CN117723095A - 一种变电极长度的柔性电容应变传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开的一种变电极长度的柔性电容应变传感器及其制备方法，属于柔性应变传感器和柔性可穿戴电子学技术领域，具体包括可拉伸电介质、两个可拉伸电极和两个信号引线；两个可拉伸电极相平行的埋入可拉伸电介质内部，两个信号引线分别与对应的可拉伸电极相连，并引出至可拉伸电介质外部；以两个可拉伸电极的平行设置方向为拉伸应变方向，对柔性电容应变传感器施加拉伸应变，导致两个可拉伸电极之间的电极正对面积s增大，实现线性的电容应变传感，解决变极板间距电容应变传感器的响应非线性问题，降低后端信号处理复杂度，并提升探测灵敏度。
Description
技术领域
本发明属于柔性应变传感器和柔性可穿戴电子学技术领域，具体涉及一种变电极长度的柔性电容应变传感器及其制备方法。
背景技术
柔性电容应变传感器在运动、呼吸、脉搏等人体生理体征监测和人机交互领域具有广阔的应用前景，其响应线性度和灵敏度是极其重要的性能指标。当柔性电容应变传感器的响应为线性时，后端信号处理容易，测试误差小。而非线性响应会导致后端信号处理变得复杂，且可能增大检测误差。此外，提升柔性电容应变传感器的灵敏度可提高应变检测的精度。
目前的柔性电容应变传感器主要利用应变导致的电极间距d改变，实现应变感知。
专利CN 113587803 A公布了一种电容式聚合物应变传感器、制备方法及应用。通过2-氰基乙基三乙氧基硅烷对TiO2进行修饰，得到CN-TiO2，将其掺杂在PVDF-HFP（聚偏氟乙烯-六氟丙烯）聚合物中，制得高介电常数的复合膜。在复合膜的两侧涂覆硅胶电极，得到大量程、高灵敏度和高分辨率的电容式聚合物应变传感器。但是，该传感器对应变的响应为非线性。专利CN 116147671 A公布了一种大应变线形双螺旋结构柔性电容传感器及其制备方法。利用水浴静电纺丝技术在导电纱线表面包缠纳米纤维形成纳米纤维包芯纱，然后将两根纳米纤维包芯纱并排双螺旋状缠绕在橡筋上，导电纱线作为电容器的极板，纳米纤维层作为绝缘的介电层，形成线形一维结构的电容器，因橡筋或弹性长丝具有很大的变形能力，可以很容易通过拉伸改变长度，从而改变纳米纤维包芯纱之间的距离，即电容器的电极间距d，达到改变电容的目的，传感器表现出较好的应变-电容传感性能。由于电极间距d在电容理论公式C=εs/d中处于分母部分，电容值C随电极间距d的增大逐渐减小，因此导致电容响应非线性。其中，s表示电极正对面积；ε表示电极间电介质的介电常数。除此之外，采用变电极间距d的方法构建的传感器灵敏度较低。
因此，如何提升柔性电容应变传感器的线性度和灵敏度成为亟待解决的问题。
发明内容
本发明目的在于针对上述现有技术中的问题，另辟蹊径地提出一种变电极长度的柔性电容应变传感器及其制备方法，通过拉伸电极改变电极正对面积s，获得宽线性范围电容响应的柔性电容应变传感器，并具有高灵敏度。
本发明所采用的技术方案如下：
一种变电极长度的柔性电容应变传感器，包括可拉伸电介质、两个可拉伸电极和两个信号引线；两个可拉伸电极相平行的埋入可拉伸电介质内部，两个信号引线分别与对应的可拉伸电极相连，并引出至可拉伸电介质外部；以两个可拉伸电极的平行设置方向为拉伸应变方向，对柔性电容应变传感器施加拉伸应变，导致两个可拉伸电极之间的电极正对面积s增大，实现线性的电容应变传感。
进一步地，所述可拉伸电极为包覆有导电材料的弹力线。
进一步地，所述导电材料为碳纳米管、石墨烯、银纳米线中的一种。
进一步地，两个可拉伸电极相对设置，使电极正对面积s最大。
进一步地，两个可拉伸电极之间的间距为5~10 mm。
