CN114674465A - 基于柔性材料的电容式压力传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种基于柔性材料的电容式压力传感器及其制作方法，包括检查层、绝缘层、屏蔽层；检查层包括上电极层、下电极层以及介电层；介电层夹设在上电极层和下电极层之间，将上电极层和下电极层隔离开；绝缘层夹设在屏蔽层与上电极层之间，绝缘层夹设在屏蔽层与下电极层之间；屏蔽层连接地线。本发明引入柔性屏蔽层较大提高了传感器的稳定性，且传感器的柔韧性仍然得到保持。

Description

基于柔性材料的电容式压力传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及柔性传感器技术领域，具体地，涉及一种基于柔性材料的电容式压力传感器及其制作方法。
背景技术
传统电容式压力传感器由介电层放置在上、下两个电极层之间构成。当外部压力作用在传感器表面，压缩介电层，减小两个电容极板之间的距离，改变两个电极层之间电容，将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出，从而实现压力的测量。电容式压力传感器凭借良好的线性度和温度特性得到广泛应用，电容式压力传感器已呈现出尺寸越来越小、制作工艺要求越来越高。
根据平板电容器的电容与极板的面积成正比，与极板间的距离成反比，理想情况下电容大小只与电容器本身的结构形状有关。但实际中，任何静电场都是由许多个电容组成，有静电场就有电容，微型电容无外部屏蔽功能，则容易受外界电场干扰。
随着电容式压力传感器的市场需求越来越大，新材料和新结构不断突破发展，电容式柔性压力传感器受到了人们的青睐，有望广泛应用于机器人、可穿戴电子、智能仿生、医疗健康监控等领域。公开号为CN105092111A的专利文献公开了一种电容式压力传感器和其制作方法，该电容式压力传感器包括：绝缘衬底；下电极，其形成在所述绝缘衬底上；半导体衬底，在其第一表面上形成有凹槽，所述半导体衬底的所述第一表面与所述下电极相对且键合至所述绝缘衬底，且所述下电极容纳在所述凹槽内并与所述半导体衬底之间存在间隙；上电极，其为形成在所述凹槽对应的半导体衬底中的掺杂区；以及上电极引线和下电极引线，其分别连接至所述上电极和所述下电极。公开号为CN110510572A的专利文献公开了一种电容式压力传感器及其制作方法，主要解决现有压力传感器线性范围小的问题，其自下而上包括单晶硅衬底、绝缘层、隔离层和多晶硅薄膜，该绝缘层是由从上至下半径逐渐减小的N个层叠圆形台阶组成，N≥2，每层圆形台阶的厚度相同，半径不同，该多晶硅薄膜上刻蚀有用于腐蚀隔离层的通孔，隔离层通过腐蚀形成空腔，多晶硅薄膜和单晶硅衬底上淀积有金属电极，所述隔离层、通孔和多晶硅薄膜上除金属电极区域外的其他表面覆盖有钝化层。公开号为CN105547531B的专利文献公开了一种高灵敏电容式压力传感器及其制作方法，该传感器包括衬底，压力弹性膜，分别固定在衬底上的第一固定基座、第二固定基座和第三固定基座，机械杆，支撑轴，第一叉指电极和第二叉指电极，第一引线电极和第二引线电极，绝缘材料，其中，衬底上设有压力弹性膜，该压力弹性膜的中心上表面通过绝缘材料和第一固定基座的一端相连，同时第一固定基座的另一端和机械杆的一端连接。但是上述专利文献中的传感器存在柔韧性不佳的缺陷。
与传统电容式压力传感器不同，电容式柔性压力传感器的传感层、基底材料甚至电极层都为柔性材料，在变形和弯曲的情况下仍受力作用会引起电容的变化，通过放大电路转化成电信号，从而能够直观识别压力的变化。公开号为CN107505068A的专利文献公开了一种电容式柔性压力传感器及其制备方法，其中，电容式柔性压力传感器包括：第一柔性纳米纤维薄膜层；第二柔性纳米纤维薄膜层，与第一柔性纳米纤维薄膜层相对设置；第一电极层，附着于第一柔性纳米纤维薄膜层内侧；第二电极层，附着于第二柔性纳米纤维薄膜层内侧；以及纳米纤维膜介电层，设置于第一电极层与第二电极层之间。