CN109932105A - 电容型压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种电容型压力传感器及其制备方法，所述电容型压力传感器包括底电极、顶电极、第一介电层、第二介电层及两个支撑部，所述第一介电层、第二介电层、两个支撑部均位于所述底电极与所述顶电极之间，所述两个支撑部位于所述底电极的两端，第一介电层、第二介电层分别位于两个支撑部之间且第一介电层位于第二介电层与顶电极之间，第二介电层的介电常数大于第一介电层的介电常数，第一介电层为空气层或薄膜。本发明提供的电容型压力传感器通过设置两层介电层，这样可以增加电容型压力传感器的介电常数，从而增加电容型压力传感器的电容值变化率，提升了电容型压力传感器的灵敏度和检测范围。

Description

电容型压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及压力传感领域，尤其涉及一种电容型压力传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，随着柔性电子学的发展，柔性压力传感器的灵敏度和检测范围有了很大的提升。Rogers等制成了基于聚偏氟乙烯(PVDF)压电纤维的压电型压力传感器，最低能检测到0.1Pa的微小压力；鲍哲楠等发明的空心微珠聚吡咯薄膜压阻型压力传感器在30Pa以下具有133kPa^-1的极高灵敏度。但大部分传感器的制作方法复杂，成本过高，无法实现批量生产，同时还存在可重复性差的问题，这给柔性压力传感器的实际应用带来了巨大的难题。

目前主流的柔性压力传感器有电阻型、压电型、电容型和光波导型压力传感器，其中柔性电容型压力传感器因其极低的工作能耗、检测信号稳定，在可穿戴设备、医疗健康检测设备等方面具有巨大的潜在应用价值。现有的电容型压力传感器大多在介电层一侧设计一层微结构，使得电介质层易于发生纵向形变，进而改变电容器两极板的间距，令电容发生改变。但受限于固体材料较高的压缩模量，电介质层的厚度减少量极其有限，电容值变化较小，且在一定压力范围后材料无法继续压缩，电容值几乎不变，造成电容型压力传感器灵敏度较低和检测范围较窄。

发明内容

为了解决上述问题，本发明提出一种电容型压力传感器及其制备方法，能够提升灵敏度、增加检测范围。

本发明提出的具体技术方案为：提供一种电容型压力传感器，所述电容型压力传感器包括底电极、顶电极、第一介电层、第二介电层及两个支撑部，所述第一介电层、第二介电层、两个支撑部均位于所述底电极与所述顶电极之间，所述两个支撑部位于所述底电极的两端，所述第一介电层、所述第二介电层分别位于所述两个支撑部之间且所述第一介电层位于所述第二介电层与所述顶电极之间，所述第二介电层的介电常数大于所述第一介电层的介电常数，所述第一介电层为空气层或薄膜。

进一步地，所述第二介电层的介电常数为100～3000、介电损耗为0.001～2。

进一步地，所述第二介电层由基底及填充于所述基底中的电介质材料组成。

进一步地，所述基底的材质选自聚二甲氧基硅烷、聚氨酯、聚四氟乙烯中的一种。

进一步地，所述电介质材料选自石墨烯、碳纳米管、离子液体中的至少一种。

进一步地，所述薄膜的材质为弹性高分子泡沫或气凝胶。

进一步地，所述薄膜的上表面为粗燥面。

进一步地，所述第二介电层的厚度为50-200微米，和/或所述第一介电层的厚度为10-50微米。

本发明还提供了一种电容型压力传感器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

提供一底电极；

在所述底电极的两端粘接两个支撑部；

通过热压合工艺在所述底电极上粘接第二介电层，以使得所述第二介电层位于所述两个支撑部之间；

在所述两个支撑部上粘接顶电极，所述顶电极与所述第二介电层之间的空气层形成第一介电层，或在所述第二介电层上粘接薄膜，在所述两个支撑部上粘接顶电极，所述顶电极与所述第二介电层之间的薄膜形成第一介电层。

进一步地，所述第二介电层通过下面步骤获得：

将电介质材料加入有机溶剂中混合均匀，获得混合溶液；

将基底材料加入所述混合溶液中，加热搅拌溶解，获得第二介电溶液，所述第二介电溶液中所述电介质材料的质量占所述电介质材料和所述基底材料的质量的1-10％；

将所述第二介电溶液涂覆在衬底上，待所述有机溶剂挥发后，在所述衬底上形成第二介电层；

将所述第二介电层从所述衬底表面剥离。

本发明提供的电容型压力传感器包括第一介电层和第二介电层，第一介电层位于第二介电层和顶电极之间，第一介电层的介电常数小于第二介电层的介电常数，通过设置两层介电层，这样可以增加电容型压力传感器的介电常数，从而增加电容型压力传感器的电容值变化率，提升了电容型压力传感器的灵敏度和检测范围。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1为实施例1中电容型压力传感器的结构示意图；

