CN113237419B

CN113237419B - 一种高灵敏度柔性电容式应变传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN113237419B
Application number: CN202110526880.6A
Authority: CN
Inventors: 聂萌; 沈靖程
Original assignee: Southeast University
Current assignee: Southeast University
Priority date: 2021-05-14
Filing date: 2021-05-14
Publication date: 2023-02-03
Anticipated expiration: 2041-05-14
Also published as: CN113237419A

Abstract

本发明公开一种高灵敏度柔性电容式应变传感器及其制备方法，该传感器为五层结构，由上至下分别为第一拉胀结构层，上电极板，多孔介质层，下电极板，第二拉胀结构层；拉胀结构层由拉胀结构框架与柔性基底组成，拉胀结构框架嵌入于柔性基底中；多孔介质层为柔性多孔结构，厚度较拉胀结构层小，上下电极板导电性能优异，且厚度极小可忽略不计。本发明提出通过拉伸拉胀结构层促使电容结构面积形变量增加从而实现提高柔性电容式应变传感器的灵敏度。

Description

一种高灵敏度柔性电容式应变传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种柔性传感器领域，具体涉及一种高灵敏度柔性电容式应变传感器及其制备方法。

背景技术

近年来由于在可穿戴电子设备，电子皮肤和医疗健康监测系统中巨大的应用潜力，灵活稳定的高性能柔性电容式应变传感器受到广泛关注。柔性电容式应变传感器可以精确地检测微小的机械变化并实时反馈，因此传感器的灵敏度是一个非常重要的性能参数。电容式应变传感器灵敏度主要是由在传感器受到应变的作用时，电容极板之间的有效作用面积，介质的介电常数或者电极板之间的距离三个参数的变化量决定的。目前，一般是通过掺杂调控介电层材料的介电常数，或者通过对衬底结构的优化，实现灵敏度的提高。

而一般弹性基底的泊松比为正泊松比，这会使得传感器纵向拉伸时横向产生压缩，使得电容器结构的有效面积减小，从而削弱了由其他两个参数变化带来的电容的变化量，导致传感器灵敏度的提高程度受限。

发明问题

本发明要解决的技术问题是提供一种柔性基底呈现等效负泊松比的结构，实现基底纵向拉伸时，电容器极板横向也被拉伸，有效的增加了电容器的面积，进而使得输出电容的变化量在原来基础上增大，实现传感器灵敏度的提高。

本发明的一种高灵敏度柔性电容式应变传感器，包括由上至下依次设置的第一拉胀结构层、上电极板、多孔介质层、下电极板、以及第二拉胀结构层；第一拉胀结构层和第二拉胀结构层结构相同。

拉胀结构层包括拉胀结构框架与柔性基底组成，拉胀结构框架嵌入在柔性基底中；拉胀结构框架具有负的泊松比；所述多孔介质层为柔性多孔结构。

进一步的，拉胀结构框架为凹角蜂窝结构、旋转刚体结构、手性结构、褶皱结构或穿孔板结构。

进一步的，拉胀结构框架选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)、聚氨酯(PU)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏氟乙烯(PVDF)或聚萘酯(PEN)弹性模量相对高的材料；柔性基底与多孔介质层选用硅橡胶(Ecoflex)或水凝胶等弹性模量相对低的材料。

进一步的，所述上电极板和下电极板均由碳纳米管、炭黑、液态金属、导电水凝胶或导电聚合物制成。

进一步的，多孔介质层厚度较第一拉胀结构层或第二拉胀结构层小。

另一方面，本发明还提供一种高灵敏度柔性电容式应变传感器的制备方法。

与现有技术相比，本发明的有益效果是提出了一种平行板电容式应变传感器结构，其独特的地方在于：在上电极板和下电极板层的表面，比传统平行板电容结构多两层拉胀结构层，可以有效的提高传感器的灵敏度，并可通用于柔性平行板结构的电容式应变传感器。原因是，当受到外力纵向拉伸时，拉胀结构层会被纵向拉伸，由于其具有负泊松比特性，同时横向会产生膨胀。由于在结构设计时选择了硬度较高的材料框架，则在其受到拉伸时会拉动周围硬度较低的柔性基底一起横向膨胀，进而拉动厚度较薄的多孔介质层与上下电极板的横向膨胀，增加电容器结构的面积；同时，介质层在纵向和横向都膨胀的状态下厚度会减小，又由于介质层为多孔结构，厚度减小的过程中受到的阻力较小可实现厚度的减小量相对较大；且介质层厚度减小时，介质层中的孔被压缩使得孔中一部分空气被挤压出去，导致介电常数增加。综上，根据平行板电容公式可得本专利提出的传感器结构，在受到拉伸应变作用时，影响电容变化的三个参数上都得到了全面积极的影响变化。因此在相同应变条件下，本发明提出的柔性电容式应变传感器的灵敏度高于传统柔性电容式应变传感器。