公开号为CN109724720B的专利文献公开了一种电容式柔性压力传感器及其制备方法，该专利文献从上到下依次包括上中空柔性基体层、柔性毫米结构层、介电层、下中空柔性基体层，上中空柔性基体层和下中空柔性基体层内部均有空腔，通过注入液态金属从而在空腔内部形成液态金属电极；上中空柔性基体层的空腔下底面为柔性微纳结构，下中空柔性基体层的空腔上底面为柔性微纳结构；柔性毫米结构层为两个PDMS薄膜，两个PDMS膜位于上中空柔性基体层下表面的两侧；介电层位于上中空柔性基体层和下中空柔性基体层之间。公开号为CN105865667B的专利文献公开了一种基于微结构化介电层的电容式柔性压力传感器及其制备方法，属于传感器技术领域，包括上柔性基底和下柔性基底，附着于上柔性基底内表面的上导电层和附着于下柔性基底内表面的下导电层，在所述上导电层和下导电层之间设有微结构化介电层。公开号为CN111073024B的专利文献公开了一种多孔介电材料及其制备方法、电容式压力传感器，其中，所述制备方法包括：将一液体金属与一聚合物的液态预聚物按预定比例混合，形成混合溶液；向混合溶液中添加聚合物的固化剂，形成液体金属与聚合物的液态混合物；将液态混合物与一可溶性填充材料充分混合并进行固化处理，形成固化结构；利用特定溶剂溶解可溶性填充材料，最终形成具有可变介电常数的固态多孔介电材料，所述电容式压力传感器包括两个电极板和位于两个电极板之间的柔性介电层，其中，柔性介电层由多孔介电材料制成。公开号为CN111551290A的专利文献公开了一种可穿戴柔性电容式压力传感器及其制备方法，其结构包括；上层电极，介电层，底电极，导线；所述上层电极和底电极由聚酰亚胺基质和电极组成，所述导线附在聚酰亚胺基板上与电极相接；所述介电层由可压缩的聚合物基质及导电填料混合组成，其中聚合物基质具有内部微结构；所述石墨烯气凝胶为导电填料应用于柔性电容式压力传感器的介电层中。但是上述专利文献中的电容式压力柔性传感器由于极板厚度较薄，尺寸较小，传感器电极板上的电荷分布非常容易受外界电磁场的干扰，使得传感器测量过程中偏差较大。
与传统工艺，如腐蚀、键合、光刻、氧化、扩散、溅射等一系列复杂工相比，3D打印制备柔性压力传感器具有制备快速、操作简单、材料选择多样化、结构一体化等优点，并且对环境要求低，可在室内、低温环境下制作等优势。公开号为CN108515694B的专利文献公开了一种基于3D打印技术的柔性压力传感器芯片及其制作方法，芯片包括柔性上极板，柔性上极板和均匀分布微型金字塔阵列的柔性下极板相接触，在柔性上、下极板接触表面制作柔性薄膜电极，柔性上、下极板上的柔性薄膜电极分别通过导线与外部电路相连接；制作方法先3D打印柔性上、下极板，清洗；然后采用导电胶将导线紧密的黏附在柔性上、下极板上，固化；再将柔性上、下极板氧等离子体处理，浸润一层PEDOT：PSS溶液，烘烤完成柔性薄膜电极的制作；最后使用聚酰亚胺绝缘胶带将柔性上、下极板粘贴在一起，同时封闭柔性上、下极板侧面间隙。但是该专利文献的技术方案与本发明的技术方案不同。
公开号为CN111307341A的专利文献公开了一种柔性电容式压力传感器，包括电极层、介电层和加厚层，所述电极层复合在介电层的一侧面以构成电极结构，而两组电极结构的介电层通过复合形成柔性电容式压力传感器本体；所述介电层的另一侧面通过模具成型加工有若干个圆柱凸起，且每相邻的四个圆柱凸起之间的间隙用于卡入另一介电层上对应的圆柱凸起，从而能够实现稳定的拼接，同时纵向和横向相邻的两个圆柱凸起之间还具有空隙，所述圆柱凸起的端部开设有十字形凹槽。但是该专利文献的技术方案与本发明的技术方案不同。
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基于柔性材料的电容式压力传感器及其制作方法。
根据本发明提供的一种基于柔性材料的电容式压力传感器，包括检查层、绝缘层、屏蔽层；
所述检查层包括上电极层、下电极层以及介电层；所述介电层夹设在所述上电极层和所述下电极层之间，将所述上电极层和所述下电极层隔离开；
所述绝缘层夹设在所述屏蔽层与所述上电极层之间，所述绝缘层夹设在所述屏蔽层与所述下电极层之间；
所述屏蔽层连接地线。
优选的，所述绝缘层包裹所述检查层，所述屏蔽层包裹所述绝缘层；
所述上电极层和所述下电极层留出外接的电极。
