CN114993523B - 回字型凸起结构的变面积电容式压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种回字型凸起结构的变面积电容式压力传感器，包括具有凸起结构的上电极基底、上电极基底下方设置的下电极基底、及附着于上电极基底下端凸起结构表面的上电极层和附着于下电极基底上表面的下电极阵列层，所述下电极阵列层上端面附着有介电层，其特征在于：所述凸起结构自上电极基底下端朝下凸出并呈“回”字形，该上电极层能够通过改变电极表面结构的形状、尺寸有效调节传感器的性能，实现不同灵敏度、不同线性量程的电容压力传感器制作，且制作成本低。

Description

回字型凸起结构的变面积电容式压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种回字型凸起结构的变面积电容式压力传感器及其制备方法。

背景技术

随着技术进步与工艺革新，柔性压力传感器发展迅速，在可穿戴电子设备、机器人应用、智能终端、医疗监测等领域等得到广泛运用。其传感机理有压阻、电容、压电、摩擦电等，其中电容式压力传感器具有能耗低、温度稳定性好、响应速度快等优点。

平板式结构的电容压力传感器一般由两端电极层和中间介电层组成。将其中一个电极层固定，在另一电极层表面施加压力，电极面积和电极间距将会发生变化，从而引起输出电容发生变化。

平板式电容压力传感器具有金字塔形、倾斜微柱、半球形及孔洞等微结构介电层时，能够降低材料黏弹性，变形响应快，迟滞小；具有微结构的介电层由于存在间隙，整体的弹性模量降低，相同压力下，变形更大，同时受压后微结构间隙中的空气被排出，介电系数会提高，提高了灵敏度。

近年来，各国学者也开始对平板式电容压力传感器电极进行结构化，有金字塔形、波形等。张鹏等人为了研究电容式传感器电极表面有微结构对自身灵敏度的影响，设计了单层、双层微结构的电容式压力传感器，其以表面溅射有导电金属的带有金字塔微结构的PDMS薄膜作为上下层电极。该方法设计的双层微结构传感器的灵敏度是无微结构电极传感器灵敏度的17倍。这明显提高了传感器的灵敏度，但对于传感器的另一重要性能指标——线性度和线性范围并没有讨论，改善线性度和线性范围的机理还未得到深入研究。

在规定的初始电容值的前提要求下，传感器具有良好的线性度及更宽的线性范围，对实现传感器的小型化、阵列化及多领域应用具有重要影响。传感器单元越小，其阵列化后空间分辨率越高，接触位置检测精度将更好；传感器的线性度好，数据处理将更快，实时性好，而具有宽的线性范围，将便于在各种场景中应用。因此，探索制备一种基于结构化电极且具有高灵敏度、良好线性度和宽线性范围的压力传感器及其制备方法很有意义。

发明内容

鉴于现有技术的不足，本发明所要解决的技术问题是提供回字型凸起结构的变面积电容式压力传感器及其制备方法，其特殊的布置方式，使其在单位面积下具有更大的初始电容，具有高稳定性、高灵敏度、线性度好等优点，柔性压力传感器的灵敏度和线性范围可以得到有效调节。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案是：包括具有凸起结构的上电极基底、上电极基底下方设置的下电极基底、及附着于上电极基底下端凸起结构表面的上电极层和附着于下电极基底上表面的下电极阵列层，所述下电极阵列层上端面附着有微米级别厚度的介电层，所述凸起结构自上电极基底下端朝下凸出并呈“回”字形。

优选的，所述凸起结构阵列布置有若干且均与上电极基底固连为一体。

优选的，所述凸起结构纵向截面轮廓呈开口朝上的抛物线型、凹弧形或倒置的等腰梯形；所述凸起结构的高度为0.6mm。

优选的，所述凸起结构其“回”字中心同凸出有与凸起结构截面形状一致的凸起。

优选的，所述微米级别厚度的介电层材质为绿油、特氟龙涂料、硅橡胶、聚乙烯、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚对苯二甲酸乙二醇脂（PET）或聚酰亚胺（PI），厚度10~50um。

