CN114235226B

CN114235226B - 一种离电式无线无源柔性压力传感器、制备及应用

Info

Publication number: CN114235226B
Application number: CN202111528416.7A
Authority: CN
Inventors: 高立波; 秦宇鑫; 徐洪成; 王卫东
Original assignee: Xidian University
Current assignee: Xidian University
Priority date: 2021-12-14
Filing date: 2021-12-14
Publication date: 2023-02-24
Anticipated expiration: 2041-12-14
Also published as: CN114235226A

Abstract

本发明公开了一种基于离电式无线无源柔性压力传感器、制备及应用，包括，制备平面线圈和叉指电极一体化结构、制备介电层、离电式无线无源柔性压力传感器封装。通过制备得到包括介电层、平面线圈和叉指电极一体化结构以及透明柔性基底，封装获得离电式无线无源柔性压力传感器，通过传感器线圈与外部读取线圈的无线耦合实现数据的无线传输。本发明柔性压力传感器，实现压力的超高灵敏度无线检测，同时具有功耗低、结构简单等特点；介电层选用离子凝胶膜基于离电效应实现超高灵敏度的压力传感，在保持超高灵敏度的前提下增大了传感器的工作范围；同时介电层表面引入微结构，可以进一步提高传感器的灵敏度、响应时间等性能参数。

Description

一种离电式无线无源柔性压力传感器、制备及应用

技术领域

本发明属于柔性传感技术领域，特别是涉及一种基于离电式传感及LC谐振原理的无线无源柔性压力传感器、制备方法及应用。

背景技术

随着科学技术的快速发展和人类生活水平的提高，智能医疗设备、智能机器人、智能家居以及智能可穿戴设备获得了广泛的关注。柔性压力传感器由于具有出色的机械和电气特性，发挥着举足轻重的作用，并逐渐成为科学研究的热点之一。现有的电容式柔性压力传感器采用有线有源结构，存在着能耗大、维护成本高、测量周期长以及工作效率低等问题。无线无源压力传感器可避免目前传感器的缺陷，使得压力检测的局限性进一步减小。

目前，无线无源传感方式主要有能量收集式、射频识别式、声表面波式以及LC谐振式等。数据的非接触传输以及无源的工作特性使得LC谐振式无线无源传感器引起了广泛的关注。同时，相比于其他几种方式，LC谐振式无线无源传感器具有结构简单、功耗低、使用寿命长、制备流程易操作等优点。然而，传统的LC谐振式无线无源传感器存在着灵敏度较低、工作范围较小等问题，严重影响无线无源柔性传感器的实际应用。

基于柔性电子器件以及LC谐振无线无源传感方式的优点，提供一种新型的离电式传感器的制作方法来实现高灵敏度，实现压力的无线检测，成为目前无线无源的柔性电子器件亟待解决的技术问题。

发明内容

为解决现有技术中存在的上述缺陷，本发明的目的在于解决现有功能需求和技术存在的上述不足，提出了一种基于离电式传感的无线无源柔性压力传感器及其制备方法，基于LC谐振原理设计实现平面线圈和叉指电极一体化结构，实现压力的超高灵敏度无线检测，介电层选用离子凝胶膜基于离电效应实现超高灵敏度的压力传感，在保持超高灵敏度的前提下增大了传感器的工作范围；同时介电层表面引入微结构，可以进一步提高传感器的灵敏度、响应时间等性能参数。

本发明是通过下述技术方案来实现的。

一种基于离电式无线无源柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1，制备平面线圈和叉指电极一体化结构：

将单面PI胶带固定于PET上，形成PI/PET柔性基底，PI/PET柔性基底预处理；

PI/PET柔性基底预处理；

将银基材料通过涂膜器均匀的刮涂到预处理后的柔性基底上，干燥；

将覆有银基材料的PI/PET柔性基底固定于载玻片上；

将固定好银基材料/PI/PET的载玻片置于紫外激光器下，按照平面线圈和叉指电极的设计结构轮廓进行循环切割，激光刻蚀，使用镊子剥离残留物，以此得到平面线圈和叉指电极一体化结构。