优选的，所述屏蔽层包括上柔性屏蔽层和下柔性屏蔽层，所述绝缘层包括上柔性绝缘层和下柔性绝缘层；
所述上柔性屏蔽层、所述上柔性绝缘层、所述上电极层、介电层、所述下电极层、所述下柔性绝缘层以及所述下柔性屏蔽层自上而下依次设置；
所述上柔性绝缘层夹设在所述上电极层和所述上柔性屏蔽层之间，将所述上电极层和所述上柔性屏蔽层隔离开；所述下柔性绝缘层夹设在所述下电极层和所述下柔性屏蔽层之间，将所述下电极层和所述下柔性屏蔽层隔离开；
所述上柔性绝缘层和所述下柔性绝缘层电连接；所述上柔性屏蔽层和所述下柔性屏蔽层均连接地线。
优选的，所述上电极层引出第一外接电极点，所述下电极层引出第二外接电极点，所述第一外接电极点和所述第二外接电极点用于连接外部导线。
优选的，所述第一外接电极点连接第一引出层，所述第二外接电极点连接第二引出层。
优选的，所述上电极层和所述介电层对准粘接封装在一起。
优选的，所述上柔性屏蔽层和所述下柔性绝缘层采用电磁屏蔽材料制成；所述上柔性绝缘层和所述下柔性绝缘层采用绝缘材料制成。
优选的，所述介电层采用柔性介电材料制成。
优选的，所述柔性介电材料为如下任意一种：聚乙烯、聚酯薄膜、涤纶薄膜。
本发明还提供一种基于上述的基于柔性材料的电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤：采用3D打印设备在带有下柔性绝缘层和下柔性屏蔽层一体的绝缘层上直写下电极层和引出外接电极点，形成下层板；
步骤：采用3D打印设备在带有上柔性绝缘层和上柔性屏蔽层一体的绝缘层上直写上电极层和引出外接电极点，形成上层板；
步骤：在下层板的下电极层上直写介电层，介电层外围直写胶黏剂；
步骤：把上层板的上电极层与介电层对准粘结封装在一起，构成完整的电容式压力传感器。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明的电容式压力传感器的电容采用多层结构，具有外电场屏蔽层，可减小外电场对电容的干扰；
2、本发明的电容式压力传感器的电容式压力传感器采用3D打印设备直接制作，相比传统工艺，制作简单；
3、本发明的电容式压力传感器采用柔性材料制作，可用于电子皮肤作为可穿戴电子设备对人身体健康进行监测。
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为本发明的基于柔性材料的电容式压力传感器的结构示意图；
图2为本发明的基于柔性材料的电容式压力传感器的制作流程示意图；
图3为本发明的电容式柔性压力传感器的特性曲线。
图中示出：
上柔性屏蔽层1 下电极层5
上柔性绝缘层2 第二引出层501
上电极层3 下柔性绝缘层6
第一引出层301 下柔性屏蔽层7
介电层4 地线8
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。
实施例1：
本实施例提供一种基于柔性材料的电容式压力传感器，包括检查层、绝缘层、屏蔽层，检查层包括上电极层3、下电极层5以及介电层4；介电层4夹设在上电极层3和下电极层5之间，将上电极层3和下电极层5隔离开，绝缘层夹设在屏蔽层与上电极层3之间，绝缘层夹设在屏蔽层与下电极层5之间，屏蔽层连接地线8。绝缘层包裹检查层，屏蔽层包裹绝缘层，上电极层和下电极层留出外接的电极。
实施例2：
如图1和图2所示，本实施例提供一种基于柔性材料的电容式压力传感器，包括检查层、绝缘层、屏蔽层，检查层包括上电极层3、下电极层5以及介电层4，介电层4夹设在上电极层3和下电极层5之间，将上电极层3和下电极层5隔离开，绝缘层夹设在屏蔽层与上电极层3之间，绝缘层夹设在屏蔽层与下电极层5之间，屏蔽层连接地线。
屏蔽层包括上柔性屏蔽层1和下柔性屏蔽层7，绝缘层包括上柔性绝缘层2和下柔性绝缘层6。上柔性屏蔽层1、上柔性绝缘层2、上电极层3、介电层4、下电极层5、下柔性绝缘层6以及下柔性屏蔽层7自上而下依次设置，上柔性绝缘层2夹设在上电极层3和上柔性屏蔽层1之间，将上电极层3和上柔性屏蔽层1隔离开，下柔性绝缘层6夹设在下电极层5和下柔性屏蔽层7之间，将下电极层5和下柔性屏蔽层7隔离开，上柔性绝缘层2和下柔性绝缘层6电连接；上柔性屏蔽层1和下柔性屏蔽层7均连接地线8。上电极层3和介电层4对准粘接封装在一起。