回字型凸起结构的变面积电容式压力传感器的制备方法，按以下步骤进行：S1:制备具有回字型凸起结构的柔性的上电极基底；S2:制备平整表面的下电极基底；S3: 在步骤S1中得到的具有回字型凸起结构的柔性上电极基底的表面，通过喷涂、蒸镀或化学气相沉积方式制备上电极层；S4: 在步骤S2得到下电极基底的表面，通过沉金或印刷工艺制备下电极阵列层，然后在导电层再刷涂一层10um厚度的绿油，作为介电层，并布置导线连接区域，用于传感器性能测试；S5:制备微米厚度的绿油介电层，将绿油涂覆在下电极阵列层之上；S6:将所述凸起结构上电极层与具有介电层的下电极阵列层进行贴合组装，上下电极层分别位于介电层的顶部和底部，得到回字型凸起结构的变面积电容式柔性压力传感器。

优选地，所述步骤S1的具体步骤如下：

1) .通过SLA光固化3D打印，打印材料为8200Pro树脂，分别打印凹弧形截面、梯形截面和抛物线形截面的回字形凹槽模具，其中凹槽深度为0.9mm，凹槽间距为1.6mm，凹槽底部宽度为0.2mm，凹槽顶部宽度为1.4mm。

2) .将步骤1)打印的树脂模具用无水乙醇、去离子水超声清洗，烘干后浸于脱模水中，再取出静置干燥，得到具有便于脱模的模具表面；

3) .将市售聚二甲基硅氧烷主剂与固化剂分别按照质量比10:1进行充分搅拌混合，抽真空去除搅拌产生的气泡后，倒入步骤2）准备的模具中，然后置于烤箱中80℃加热2小时，固化后从模具上揭下，得到具有不同凸起结构的上电极基底。

优选地，所述步骤S1的具体也可按照如下步骤制得：

（1）通过数控CNC精雕加工，对不锈钢材料进行加工，在其表面雕出抛物线形截面的回字形凸起结构，再用PU胶浇注进行翻模，待固化后从不锈钢揭下，得到凸起结构截面是抛物线形的软模具（凹弧形截面与梯形截面同理），其顶部宽度为0.2mm，底部宽度是1.4mm，高度有0.6mm、0.9mm两种，回字形凸起结构的间距为1.6mm。

（2）将市售聚二甲基硅氧烷主剂与固化剂按照质量比10:1进行充分搅拌混合，抽真空去除搅拌产生的气泡后，倒入步骤（1）准备的PU软模具中，然后置于烤箱中80℃加热2小时，完全固化后从软模具上剥离，得到具有不同间距凸起结构的上电极基底。

与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：该电容式柔性的压力传感器设计了不同截面结构的凸起电极并以回字型布置，与点式分布、条形分布相比，在相同间距的情况下具有更大的初始电容、更好的稳定性和恢复能力；能够通过改变凸起结构的形状、尺寸（即形变）进而分布调节传感器的性能，实现不同灵敏度、宽线性范围的电容型柔性压力传感器制作。另一方面，上述凸起结构通过3D打印、复型翻模等方法制备，成本低、制备简单、效率高，适合大规模生产与应用。

下面结合附图和具体实施方式对本发明做进一步详细的说明。

附图说明

图1为本发明实施例1、2的构造示意图；

图2为本发明实施例1、2的截面结构示意图；

图3为本发明实施例1、2的下电极阵列的示意图；

图4为本发明实施例1、2的工作原理图；

图5为本发明实施例1、2的等效电路原理图；

图6为本发明实施例1中电容式柔性压力传感器的压力与电容变化关系图（不同截面轮廓）；

图7为本发明实施例2中电容式柔性压力传感器的压力与电容变化关系图（不同高度）。

图中：1-上电极基底，2-下电极基底，3-上电极层，4-下电极阵列层，5-介电层，6-凸起结构。

具体实施方式

为让本发明的上述特征和优点能更明显易懂，下文特举实施例，并配合附图，作详细说明如下。

实施例1

图1与图2分别是本发明实施例的构造示意图和截面结构示意图，该回字型凸起结构的变面积电容式压力传感器，包括具有凸起结构的上电极基底1、上电极基底下方设置的下电极基底2、及附着于上电极基底下端凸起结构表面的上电极层3和附着于下电极基底上表面的下电极阵列层4，所述下电极阵列层上端面附着有微米级别厚度的介电层5，所述凸起结构6自上电极基底下端朝下凸出并呈“回”字形。

