CN114034416A - 柔性电容式传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种柔性电容式传感器及其制备方法，包括第一保护层、第一电极层、介电层、第二电极层以及第二保护层，第一保护层与第二保护层相对设置，第一电极层与第二电极层相对设置，介电层设置于第一电极层与第二电极层之间；其中介电层远离第二电极层的表面具有空心凸起状结构。上述柔性电容式传感器制备时，通过在柔性电容式传感器的介电层表面形成具有均匀分布的空心凸起状结构，使得本申请的柔性电容式传感器在受到压力作用时，介电层表面的空心凸起状结构能产生较大的变形，可以改变介电层的有效介电常数，使测试电容迅速增大，从而提高传感器的灵敏度。
Description
技术领域
本申请涉及柔性传感器领域，特别是涉及一种柔性电容式传感器及其制备方法。
背景技术
随着人工智能及物联网等技术的发展，柔性传感器因其高拉伸性及重量极轻等独特的优势，逐渐在可穿戴电子设备、人机交互设备及飞行器智能蒙皮等重要领域得到了广泛的关注，展现出了巨大的应用前景。根据传感原理的不同，目前柔性传感器主要包括有压电传感器、压阻传感器以及电容传感器三类，其中，电容传感器由于结构简单、能耗低、动态响应好以及不易受环境因素影响等优点，使用较广泛。
虽然目前对于柔性电容式传感器的使用及制备方法，国内外均有相关研究。但目前整体来说，还存在制备工艺复杂且灵敏度低等问题。
发明内容
基于此，有必要针对目前制备方法中得到的柔性电容式传感器灵敏度低的问题，提供一种柔性电容式传感器及其制备方法。
一种柔性电容式传感器，包括第一保护层、第一电极层、介电层、第二电极层以及第二保护层，所述第一保护层与所述第二保护层相对设置，所述第一电极层与所述第二电极层相对设置，所述介电层设置于所述第一电极层与所述第二电极层之间；其中所述介电层远离所述第二电极层的表面具有空心凸起状结构。
在其中一个实施例中，所述介电层由微球发泡剂与柔性介电基底溶液按预设质量比混合制成，所述微球发泡剂为PVC颗粒，所述柔性介电基底溶液为PDMS溶液。
在其中一个实施例中，所述空心凸起状结构为空心凸球状结构；所述PVC颗粒与所述PDMS溶液按预设质量比混合得到的混合溶液在预设温度下保温预设时间后，所述PVC颗粒受热膨胀在所述介电层的其中一个表面形成所述空心凸球状结构。
在其中一个实施例中，所述第一电极层和所述第二电极层均由柔性电极材料制成，所述柔性电极材料为氧化铟锡-聚对苯二甲酸乙二醇酯。
在其中一个实施例中，所述第一保护层与所述第二保护层均由柔性材料制成，所述柔性材料为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺以及硅胶中的一种。
在其中一个实施例中，提供一种上述的柔性电容式传感器的制备方法，包括以下步骤：
分别制备第一保护层、第一电极层、介电层、第二电极层以及第二保护层；
将所述第一电极层与所述第二电极层分别键合在所述介电层的两侧，其中所述介电层远离所述第二电极层的表面具有空心凸起状结构；
将所述第一保护层与所述第二保护层分别贴附在所述第一电极层与所述第二电极层远离所述介电层的一侧。
在其中一个实施例中，所述介电层的制备包括以下步骤：
将微球发泡剂与柔性介电基底溶液按预设质量比混合，得到混合溶液；
在所述混合溶液中加入固化剂，得到加固化剂的混合溶液；
将所述加固化剂的混合溶液按预设厚度涂覆于硅片基底上；
将涂覆有所述加固化剂的混合溶液的所述硅片基底放入真空烘箱，在预设温度下保温预设时间后，完成所述介电层的制备。
在其中一个实施例中，所述将微球发泡剂与柔性介电基底溶液按预设质量比混合，得到混合溶液的步骤中，所述预设质量比为1％-30％。