进一步地，所述可拉伸电介质的主剂为聚二甲基硅氧烷（PDMS）、脂肪族芳香族共聚酯（Ecoflex）、PDMS-钛酸钡复合材料、Ecoflex-钛酸钡复合材料中的一种。
进一步地，所述信号引线用于为柔性电容应变传感器提供电源，并将柔性电容应变传感器产生的电容信号引出。
进一步地，所述信号引线为铜线。
所述变电极长度的柔性电容应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
步骤1、将两根弹力线浸泡于导电材料的分散液中，经超声、干燥后，得到两个包覆有导电材料的弹力线，作为可拉伸电极；
步骤2、配置由主剂和固化剂混合而成的电介质预聚物，倒入模具中；
步骤3、将两个包覆有导电材料的弹力线相平行的埋入模具内的电介质预聚物中，并将两个信号引线的一端分别固定在对应包覆有导电材料的弹力线的一端，另一端放置在模具外部，放置在50℃~70℃的环境中，直至电介质预聚物固化为可拉伸电介质，从模具中取出，得到变电极长度的柔性电容应变传感器。
进一步地，所述主剂与固化剂的质量比为（1~10）：1等。
进一步地，所述模具的长度为5~20 mm，宽度为10~50 mm；其中，宽度方向为两个可拉伸电极的平行设置方向。
本发明提出的变电极长度的柔性电容应变传感器的工作原理为：
通过信号引线为柔性电容应变传感器供电，在两个可拉伸电极之间形成电场，使两个可拉伸电极与之间的可拉伸电介质共同构成电容器；沿两个可拉伸电极的平行设置方向，对柔性电容应变传感器施加拉伸应变，两个可拉伸电极被拉伸，导致电极正对面积s增大；根据电容理论公式C=εs/d，可知电容值C随电极正对面积s的增大而线性增大，进而实现宽线性范围的电容应变传感。
本发明的有益效果为：
本发明提出了一种变电极长度的柔性电容应变传感器及其制备方法，通过拉伸两个可拉伸电极，增大电极正对面积s，进而获得宽线性范围的电容响应，解决变极板间距电容应变传感器的响应非线性问题，降低后端信号处理复杂度，并提升探测灵敏度。
附图说明
图1为本发明实施例1提出的变电极长度的柔性电容应变传感器的三维透视图；
图2为本发明实施例1提出的变电极长度的柔性电容应变传感器的俯视图；
图3为本发明实施例1提出的变电极长度的柔性电容应变传感器的主视图；
图4为本发明实施例1提出的变电极长度的柔性电容应变传感器的左视图；
图5为本发明实施例1提出的变电极长度的柔性电容应变传感器的A-A剖面图；
图6为本发明实施例1提出的变电极长度的柔性电容应变传感器的应变响应仿真结果；
图7为本发明实施例2提出的变电极长度的柔性电容应变传感器的应变响应仿真结果；
图8为本发明实施例3提出的变电极长度的柔性电容应变传感器的应变响应仿真结果；
图9为本发明实施例4提出的变电极长度的柔性电容应变传感器的应变响应仿真结果；
图10为本发明实施例5提出的变电极长度的柔性电容应变传感器的应变响应仿真结果；
图11为本发明实施例1~5提出的变电极长度的柔性电容应变传感器的电极间距对线性度影响的仿真结果；
图12为本发明实施例1~5提出的变电极长度的柔性电容应变传感器的电极间距对灵敏度影响的仿真结果；
图13为对比例1提出的变极板间距的柔性电容应变传感器的应变响应仿真结果；
附图标记：
1为可拉伸电介质，2为第一可拉伸电极，3为第二可拉伸电极，4为第一信号引线，5为第二信号引线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图与实施例对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
本实施例提供了一种变电极长度的柔性电容应变传感器，结构如图1~图5所示，包括可拉伸电介质1、第一可拉伸电极2、第二可拉伸电极3、第一信号引线4和第二信号引线5。
