CN116990593A - 一种微孔阵列式平板电容传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种微孔阵列式平板电容传感器，包括：第一导电电极层，第二导电电极层和不导电介电层；所述不导电介电层设置在所述第一导电电极层和所述第二导电电极层之间；所述第一导电电极层和所述第二导电电极层靠近所述不导电介电层的表面分别设置有第一微孔阵列和第二微孔阵列，所述不导电介电层靠近所述第一导电电极层和所述第二导电电极层的表面分别设置有第三微孔阵列和第四微孔阵列。本发明的微结构设计精度高，可在添加碳纤维含量减少的同时，大大提升了柔性平板电容传感器的灵敏度，结构实现了可重复性，批量生产易于进行。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种微孔阵列式平板电容传感器。
背景技术
传统的半导体和金属基压力传感器的灵敏度低，传感范围窄，拉伸能力有限且分辨率低，难以应用于柔性设备。而现有技术中适用于任意曲面的柔性压力传感器中，电容式压力传感器的应用最为广泛。电容式柔性传感器能够将外界的各种刺激信号转化为传感器电容值的变化。与其他类型传感器相比，电容式柔性传感器(也称柔性电容传感器，Flexible capacitive sensor，FCS)具有能耗低、响应速度快、稳定性好和滞后低等特点，受到了广泛的关注。
但目前在FCS的研究中，以填充型导电橡胶为一个整体用作电极材料的研究仍然很少，材料表面微结构制备较为繁琐，且采用金属作为电极的FCS虽然可以弯曲，但其延伸性不好，即不是完全意义上的柔性。采用碳系纳米材料作为电极层时，纳米材料的分散制备工艺复杂且难以控制。传统传感器具有很多缺点：(1)输出阻抗高，负载能力差。电容式传感器的容量受其电极的几何尺寸等限制，一般为几十到几百皮法，甚至只有几个皮法，使传感器的输出阻抗很高，输出阻抗高达108～1052。因此传感器负载能力差，易受外界干扰影响而产生不稳定现象，严重时甚至无法工作，必须采取屏蔽措施，从而给设计和使用带来不便。容抗大还要求传感器绝缘部分的电阻值极高(几十兆欧以上)，原理上绝缘部分将影响仪器的性能(如灵敏度降低)，为此还要特别注意周围的环境如湿度、清洁度等。若采用高频供电，可降低传感器输出蛆抗，但高顿放大、传输远比低频的复杂。(2)寄生电容影响大。电容式传感器的初始电容量小，而连接传感器和电子线路的线电缆电容(1～2m导线可达800pF)、电子线路的杂散电容以及传感器内极板5其周围导体构成的电容等所谓〝寄生电容〞却较大，不仅降低了传感器的灵敏度，而且这些电容(如电缆电容)常常是随机变化的，将使仪器工作很不稳定，影响测量精度。因此对电缆的选择、安装、接法都有要求；(3)形状受电容制约为位长方形，较为单一；(4)主体材料多为聚合物与表面结构材料难融合；(5)基底材料不适合与人体接触。目前，柔性压力传感器的基底大多采用聚二甲基硅氧烷(pdms)薄膜或者聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)薄膜作为基底，从而导致整个传感器件不透气，不适合长时间贴附皮肤来实时监测人体健康特征信号。而且由于这些薄膜的厚度较厚，厚度达到50-100μm，大大限制了压力传感器的灵敏度；(6)薄膜表面微纳结构成本过高、流程复杂。各国研究学者对提高电容式柔性压力传感器结构和理论展开了深入的探索，利用传感器件微结构化来优化传感器的力学性能已被证实是一种有效的方法，但薄膜表面微纳结构的获取方式诸如硅倒膜法、光刻法、反应离子束刻蚀法等，一方面存在仪器昂贵或流程复杂的问题；另一方面，很难大面积获取，成本太高，不能满足实际应用。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明提出了一种微孔阵列式平板电容传感器，即下凹式微结构，分布于柔性平板电容传感器“三明治”结构的单一片层表面，孔的大小，深度和间距均可通过激光打印机精确控制，提升了柔性平板电容传感器的灵敏度。
为实现上述目的，本发明提供了一种微孔阵列式平板电容传感器，包括：第一导电电极层，第二导电电极层和不导电介电层；所述不导电介电层设置在所述第一导电电极层和所述第二导电电极层之间；
所述第一导电电极层和所述第二导电电极层靠近所述不导电介电层的表面分别设置有第一微孔阵列和第二微孔阵列，所述不导电介电层靠近所述第一导电电极层和所述第二导电电极层的表面分别设置有第三微孔阵列和第四微孔阵列。
可选的，所述第一微孔阵列与所述第三微孔阵列相对应，所述第二微孔阵列与所述第四微孔阵列相对应，所述第三微孔阵列和所述第四微孔阵列错位分布。
可选的，所述第一导电电极层和所述第二导电电极层采用导电橡胶薄膜。