在其中一个实施例中，所述在所述混合溶液中加入固化剂，得到加固化剂的混合溶液的步骤中，所述固化剂为硅烷偶联剂固化剂。
在其中一个实施例中，其特征在于，所述将所述加固化剂的混合溶液按预设厚度涂覆于硅片基底上的步骤中，涂覆的方式为旋涂，所述预设厚度为45-55微米。
上述柔性电容式传感器及其制备方法，制备时通过在柔性电容式传感器的介电层表面形成空心凸起状结构，使得本申请的柔性电容式传感器在受到压力作用时，介电层表面的空心凸起状结构能产生较大的变形，从而改变介电层的有效介电常数，使第一电极层与第二电极层之间的电容迅速增大，从而提高柔性电容式传感器的灵敏度。
附图说明
图1为一实施例中柔性电容式传感器的结构示意图；
图2为一实施例中柔性电容式传感器制备方法的流程图；
图3为另一实施例中柔性电容式传感器制备方法的流程图。
具体实施方式
为了使本申请的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本申请进行进一步详细说明。应当理解，此处描述的具体实施例仅仅用以解释本申请，并不用于限定本申请。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施例的目的，不是旨在于限制本申请。
可以理解，本申请所使用的术语“第一”、“第二”等可在本文中用于描述各种元件，但这些元件不受这些术语限制。这些术语仅用于将第一个元件与另一个元件区分。举例来说，在不脱离本申请的范围的情况下，可以将第一电阻称为第二电阻，且类似地，可将第二电阻称为第一电阻。第一电阻和第二电阻两者都是电阻，但其不是同一电阻。
可以理解，以下实施例中的“连接”，如果被连接的电路、模块、单元等相互之间具有电信号或数据的传递，则应理解为“电连接”、“通信连接”等。
在此使用时，单数形式的“一”、“一个”和“所述/该”也可以包括复数形式，除非上下文清楚指出另外的方式。还应当理解的是，术语“包括/包含”或“具有”等指定所陈述的特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的存在，但是不排除存在或添加一个或更多个其他特征、整体、步骤、操作、组件、部分或它们的组合的可能性。
近年来，柔性压力传感器因其高拉伸性及重量极轻等独特的优势，逐渐在可穿戴电子设备、人机交互以及飞行器智能蒙皮等重要领域得到了广泛的关注和初步应用，展现了巨大的应用前景。然而，虽然国内外相关研究不断深入，但是总体还不够成熟，还存在制备工艺复杂、成本高但灵敏度低等问题。
现有的柔性传感器制备方法主要包括有硅模具制备法、3D打印制备法以及静电纺丝制备法等。其中，硅模具法制备法通过半导体加工工艺，在硅表面刻蚀的出倒金字塔的结构，再将PDMS溶液和固化剂混合后倒入刻蚀好结构的模具中，并加热固化形成表面金字塔结构的PDMS薄膜，最后将柔性电容键合在上述PDMS薄膜两侧形成电容传感器，硅模具法制备法需要用到半导体制备中的光刻、刻蚀等工艺，不仅制备工艺复杂、成本高，且无法大面积应用，对于一些大的结构的传感器，无法满足精度需求。其次，3D打印制备法通过3D打印将PVA等材料和固化剂混合好后打印在表面，加热固化形成传感器，此方法由于可打印的材料有限，很多材料还无法通过3D打印的方法直接打印成型，应用场景比较局限，另外有些传感器表面的微结构无法通过3D打印技术实现，制备出的传感器灵敏度较低。最后，静电纺丝制备法通过静电纺丝制备多孔介电薄膜，利用多孔纤维薄膜模量低的特点，以提高传感器的灵敏度，但静电纺丝的方法工艺复杂、随机性太强且重复性差，难以实现大面积生产。
因此，针对以上现有柔性压力传感器制备方法中，分别存在的制备工艺复杂、传感器灵敏度低及传感器成本高等不足，本申请提供一种简单、经济的高灵敏度柔性电容传感器制备方法，通过在电容传感器表面制备空心凸半球状的微结构以实现提高传感器灵敏度的目的。