其中，可拉伸电介质1的主剂为PDMS，形状为长方体，长度为30 mm，宽度为15 mm，厚度为2 mm；第一可拉伸电极2和第二可拉伸电极3均为包覆有碳纳米管的弹力线，二者尺寸相同，直径为1 mm，不受拉伸应变的初始长度为30 mm，弹力线材质为涤纶；第一可拉伸电极2与第二可拉伸电极3沿可拉伸电介质1的长度方向并排平行设置，并埋入可拉伸电介质1内部；第一信号引线4和第二信号引线5均为铜线；第一信号引线4的一端与第一可拉伸电极2相连，另一端引出至可拉伸电介质1外部；第二信号引线5的一端与第二可拉伸电极3相连，另一端引出至可拉伸电介质1外部。
本实施例中，第一可拉伸电极2与第二可拉伸电极3之间的电极间距d为5 mm，不受拉伸应变的初始电极正对面积s=1 mm×30 mm=30 mm2。
本实施例提出的变电极长度的柔性电容应变传感器的制备方法具体包括以下步骤：
步骤1、将两根弹力线浸泡于碳纳米管的10 wt%分散液中，超声15 min，干燥后得到两个包覆有碳纳米管的弹力线，分别作为第一可拉伸电极2和第二可拉伸电极3；
步骤2、配置由PDMS主剂和固化剂按照10：1的质量比混合而成的电介质预聚物，倒入长度30 mm、宽度15 mm的模具中；
步骤3、将第一可拉伸电极2和第二可拉伸电极3并排平行的埋入模具内的电介质预聚物中，电极间距d为5 mm；将第一信号引线4的一端与第一可拉伸电极2相连，另一端引出至模具外部；将第二信号引线5的一端与第二可拉伸电极3相连，另一端引出至模具外部；之后共同放置在70℃的环境中，直至电介质预聚物固化为可拉伸电介质1，从模具中取出，得到变电极长度的柔性电容应变传感器。
实施例2
本实施例提供了一种变电极长度的柔性电容应变传感器，结构与实施例1相比，区别仅在于：将第一可拉伸电极2与第二可拉伸电极3之间的电极间距d调整为7 mm；其他结构和尺寸均相同。
实施例3
本实施例提供了一种变电极长度的柔性电容应变传感器，结构与实施例1相比，区别仅在于：将第一可拉伸电极2与第二可拉伸电极3之间的电极间距d调整为8 mm；其他结构和尺寸均相同。
实施例4
本实施例提供了一种变电极长度的柔性电容应变传感器，结构与实施例1相比，区别仅在于：将第一可拉伸电极2与第二可拉伸电极3之间的电极间距d调整为9 mm；其他结构和尺寸均相同。
实施例5
本实施例提供了一种变电极长度的柔性电容应变传感器，结构与实施例1相比，区别仅在于：将第一可拉伸电极2与第二可拉伸电极3之间的电极间距d调整为10 mm；其他结构和尺寸均相同。
实施例1~5提出的变电极长度的柔性电容应变传感器的工作原理为：
通过第一信号引线4和第二信号引线5为柔性电容应变传感器供电，在第一可拉伸电极2与第二可拉伸电极3之间形成电场，使第一可拉伸电极2、第二可拉伸电极3与之间的可拉伸电介质1共同构成电容器；沿第一可拉伸电极2与第二可拉伸电极3的平行设置方向，对柔性电容应变传感器施加拉伸应变，第一可拉伸电极2与第二可拉伸电极3被拉伸，导致电极正对面积s增大；根据电容理论公式C=εs/d，可知电容值C随电极正对面积s的增大而线性增大，进而实现宽线性范围的电容应变传感。
定义柔性电容应变传感器的响应为ΔC/C0，其中C0为柔性电容应变传感器的初始电容，ΔC为柔性电容应变传感器受到应变后的电容变化。定义柔性电容应变传感器的灵敏度为响应-应变曲线的斜率。
