CN115638905A

CN115638905A - 一种电容式柔性压力传感器及其制备方法

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Publication number: CN115638905A
Application number: CN202211372175.6A
Authority: CN
Inventors: 张鹏; 黄梁松; 张坤; 王硕; 李玉霞
Original assignee: Shandong University of Science and Technology
Current assignee: Shandong University of Science and Technology
Priority date: 2022-10-31
Filing date: 2022-10-31
Publication date: 2023-01-24

Abstract

本发明提供了一种电容式柔性压力传感器，包括：由上自下依次排布的上封装层、上电极层、中间介电层、下电极层和下封装层，上封装层和下封装层平行设置；上电极层、下电极层和中间介电层均由具有砂纸微结构的导电薄膜制成；中间介电层至少具有两个连续的凸起结构，中间介电层的相对上电极层的上表面和相对下电极层的下表面上具有砂纸微结构；上封装层和下封装层由PI聚酰亚胺薄膜制成；上电极层和下电极层分别在其相互远离的一侧上设有导线。本发明的技术方案克服现有技术中柔性传感器检测范围小、低压区灵敏度不理想、使用寿命短、制作难度高等问题的问题。

Description

一种电容式柔性压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及柔性压力传感器的技术领域，具体涉及一种电容式柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术

柔性传感器作为可穿戴智能设备的重要组成部分，突破了传统传感器刚性大的缺陷，不但具有将外界各种刺激转换为可被检测的电信号的能力，而且具有良好的柔性、可拉伸性以及生物相容性的特点。高灵敏度的柔性压力传感器能更精确地感知人体呼吸和脉搏跳动等生理信息，在电子皮肤、医疗保健和智能机器人等领域有着极其重要的作用。

柔性传感器根据其原理可以分为压阻式、压电式、电容式以及摩擦电式。其中电容式柔性传感器具有动态范围大、高灵敏度、温度稳定性好以及可以大面积应用等优点，使其成为广大研究学者的重点研究类型。目前，提高电容式柔性传感器性能的主要途径有：构建介电层或电极的微结构；向介电层中添加导电填料以构造复合介电层；在介电层中引入多孔结构。其中，构建介电层或电极的微结构是比较常用的手段，如构建金字塔或柱形阵列微结构、多级微结构、互锁式微结构或者仿生微结构等，都能有效提高电容式柔性传感器的灵敏度。

虽然构造各种微结构能显著提高传感器的性能，但是目前依然存在检测范围小、低压区灵敏度不理想、使用寿命短、制作难度高等问题，需要进一步解决和优化。因此，现需要一种能够实现大的线性测量范围、低压区的高灵敏度、良好的重复稳定性以及较为简单的工艺的电容式柔性压力传感器。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种电容式柔性压力传感器及其制造方法，以解决现有技术中柔性传感器检测范围小、低压区灵敏度不理想、使用寿命短、制作难度高等问题的问题。

为实现上述目的，本发明提供了一种电容式柔性压力传感器，包括：由上自下依次排布的上封装层、上电极层、中间介电层、下电极层和下封装层，上封装层和下封装层平行设置；上电极层、下电极层和中间介电层均由具有砂纸微结构的导电薄膜制成；中间介电层至少具有两个连续的凸起结构，中间介电层的相对上电极层的上表面和相对下电极层的下表面上具有砂纸微结构；上封装层和下封装层由PI聚酰亚胺薄膜制成；上电极层和下电极层分别在其相互远离的一侧上设有导线。

进一步地，中间介电层的凸起部的形状、高度、宽度可调节。

进一步地，上电极层2和下电极层4是由PDMS聚二甲基硅氧烷、多壁碳纳米管和碳黑相结合所得的复合材料涂覆在砂纸结构上制成的；中间介电层3由PDMS聚二甲基硅氧烷材料涂覆在砂纸结构上制成的。

进一步地，砂纸目数包括但不限于60目、120目、180目、240目、400目、600目等。

一种制备电容式柔性压力传感器的方法，包括以下步骤：

步骤1：制备上电极层和下电极层；

首先，将PDMS聚二甲基硅氧烷预置体与导电材料多壁碳纳米管和碳黑混合，并加入一定量的正己烷溶液作为溶剂，再对混合溶液进行磁力搅拌；取圆形砂纸于均胶机上，倒上所配置的粘稠的混合溶液进行旋涂，使其在砂纸上形成均匀的一层薄膜，然后将涂有薄膜的砂纸放在烘箱中加热烘干，揭下后得到具有砂纸微结构的导电薄膜；