在一个实施例中，如图1所示，提供一种柔性电容式传感器，包括第一保护层10、第一电极层20、介电层30、第二电极层40以及第二保护层50，第一保护层10与第二保护层50相对设置，第一电极层20与第二电极层40相对设置，介电层30设置于第一电极层20与第二电极层40之间；其中介电层30远离第二电极层40的表面具有空心凸起状结构。
可以理解，上述柔性电容式传感器由依次设置的五层结构组成。其中，最外侧两边贴附的是保护层，包括相对设置的第一保护层10与第二保护层50，起到保护第一电极层20与第二电极层40的作用。然后，往里一层两边为电极层，包括相对设置的第一电极层20与第二电极层40，用于导电后形成电容器。中间为介电层30，设置于第一电极层20与第二电极层40之间，介电层30具有有效介电常数，反映压电电介质材料在静电场作用下介电性质或极化性质，介电层30的材料选择与结构等，一定程度上决定了柔性电容式传感器的灵敏度和稳定性。具体地，介电层30远离第二电极层40的表面具有空心凸起状结构，使得介电层30在受到外力应力时可以改变介电层30的有效介电常数，使得第一电极层20与第二电极层40之间的电容迅速变化，从而提高柔性电容式传感器的灵敏度。
上述柔性电容式传感器，制备时通过在柔性电容式传感器的介电层30表面形成空心凸起状结构，使得本申请的柔性电容式传感器在受到压力作用时，介电层30表面的空心凸起状结构能产生较大的变形，从而改变介电层30的有效介电常数，使第一电极层20与第二电极层40之间的电容迅速增大，从而提高柔性电容式传感器的灵敏度。
在一个实施例中，如图1所示，第一保护层10与第二保护层50均由柔性材料制成，柔性材料为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺以及硅胶中的一种。具体地，第一保护层10与第二保护层50起到保护第一电极层20与第二电极层40的作用，均由柔性材料制成，具有材质轻、可拉伸性好以及能起到很好的缓冲作用。其中，用于制备第一保护层10与第二保护层50的柔性材料可以是聚二甲基硅氧烷(PDMS)，也可以是聚酰亚胺(PI)，还可以是硅胶(Ecoflex)，不作此限定，以本领域技术人员采用的能实现保护层保护功能的材料进行制备即可。另外，制备方法也不作限定，可以是加入固化剂后放入真空烘箱中固化形成，也可以是其他本领域技术人员认可的制备方法。
在一个实施例中，如图1所示，第一电极层20和第二电极层40均由柔性电极材料制成，柔性电极材料为氧化铟锡-聚对苯二甲酸乙二醇酯。
具体地，第一电极层20和第二电极层40用于导电后形成电容器，均由柔性电极材料制成。可以理解，第一电极层20和第二电极层40不仅具有柔性材料的重量轻的特点，而且具有导电性，能形成电容器。其中，制备电极层的电极材料可分为两类，一类为传统的金属箔片，例如金箔；另外一类为通过旋涂或磁控溅射工艺，在基体薄膜上附着一层导电物质组成的导电复合薄膜，导电物质可以是银纳米线、氧化铟锡、碳纳米管、石墨烯等其中的一种。在本实施例中，柔性电极材料选用氧化铟锡-聚对苯二甲酸乙二醇酯(ITO-PET)，通过磁控溅射的方法将导电物质氧化铟锡附着于聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜上，再经过高温退火处理后形成ITO-PET导电薄膜，将其作为第一电极层20和第二电极层40。
在本实施例中，作为第一电极层20和第二电极层40的ITO-PET导电薄膜可以很好地键合在制备好的介电层30上，不易脱落，使得制备的柔性电容式传感器具有较好的稳定性。
在一个实施例中，如图1所示，介电层30由微球发泡剂与柔性介电基底溶液按预设质量比混合制成，微球发泡剂为PVC颗粒，柔性介电基底溶液为PDMS溶液。