在本发明实施例中，所述凸起结构阵列布置有若干且均与上电极基底固连为一体。

在本发明实施例中，图3是本发明实施例1提供的回字案型凸起结构的变面积电容式柔性压力传感器的下电极阵列的示意图。正方形图案电极的大小为8x8mm²，它们正交方向上的间距均为2mm，各电极均单独用导线引出。较小的长方形图案电极用于与电极进行电气连接，以便于传感器的贴合封装。

在本发明实施例中，图4是本发明实施例提供的回字型凸起结构的变面积电容式柔性压力传感器的工作原理图。具体地，当上电极基底收到压力时，附着于上电极基底内表面的凸起结构上电极层将会发生变形，使得与介电层的接触面积增大，使得更多电荷集中到接触部分，从而引起传感器电容值的变化，通过测试电容值变化可以反映传感器受力情况。

在本发明实施例中，图5是本发明实施例提供的回字型凸起结构的变面积电容式柔性压力传感器的等效电路原理图。

表示凸起结构上电极层与介电层接触部分形成的电容，

和

表示凸起结构上电极层与介电层不接触部分形成的电容，总的电容为

，其中，

表示真空介电常数，

表示介质层相对介电常数，

表示接触部分面积，

表示非接触部分面积，

表示介电层厚度，

表示凸起上电极层与介电层距间距。当凸起上电极层与介电层接触面积变大，

变大并占据主导作用。

在本发明实施例中，凸起结构上电极基底1材质为聚二甲基硅氧烷（PDMS），厚度为1.5mm（也可以是硅橡胶，厚度为0.6~0.9mm）。

下电极基底2材质为聚对苯二甲酸乙二醇脂（PET），厚度为100um（也可以是聚酰亚胺（PI），厚度为20~100um）。

上电极层3材质为石墨涂层（也可以是银、铜、金、钛、铝、铬等金属，或者多壁碳纳米管、石墨烯或导电高分子材料中的一种或多种混合的涂层）。

下电极阵列层4材质为金（也可以是银、铜、金、钛、铝、铬等金属）。

介质层5材质为绿油（也可以是特氟龙涂料、聚氨酯等绝缘材料，厚度为10~50um）。

上电极基底1的凸起结构截面为抛物线形，以回字型形式布置，凸起间距为1.6mm，凸起顶部宽度为0.2mm，凸起底部宽度为1.4mm，凸起高度为0.9mm（凸起结构截面也可以是梯形、凹弧形、半球形等单一形状或两种组合成的形状。）

在本发明实施例中，所述凸起结构其“回”字中心同凸出有与凸起结构截面形状一致的凸起。

在本发明实施例中，所述微米级别厚度的介电层材质为绿油、特氟龙涂料、硅橡胶、聚乙烯、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚对苯二甲酸乙二醇脂（PET）或聚酰亚胺（PI），厚度10~50um。

回字型凸起结构的变面积电容式压力传感器的制备方法，按以下步骤进行：S1:制备具有回字型凸起结构的柔性的上电极基底；S2:制备平整表面的下电极基底；S3: 在步骤S1中得到的具有回字型凸起结构的柔性上电极基底的表面，通过喷涂、蒸镀或化学气相沉积方式制备上电极层；S4: 在步骤S2得到下电极基底的表面，通过沉金或印刷工艺制备下电极阵列层，然后在导电层再刷涂一层10um厚度的绿油，作为介电层，并布置导线连接区域，用于传感器性能测试；S5:制备微米厚度的绿油介电层，将绿油涂覆在下电极阵列层之上；S6:将所述凸起结构上电极层与具有介电层的下电极阵列层进行贴合组装，上下电极层分别位于介电层的顶部和底部，得到回字型凸起结构的变面积电容式柔性压力传感器。