步骤2：准备凹槽模具；

根据实际需要，确定好凹槽的形状、深度、宽度和间距，利用Solidworks软件绘制并3D打印出模具备用，比如凹槽形状为弧形；

步骤3：制备中间介电层；

将砂纸裁剪成宽度略小于模具的长条状，并用双面胶将其固定在3D打印出的弧形凹槽模具中塑形，使砂纸具有弧形凹槽微结构；然后将PDMS聚二甲基硅氧烷预置体均匀倒到具有弧形凹槽结构的砂纸上，并放在烘箱中加热烘干，得到同时具有凸起部和砂纸微结构的单面PDMS薄膜；将两片薄膜的背面相互贴合，即得到具有双面弧形凸起砂纸微结构的PDMS聚二甲基硅氧烷薄膜；

步骤4：封装传感器；

将制备好的上电极层、下电极层和中间介电层裁剪成同样的尺寸，并按照电容式柔性压力传感器的结构进行组装，最后用导电银浆分别在上电极层和下电极层相互远离的一侧固定导线以引出电极，并用PI聚酰亚胺薄膜封装保护。

进一步地，步骤1中，上电极层和下电极层的厚度设置为0.1～0.5mm。

进一步地，步骤1中，PDMS聚二甲基硅氧烷预置体的制备方法为，将PDMS聚二甲基硅氧烷的主剂和固化剂应以10∶1的质量比进行配比，并除去气泡。

进一步地，步骤1中，多壁碳纳米管和碳黑的质量比为4：1，且多壁碳纳米管和碳黑的总质量占PDMS聚二甲基硅氧烷的10％～12％。

进一步地，步骤1中，磁力搅拌时间为20～30min；均胶机设置旋转速度为1600～2400rad/min，时间为25～30s；烘干温度为70～80℃，烘干时间为1～1.5h。

进一步地，步骤1中，凹槽模具的形状包括但不限于：弧形，三角形，梯形，矩形和其它不规则结构。

本发明技术方案，具有如下优点：

1、本发明的电容式柔性压力传感器，具有两种微结构，极大地改善了电容式柔性压力传感器的性能，砂纸微结构可以使其检测超低压，而凸起砂纸微结构增加了测量的线性范围，所选用的柔性材料使其保持良好的重复稳定性；

2、本发明中使用易获得的砂纸和3D打印模具作为微结构模板，制造工艺简单，成本极低，极大地提高了生产效率，并可以通过控制凸起砂纸微结构的尺寸和形状进行不同性能传感器的批量化生产。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。在附图中：

图1示出了根据本发明的电容式柔性压力传感器的实施例一的整体结构示意图；

图2示出了图1的电容式柔性压力传感器的制备方法示意图；

图3示出了本发明优选实施例的弧形凹槽模具的结构示意图；

图4为本发明优选实施例的电容式柔性压力传感器的压力-电阻变化曲线图。

其中，上述附图中的附图标记为：

1、上封装层；2、上电极层；21、砂纸微结构；3、中间介电层；32、凸起部；4、下电极层；5、下封装层；6、导线。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

实施例一：

如图1所示的一种电容式柔性压力传感器，包括：由上自下依次排布的上封装层1、上电极层2、中间介电层3、下电极层4和下封装层5，上封装层1和下封装层5平行设置；上电极层2、下电极层4和中间介电层3均由具有砂纸微结构21的导电薄膜制成；中间介电层3至少具有两个连续的凸起结构，中间介电层3的相对上电极层2的上表面和相对下电极层4的下表面上具有砂纸微结构；上封装层1和下封装层5由PI聚酰亚胺薄膜制成；上电极层2和下电极层4分别在其相互远离的一侧上设有导线6。

具体地，上电极层2和下电极层4分别在其相互远离的一侧上设有用导电银浆固定的导线6。

具体地，中间介电层的凸起部32的形状、高度、宽度可调节。

具体地，上电极层2和下电极层4是由PDMS聚二甲基硅氧烷、多壁碳纳米管和碳黑相结合所得的复合材料涂覆在砂纸结构上制成的；中间介电层3由PDMS聚二甲基硅氧烷材料涂覆在砂纸结构上制成的。

具体地，砂纸目数包括但不限于60目、120目、180目、240目、400目、600目等。

如图2所示的一种制备电容式柔性压力传感器的方法，包括以下步骤：

步骤1：制备上电极层2和下电极层4；

首先，将PDMS聚二甲基硅氧烷预置体与导电材料多壁碳纳米管和碳黑混合，并加入一定量的正己烷溶液作为溶剂，再对混合溶液进行磁力搅拌；取圆形砂纸于均胶机上，倒上所配置的粘稠的混合溶液进行旋涂，使其在砂纸上形成均匀的一层薄膜，然后将涂有薄膜的砂纸放在烘箱中加热烘干，揭下后得到具有砂纸微结构21的导电薄膜；