S2，制备介电层：

将一定量的聚乙烯醇(PVA)溶解于去离子水中，加热并搅拌，后加入一定浓度的磷酸(H₃PO₄)溶液，继续加热并搅拌，形成PVA/H₃PO₄离子凝胶溶液；

将PVA/H₃PO₄离子凝胶溶液通过玻璃棒均匀的刮涂在具有金字塔微结构的砂纸上，干燥，得到具有金字塔凹槽微结构的离子凝胶膜。

S3，离电式无线无源柔性压力传感器的封装：

通过双面胶带(3M)将离子膜附着在步骤S1获得的电极上；

使用PET或PI覆盖在获得设备上方，以用于测试和应用，自此完成离电式无线无源柔性压力传感器的制备。

对于上述技术方案，本发明还有进一步优选的方案：

进一步，柔性基底预处理为在等离子清洗机中清理3～5min。

进一步，所述银基材料为导电银浆。

进一步，柔性基体上涂覆的银基材料厚度为5～15μm，在70～90℃条件下加热1～3h，使液态银基材料固化。

进一步，紫外光的功率至3～5W和切割速度300～500mm/min进行5～9次循环切割。

进一步，PVA/H₃PO₄离子凝胶溶液刮涂在砂纸上，在80～100℃条件下加热0.5～2h，使离子凝胶膜固化。

本发明进而提供了一种上述方法制备的离电式无线无源柔性压力传感器，包括平面线圈、叉指电极和介电层以及透明柔性基底，所述平面线圈和叉指电极形成一体化结构，所述介电层为具有金字塔凹槽微结构的离子凝胶膜，离子凝胶膜具有微结构的一侧与叉指电极相接。

进一步，叉指电极和离子凝胶膜组成叉指电容，平面线圈和叉指电容组成LC谐振电路，传感器受力发生形变后叉指电容值改变，叉指电容值改变后谐振频率改变，通过检测谐振频率变化量来测量外部力的大小：

式中f_r为谐振频率，L为平面线圈的电感，C为平面叉指电容。

本发明由于采取以上技术方案，其具有以下有益效果：

本发明无线无源柔性压力传感器基于离电效应以及LC谐振原理，具有金字塔凹槽微结构的离子凝胶膜作为介电层，与平面线圈和叉指电极一体化结构构成LC谐振回路，结构简单。通过外部信号读取系统与无线无源柔性压力传感器之间电磁信号的传输实现压力的无线检测。

本发明的无线无源柔性压力传感器的介电层选用PVA/H₃PO₄离子凝胶膜，离子—电极界面提供了超大单位面积电容，基于离电效应原理实现了超高灵敏度的压力传感，由此提高了无线无源柔性压力传感器灵敏度、响应时间等性能参数。基于相比起普通电容传感器的介电层，很好的改善了传感器性能参数。

本发明柔性压力传感器的PVA/H₃PO₄离子凝胶膜介电层表面具有微结构，可以进一步提高无线无源柔性压力传感器的灵敏度、响应时间等性能参数。

本发明柔性压力传感器采用激光切割技术进行平面线圈和叉指电极一体化结构的制备，具有工艺简单，成本低的特点。

本发明柔性压力传感器可以实现压力的无线检测，当传感器受到外界压力时，所对应的叉指电容值增大，LC谐振电路的谐振频率减小，该谐振频率的变化可以通过读取线圈无线检测获得。

离电式无线无源柔性压力传感器可应用在医疗设备、智能机器人、智能家居以及智能可穿戴设备中。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明的不当限定，在附图中：

图1是本发明传感器结构示意图；

图2是本发明平面线圈和叉指电极一体化结构示意图；

图3是本发明传感器的工作原理示意图；

图4是本发明传感器不同压力下的频率响应曲线。

图中：1、透明柔性基底；2、平面线圈；3、叉指电极；4、介电层；5、上封层。

具体实施方式

下面将结合附图以及具体实施例来详细说明本发明，在此本发明的示意性实施例以及说明用来解释本发明，但并不作为对本发明的限定。

参考图1-图2，本发明实施例提供的一种基于离电式传感的新型无线无源柔性压力传感器结构的制备方法如下：

首先，制备平面线圈和叉指电极一体化结构：

单面PI胶带固定于PET上，获得PI/PET柔性基底，将PI/PET柔性基底在等离子清洗机中清理3-5min。

将导电银浆银通过涂膜器均匀的刮涂到预处理后的PI/PET柔性基底上，涂覆厚度为5～15μm，将刮涂完成的PI/PET柔性基底放在恒温加热台上，在70～90℃条件下加热1～3h，使其固化。

