构，所述中部支撑架的厚度与所述中部导电水凝胶的厚度相同。

优选地，所述中部支撑架的材料选自硅胶、聚二甲基硅氧烷中的至少一种。

优选地，所述上部封装层和下部封装层的材料为具有强粘性的聚丙烯酸酯胶带(VHB)，所述封装层使用的胶带的强粘性可保证稳定可靠的封装效果。优选地，所述上部封装层和下部封装层的厚度为0.5-1mm。

本发明的第二方面提供一种超高电容的柔性可穿戴压力传感器阵列，包括由上至下依次设置的上部封装层，上部导电织布电极层，中部导电水凝胶层，下部导电织布电极层和下部封装层；

所述上部导电织布电极层包括多条等间距排布的上部导电织布电极，所述下部导电织布电极层包括多条等间距排布的下部导电织布电极，多条所述上部导电织布电极和多条所述下部导电织布电极以交叉的方式排布；

所述中部导电水凝胶层包括多条等间距排布的导电水凝胶，每条所述导电水凝胶均放置在一个中部支撑架中；多条所述导电水凝胶与多条所述下部导电织布电极以平行或交叉的方式排布。

优选地，多条所述上部导电织布电极和多条所述下部导电织布电极以垂直交叉的方式排布。

优选地，所述上部导电织布电极的条数、所述导电水凝胶的条数和所述下部导电织布电极条数相同。

与传统的基于平行板电容原理的压力传感器相比，本发明提出的超高电容压力传感器将中间介电层替换为离子导电的水凝胶层。离子导电式的结构在上、下导电织布电极与导电水凝胶之间的界面处形成“电双层”结构，即在导电水凝胶中分布着丰富的离子，同时，在镀金属的导电织布电极表面存在着大量可移动电子，电极层中正负电荷吸引导电水凝胶层中具有相反极性的离子，在界面处形成大量具有纳米尺度间隙的微小电容器，由此在宏观上产生了nF级以上的超高电容，远高于普遍处于pF级的传统的基于平行板电容原理的压力传感器。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

1、电容量级提升至nF-μF超高量级，可以有效避免环境电容噪声(pF量级)的干扰，实现高信噪比。

2、与传统的平行板电容压力传感器相比，压力传感器的灵敏度更高，具有更好的压力传感性能。

3、便于由单一传感单元扩展为包含多个传感单元的二维压力传感阵列，从而提供更丰富的压力感知信息。

4、可应用为可穿戴的电子皮肤，准确地测量人体脉搏等生理信号。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明提出的一种超高电容的柔性可穿戴压力传感器整体结构示意图；

图2为本发明实施例1中的超高电容的柔性可穿戴压力传感器和传统的平行板电容压力传感器的初始电容值和峰值电容值的柱状对比图；

图3为本发明一实例方式中可穿戴柔性压力传感器测量人体颈部脉搏效果图；

图4为本发明一实例方式中具有多个传感单元的二维压力传感阵列结构示意图。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提出的压力传感器具有超高电容(可达到nF-μF量级)，可有效抵抗环境电容噪声的干扰(pF量级)，具有高灵敏度、高信噪比的优势，可用于制备可穿戴阵列式压感皮肤。下面结合具体实施例进行详细说明。

实施例1、

如图1所示，一种具有超高电容的柔性可穿戴压力传感器，包括由上至下依次设置的上部封装层1，上部导电织布电极21，中部支撑架4，下部导电织布电极51和下部封装层6，中部支撑架4内设置有中部导电水凝胶31。

其中，采用的导电水凝胶为圆柱状，其厚度为4mm，半径为3mm。导电水凝胶的制备方法如下：将丙烯酰胺单体(9.98wt％)与氯化钠或氯化锂(16.16wt％)溶解于去离子水中，制成丙烯酰胺-盐离子溶液。配制N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液作为交联剂，其溶液浓度为1.2wt％。接下来，将交联剂溶液(1.13wt％),酮戊二酸(光引发剂)(2.2wt％),丙烯酰胺-盐离子溶液(96.67％)混合并搅拌均匀，之后注入亚克力模具中，在365nm波长的紫外光中固化40分钟，即可制成导电水凝胶。

中部支撑架能够将导电水凝胶置于其中空间隙，从而形成环状支撑结构，中部支撑架4的厚度与中部导电水凝胶31的厚度相同，为4mm。优选地，中部支撑架4的材料选自硅胶(Ecoflex 00-30)。

上部导电织布电极21和下部导电织布电极51选用表面电镀铜、镍金属的聚酯纤维织布。优选地，上部导电织布电极21和下部导电织布电极51的厚度为100μm。

上部封装层1和下部封装层6的材料为具有强粘性的聚丙烯酸酯胶带，封装层1使用的胶带的强粘性可保证稳定可靠的封装效果。优选地，上部封装层1和下部封装层6的厚度为0.5mm。

将传统的基于平行板电容原理的压力传感器作为对照，其采用的多层结构从上部至下部依次是：上部封装层，上部导电水凝胶电极，中部介电层，下部导电水凝胶电极，下部封装层。其中，上部和下部封装层均采用聚丙烯酸酯胶带(VHB)，厚度为0.5mm；中部介电层采用聚丙烯酸酯胶带(VHB)，厚度为1mm；上部和下部导电水凝胶电极为圆柱形，厚度均为1.5mm，半径均为3mm。参照图2所示，本实施例提供的具有超高电容的柔性可穿戴压力传感器与传统的平行板电容压力传感器对比，可见本实施例的压力传感单元的电容值处于nF量级以上，显著高于处于pF量级的基于传统平行板电容机理的压力传感器。