附图说明

图1为本发明实施例中柔性电容式应变传感器的结构俯视图；

图2为本发明实施例中柔性电容式应变传感器的三维结构图；

图3为凹角结构单元力学理论模型示意图；

图4为四分之一凹角结构单元受力力学理论分析示意图；

图5为本发明实施例中柔性电容式应变传感器制备流程图；

图中有：1、拉胀结构层；11、第一拉胀结构层；12、第二拉胀结构层；13、拉胀结构框架；14、柔性基底；15、凹角结构单元；16、连接线；2、上电极板；3、多孔介质层；4、下电极板。

具体实施方式

为使本发明更加易懂，下面结合说明书附图和具体实施例，对本发明作进一步的解释。

一种高灵敏度柔性电容式应变传感器，包括由上至下依次设置的第一拉胀结构层11、上电极板2、多孔介质层3、下电极板4、以及第二拉胀结构层12；

第一拉胀结构层11和第二拉胀结构层12结构相同，厚度也相同。第一拉胀结构层11和第二拉胀结构层12统称为拉胀结构层1。

第一拉胀结构层11和第二拉胀结构层12均包括拉胀结构框架13与柔性基底14，拉胀结构框架13嵌入在柔性基底14中；拉胀结构框架13具有负的泊松比，且相对于柔性基底14具有较高的硬度，拉胀结构框架13在受到拉伸时带动周围硬度较低的柔性基底14一起扩张。

所述多孔介质层3为柔性多孔结构，厚度较拉胀结构层1小，可以更好地随拉胀结构层1变化，并且多孔结构在受到拉胀结构层1带动时厚度减小量较多，由于多孔介质层3厚度减小时将孔中空气压缩出，增加了多孔介质层3介电常数，从而提高了传感器灵敏度。

上电极板2和下电极板4导电性能优异，且厚度极小可忽略不计，上电极板2和下电极板4结构和材料完全相同。

所述拉胀结构层1中的拉胀结构框架13为凹角蜂窝结构、旋转刚体结构、手性结构、褶皱结构、穿孔板结构等均呈现负泊松比的结构。

拉胀结构层1的柔性基底14与多孔介质层3材料均为有机聚合物材料，其成本低，拉伸性和耐腐蚀性好。柔性基底14与多孔介质层3材料可以相同，也可以不同。

所述上电极板2和下电极板4均由碳纳米管、炭黑、液态金属、导电水凝胶或导电聚合物制成，其导电性能好，易与拉胀结构层1和多孔介质层3材料相黏附，且制备导电层工艺简单。

如图1和图2所示为本发明实施例中柔性电容式应变传感器的结构俯视图和三维结构图，其中采用凹角蜂窝结构作为本发明的拉胀结构框架13，具体包括凹角结构单元15、以及连接在相邻凹角结构单元15之间的连接线16。设沿连接线16的方向为纵向，即如图1中所示的x方向中，本发明的传感器受到外力纵向拉伸时，其中拉胀结构框架13受到拉伸，通过设计合适的结构尺寸，可以使该结构具有负泊松比的性质，即拉胀结构框架13横向也会向外扩张。力学理论模型分析如下：

如图3所示，凹角结构单元可以使用以下参数描述:横杆长度w，斜杆长度l，斜杆与纵向垂直线之间的夹角θ，结构厚度t。结构在x方向上受到拉伸，假设该结构中的所有接缝都是刚性的，结构的变形主要是由于凹入斜杆的弯曲和横向水平杆的拉伸所致，不考虑扭转作用。

由于凹角结构单元的高度对称性，凹角结构单元可以进一步简化为图4所示四分之一结构进行力学分析。图中斜杆OA拉伸后为OA’，长度均为l，旋转角度为

可得

其中AA’为斜杆受到拉伸后的位移，Δx为斜杆在x方向上的位移，Δy为斜杆在y方向上的位移。

AB，OA，OC在x方向上的投影分别为w/2，lsin(θ)，w/2，因此在x方向上的有效长度为(w-lsin(θ)),在y方向上的有效长度为lcos(θ)。

因此可以计算纵向应变(ε_x)和横向应变(ε_y)

在Timoshenko模型中，假定挠曲角足够小，可以忽略挠曲引起的斜杆长度的减小。确定了x方向拉伸下泊松比的简化表达式为

由公式(6)可知，凹角结构单元泊松比主要受横杆长度w，斜杆长度l，斜杆与纵向垂直线之间的夹角θ调控，通过选择不同的结构尺寸，可以得到不同的泊松比。尤其特别的是，当w>lsin(θ)时，泊松比为负值，也就是说，长度方向拉伸时，宽度也会变宽，实现拉胀结构框架四周全部扩展。

并且由于该拉胀结构框架13材料弹性模量大，所以可以作为硬度较高的框架结构，在受到拉伸时带动周围硬度较低，也就是弹性模量小的柔性基底14一起扩张，从而带动厚度较低的多孔介质层3、上电极板2和下电极板4的扩张，增加了上下电极板之间的有效面积，多孔介质层3在四周膨胀的状态下其厚度大大减小，不仅如此，多孔介质层3由于其多孔结构，厚度减小过程中受到的阻力较小，并且压缩孔中一部分空气导致介电常数增加，根据平行板电容公式可见此传感器在各个参数中都得到了全面积极的影响变化，实现了灵敏度大大增加。