分别用酒精和去离子水清洗一块6×6cm²的载玻片1～5min，然后用热吹风吹干备用；将覆有导电银浆的PI/PET柔性基底通过双面胶带(3M)固定于上述载玻片上；将固定好导电银浆/PI/PET的载玻片置于355nm紫外激光器下，输入预先设计的结构轮廓，通过调整紫外光的功率至3～5W和切割速度300～500mm/min进行5～9次循环切割，激光刻蚀。待全部轮廓切割完成，用镊子剥离残留物，进而得到预设计的平面线圈2和叉指电极3一体化结构。

然后，制备介电层：

将40g的PVA溶解在300mL去离子水中，在100℃下剧烈搅拌并且持续1h，得到浓度为10-12％的PVA溶液，然后按照质量比2：1将PVA溶液中缓慢的加入浓度为85％的H₃PO₄溶液，在80℃下连续搅拌1h，获得PVA/H₃PO₄离子凝胶溶液。

将PVA/H₃PO₄离子凝胶溶液使用玻璃棒均匀涂抹在砂纸上，放至恒温加热台上，在80～100℃条件下加热0.5～2h，使PVA/H₃PO₄离子凝胶膜固化；将PVA/H₃PO₄离子凝胶膜从砂纸上剥离，获得具有金字塔凹槽微结构的离子凝胶膜。

最后，离电式无线无源柔性压力传感器封装：

按照图1所示的结构，介电层位于叉指电极的上方，裁剪介电层与电极尺寸一致，通过双面胶带(3M)将介电层与表面覆有叉指电极的柔性基底贴合在一起，介电层具有微结构的一侧与叉指电极相接，使用PET或PI覆盖在获得设备上方，以用于测试和应用，完成离电式无线无源柔性压力传感器的制备。

下面通过具体实施例来进一步说明本发明制备方法和效果。

实施例1

S1，制备平面线圈和叉指电极一体化结构：

将单面PI胶带固定于PET上，获得PI/PET柔性基底，将PI/PET柔性基底在等离子清洗机中清理4min；

将导电银浆通过涂膜器均匀刮涂到预处理后的PI/PET柔性基底上，涂覆厚度为10μm，将刮涂完成的PI/PET柔性基底放在恒温加热台上，在70℃条件下加热3h，使液态银基材料干燥固化；

将覆有银基材料的PI/PET柔性基底通过双面胶带(3M)固定于载玻片上；

将固定好银基材料/PI/PET的载玻片置于355nm紫外激光器下，激光的功率为3W，按照平面线圈和叉指电极的设计结构轮廓进行循环切割，在切割速度为500mm/min进行7次循环切割，待全部轮廓切割完成，激光刻蚀，用镊子剥离残留物，至此得到平面线圈和叉指电极一体化结构；

S2，制备介电层：

按照质量比2：1将浓度为11％聚乙烯醇溶液与浓度为85％磷酸溶液在80℃下加热连续搅拌1h，获得PVA/H₃PO₄离子凝胶溶液；将PVA/H₃PO₄离子凝胶溶液使用玻璃棒均匀刮涂在具有金字塔微结构的砂纸上，放至恒温加热台上，在80℃条件下加热1h，干燥，使PVA/H₃PO₄离子凝胶膜固化；将PVA/H₃PO₄离子凝胶膜从砂纸上剥离，得到具有金字塔凹槽微结构的离子凝胶膜；

S3，离电式无线无源柔性压力传感器的封装：

将离子膜附着在步骤S1获得的电极上；使用PET或PI覆盖在获得设备上方，自此完成离电式无线无源柔性压力传感器的制备。

测试得到该实施例传感器的灵敏度为-1.24MHz/kPa，响应时间为30ms。

实施例2

S1，制备平面线圈和叉指电极一体化结构：

将单面PI胶带固定于PET上，获得PI/PET柔性基底，将PI/PET柔性基底在等离子清洗机中清理3min；

将导电银浆均匀刮涂到预处理后的PI/PET柔性基底上，涂覆厚度为15μm，将刮涂完成的PI/PET柔性基底放在恒温加热台上，在90℃条件下加热2h，使液态银基材料干燥固化；

