CN116295961A - 一种电容-压阻式双模态柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种电容‑压阻式双模态柔性压力传感器及其制备方法，传感器包括：自上而下设置的上封装层、上电极层、中间介电层、下电极层和下封装层，上电极层相对中间介电层的一侧具有凸起结构，中间介电层相对上电极层一侧具有与凸起结构相适配的凹槽结构，且凸起结构的最低点与凹槽结构底部具有一定距离，传感器还包括分别固定于上、下电极层外表面的导线。本发明的技术方案克服现有技术中柔性传感器量程有限的问题。
Description
技术领域
本发明涉及柔性压力传感器技术领域，具体涉及一种电容-压阻式双模态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。
现有技术中，柔性传感器基本为单模式形态，例如单一电容式柔性传感器或者压阻式柔性传感器，根据它们各自特性进行数据检测采集工作。受其本身特性影响，数据采集量程有限，针对某些情况无法得到足够、全面的数据。
因此，现需要一种大量程的电容-压阻式双模态柔性压力传感器及其制备方法。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种电容-压阻式双模态柔性压力传感器及其制备方法，以解决现有技术中柔性传感器量程有限的问题。
为实现上述目的，本发明提供了一种电容-压阻式双模态柔性压力传感器，包括：自上而下设置的上封装层、上电极层、中间介电层、下电极层和下封装层，上电极层相对中间介电层的一侧具有凸起结构，中间介电层相对上电极层一侧具有与凸起结构相适配的凹槽结构，且凸起结构的最低点与凹槽结构底部具有一定距离，传感器还包括分别固定于上、下电极层外表面的导线。
进一步地，凸起结构包括但不限于半圆形凸起、圆柱形凸起、三角形凸起、梯形凸起、矩形凸起或不规则凸起结构。
进一步地，凸起结构的数量至少为2个。
进一步地，上、下封装层均采用PI聚酰亚胺薄膜材料制成，上电极层采用PU聚氨酯溶液和DMF二甲基甲酰胺溶液以及碳黑相结合所得的复合材料制成；中间介电层采用Ecoflex材料制成；下电极层采用导电铜片制成。
进一步地，上电极层的厚度H范围为4.0～4.5mm。
本发明还提供了一种电容-压阻式双模态柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1，制备上电极层，首先利用Solidworks软件绘制模具，模具为正方形，且内壁长度为19.5mm，模具内具有至少两个半圆形凹槽，其半径r1为3mm，最大深度h1为3mm，两个凹槽之间的间距及各个凹槽距离模具内壁的距离d1均为2.5mm，采用3D打印技术打印出模具，将PU溶液和DMF溶液以1∶1的质量比进行配比，然后加入质量分数占PU与DMF混合溶液总质量7％的碳黑，对混合溶液磁力搅拌1h20min～1h30min至充分均匀，将搅拌后预置体倒入具有半圆形凹槽的模具，先放入水中3min，随后放在60℃～70℃的烘箱中加热烘干15min得到具有半圆凸起结构的上电极层；
S2，下电极层选用导电铜片；
S3，制备中间介电层，利用Solidworks软件绘制模具，模具为正方形，内壁长为19.5mm，模具内部具有至少两个圆柱形结构，其半径r2为3mm，高度为h2为2.5mm，两个圆柱形结构之间的间距及各个圆柱形结构距离模具内壁的距离d2均为2.5mm，采用3D打印技术打印出模具，A胶与B胶应以1∶1的质量比进行配比并放入真空干燥箱脱泡5min，以去除ecoflex中的气泡形成预置体，将配好的ecolfex预置体均匀倒到具有圆柱形结构的模具上，然后放在60℃～70℃的烘箱中加热烘干30min，得到具有凹槽结构的中间介电层；