本发明实例还提供一种所述高灵敏度柔性电容式应变传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

第一步：准备拉胀结构框架13溶液、柔性基底14溶液与多孔介质层3溶液，并在真空中抽气干燥备用。例如，所述拉胀结构框架13溶液为PDMS溶液；柔性基底14和多孔介质层3溶液为Ecoflex溶液；

第二步：使用匀胶机将拉胀结构框架13溶液均匀旋涂在基片上，加热固化制成拉胀结构框架13薄膜，如图5(a)所示；

第三步：使用激光切割机将第二步中制成的拉胀结构框架13薄膜切割成两片拉胀结构框架13，分别用于制备第一拉胀结构层11和第二拉胀结构层12，如图5(b)所示；

第四步：将第三步制作的两片拉胀结构框架13分别放入盛有柔性基底14溶液的长方体容器中，如图5(c)所示，使其恰好嵌入于溶液中，加热固化，制成第一拉胀结构层11和第二拉胀结构层12，如图5(d)所示；

第五步：在多孔介质层3溶液中加入碳酸氢钠粉末，充分搅拌倒入第四步的长方体容器中，在120℃环境中加热直至固化并且碳酸氢钠粉末完全分解，制成多孔介质层3,如图5(e)所示；

第六步：在制成的多孔介质层3上下表面均匀涂敷电极材料，形成上电极板2和下电极板4,如图5(f)所示，在上电极板2的上表面使用多孔介质层3溶液作为黏附剂组装第一拉胀结构层11，在下电极板4的下表面使用多孔介质层3溶液作为黏附剂组装第二拉胀结构层12，加热固化制得高灵敏度柔性电容式应变传感器,如图5(g)所示。

上述实施例的制备方法，主要采用激光切割机制作拉胀结构框架，简单快捷，成本低，且可靠性高。使用上述实施例制备方法制得的柔性电容式应变传感器与传统柔性电容式应变传感器相比很大程度上提高了灵敏度。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims

1.一种高灵敏度柔性电容式应变传感器的制备方法，其特征在于，所述柔性电容式应变传感器包括由上至下依次设置的第一拉胀结构层、上电极板、多孔介质层、下电极板、以及第二拉胀结构层；第一拉胀结构层和第二拉胀结构层结构相同；拉胀结构层包括拉胀结构框架与柔性基底，拉胀结构框架嵌入在柔性基底中；拉胀结构框架具有负的泊松比；所述多孔介质层为柔性多孔结构；

所述制备方法包括以下步骤：

第一步：准备拉胀结构框架溶液、柔性基底溶液与多孔介质层溶液，并在真空中抽气干燥备用；

第二步：使用匀胶机将拉胀结构框架溶液均匀旋涂在基片上，加热固化制成拉胀结构框架薄膜；

第三步：使用激光切割机将拉胀结构框架薄膜切割成两片拉胀结构框架，分别用于制备第一拉胀结构层和第二拉胀结构层；

第四步：将两片拉胀结构框架分别放入盛有柔性基底溶液的容器中，加热固化，制成第一拉胀结构层和第二拉胀结构层；

第五步：在多孔介质层溶液中加入碳酸氢钠粉末，充分搅拌倒入第四步的容器中，在120℃环境中加热直至固化并且碳酸氢钠粉末完全分解，制成多孔介质层；

第六步：在制成的多孔介质层上下表面均匀涂敷电极材料，形成上电极板和下电极板，在上电极板的上表面使用多孔介质层溶液作为黏附剂组装第一拉胀结构层，在下电极板的下表面使用多孔介质层溶液作为黏附剂组装第二拉胀结构层，加热固化制得所述高灵敏度柔性电容式应变传感器。

2.根据权利要求1所述一种高灵敏度柔性电容式应变传感器的制备方法，其特征在于，拉胀结构框架为凹角蜂窝结构、旋转刚体结构、手性结构、褶皱结构或穿孔板结构。

3.根据权利要求1所述一种高灵敏度柔性电容式应变传感器的制备方法，其特征在于，拉胀结构框架采用弹性模量相对高的材料；柔性基底与多孔介质层采用弹性模量相对低的材料。

4.根据权利要求1所述一种高灵敏度柔性电容式应变传感器的制备方法，其特征在于，拉胀结构框架采用聚二甲基硅氧烷PDMS、聚酰亚胺PI、聚氨酯PU、聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚偏氟乙烯PVDF或聚萘酯PEN；柔性基底与多孔介质层采用硅橡胶Ecoflex或水凝胶。

5.根据权利要求1所述一种高灵敏度柔性电容式应变传感器的制备方法，其特征在于，所述上电极板和下电极板均由碳纳米管、炭黑、液态金属、导电水凝胶或导电聚合物制成。

6.根据权利要求1所述一种高灵敏度柔性电容式应变传感器的制备方法，其特征在于，多孔介质层厚度较第一拉胀结构层或第二拉胀结构层小。