将固定好银基材料/PI/PET的载玻片置于355nm紫外激光器下，激光的功率为5W，按照平面线圈和叉指电极的设计结构轮廓进行循环切割，在切割速度为300mm/min进行5次循环切割，待全部轮廓切割完成，激光刻蚀，用镊子剥离残留物，至此得到平面线圈和叉指电极一体化结构；

S2，制备介电层：

按照质量比2：1将浓度为10％聚乙烯醇溶液与浓度为85％磷酸溶液在80℃下加热连续搅拌1h，获得PVA/H₃PO₄离子凝胶溶液；将PVA/H₃PO₄离子凝胶溶液使用玻璃棒均匀刮涂在具有金字塔微结构的砂纸上，放至恒温加热台上，在100℃条件下加热0.5h，干燥，使PVA/H₃PO₄离子凝胶膜固化；将PVA/H₃PO₄离子凝胶膜从砂纸上剥离，得到具有金字塔凹槽微结构的离子凝胶膜；

S3，离电式无线无源柔性压力传感器的封装：

测试得到该实施例传感器的灵敏度为-0.98MHz/kPa，响应时间为35ms。

实施例3

S1，制备平面线圈和叉指电极一体化结构：

将单面PI胶带固定于PET上，获得PI/PET柔性基底，将PI/PET柔性基底在等离子清洗机中清理5min；

将导电银浆均匀刮涂到预处理后的PI/PET柔性基底上，涂覆厚度为5μm，将刮涂完成的PI/PET柔性基底放在恒温加热台上，在80℃条件下加热1h，使液态银基材料干燥固化；

将固定好银基材料/PI/PET的载玻片置于355nm紫外激光器下，激光的功率为4W，按照平面线圈和叉指电极的设计结构轮廓进行循环切割，在切割速度为400mm/min进行9次循环切割，待全部轮廓切割完成，激光刻蚀，用镊子剥离残留物，至此得到平面线圈和叉指电极一体化结构；

S2，制备介电层：

按照质量比2：1将浓度为12％聚乙烯醇溶液与浓度为85％磷酸溶液在80℃下加热连续搅拌1h，获得PVA/H₃PO₄离子凝胶溶液；将PVA/H₃PO₄离子凝胶溶液使用玻璃棒均匀刮涂在具有金字塔微结构的砂纸上，放至恒温加热台上，在90℃条件下加热2h，干燥，使PVA/H₃PO₄离子凝胶膜固化；将PVA/H₃PO₄离子凝胶膜从砂纸上剥离，得到具有金字塔凹槽微结构的离子凝胶膜；

S3，离电式无线无源柔性压力传感器的封装：

测试得到该实施例传感器的灵敏度为-1.1MHz/kPa，响应时间为33ms。

本发明基于离电式传感的无线无源柔性压力传感器的设计和制备方法，制备了一个离电式无线无源柔性压力传感器，如图1、图2所示，离电式无线无源柔性压力传感器，包括透明柔性基底1，平面线圈2，叉指电极3，介电层4以及上封层5；透明柔性基底1材料选用PET，用于支撑平面线圈2和叉指电极3一体化结构；介电层4下表面具有金字塔凹槽微结构，通过在具有金字塔型微结构的砂纸上倒模形成的；使用PET或PI作为上封层5材料，便于测试与应用。

在一个实施例中整个器件的尺寸分别为4.8cm×3.8cm。平面线圈2的线宽为300μm，间距为300μm，匝数为21；叉指电极共有3对叉指，单个所述叉指结构的长和宽分别为4.95mm、400μm；厚度为10μm。

本发明离电式无线无源柔性压力传感器的工作原理如下：

图3所示为基于LC谐振原理的离电式无线无源压力传感器工作原理示意图。无线无源压力传感器系统由无线无源压力传感器和外部信号读取两部分组成，通过外部读取系统中线圈与无线无源传感器线圈的无线耦合实现传感器信号的无线传输。无线无源压力传感器通过平面线圈捕获电磁能量。当外部信号读取系统的扫频信号频率与无线无源压力传感器的固有频率相接近时，二者之间发生谐振。