图6~图10分别为实施例1~5提出的变电极长度的柔性电容应变传感器的应变响应仿真结果，图中S表示灵敏度，R2表示线性度；进而基于图6~图10，获得如图11所示的变电极长度的柔性电容应变传感器的电极间距对线性度影响的仿真结果，以及如图12所示的变电极长度的柔性电容应变传感器的电极间距对灵敏度影响的仿真结果。可见，在100%应变范围内，对于不同电极间距d的柔性电容应变传感器，均表现出R2>0.99的高线性度，表明通过变电极长度的方法提升柔性电容应变传感器线性度的普适性，即在实际使用中，可根据具体的需求选择合适的电极间距d。此外，实施例1~5提出的变电极长度的柔性电容应变传感器的灵敏度均大于0.91，当电极间距d为8 mm时，灵敏度达到最大值0.9496，表明变电极长度的柔性电容应变传感器具有较高灵敏度。
对比例1
本对比例提出了一种变极板间距的柔性电容应变传感器，结构与实施例1相比，区别仅在于：在可拉伸电介质1的宽度方向的两端用铜胶带固定，沿可拉伸电介质1的宽度方向，对柔性电容应变传感器施加拉伸应变，使可拉伸电介质1被拉伸，导致第一可拉伸电极2与第二可拉伸电极3之间的电极间距d增大；其他结构和尺寸均相同。
根据电容理论公式C=εs/d，可知电容值C随电极间距d的增大而非线性线性减小。图13为变极板间距的柔性电容应变传感器的应变响应仿真结果，可见柔性电容应变传感器的线性度为0.9441，低于实施例1~5提出的变电极长度的柔性电容应变传感器的线性度，并且灵敏度仅为0.065，远低于实施例1~5提出的变电极长度的柔性电容应变传感器的灵敏度；进而表明通过变电极长度的方法，可以同时提升柔性电容应变传感器的线性度和灵敏度。
上述实施例仅说明本发明的原理及优点，而非用于限制本发明，仅为帮助理解本发明原理，本发明保护范围亦不限于上述的配置和实施例，本领域技术人员可以根据公开技术做出不脱离本发明实质的其他各种具体变形与组合，但仍在本发明的保护范围内。
Claims (8)
1.一种变电极长度的柔性电容应变传感器，其特征在于，包括可拉伸电介质、两个可拉伸电极和两个信号引线；两个可拉伸电极相平行的埋入可拉伸电介质内部，两个信号引线分别与对应的可拉伸电极相连，并引出至可拉伸电介质外部；以两个可拉伸电极的平行设置方向为拉伸应变方向，对柔性电容应变传感器施加拉伸应变。
2.根据权利要求1所述变电极长度的柔性电容应变传感器，其特征在于，所述可拉伸电极为包覆有导电材料的弹力线。
3.根据权利要求2所述变电极长度的柔性电容应变传感器，其特征在于，所述导电材料为碳纳米管、石墨烯、银纳米线中的一种。
4.根据权利要求1所述变电极长度的柔性电容应变传感器，其特征在于，两个可拉伸电极相对设置，使电极正对面积s最大。
5. 根据权利要求1所述变电极长度的柔性电容应变传感器，其特征在于，两个可拉伸电极之间的间距为5~10 mm。
6.根据权利要求1所述变电极长度的柔性电容应变传感器，其特征在于，所述可拉伸电介质的主剂为PDMS、Ecoflex、PDMS-钛酸钡复合材料、Ecoflex-钛酸钡复合材料中的一种。
7.根据权利要求1所述变电极长度的柔性电容应变传感器，其特征在于，所述信号引线用于为柔性电容应变传感器提供电源，并将柔性电容应变传感器产生的电容信号引出。
8.一种变电极长度的柔性电容应变传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将两根弹力线浸泡于导电材料的分散液中，经超声、干燥后，得到两个包覆有导电材料的弹力线，作为可拉伸电极；
步骤2、配置由主剂和固化剂混合而成的电介质预聚物，倒入模具中；
步骤3、将两个包覆有导电材料的弹力线相平行的埋入模具内的电介质预聚物中，并将两个信号引线的一端分别固定在对应包覆有导电材料的弹力线的一端，另一端放置在模具外部，放置在50℃~70℃的环境中，直至电介质预聚物固化为可拉伸电介质，从模具中取出，得到权利要求1~7任一项所述变电极长度的柔性电容应变传感器。
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