上电极层3引出第一外接电极点，下电极层5引出第二外接电极点，第一外接电极点和第二外接电极点用于连接外部导线，第一外接电极点连接第一引出层301，第二外接电极点连接第二引出层501。
上柔性屏蔽层1和下柔性绝缘层6采用电磁屏蔽材料制成。上柔性绝缘层2和下柔性绝缘层6采用绝缘材料制成。介电层4采用柔性介电材料制成，柔性介电材料为如下任意一种：聚乙烯、聚酯薄膜、涤纶薄膜。
本发明还提供一种基于上述的基于柔性材料的电容式压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：采用3D打印设备在带有下柔性绝缘层6和下柔性屏蔽层7一体的绝缘层上直写下电极层5和引出外接电极点，形成下层板；
步骤2：采用3D打印设备在带有上柔性绝缘层2和上柔性屏蔽层1一体的绝缘层上直写上电极层3和引出外接电极点，形成上层板；
步骤3：在下层板的下电极层5上直写介电层4，介电层4外围直写胶黏剂；
步骤4：把上层板的上电极层3与介电层4对准粘结封装在一起，构成完整的电容式压力传感器。
实施例3：
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1、实施例2的更为具体的说明。
本实施例提供一种基于柔性材料的电容式压力传感器，电容式压力传感器从上到下依次包括上柔性屏蔽层、上柔性绝缘层、上电极层、介电层、下电极层、下柔性绝缘层以及下柔性屏蔽层。介电层放置最中间把上电极层、下电极层隔离开，然后上柔性绝缘层放置上电极层和上柔性屏蔽层之间将其隔离开，下柔性绝缘层放置下电极层和下柔性屏蔽层之间将其隔离开，最后上柔性屏蔽层、下柔性屏蔽层与地线相连。
上述电容式压力传感器的制备方法是采用3D打印设备直写下电极层和引出外接电极点在带有下柔性绝缘层和下柔性屏蔽层一体的绝缘层上形成下层板，同样的方式直写上电极层和引出外接电极点在带有上柔性绝缘层和上柔性屏蔽层一体的绝缘层上形成上层板，然后在下层板的下电极层上直写介电层，介电层外围直写胶黏剂，最后把上层板的上电极层与下层板的介电层对准粘结封装在一起，构成完整的电容式压力传感器。
在本实施例中电容式压力传感器设计按照结构功能特性分为七层，但在其他实施例中不局限于制作七层膜，可增加上下引出外接电极点，也可归纳为：上下柔性屏蔽层视为最外层屏蔽层，上下绝缘层视为上下电极层分别与上下柔性屏蔽层之间填充的绝缘层，上下电极层和介电层构成电容传感器检测层，电容传感器检测层被绝缘层包裹，绝缘层被最外层屏蔽层包裹。
屏蔽层是由电磁屏蔽材料制成，完全包裹传感器内部结构，与大地相连，形成外部基准等势面，使得上下电极层内部电场不受外界电磁场干扰。绝缘层是由绝缘材料制成，隔绝上下电极层与屏蔽层之间的电路导通。介电层由柔性介电材料制作，如聚乙烯，聚酯薄膜，涤纶薄膜。
上下电极层由导电良好的材料制成，上下电极层还分别引出外接电极点，用于连接外部导线。上层板和下层板通常可直接市场采购，如PI基底上单面镀有铜浆的薄膜，采用3D打印设备在绝缘层上直写电极层，直写上下电极层尺寸比上下层板的尺寸小，直写电极层的顺序无固定要求。电极层材料通常为流体，常温下干燥速度慢，需要进行加热固化。
采用3D打印设备在电极层上直写介电层，介电层尺寸覆盖下电极层尺寸，下电极层引出外接电极点的部分采用绝缘材料填充，下柔性绝缘层的其他区域采用胶黏剂覆盖。上层板的上电极层与下层板的介电层对准粘接封装在一起，但上下电极层各自的电极点仍留出外接导线空间，用于连接导线不相互有接触造成短路。
实施例4：
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1、实施例2的更为具体的说明。
本实施例提供一种基于柔性材料的电容式压力传感器的制作方法，根据所设计结构，采用PI基底上单面镀有铜浆的薄膜，采用3D打印设备在15mmⅹ20mm聚酰亚胺基底的绝缘层上，以中心对称点，采用铜浆直写上下电极层尺寸为12mmⅹ14mm，并引出外接电极点。铜浆常温下干燥速度慢，需要进行加热固化。