S4，封装传感器，将制备好的尺寸为1.95cm×1.95cm的上、下电极层和介电层，按照从内到外的顺序既中间介电层，上、下电极层和上、下封装层的顺序进行组装，最后用导电银浆在上、下电极层的外侧固定导线以引出电极，并用PI聚酰亚胺薄膜封装保护。
本发明具有如下有益效果：
1、本发明结合了电容式与压阻式柔性传感器的结构，极大地改善了电容式柔性压力传感器的性能及测量量程范围，上下电极层未接触结构可以使其具有电容式柔性压力传感器的特性例如接触感应功能，而上下电极层接触后结构又令其变为压阻式柔性传感器，可检测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3D打印模具作为凸起结构模板，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示出了本发明的一种电容-压阻式双模态柔性压力传感器的部分结构示意图；
图2示出了制备图1的上电极层所用模具的整体结构示意图；
图3示出了制备图1的中间介电层所用模具的整体结构示意图。
其中，上述附图中的附图标记为：
1、上电极层；11、凸起结构；2、中间介电层；21、凹槽结构；3、下电极层；4、凹槽；5、圆柱形结构。
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。
如图1所示的一种电容-压阻式双模态柔性压力传感器，包括：自上而下设置的上封装层、上电极层1、中间介电层2、下电极层3和下封装层，上电极层1相对中间介电层2的一侧具有凸起结构11，中间介电层2相对上电极层1一侧具有与凸起结构11相适配的凹槽结构21，且凸起结构11的最低点与凹槽结构21底部具有一定距离，传感器还包括分别固定于上、下电极层外表面的导线。
进一步地，凸起结构11包括但不限于半圆形凸起、圆柱形凸起、三角形凸起、梯形凸起、矩形凸起或不规则凸起结构11。可以根据实际需要，生成不同形状的凸起结构11，以满足不同性能传感器的批量化生产。
进一步地，凸起结构11的数量至少为2个。
进一步地，上、下封装层均采用PI聚酰亚胺薄膜材料制成，上电极层1采用PU聚氨酯溶液和DMF二甲基甲酰胺溶液以及碳黑相结合所得的复合材料制成；中间介电层2采用Ecoflex材料制成；下电极层3采用导电铜片制成。
进一步地，上电极层1的厚度H范围为4.0～4.5mm。
以制备半圆形凸起结构11的传感器为例，本发明还提供了一种电容-压阻式双模态柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
S1，制备上电极层1，首先利用Solidworks软件绘制模具，如图2所示，模具为正方形，且内壁长度为19.5mm，模具内具有至少两个半圆形凹槽4，其半径r1为3mm，最大深度h1为3mm，两个凹槽4之间的间距及各个凹槽4距离模具内壁的距离d1均为2.5mm，采用3D打印技术打印出模具，将PU溶液和DMF溶液以1∶1的质量比进行配比，然后加入质量分数占PU与DMF混合溶液总质量7％的碳黑，对混合溶液磁力搅拌1h20min～1h30min至充分均匀，将搅拌后预置体倒入具有半圆形凹槽4的模具，先放入水中3min，随后放在60℃～70℃的烘箱中加热烘干15min得到具有半圆凸起结构11的上电极层1；其中，具体加热烘干温度为70℃。
S2，下电极层3选用导电铜片；
S3，制备中间介电层2，利用Solidworks软件绘制模具，如图3所示，模具为正方形，内壁长为19.5mm，模具内部具有至少两个圆柱形结构5，其半径r2为3mm，高度为h2为2.5mm，两个圆柱形结构5之间的间距及各个圆柱形结构5距离模具内壁的距离d2均为2.5mm，采用3D打印技术打印出模具，A胶与B胶应以1∶1的质量比进行配比并放入真空干燥箱脱泡5min，以去除ecoflex中的气泡形成预置体，将配好的ecolfex预置体均匀倒到具有圆柱形结构5的模具上，然后放在60℃～70℃的烘箱中加热烘干30min，得到具有凹槽结构21的中间介电层2；其中，具体加热烘干温度为70℃。