具体地，第一电极层20与第二电极层40中间设置为介电层30，介电层30具有有效介电常数，反映压电电介质材料在静电场作用下介电性质或极化性质，介电层30的材料选择与结构等，一定程度上决定了柔性电容式传感器的灵敏度和稳定性。因此，在本实施例中，介电层30由微球发泡剂与柔性介电基底溶液按预设质量比混合制成，微球发泡剂能在受热时膨胀形成空心结构，在保证柔性介电基底溶液的覆涂厚度比微球发泡剂的膨胀高度低的情况下，空心结构最终能在介电层30上呈凸起状，使得介电层30在受到外力应力时空心凸起状结构产生较大的变形，从而改变介电层30的有效介电常数。其中，预设质量比为制备介电层30时，微球发泡剂与柔性介电基底溶液的质量比，决定了介电层30上空心凸起状结构的数量，预设质量比的取值并不唯一，可根据实际需要的空心凸起状结构的数量进行设定，以实现最终制备的柔性电容式传感器的灵敏度最高为目的，例如，本实施例中微球发泡剂与柔性介电基底溶液的预设质量比为1％-30％。
进一步地，微球发泡剂为PVC颗粒，PVC颗粒能在受热时膨胀形成空心结构，使得制备得到的介电层30具备微纳结构，受到应力时可以改变介电层30的有效介电常数，提高相应传感器的灵敏度。柔性介电基底溶液为PDMS溶液，使得制备的柔性电容式传感器在一定压力范围内实现高柔性，进而满足柔性电容式传感器设计的轻质化、小型化、高效化的目标。
其中，在制备介电层30时，将PVC颗粒与PDMS溶液按预设质量比均匀混合后，倒入硅片基底上，再通过旋涂的方式控制混合溶液的厚度，保证覆涂厚度低于PVC颗粒的膨胀高度，使得在混合溶液受热膨胀后，在介电层30的表面形成空心凸起状结构，使得介电层30在受到外力应力时空心凸起状结构产生较大的变形，从而可以改变介电层30的有效介电常数，第一电极层20与第二电极层40之间的电容迅速变化，从而提高柔性电容式传感器的灵敏度。具体地，PVC颗粒的膨胀高度可根据实际使用的材料来确定，进而混合溶液的预设的覆涂厚度也可根据实际使用的PVC颗粒来确定，例如本实施例中，假设PVC颗粒的膨胀高度为100μm，则混合溶液的预设的覆涂厚度为45μm～55μm。
在一个实施例中，如图1所示，空心凸起状结构为空心凸球状结构；PVC颗粒与PDMS溶液按预设质量比混合得到的混合溶液在预设温度下保温预设时间后，PVC颗粒受热膨胀在介电层30的其中一个表面形成空心凸球状结构。
具体地，PVC颗粒与PDMS溶液按预设质量比混合得到的混合溶液，按照预设厚度通过旋涂的方式涂覆在硅片基底上后，将带有混合溶液的硅片基底放入真空烘箱中，在预设温度下保温预设时间，PVC颗粒受热膨胀形成空心球状结构，且由于混合溶液的覆涂厚度低于PVC颗粒的膨胀高度，底面为硅片基底，将在介电层30远离硅片基底的表面形成空心凸球状结构。其中，预设温度与保温的预设时间的取值并不唯一，本领域技术人员可根据具体使用的材料的特性进行设置。例如，预设温度可为100℃～150℃，预设时间可为60分钟～120分钟。本实施例中，预设温度取100℃，在100℃下保温60分钟，制备得到一个表面具有空心凸球状结构的介电层30。
在本实施例中，基于微纳结构制备的介电层30，受到应力时可以改变介电层的有效介电常数，使电极之间电容迅速变化，从而提高传感器的灵敏度。
在一个实施例中，如图2所示，提供一种上述的柔性电容式传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤S110：分别制备第一保护层、第一电极层、介电层、第二电极层以及第二保护层。