步骤2：准备凹槽模具；

步骤3：制备中间介电层3；

将砂纸裁剪成宽度略小于模具的长条状，并用双面胶将其固定在3D打印出的弧形凹槽模具中塑形，使砂纸具有弧形凹槽微结构；然后将PDMS聚二甲基硅氧烷预置体均匀倒到具有弧形凹槽结构的砂纸上，并放在烘箱中加热烘干，得到同时具有凸起部32和砂纸微结构21的单面PDMS聚二甲基硅氧烷薄膜；将两片薄膜的背面相互贴合，即得到具有双面弧形凸起砂纸微结构的PDMS聚二甲基硅氧烷薄膜；

步骤4：封装传感器；

将制备好的上电极层2、下电极层4和中间介电层3裁剪成同样的尺寸，并按照所述电容式柔性压力传感器的结构进行组装，最后用导电银浆分别在上电极层2和下电极层4相互远离的一侧固定导线6以引出电极，并用PI聚酰亚胺薄膜封装保护。

具体地，步骤1中，上电极层2和下电极层4的厚度设置为0.1～0.5mm。

具体地，步骤1中，PDMS聚二甲基硅氧烷预置体的制备方法为，将PDMS聚二甲基硅氧烷的主剂和固化剂应以10∶1的质量比进行配比，并除去气泡。

具体地，步骤1中，多壁碳纳米管和碳黑的质量比为4：1，且多壁碳纳米管和碳黑的总质量占PDMS聚二甲基硅氧烷的10％～12％。

具体地，步骤1中，磁力搅拌时间为20～30min；均胶机设置旋转速度为1600～2400rad/min，时间为25～30s；烘干温度为70～80℃，烘干时间为1～1.5h。

具体地，步骤1中，凹槽模具的形状包括：弧形，三角形，梯形，矩形和其它不规则结构。

具体地，中间介电层3的凸起部32包括但不限于弧形凸起部，三角形凸起部，梯形凸起部，矩形凸起部，或其它不规则凸起部结构。

优选实施例：

以图1所示弧形凸起部32结构为例，如图2所示的电容式柔性压力传感器的制备方法包括：

步骤1：上电极层2和下电极层4的制备；

将PDMS聚二甲基硅氧烷的主剂和固化剂以10∶1的质量比进行配比，然后加入质量分数为8％的多壁碳纳米管和2％的碳黑，并加入质量分数为50％的正己烷溶液作为溶剂，对混合溶液磁力搅拌20min至溶剂挥发完全。取180目的圆形砂纸于均胶机上，倒上所配置的粘稠的混合溶液进行旋涂，设置旋转速度为2000rad/min，时间为30s，使其在砂纸上形成均匀的一层薄膜。然后将涂有薄膜的砂纸放在70℃的烘箱中加热烘干1h，揭下后得到具有砂纸微结构的导电薄膜。

步骤2：中间介电层3的制备；

如图3所示，设置弧形凹槽的最大深度为1.2mm，宽度为3mm，间距为0.5mm，利用Solidworks软件绘制弧形凹槽模具，并采用3D打印技术打印出模具。将180目的砂纸裁剪成宽度略小于模具的长条状，并用双面胶将其固定在3D打印出的弧形凹槽模具中塑形，使砂纸具有弧形凹槽微结构。然后将PDMS聚二甲基硅氧烷的主剂和固化剂以10∶1的质量比进行配比，放入真空箱中抽真空20min，以去除PDMS聚二甲基硅氧烷中的气泡形成预置体。将配好的PDMS聚二甲基硅氧烷预置体均匀倒到具有弧形凹槽结构的砂纸上，然后放在80℃的烘箱中加热烘干1h，得到同时具有弧形凸起部32和砂纸微结构21的PDMS聚二甲基硅氧烷薄膜。将两片薄膜背对背相互贴合，即得到具有双面弧形凸起砂纸微结构的PDMS聚二甲基硅氧烷薄膜。

步骤3：电容式柔性压力传感器的封装：

将制备好的电极层和介电层裁剪成同样的尺寸1.8cm×1.8cm，并按照三明治式组装。最后用导电银浆在上下电极一侧固定导线6以引出电极，并用PI聚酰亚胺薄膜封装保护。

对经上述制备方法制备的柔性压力传感器进行测试：

将传感器固定在数显推拉力计的底座，施加压力并记录下不同压力对应的电阻变化值，如图4所示的压力-电阻变化曲线，可以得出在0-0.1kPa范围内，双面微结构传感器的灵敏度可达1.2875kPa^-1。