可选的，所述第一微孔阵列、所述第二微孔阵列、所述第三微孔阵列和所述第四微孔阵列通过皮秒激光器打印制备。
可选的，所述导电橡胶薄膜通过3D打印技术制备。
可选的，所述第一导电电极层和所述第二导电电极层中导电填料碳纤维添加量为15wt％～20wt％。
可选的，所述第三微孔阵列和所述第四微孔阵列的锥孔深度小于所述不导电介电层的厚度。
可选的，所述第一微孔阵列、所述第二微孔阵列、所述第三微孔阵列和所述第四微孔阵列的锥孔均为圆锥型。
本发明技术效果：本发明通过激光打印构建出下凹式微结构即微孔阵列式，且对传感器的基底的形状无限制，与此同时使产品在碳纤维混合量下降的情况下，ΔC/C达到400％；本发明的微结构设计精度高，可在添加碳纤维含量减少的同时，大大提升了柔性平板电容传感器的灵敏度，结构实现了可重复性，批量生产易于进行；平板电容传感器一共三层，上下表层均为导电层，原料主要为PDMS混20％wt碳纤维，还有聚对苯二甲酸乙二酯薄膜等。中间为不导电层主要原料为PDMS。碳纤维含量减少大大降低了打印的难度，一定程度上解决了出胶难，气孔多的问题，同时本技术材料实现全柔性，为结构设计打下了坚实的基础；使用3D打印技术制备导电橡胶，可以节省材料，不用剔除边角料，提高了材料的利用率，通过摒弃生产线而降低了成本；它可以自动、快速、直接和比较精确地将计算机中的三维设计转化为实物模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效地缩短了产品研发周期，提升了生产效率。
附图说明
构成本申请的一部分的附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。在附图中：
图1为本发明实施例微孔阵列式平板电容传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例微孔阵列式平板电容传感器灵敏度检测试验中的电容变化-压力曲线图；
图3为本发明实施例微孔阵列式平板电容传感器的介电层俯视图。
具体实施方式
需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。
需要说明的是，在附图的流程图示出的步骤可以在诸如一组计算机可执行指令的计算机系统中执行，并且，虽然在流程图中示出了逻辑顺序，但是在某些情况下，可以以不同于此处的顺序执行所示出或描述的步骤。
本发明的发明原理为：电容式传感器是以平行板电容器为原型，将外部刺激转化为电容值变化的传感器，常被应用于位移测量、偏移角度、相对速度和压力等信号的检测。根据工作原理电容式传感器可分为变极距式、变极板面积式和变介电常数式三种类型。电容式传感器的特点是结构简单、耐高温、灵敏度高和动态响应好，能够应用于压力、加速度和厚度等的精确检测。电容传感器的工作原理是外部机械刺激引起介电层介电常数、介电层厚度和极板面积等参数的变化，从而导致电容值的改变。电容值C的计算公式为：
式中，ε0为真空的相对介电常数，εr为电容传感器介电层的相对介电常数，A为电容传感器上下极板的面积，D为电容传感器极板的间距大小。从电容值的计算公式可以看出，A、εr和D三个变量均能够引起电容传感器的变化。一般情况下，电容传感器的极板面积随外部机械刺激的改变变化较小，因此极板间距和极板间的介电常数变化是引起电容传感器变化的主要原因。
故通过皮秒激光器，在柔性平板电容传感器的导电橡胶层和橡胶层直接实现下凹式微结构的成型，使微孔阵列式分布于柔性平板电容传感器“三明治”结构的单一片层表面，从而增加极板间距的变化幅度，从而引起柔性平板电容传感器在减少碳纤维混入量的前提下，灵敏度仍有大大提升。
如图1所示，本实施例中提供一种微孔阵列式平板电容传感器，包括：平板电容传感器一共三层，上下表层均为导电层，原料主要为PDMS混15wt％～20wt％碳纤维，还有聚对苯二甲酸乙二酯薄膜等。中间为不导电层主要原料为PDMS。不添加其他材料辅助结构成型，通过皮秒激光器，在柔性平板电容传感器的导电橡胶层和橡胶层直接实现下凹式微结构的成型，使微孔阵列式分布于柔性平板电容传感器“三明治”结构的单一片层表面，即在上下导电橡胶层，内层设计单面微结构，中间层设计双面微结构，上下电极板上微孔阵列分别与靠近介电板一侧上的微孔阵列保持一致，位置相对应，如图3所示，实线为介电板上表面的微孔列阵、虚线为下表面的微孔列阵，介电板的上下表面微孔阵列错位分布，即介电板靠近上导电橡胶层和下导电橡胶层表面设置的的锥孔错位分布，介电板上表面的微孔分布在下表面微孔间隙区域，下表面的微孔分布在上表面微孔间隙区域。锥孔的大小，深度和间距均可通过激光打印机精确控制。锥孔为圆锥型，圆锥型锥孔能使产品性能保持更久，通过直径和深度具体控制圆锥型锥孔的具体尺寸，锥孔直径为30-100μm、深度为100-300μm、间距30-100μm(根据锥孔直径选取)、橡胶层厚度为300～400μm、导电橡胶层厚度为450～550μm，采用Olympus光学显微镜观察微结构，并制样观察其剖面结构，如图1所示。