图2为实施例1中不同厚度情况下电容值的变化率与压力之间的关系；

图3为实施例1中电容型压力传感器的制备方法的流程图；

图4为实施例1中第二介电层的制备工艺图：

图5为实施例2中电容型压力传感器的制备方法的流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为局限于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。

实施例1

参照图1，本实施例提供的电容型压力传感器包括底电极1、顶电极2、第一介电层3、第二介电层4及两个支撑部5，第一介电层3、第二介电层4、两个支撑部5均位于底电极1与顶电极2之间，两个支撑部5位于底电极1的两端，第一介电层3、第二介电层4分别位于两个支撑部5之间且第一介电层3位于第二介电层4与顶电极2之间，第二介电层4的介电常数大于第一介电层3的介电常数，第一介电层3为空气层或薄膜。

本实施例中的顶电极2的材质为柔性材料，在顶电极2的表面施加压力，顶电极2朝着靠近底电极1的方向发生形变，顶电极2和底电极1之间的距离发生变化，电容型压力传感器的电容值发生改变，通过电容值的改变便可以检测出压力值的大小。

具体地，第二介电层4的介电常数为100～3000，第二介电层4的介电损耗为0.001～2。第二介电层4由基底41及填充于基底中的电介质材料组成。基底的材质选自聚二甲氧基硅烷、聚氨酯、聚四氟乙烯中的一种，这里基底的材料也可以是其他高分子材料，电介质材料选自石墨烯、碳纳米管、离子液体中的至少一种，通过电介质材料与基底在电场下发生界面极化，进而增大材料的介电常数。较佳地，本实施例中第二介电层4的厚度为50-200微米。

第一介电层3为薄膜时，薄膜的材质为弹性高分子泡沫或气凝胶，其上表面为粗燥面，这样可以减少顶电极2与薄膜之间的粘附力。较佳地，本实施例中第一介电层3的厚度为10-50微米。

本实施例中底电极1与顶电极2的形状相同且尺寸相等，底电极1与顶电极2包括导电材料和电极基底，其中，导电材料为ITO、银纳米线或铜纳米线，电极基底的材质选自苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲氧基硅烷、聚氨酯中的一种。

为了使得顶电极2更容易发生形变，支撑部5在底电极1和顶电极2上的投影的面积不超过底电极1的顶面的面积、顶电极2的底面的面积的十分之一。支撑部5的材质选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲氧基硅烷、聚碳酸酯、聚氨酯泡棉中的一种，本实施例中支撑部5的厚度为50-200微米，支撑部5的形状可以根据实际需要设定，例如，为长方形、方形、圆形或者其他形状。

本实施例中的电容型压力传感器的电容C的计算公式如下：

其中，A为底电极1和顶电极2的面积，ε₁，ε₂分别为第一介电层3、第二介电层4的介电常数，d₁，d₂分别为第一介电层3、第二介电层4的厚度。

以第一介电层3为空气层为例，在受压过程中，第一介电层3的厚度发生改变。假设顶电极2未被压缩时，第一介电层3与第二介电层4的厚度相等即d₁＝d₂，顶电极2被压缩后，空气层的介电常数近似为1，则假设对于ε₂分别为10、100、1000的第二介电层4，初始电容值分别为当压缩至x＝0.5时，电容值C分别为1.67、1.96、1.99，当压缩至x＝0.1时，电容值C分别为5、9.1、9.99，当完全压缩时即x＝0，电容值C分别为10、100、1000，从上面的结论中可以得出，第二介电层4的介电常数越大，电容值C变化更明显，对压力的响应更为灵敏。同时，随着x的减小，电容值C变化越剧烈，如图2所示，通过减少第一介电层3的厚度可以提高电容值的变化率，进而提高低压力范围的灵敏度。第一介电层3为薄膜的原理与上面类似，这里不再赘述。

本实施例中电容型压力传感器的的电容的变化还与顶电极2的材质的弹性模量和尺寸有关。对于弹性模量较高的PET和弹性模量较小的PDMS而言，PET的形变相对较小，灵敏度较差，适用于压力测量范围较宽的场合，PDMS形变较大，灵敏度较高，适用于测量微小压力。顶电极2的厚度越薄、长度越大，材料在压力作用下的纵向形变更明显，灵敏度更高。