当然，上述说明并非是对本发明的限制，本发明也并不仅限于上述举例，本技术领域的技术人员在本发明的实质范围内所做出的变化、改型、添加或替换，也应属于本发明的保护范围。

Claims

1.一种电容式柔性压力传感器，其特征在于，包括：

由上自下依次排布的上封装层(1)、上电极层(2)、中间介电层(3)、下电极层(4)和下封装层(5)，所述上封装层(1)和所述下封装层(5)平行设置；

所述上电极层(2)、所述下电极层(4)和所述中间介电层(3)均由具有砂纸微结构(21)的导电薄膜制成；

所述中间介电层(3)至少具有两个连续的凸起结构，所述中间介电层(3)的相对所述上电极层(2)的上表面和相对所述下电极层(4)的下表面上具有砂纸微结构(21)；

所述上封装层(1)和所述下封装层(5)由PI聚酰亚胺薄膜制成；

所述上电极层(2)和下电极层(4)分别在其相互远离的一侧上设有导线(6)。

2.根据权利要求1所述的一种电容式柔性压力传感器，其特征在于，所述中间介电层(3)的凸起部(32)的形状、高度、宽度可调节。

3.根据权利要求1所述的一种电容式柔性压力传感器，其特征在于，

所述上电极层(2)和所述下电极层(4)是由PDMS聚二甲基硅氧烷、多壁碳纳米管和碳黑相结合所得的复合材料涂覆在砂纸结构上制成的；

所述中间介电层(3)由PDMS聚二甲基硅氧烷材料涂覆在砂纸结构上制成的。

4.根据权利要求3所述的一种电容式柔性压力传感器，其特征在于，砂纸目数包括但不限于60目、120目、180目、240目、400目、600目。

5.制备权利要求1-4中任意一项所述的电容式柔性压力传感器的方法，其特征在于，所述方法包括以下步骤：

步骤1：制备上电极层(2)和下电极层(4)；

首先，将PDMS聚二甲基硅氧烷预置体与导电材料多壁碳纳米管和碳黑混合，并加入一定量的正己烷溶液作为溶剂，再对混合溶液进行磁力搅拌；取圆形砂纸于均胶机上，倒上所配置的粘稠的混合溶液进行旋涂，使其在砂纸上形成均匀的一层薄膜，然后将涂有薄膜的砂纸放在烘箱中加热烘干，揭下后得到具有砂纸微结构(21)的导电薄膜；

步骤2：准备凹槽模具；

步骤3：制备中间介电层(3)；

将砂纸裁剪成宽度略小于模具的长条状，并用双面胶将其固定在3D打印出的弧形凹槽模具中塑形，使砂纸具有弧形凹槽微结构；然后将PDMS聚二甲基硅氧烷预置体均匀倒到具有弧形凹槽结构的砂纸上，并放在烘箱中加热烘干，得到同时具有凸起部(32)和砂纸微结构(21)的单面PDMS聚二甲基硅氧烷薄膜；将两片薄膜的背面相互贴合，即得到具有双面弧形凸起结构的砂纸微结构(21)的PDMS聚二甲基硅氧烷薄膜；

步骤4：封装传感器；

将制备好的上电极层(2)、下电极层(4)和中间介电层(3)裁剪成同样的尺寸，并按照所述电容式柔性压力传感器的结构进行组装，最后用导电银浆分别在上电极层(2)和下电极层(4)相互远离的一侧固定导线(6)以引出电极，并用PI聚酰亚胺薄膜封装保护。

6.根据权利要求5所述制备电容式柔性压力传感器的方法，其特征在于，步骤1中，上电极层(2)和下电极层(4)的厚度设置为0.1～0.5mm。

7.根据权利要求5所述制备电容式柔性压力传感器的方法，其特征在于，步骤1中，PDMS聚二甲基硅氧烷预置体的制备方法为，将PDMS聚二甲基硅氧烷的主剂和固化剂应以10∶1的质量比进行配比，并除去气泡。

8.根据权利要求5所述制备电容式柔性压力传感器的方法，其特征在于，步骤1中，多壁碳纳米管和碳黑的质量比为4：1，且多壁碳纳米管和碳黑的总质量占PDMS聚二甲基硅氧烷的10％～12％。

9.根据权利要求5所述制备电容式柔性压力传感器的方法，其特征在于，步骤1中，磁力搅拌时间为20～30min；均胶机设置旋转速度为1600～2400rad/min，时间为25～30s；烘干温度为70～80℃，烘干时间为1～1.5h。

10.根据权利要求5所述制备电容式柔性压力传感器的方法，其特征在于，步骤1中，所述凹槽模具的形状包括但不限于：弧形，三角形，梯形，矩形和其它不规则结构。