（1）制备凸起结构上电极基底

 a.选用上海联泰科技股份有限公司生产的型号Lite600HD的光固化打印机，打印材料选择未来8200Pro树脂，分别打印截面形状为凹弧形、梯形、抛物线形截面的回字形凹槽模具，凹槽有2种深度（0.6mm、0.9mm），凹槽间距为1.6mm，凹槽底部宽度为0.2mm，凹槽顶部宽度为1.4mm。

 b.将步骤a制备的树脂模具用无水乙醇、去离子水超声清洗5分钟，烘干后用浸脱模水（北京海贝斯科技公司）浸泡1分钟，取出静置干燥，得到具有便于脱模的模具表面；

 c.将市售PDMS单体与固化剂（SYLGARD 184 Silicone Elastomer，美国）按照质量比10:1搅拌充分混合，真空抽气5分钟去除气泡后倒入步骤c准备的模具中，置于烤箱中80℃加热2小时，固化后剥离得到具有不同高度、不同截面形状的凸起结构电极基底。

（2）制备上电极层

使用速干性导电型耐高温石墨喷剂（德国康泰GRAPHIT 33）在步骤（1）中制得的电极基底的凸起表面进行喷涂，干燥15分钟后形成上电极层。

（3）制备下电极阵列层和介电层

通过FPCB制造工艺，在市售PET薄膜（乐凯，中国，厚度100um）表面进行沉金形成导电层，其表面电阻为2Ω/sq。在沉金的PET薄膜上刷涂UV紫外光固化绿油（kaisi/亨斯特），紫外光照射10分钟固化形成介电层。使用导电银浆将铜导线与电极层连接引出，用于传感器性能测试。

（4）封装电容式柔性压力传感器

将步骤（2）中制得的带有回字型凸起结构的上电极层与步骤（3）制得的具有介电层的下电极阵列层边缘对齐贴合封装（如图1所示），其中回字型凸起结构上电极层与下电极阵列层分别位于介电层的上下面。得到回字型凸起结构的变面积电容式柔性压力传感器。

如图6所示，为本实施例1提供的回字型凸起结构的变面积电容式柔性压力传感器电容变化率与压力关系图。从图6可知，相同高度不同截面形状回字型凸起结构的传感器的特性曲线趋势相同，但它们的灵敏度和线性范围不同。其中灵敏度最高的是凹弧形，线性度较差，线性范围也相对梯形和抛物线形小，而抛物线形截面凸起的线性范围明显大于凹弧形截面凸起和梯形截面凸起。

实施例2

在本发明实施例中：

（1）利用复型翻模技术制备凸起结构上电极基底

a.选用深圳市捷丰泰科技有限公司生产的型号JFT-400D雕刻机对不锈钢表面进行数控CNC精雕加工。在其表面雕出抛物线形截面的回字形凸起结构，再用PU胶浇注进行翻模，待固化后从不锈钢揭下，得到带有抛物线形截面凹槽的软模具，凹槽底部宽度为0.2mm，顶部宽度是1.4mm，高度有0.6mm、0.9mm两种，凸起结构之间的间距为1.6mm。

b.将步骤a制备的软PU模具用无水乙醇浸泡1分钟，再用洗洁精浸泡1分钟进行表面处理，得到便于脱模的软PU模具。

c.将市售PDMS单体与固化剂（SYLGARD 184 Silicone Elastomer，美国）按照质量比10:1搅拌充分混合，真空抽气5分钟去除气泡后倒入步骤c准备的软PU模具中，置于烤箱中80℃加热2小时，固化后剥离得到不同间距的抛物线形截面的回字型凸起结构上电极基底。

（2）制备上电极层

使用电子束真空蒸发镀膜机（泰科诺 TEMD600）在步骤（1）中制得的上电极基底的凸起表面蒸镀Cr、Al，镀膜速率15A/s，温度70℃，电极层厚度200nm。

（3）制备下电极阵列层和介电层

采用丝网印刷方式，在市售PET薄膜（乐凯，中国，厚度100um）表面印刷导电碳油（JW-001，深圳市德力欧科技发展有限公司），固化后得到下电极阵列层，再刷涂UV紫外光固化绿油（kaisi/亨斯特），紫外光照射10分钟固化形成介电层。使用导电银浆将铜导线与电极层连接引出，用于传感器性能测试。