参照图3，本实施例还提供了一种电容型压力传感器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：

S1、提供一底电极1；

S2、在底电极1的两端粘接两个支撑部5；

S3、通过热压合工艺在底电极1上粘接第二介电层4，以使得第二介电层4位于两个支撑部5之间；

S4、在两个支撑部5上粘接顶电极2，顶电极2与第二介电层4之间的空气层形成第一介电层3。

具体地，底电极1、顶电极2以及支撑部5通过下面的方法获得：

取一定厚度的高分子柔性薄膜；

氧等离子体处理高分子柔性薄膜表面，使表面更亲水，增大乙醇对表面的润湿性；

使用浓度为1-5mg/ml的银纳米线乙醇分散液进行旋涂，转速为1000-2000rpm/min，真空烘干退火后使用脉冲氙灯光照退火1-5min得到导电性良好的纳米银线电极；

将电极切割成一定尺寸作为底电极1和顶电极2；

使用模切的方法将100-200微米厚的高分子柔性薄膜切成预定形状作为支撑部5。

参照图4，具体地，第二介电层4通过下面步骤获得：

将电介质材料加入一定量有机溶剂中，超声1-2h混合均匀，获得混合溶液；

将基底材料加入混合溶液中，加热搅拌溶解，获得第二介电溶液，第二介电溶液中电介质材料的质量占电介质材料和基底材料的质量的1-10％；

将第二介电溶液旋涂或滴涂在衬底上，于50-120℃下挥发有机溶剂，放置于烘箱中烘干，在衬底上形成第二介电层；

将第二介电层从衬底表面剥离。

下面通过详细的描述电容型压力传感器的制备方法的过程。

1)制备第二介电层4

将羟基化修饰碳纳米管加入一定量的DMF中，超声1-2h均匀分散，获得混合溶液；

加入热塑性聚氨酯弹性体TPU，搅拌加热1-2h溶解，获得第二介电溶液，第二介电溶液中羟基化修饰碳纳米管的质量占羟基化修饰碳纳米管和热塑性聚氨酯弹性体TPU总的质量的1-5％；

在玻璃基底上通过旋涂或滴涂一定量的第二介电溶液，于50-120℃下挥发溶剂后，置入烘箱中于80℃下烘干残余溶剂，在玻璃基底上形成第二介电层4；

配置浓度为0.1-1mol.L^-1的NaOH水溶液，将形成有第二介电层4的玻璃基底放入NaOH水溶液中浸泡10-60S后取出并用去离子水洗涤，烘干表面水分，将第二介电层2从玻璃基底的表面剥离，其中，第二介电层2的厚度为50-200微米，介电常数为3000。

2)制备底电极1、顶电极2和支撑部5

取25-200微米厚的PET薄膜，依次用丙酮、乙醇、去离子水超声波清洗并烘干；

氧等离子体处理PET薄膜的表面，使PET薄膜更亲水，增大乙醇对表面的润湿；

将浓度为1-5mg/ml的银纳米线乙醇分散液旋涂于PET薄膜的表面，转速为1000-2000rpm/min，真空烘干后使用脉冲氙灯光照退火1-5min得到导电性良好的纳米银线电极；

将纳米银线电极切割成一定尺寸作为底电极1和顶电极2；

使用模切的方法将100-200微米厚的高分子薄膜切为长5-10mm，宽0.5-1mm的长条状作为支撑部5。

3)组装电容型压力传感器

使用环氧胶水将支撑部5粘结在底电极1的指定位置；

在100-200摄氏度于0.1-1Mpa的压力下通过热压合将第二介电层2附着在底电极1上，用环氧树脂将支撑部5与顶电极2粘接，获得电容型压力传感器。

实施例2

参照图5，本实施例与实施例1的不同之处在于第一介电层3为薄膜，电容型压力传感器的制备方法包括以下步骤：

S1、提供一底电极1；

S2、在底电极1的两端粘接两个支撑部5；

S3、通过热压合工艺在底电极1上粘接第二介电层4，以使得第二介电层4位于两个支撑部5之间；

S4、在第二介电层4上粘接薄膜，在两个支撑部5上粘接顶电极2，顶电极2与第二介电层4之间的薄膜形成第一介电层3。

下面通过详细的描述电容型压力传感器的制备方法的过程。

1)制备第二介电层4

将还原石墨烯加入一定量的氯仿中，超声1-2h均匀分散，获得混合溶液；

加入聚二甲基硅氧烷主剂，涡旋搅拌1-2h分散均匀，加入固化剂，获得第二介电溶液，第二介电溶液中还原石墨烯的质量占还原石墨烯和聚二甲基硅氧烷主剂总的质量的1-5％；