如图3所示，实施例1制备的具有超高电容的柔性压力传感器可作为可穿戴电子皮肤贴附于人体颈部动脉处，测量颈部脉搏的压力变化，在医疗健康监测领域具有良好的应用前景。

实施例2

如图4所示，本实施例提供一种具有超高电容的柔性可穿戴二维压力传感阵列，包含的传感单元个数为16个，各传感单元按照正交排列布置于同一平面内。具体结构为，由上至下依次设置上部封装层1，上部导电织布电极层2，中部导电水凝胶层3，下部导电织布电极层5和下部封装层6；

上部导电织布电极层2包括四条等间距排布的上部导电织布电极21，下部导电织布电极层5包括四条等间距排布的下部导电织布电极51，四条上部导电织布电极21和四条下部导电织布电极51以垂直交叉的方式排布；

中部导电水凝胶层3包括四条等间距排布的导电水凝胶31，每条导电水凝胶31均放置在一个中部支撑架4中(本实施例中，中部支撑架4的形状为顶部和底部敞口的中空长方体结构，材料采用的是聚二甲基硅氧烷(Sylgard 184))；四条导电水凝胶31与四条下部导电织布电极51以平行的方式排布。在四条上部导电织布电极21和四条下部导电织布电极51的垂直交叉点形成传感单元，本实施例中一共形成16个交叉点，即4X4＝16个传感单元。整体结构由上部封装层1和下部封装层6实现密封，形成具有超高电容的柔性可穿戴二维压力传感阵列。

二维压力传感阵列可以实时检测平面区域内各传感单元所在位置的压力分布。本发明提出的超高电容的压力传感单元构成的传感阵列具有低串扰、高信噪比的优势，适于在噪声较多的实际应用场景中使用。

需要说明的是，在实施例2的基础上，具有超高电容的柔性可穿戴二维压力传感阵列还可以有以下一种或多种变形：(1)、四条导电水凝胶31与四条上部导电织布电极21以平行的方式排布。(2)、四条导电水凝胶31与四条上部导电织布电极21或四条下部导电织布电极51以交叉的方式排布。(3)、四条上部导电织布电极21和四条下部导电织布电极51以非垂直交叉的方式排布。(4)上部导电织布电极21的条数、导电水凝胶31的条数和下部导电织布电极51条数可以不同，根据压力传感器阵列所需传感单元的数量进行设置。

在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本申请和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本申请的限制。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种具有超高电容的柔性可穿戴压力传感器，其特征在于，包括由上至下依次设置的上部封装层(1)，上部导电织布电极(21)，中部支撑架(4)，下部导电织布电极(51)和下部封装层(6)，所述中部支撑架(4)内设置有中部导电水凝胶(31)。

2.根据权利要求1所述的具有超高电容的柔性可穿戴压力传感器，其特征在于，所述中部导电水凝胶(31)的制备方法包括如下步骤：

(1)将丙烯酰胺单体与氯化钠或氯化锂按照质量比为2:3～2:3.5溶解于去离子水中，制成丙烯酰胺-盐离子溶液；

(2)配制N,N-亚甲基双丙烯酰胺溶液作为交联剂，其溶液浓度为1.2wt％；

(3)将交联剂溶液、酮戊二酸、丙烯酰胺-盐离子溶液按照质量比为1:1.8:85～1:2:86混合并搅拌均匀，之后注入亚克力模具中，在紫外光中固化，即可制成导电水凝胶。

3.根据权利要求1或2所述的具有超高电容的柔性可穿戴压力传感器，其特征在于，所述导电水凝胶(31)的厚度为2mm–4mm。

4.根据权利要求1所述的具有超高电容的柔性可穿戴压力传感器，其特征在于，所述上部导电织布电极(21)和所述下部导电织布电极(51)选用表面电镀铜、镍金属的聚酯纤维织布。

5.根据权利要求1所述的具有超高电容的柔性可穿戴压力传感器，其特征在于，所述中部支撑架(4)的厚度与所述中部导电水凝胶(31)的厚度相同。

6.根据权利要求1或5所述的具有超高电容的柔性可穿戴压力传感器，其特征在于，所述中部支撑架(4)的材料选自硅胶、聚二甲基硅氧烷中的至少一种。

7.根据权利要求1所述的具有超高电容的柔性可穿戴压力传感器，其特征在于，所述上部封装层(1)和下部封装层(6)的材料为具有强粘性的聚丙烯酸酯胶带。

8.一种具有超高电容的柔性可穿戴压力传感器阵列，其特征在于，包括由上至下依次设置的上部封装层(1)，上部导电织布电极层(2)，中部导电水凝胶层(3)，下部导电织布电极层(5)和下部封装层(6)；

所述上部导电织布电极层(2)包括多条等间距排布的上部导电织布电极(21)，所述下部导电织布电极层(5)包括多条等间距排布的下部导电织布电极(51)，多条所述上部导电织布电极(21)和多条所述下部导电织布电极(51)以交叉的方式排布；

所述中部导电水凝胶层(3)包括多条等间距排布的导电水凝胶(31)，每条所述导电水凝胶(31)均放置在一个中部支撑架(4)中；

多条所述导电水凝胶(31)与多条所述下部导电织布电极(51)以平行或交叉的方式排布。

9.根据权利要求8所述的具有超高电容的柔性可穿戴压力传感器阵列，其特征在于，多条所述上部导电织布电极(21)和多条所述下部导电织布电极(51)以垂直交叉的方式排布。

10.根据权利要求8所述的具有超高电容的柔性可穿戴压力传感器阵列，其特征在于，所述上部导电织布电极(21)的条数、所述导电水凝胶(31)的条数和所述下部导电织布电极(51)条数相同。

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