进一步改进在于：将导电橡胶薄膜作为FCS的电极层，并在介电层和电极层上同时构造孔状微结构，使FCS形变的线性范围更宽，传感器电信号变化的线性区域更广。与无微结构的FCS相比，含微结构的FCS响应灵敏度增加了5倍，并且能够对人体垫脚、走路等动作进行实时监测。
进一步改进在于孔状微结构的制备方法为激光打印，而传统添加填充物制备多孔结构的方法工艺复杂且难以控制，本发明可以简化制备工艺，同时减少化学污染，降低生产成本。
进一步改进在于：基于先进的结构设计，调整制备FCS的材料配方，在原配方导电填料碳纤维添加量为35wt％的基础上改为添加15-25wt％,该方案在减少碳纤维比例的同时由于结构的改良使灵敏度得到了较大提高。碳纤维含量减少大大降低了打印的难度，一定程度上解决了出胶难，气孔多的问题，同时本技术材料实现全柔性，为结构设计打下了坚实的基础，还有利于节省原材料、降低生产成本，另一方面还会使导电橡胶层厚度减少，更加凸显所设计的微结构对传感器灵敏度的影响。
进一步改进在于：使用3D打印技术制备导电橡胶，传统制备导电橡胶的方法是模压法，用平板硫化机将填充了导电填料的液态导电橡胶在一定压力和温度下进行硫化，得到的模压成品具有厚度太大、形状单一等局限。而使用3D打印机可以节省材料，不用剔除边角料，提高了材料的利用率，通过摒弃生产线而降低了成本；它可以自动、快速、直接和比较精确地将计算机中的三维设计转化为实物模型，甚至直接制造零件或模具，从而有效地缩短了产品研发周期，提升了生产效率。
如图2所示，为具有提升柔性平板电容传感器灵敏度的下凹式微结构的柔性平板电容传感器灵敏度检测试验，验证下凹式微结构所带来的灵敏度提升，并进行数据处理，计算电容变化-压力曲线图。由电容变化-压力曲线图可知不断施加更大的外力，在F为5000N时，ΔC/C可达350％，在极大力时ΔC/C可达400％。体现了传感器原料在减少导电填料碳纤维的情况下，通过下凹式微结构的设计，可实现较高的灵敏度，约为0.82kPa-1，市面上现有传感器灵敏度约为0.2-0.6kPa-1。
本发明所设计的盲孔从外层开始并停止到内层，提供最短距离将信号从外层通到内层，微孔利用板的最小空间，优化内部空间结构，在提升平板电路的电气特性的同时保证设备更小更轻便。平板电容传感器基于边缘效应工作，导致其检测能力易受外部因素影响而降低，微孔阵列能够改善敏感场分布特性，提升传感器的检测精度。
以上，仅为本申请较佳的具体实施方式，但本申请的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本申请揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本申请的保护范围之内。因此，本申请的保护范围应该以权利要求的保护范围为准。
Claims (8)
1.一种微孔阵列式平板电容传感器，其特征在于，包括：第一导电电极层，第二导电电极层和不导电介电层；所述不导电介电层设置在所述第一导电电极层和所述第二导电电极层之间；
所述第一导电电极层和所述第二导电电极层靠近所述不导电介电层的表面分别设置有第一微孔阵列和第二微孔阵列，所述不导电介电层靠近所述第一导电电极层和所述第二导电电极层的表面分别设置有第三微孔阵列和第四微孔阵列。
2.如权利要求1所述的微孔阵列式平板电容传感器，其特征在于，所述第一微孔阵列与所述第三微孔阵列相对应，所述第二微孔阵列与所述第四微孔阵列相对应，所述第三微孔阵列和所述第四微孔阵列错位分布。
3.如权利要求1所述的微孔阵列式平板电容传感器，其特征在于，所述第一导电电极层和所述第二导电电极层采用导电橡胶薄膜。
4.如权利要求1所述的微孔阵列式平板电容传感器，其特征在于，所述第一微孔阵列、所述第二微孔阵列、所述第三微孔阵列和所述第四微孔阵列通过皮秒激光器打印制备。
5.如权利要求3所述的微孔阵列式平板电容传感器，其特征在于，所述导电橡胶薄膜通过3D打印技术制备。
6.如权利要求1所述的微孔阵列式平板电容传感器，其特征在于，所述第一导电电极层和所述第二导电电极层中导电填料碳纤维添加量为15wt％～20wt％。
7.如权利要求1所述的微孔阵列式平板电容传感器，其特征在于，所述第三微孔阵列和所述第四微孔阵列的锥孔深度小于所述不导电介电层的厚度。
8.如权利要求1所述的微孔阵列式平板电容传感器，其特征在于，所述第一微孔阵列、所述第二微孔阵列、所述第三微孔阵列和所述第四微孔阵列的锥孔均为圆锥型。
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