本发明采用离子凝胶膜作为介电层，主要利用离子－电极界面处形成的超大单位面积电容，基于离电效应来实现压力的超高灵敏度传感。在外部测试电压下，由于库仑力的吸引导致离子凝胶膜中自由移动的阴阳离子运动至电极表面以此形成双电层(EDL)。当外施加压力时，电极和离子凝胶膜间的接触面积增加，导致形成的EDL发生变化，进一步使得导致LC谐振器的电容发生变化。LC谐振器的电容与谐振频率间关系由以下公式确定：

式中f_r为谐振频率，L为平面线圈的电感，C为平面叉指电容。因此，外界施加的压力将会导致S₁₁峰发生移动，从而将外界压力信号转变为谐振频率的变化。基于离电式传感的无线无源压力传感器通过互感耦合的方式向外部信号读取装置传输信号，得到谐振频率参数，从而实现对压力的超高灵敏度无线检测。从实施例可以看出，本发明制备的传感器的灵敏度不低于-0.98MHz/kPa，响应时间不低于30ms。

如图4所示是在一个实施例中制备的传感器随外界施加压力变化的频率响应曲线。随着外界压力的增加，S₁₁峰向左移动，LC谐振频率随之减小，实现压力的无线检测。

以上的实施例只对本发明进行说明，但本发明并不限于本实施例，平面线圈的结构和尺寸大小可变化修改。该传感器可以实现压力的无线检测。本发明所提供的传感器结构简单，制备流程易操作，成本较低，适合大规模生产的需要。

Claims

1.一种基于离电式无线无源柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1，制备平面线圈和叉指电极一体化结构：

将银基材料均匀刮涂到预处理后的PI/PET柔性基底上，干燥固化；

将覆有银基材料的PI/PET柔性基底固定于载玻片上；

将固定好银基材料/PI/PET的载玻片置于紫外激光器下，按照平面线圈和叉指电极的设计结构轮廓进行循环切割，激光刻蚀，剥离残留物，至此得到平面线圈和叉指电极一体化结构；

S2，制备介电层：

将PVA/ H₃PO₄离子凝胶溶液均匀刮涂在具有金字塔微结构的砂纸上，在80~100℃条件下加热0.5~2h，干燥，使离子凝胶膜固化，得到具有金字塔凹槽微结构的离子凝胶膜；

所述PVA/ H₃PO₄离子凝胶溶液为按照质量比2：1聚乙烯醇溶液与磷酸溶液加热并搅拌混合而成，所述聚乙烯醇溶液浓度为10-12%，所述磷酸溶液浓度为85%；

S3，离电式无线无源柔性压力传感器的封装：

将离子凝胶膜附着在步骤S1获得的电极上；

使用PET或PI覆盖在获得设备上方，自此完成离电式无线无源柔性压力传感器的制备。

2.根据权利要求1所述的基于离电式无线无源柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，柔性基底预处理为在等离子清洗机中清理3~5min。

3.根据权利要求1所述的基于离电式无线无源柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，柔性基体上涂覆银基材料为导电银浆，涂覆厚度为5~15μm，在70~90℃条件下加热1~3h，使液态银基材料固化。

4.根据权利要求1所述的基于离电式无线无源柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，银基材料/PI/PET的载玻片在紫外激光器下的激光的功率为3~5W，在切割速度为300~500mm/min进行5~9次循环切割。

5.一种权利要求1-4任一项所述方法制备的离电式无线无源柔性压力传感器，其特征在于，包括透明柔性基底、平面线圈、叉指电极、介电层和上封层，所述平面线圈和叉指电极在透明柔性基底上方形成一体化结构，所述介电层位于叉指电极上，介电层为具有金字塔凹槽微结构的离子凝胶膜，离子凝胶膜具有微结构的一侧与叉指电极相接。

6.一种权利要求5所述离电式无线无源柔性压力传感器在医疗设备、智能机器人、智能家居以及智能可穿戴设备中应用。