具体地，第一保护层与第二保护层均由聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或硅胶中的一种柔性材料制成，制备方法不作限定，可以是加入固化剂后放入真空烘箱中固化形成，也可以是其他本领域技术人员认可的制备方法。第一电极层和第二电极层用于导电后形成电容器，均由柔性电极材料制成，柔性电极材料选用氧化铟锡-聚对苯二甲酸乙二醇酯，通过磁控溅射的方法将导电物质氧化铟锡附着于聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜上，再经过高温退火处理后形成ITO-PET导电薄膜，将其作为第一电极层和第二电极层。最后，介电层由微球发泡剂与柔性介电基底溶液按预设质量比混合，加入固化剂后按预设厚度涂覆于硅片基底上，放入真空烘箱，在预设温度下保温预设时间后制备而成，制备得到的介电层的一个表面具有空心凸球状结构。
步骤S120：将第一电极层与第二电极层分别键合在介电层的两侧，其中介电层远离第二电极层的表面具有空心凸起状结构。
具体地，通过键合的方式，将作为第一电极层与第二电极层的两片ITO-PET导电薄膜键合在介电层的上下两侧，以形成电容传感器。其中，介电层具有空心凸球状结构的表面键合的是第一电极层，没有空心凸球状结构的表面键合的是第二电极层。作为第一电极层和第二电极层的ITO-PET导电薄膜可以很好地键合在制备好的介电层上，不易脱落，使得制备的柔性电容式传感器具有较好的稳定性。
步骤S130：将第一保护层与第二保护层分别贴附在第一电极层与第二电极层远离介电层的一侧。
具体地，第一保护层贴附于第一电极层远离介电层的一侧，第二保护层贴附于第二电极层远离介电层的一侧，起到保护第一电极层与第二电极层的目的。
在一个实施例中，如图3所示，介电层的制备包括以下步骤：
步骤210：将微球发泡剂与柔性介电基底溶液按预设质量比混合，得到混合溶液。
具体地，微球发泡剂为PVC颗粒，能在受热时膨胀形成空心结构，使得制备得到的介电层具备微纳结构。柔性介电基底溶液为PDMS溶液，使得制备的柔性电容式传感器在一定压力范围内实现高柔性。将PVC颗粒与PDMS溶液按预设质量比混合，得到混合溶液。在一个实施例中，预设质量比为1％-30％，预设质量比决定了介电层上空心凸起状结构的数量，从而达到提高最终制备的柔性电容式传感器的灵敏度的目的。
步骤220：在混合溶液中加入固化剂，得到加固化剂的混合溶液。
可以理解，在混合溶液中加入固化剂，能有效实现制备的介电层的固化。在一个实施例中，固化剂为硅烷偶联剂固化剂。
步骤230：将加固化剂的混合溶液按预设厚度涂覆于硅片基底上。
具体地，将加固化剂的混合溶液倒入硅片基底上，在一个实施例中，通过旋涂的方式控制混合溶液的覆涂厚度，保证预设厚度低于PVC颗粒的膨胀高度，使得在混合溶液受热膨胀后，在介电层的表面形成空心凸起状结构，使得介电层在受到外力应力时空心凸起状结构产生较大的变形，从而可以改变介电层的有效介电常数，第一电极层与第二电极层之间的电容迅速变化，从而提高柔性电容式传感器的灵敏度。具体地，PVC颗粒的膨胀高度可根据实际使用的材料来确定，进而混合溶液的预设的覆涂厚度也可根据实际使用的PVC颗粒来确定，例如本实施例中，假设PVC颗粒的膨胀高度为100μm，则混合溶液的预设厚度为45μm～55μm。
步骤240：将涂覆有加固化剂的混合溶液的硅片基底放入真空烘箱，在预设温度下保温预设时间后，完成介电层的制备。
具体地，将带有混合溶液的硅片基底放入真空烘箱中，在预设温度下保温预设时间，PVC颗粒受热膨胀形成空心球状结构，且由于混合溶液的覆涂厚度低于PVC颗粒的膨胀高度，底面为硅片基底，将在介电层30远离硅片基底的表面形成空心凸球状结构。其中，预设温度与保温的预设时间的取值并不唯一，本领域技术人员可根据具体使用的材料的特性进行设置。例如，预设温度可为100℃～150℃，预设时间可为60分钟～120分钟。本实施例中，预设温度取100℃，在100℃下保温60分钟，制备得到一个表面具有空心凸球状结构的介电层。