在经过ATPES修饰过的硅片上旋涂一定量的第二介电溶液，挥发溶剂后置入烘箱中于70℃下固化，在硅片上形成第二介电层4；

将第二介电层2从硅片的表面剥离，其中，第二介电层2的厚度为50-200微米，介电常数为800。

2)制备底电极1、顶电极2和支撑部5

将聚二甲基硅氧烷主剂和固化剂按照质量比为10：1的比例混合均匀，在减压抽真空下放置5-10min除去气泡，得到聚二甲基硅氧烷旋涂液；

在经过ATPES修饰过的硅片上旋涂一定量聚二甲基硅氧烷旋涂液，70℃下固化2h后得到100-300微米厚的PDMS薄膜；

氧等离子体处理PDMS薄膜表面，使PDMS表面亲水性增强，增大乙醇对表面的润湿性；

将浓度为1-5mg/ml的银纳米线乙醇分散液旋涂于PDMS薄膜的表面，转速为1000-2000rpm/min，真空烘干后使用脉冲氙灯光照退火1-5min得到导电性良好的纳米银线电极；

将纳米银线电极切割成一定尺寸作为底电极1和顶电极2；

使用模切的方法将100-300微米厚的高分子薄膜切为长5-10mm，宽0.5-1mm的长条状作为支撑部5；

将薄膜裁切为预定形状作为第一介电层3。

3)组装电容型压力传感器

使用环氧胶水将支撑部5粘结在底电极1的指定位置；

在100-200摄氏度于0.1-1Mpa的压力下通过热压合将第二介电层2附着在底电极1上；

在第二介电层4上粘接第一介电层3；

用环氧树脂将支撑部5与顶电极2粘接，获得电容型压力传感器。

需要说明的是，在本说明书中，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种电容型压力传感器，其特征在于，包括底电极、顶电极、第一介电层、第二介电层及两个支撑部，所述第一介电层、第二介电层、两个支撑部均位于所述底电极与所述顶电极之间，所述两个支撑部位于所述底电极的两端，所述第一介电层、所述第二介电层分别位于所述两个支撑部之间且所述第一介电层位于所述第二介电层与所述顶电极之间，所述第二介电层的介电常数大于所述第一介电层的介电常数，所述第一介电层为空气层或薄膜。

2.根据权利要求1所述的电容型压力传感器，其特征在于，所述第二介电层的介电常数为100～3000、介电损耗为0.001～2。

3.根据权利要求2所述的电容型压力传感器，其特征在于，所述第二介电层由基底及填充于所述基底中的电介质材料组成。

4.根据权利要求3所述的电容型压力传感器，其特征在于，所述基底的材质选自聚二甲氧基硅烷、聚氨酯、聚四氟乙烯中的一种。

5.根据权利要求4所述的电容压力传感器，其特征在于，所述电介质材料选自石墨烯、碳纳米管、离子液体中的至少一种。

6.根据权利要求1所述的电容型压力传感器，其特征在于，所述薄膜的材质为弹性高分子泡沫或气凝胶。

7.根据权利要求6所述的电容型压力传感器，其特征在于，所述薄膜的上表面为粗燥面。

8.根据权利要求1所述的电容型压力传感器，其特征在于，所述第二介电层的厚度为50-200微米，和/或所述第一介电层的厚度为10-50微米。

9.一种电容型压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

提供一底电极；

在所述底电极的两端粘接两个支撑部；

通过热压合工艺在所述底电极上粘接第二介电层，以使得所述第二介电层位于所述两个支撑部之间；

在所述两个支撑部上粘接顶电极，所述顶电极与所述第二介电层之间的空气层形成第一介电层，或在所述第二介电层上粘接薄膜，在所述两个支撑部上粘接顶电极，所述顶电极与所述第二介电层之间的薄膜形成第一介电层。

10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于，所述第二介电层通过下面步骤获得：

将电介质材料加入有机溶剂中混合均匀，获得混合溶液；

将基底材料加入所述混合溶液中，加热搅拌溶解，获得第二介电溶液，所述第二介电溶液中所述电介质材料的质量占所述电介质材料和所述基底材料的质量的1-10％；

将所述第二介电溶液涂覆在衬底上，待所述有机溶剂挥发后，在所述衬底上形成第二介电层；

将所述第二介电层从所述衬底表面剥离。