S4，封装传感器，将制备好的尺寸为1.95cm×1.95cm的上、下电极层和介电层2，按照从内到外的顺序既中间介电层2，上、下电极层和上、下封装层的顺序进行组装，最后用导电银浆在上、下电极层的外侧固定导线以引出电极，并用PI聚酰亚胺薄膜封装保护。
当该装置使用时，检测电路与上电极层1、下电极层3相连，检测电容或压阻式传感器采集的数值。当本发明提供的传感器受到外界持续的压力时，起初上电级层半圆凸起结构11受到中间介电层2凹槽结构21内壁的阻碍，未与下电极层3接触，此时装置为电容式柔性传感器；随着外界压力增大，上电极层半圆凸起结构11挤入中间介电层2凹槽结构21中，与下电极层3接触，此时装置为压阻式柔性传感器。该装置实现了电容-压阻双模态检测的功能，达到了增大传统柔性传感器量程的目的。
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 (6)
1.一种电容-压阻式双模态柔性压力传感器，其特征在于，包括：自上而下设置的上封装层、上电极层、中间介电层、下电极层和下封装层，所述上电极层相对所述中间介电层的一侧具有凸起结构，所述中间介电层相对所述上电极层一侧具有与所述凸起结构相适配的凹槽结构，且所述凸起结构的最低点与所述凹槽结构底部具有一定距离，所述传感器还包括分别固定于上、下电极层外表面的导线。
2.根据权利要求1所述的一种电容-压阻式双模态柔性压力传感器，其特征在于，所述凸起结构包括但不限于半圆形凸起、圆柱形凸起、三角形凸起、梯形凸起、矩形凸起或不规则凸起结构。
3.根据权利要求1所述的一种电容-压阻式双模态柔性压力传感器，其特征在于，所述凸起结构的数量至少为2个。
4.根据权利要求1所述的一种电容-压阻式双模态柔性压力传感器，其特征在于，上、下封装层均采用PI聚酰亚胺薄膜材料制成，所述上电极层采用PU聚氨酯溶液和DMF二甲基甲酰胺溶液以及碳黑相结合所得的复合材料制成；所述中间介电层采用Ecoflex材料制成；所述下电极层采用导电铜片制成。
5.根据权利要求1所述的一种电容-压阻式双模态柔性压力传感器，其特征在于，所述上电极层的厚度H范围为4.0～4.5mm。
6.一种如权利要求1-5中任一项所述的电容-压阻式双模态柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1，制备上电极层，首先利用Solidworks软件绘制模具，模具为正方形，且内壁长度为19.5mm，模具内具有至少两个半圆形凹槽，其半径r1为3mm，最大深度h1为3mm，两个凹槽之间的间距及各个凹槽距离模具内壁的距离d1均为2.5mm，采用3D打印技术打印出模具，将PU溶液和DMF溶液以1∶1的质量比进行配比，然后加入质量分数占PU与DMF混合溶液总质量7％的碳黑，对混合溶液磁力搅拌1h20min～1h30min至充分均匀，将搅拌后预置体倒入具有半圆形凹槽的模具，先放入水中3min，随后放在60℃～70℃的烘箱中加热烘干15min得到具有半圆凸起结构的上电极层；
S2，下电极层选用导电铜片；
S3，制备中间介电层，利用Solidworks软件绘制模具，模具为正方形，内壁长为19.5mm，模具内部具有至少两个圆柱形结构，其半径r2为3mm，高度为h2为2.5mm，两个圆柱形结构之间的间距及各个圆柱形结构距离模具内壁的距离d2均为2.5mm，采用3D打印技术打印出模具，A胶与B胶应以1∶1的质量比进行配比并放入真空干燥箱脱泡5min，以去除ecoflex中的气泡形成预置体，将配好的ecolfex预置体均匀倒到具有圆柱形结构的模具上，然后放在60℃～70℃的烘箱中加热烘干30min，得到具有凹槽结构的中间介电层；
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