上述方案仅为本发明提供的一种可实施方案，在本发明构思下，可以选用其它可行的柔性材料、柔性电极材料、微球发泡剂、固化剂、柔性介电基底溶液等。
在本实施例中，本制备方法避免了采用模具或其他特殊材料，制备工艺简单且成本低，可重复性高，适用于大面积生产的场景。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本申请的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。因此，本申请专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种柔性电容式传感器，其特征在于，所述的柔性电容式传感器包括第一保护层、第一电极层、介电层、第二电极层以及第二保护层，所述第一保护层与所述第二保护层相对设置，所述第一电极层与所述第二电极层相对设置，所述介电层设置于所述第一电极层与所述第二电极层之间；其中所述介电层远离所述第二电极层的表面具有空心凸起状结构。
2.根据权利要求1所述的柔性电容式传感器，其特征在于，所述介电层由微球发泡剂与柔性介电基底溶液按预设质量比混合制成，所述微球发泡剂为PVC颗粒，所述柔性介电基底溶液为PDMS溶液。
3.根据权利要求2所述的柔性电容式传感器，其特征在于，所述空心凸起状结构为空心凸球状结构；所述PVC颗粒与所述PDMS溶液按预设质量比混合得到的混合溶液在预设温度下保温预设时间后，所述PVC颗粒受热膨胀在所述介电层的其中一个表面形成所述空心凸球状结构。
4.根据权利要求1所述的柔性电容式传感器，其特征在于，所述第一电极层和所述第二电极层均由柔性电极材料制成，所述柔性电极材料为氧化铟锡-聚对苯二甲酸乙二醇酯。
5.根据权利要求1所述的柔性电容式传感器，其特征在于，所述第一保护层与所述第二保护层均由柔性材料制成，所述柔性材料为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺以及硅胶中的一种。
6.一种权利要求1-5中任意一项所述的柔性电容式传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：
分别制备第一保护层、第一电极层、介电层、第二电极层以及第二保护层；
将所述第一电极层与所述第二电极层分别键合在所述介电层的两侧，其中所述介电层远离所述第二电极层的表面具有空心凸起状结构；
将所述第一保护层与所述第二保护层分别贴附在所述第一电极层与所述第二电极层远离所述介电层的一侧。
7.根据权利要求6所述的柔性电容式传感器的制备方法，其特征在于，所述介电层的制备包括以下步骤：
将微球发泡剂与柔性介电基底溶液按预设质量比混合，得到混合溶液；
在所述混合溶液中加入固化剂，得到加固化剂的混合溶液；
将所述加固化剂的混合溶液按预设厚度涂覆于硅片基底上；
将涂覆有所述加固化剂的混合溶液的所述硅片基底放入真空烘箱，在预设温度下保温预设时间后，完成所述介电层的制备。
8.根据权利要求7所述的柔性电容式传感器的制备方法，其特征在于，所述将微球发泡剂与柔性介电基底溶液按预设质量比混合，得到混合溶液的步骤中，所述预设质量比为1％-30％。
9.根据权利要求7所述的柔性电容式传感器的制备方法，其特征在于，所述在所述混合溶液中加入固化剂，得到加固化剂的混合溶液的步骤中，所述固化剂为硅烷偶联剂固化剂。
10.根据权利要求7所述的柔性电容式传感器的制备方法，其特征在于，所述将所述加固化剂的混合溶液按预设厚度涂覆于硅片基底上的步骤中，涂覆的方式为旋涂，所述预设厚度为45-55微米。
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