采用3D打印设备在电极层上直写介电层12.5mmⅹ14.5mm，介电层尺寸覆盖下电极层尺寸，下电极层引出外接电极点的部分采用绝缘材料聚酰亚胺胶水填充，下柔性绝缘层的其他区域同样采用聚酰亚胺胶水覆盖。上层板的上电极层与下层板的介电层对准粘接封装在一起，但上下电极层各自的电极点仍留出外接导线空间，用于连接导线不相互有接触造成短路。然后按照聚酰亚胺胶水固化加热步骤，调节温度和控制加热时间使得材料固化制得电容式柔性压力传感器。电容式柔性压力传感器用于压力从0到100g变化测试，电容随压力的增加而单调增加，如图3所示。
本发明引入柔性屏蔽层较大提高了传感器的稳定性，且传感器的柔韧性仍然得到保持。
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)

1.一种基于柔性材料的电容式压力传感器，其特征在于，包括检查层、绝缘层、屏蔽层；
所述检查层包括上电极层(3)、下电极层(5)以及介电层(4)；所述介电层(4)夹设在所述上电极层(3)和所述下电极层(5)之间，将所述上电极层(3)和所述下电极层(5)隔离开；
所述绝缘层夹设在所述屏蔽层与所述上电极层(3)之间，所述绝缘层夹设在所述屏蔽层与所述下电极层(5)之间；
所述屏蔽层连接地线(8)。
2.根据权利要求1所述的基于柔性材料的电容式压力传感器，其特征在于，所述绝缘层包裹所述检查层，所述屏蔽层包裹所述绝缘层；
所述上电极层(3)和所述下电极层(5)留出外接的电极。
3.根据权利要求1所述的基于柔性材料的电容式压力传感器，其特征在于，所述屏蔽层包括上柔性屏蔽层(1)和下柔性屏蔽层(7)，所述绝缘层包括上柔性绝缘层(2)和下柔性绝缘层(6)；
所述上柔性屏蔽层(1)、所述上柔性绝缘层(2)、所述上电极层(3)、介电层(4)、所述下电极层(5)、所述下柔性绝缘层(6)以及所述下柔性屏蔽层(7)自上而下依次设置；
所述上柔性绝缘层(2)夹设在所述上电极层(3)和所述上柔性屏蔽层(1)之间，将所述上电极层(3)和所述上柔性屏蔽层(1)隔离开；所述下柔性绝缘层(6)夹设在所述下电极层(5)和所述下柔性屏蔽层(7)之间，将所述下电极层(5)和所述下柔性屏蔽层(7)隔离开；
所述上柔性绝缘层(2)和所述下柔性绝缘层(6)电连接；所述上柔性屏蔽层(1)和所述下柔性屏蔽层(7)均连接地线(8)。
4.根据权利要求3所述的基于柔性材料的电容式压力传感器，其特征在于，所述上电极层(3)引出第一外接电极点，所述下电极层(5)引出第二外接电极点，所述第一外接电极点和所述第二外接电极点用于连接外部导线。
5.根据权利要求4所述的基于柔性材料的电容式压力传感器，其特征在于，所述第一外接电极点连接第一引出层(301)，所述第二外接电极点连接第二引出层(501)。
6.根据权利要求3所述的基于柔性材料的电容式压力传感器，其特征在于，所述上电极层(3)和所述介电层(4)对准粘接封装在一起。
7.根据权利要求1所述的基于柔性材料的电容式压力传感器，其特征在于，所述上柔性屏蔽层(1)和所述下柔性绝缘层(6)采用电磁屏蔽材料制成；所述上柔性绝缘层(2)和所述下柔性绝缘层(6)采用绝缘材料制成。
8.根据权利要求1所述的基于柔性材料的电容式压力传感器，其特征在于，所述介电层(4)采用柔性介电材料制成。
9.根据权利要求8所述的基于柔性材料的电容式压力传感器，其特征在于，所述柔性介电材料为如下任意一种：聚乙烯、聚酯薄膜、涤纶薄膜。
10.一种基于权利要求5所述的基于柔性材料的电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：采用3D打印设备在带有下柔性绝缘层(6)和下柔性屏蔽层(7)一体的绝缘层上直写下电极层(5)和引出外接电极点，形成下层板；
步骤2：采用3D打印设备在带有上柔性绝缘层(2)和上柔性屏蔽层(1)一体的绝缘层上直写上电极层(3)和引出外接电极点，形成上层板；
步骤3：在下层板的下电极层(5)上直写介电层(4)，介电层(4)外围直写胶黏剂；
步骤4：把上层板的上电极层(3)与介电层(4)对准粘结封装在一起，构成完整的电容式压力传感器。
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