（4）封装电容式柔性压力传感器

将步骤（2）中制得的不同高度回字型凸起结构的上电极层与步骤（3）制得的具有介电层的下电极阵列层边缘对齐贴合封装（如图1所示），其中回字型凸起结构上电极层与下电极阵列层分别位于介电层的上下面。得到回字型凸起结构的变面积电容式柔性压力传感器。

如图7所示，为本实施例2提供的回字型凸起结构的变面积电容式柔性压力传感器电容变化率与压力关系图。从图7可知，不同高度抛物线形截面回字型凸起结构的灵敏度在较小压力下几乎一致，但线性范围有所不同。随着凸起高度的增大，线性范围随之增大。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可以得出其他各种形式的回字型凸起结构的变面积电容式压力传感器及其制备方法。凡依本发明申请专利范围所做的均等变化与修饰，皆应属本发明的涵盖范围。

Claims (10)

1.回字型凸起结构的变面积电容式压力传感器，包括具有凸起结构的上电极基底、上电极基底下方设置的下电极基底、及附着于上电极基底下端凸起结构表面的上电极层和附着于下电极基底上表面的下电极阵列层，所述下电极阵列层上端面附着有介电层，其特征在于：所述凸起结构自上电极基底下端朝下凸出并呈“回”字形。

2.根据权利要求1所述的回字型凸起结构的变面积电容式压力传感器，其特征在于：所述凸起结构阵列布置有若干且均与上电极基底固连为一体。

3.根据权利要求1所述的回字型凸起结构的变面积电容式压力传感器，其特征在于：所述凸起结构纵向截面轮廓呈开口朝上的抛物线型。

4.根据权利要求1所述的回字型凸起结构的变面积电容式压力传感器，其特征在于：所述凸起结构纵向截面轮廓呈凹弧形或倒置的等腰梯形。

5.根据权利要求1所述的回字型凸起结构的变面积电容式压力传感器，其特征在于：所述凸起结构其“回”字中心同凸出有与凸起结构截面形状一致的凸起。

6.回字型凸起结构的变面积电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，采用如权利要求1-5所述的任一回字型凸起结构的变面积电容式压力传感器，并按以下步骤进行：S1:制备具有回字型凸起结构的柔性的上电极基底；S2:制备平整表面的下电极基底；S3:制备附着于上电极基底凸起结构表面的上电极层；S4:制备附着于下电极基底表面的下电极阵列层；S5:制备微米厚度的绿油介电层，将绿油涂覆在下电极阵列层之上；S6:将所述凸起结构上电极层与具有介电层的下电极阵列层进行贴合组装，上下电极层分别位于介电层的顶部和底部，得到回字型凸起结构的变面积电容式柔性压力传感器。

7.根据权利要求6所述的回字型凸起结构的变面积电容式压力传感器的制备方法，其特征在于：在步骤S1中包括：首先制备抛物线形截面回字形凹槽的模具；接着将PDMS主剂与固化剂以质量比10:1配置得到混合溶液；将所述PDMS混合溶液倒在回字形凹槽的模具上；将所述PDMS混合溶液固化后剥离得到所述具有回字凸起结构的柔性的上电极基底。

8.根据权利要求7所述的回字型凸起结构的变面积电容式压力传感器的制备方法，其特征在于：所述制备抛物线形截面回字形凹槽的模具方式包括：通过3D打印得到回字形凹槽的模具或先通过CNC精雕加工得到回字型凸起不锈钢模具，再用PU胶对不锈钢模具凸起表面浇注翻模得到回字型凹槽的模具。

9.根据权利要求6所述的回字型凸起结构的变面积电容式压力传感器的制备方法，其特征在于：在步骤S3中：在上电极基底凸起结构表面，通过喷涂、蒸镀、浸涂或化学气相沉积方式制备上电极层。

10.根据权利要求6所述的回字型凸起结构的变面积电容式压力传感器的制备方法，其特征在于：在步骤S4中：在下电极基底的表面，通过沉金或印刷工艺制备下电极阵列。

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