CN109186817A - 一种电容式柔性压力传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明是一种电容式柔性压力传感器及其加工方法，上下基底相对应的表面等间隔分布有阵列化径向凸起构成的微结构，上下基底相对应的表面分别设有与其紧密贴合并具有相同微结构的导电层，上下导电层之间设置具有孔隙结构的电介质层。在压力作用下，上下导电层与电介质的有效接触面积急剧增大，而距离也相应减小，因此具有很高的灵敏度。本发明利用激光选区熔化技术制备表面微结构化的钢质模具，浇注柔性基底材料制成表面微结构化的基底，再通过化学气相沉积法和中介物转移技术将石墨烯薄膜作为导电层，并使导电层微结构化。本发明具有微结构参数可控、有效提高电容式柔性压力传感器性能和便于大规模生产的突出优点。
Description
技术领域
本发明属于柔性传感器，特别是涉及一种电容式柔性压力传感器及其加工方法。
背景技术
近年来，可穿戴的柔性压力传感器已经成为电子皮肤的重要研究方向，其在人工皮肤、智能机器人以及人体生理信号监测方面具有巨大的应用前景。
大多报道的电容式柔性压力传感器都是基于光刻和蒸镀工艺，其工艺复杂、设备昂贵且涉及高温处理过程。
另据报道，一种电容式柔性压力传感器的TPU介电层可以通过静电纺丝工艺构建，使之具有透气性。
总之，现有技术中截至目前尚无法有效制备出极板表面微结构可控、介电层的孔隙结构可控的电容式柔性压力传感器，而极板表面的微结构以及介电层的孔隙结构对所述传感器的性能具有重要意义。
发明内容
针对现有技术存在的以上技术问题，本发明公开一种电容式柔性压力传感器及其加工方法。
本发明的电容式柔性压力传感器，包括柔性的上下基底和封装结构，所述上下基底相对应的表面等间隔分布有阵列化径向凸起构成的微结构，所述径向凸起截面为齿状，上下基底相对应的表面设有与其紧密贴合并具有相同微结构的导电层，所述上下导电层之间设置具有孔隙结构的电介质层，上下导电层阵列化径向凸起与电介质层相接合，上下基底导电层的一端设有分别对应于电介质层相对一端的银电极及其引线。
所述上下基底表面分布的径向凸起其高度和间隔范围均为0.1m m～0.2mm。
所述电介质层的孔隙结构为正交多孔结构，线单元之间的距离为0.05-0.1mm，电介质层的厚度为0.1-0.15mm。
本发明的电容式柔性压力传感器其加工方法包括以下步骤：
(1)使用激光选区熔化技术制备表面微结构化的钢质模具，所述微结构化由高度、间隔相等的阵列化径向凸起构成，所述径向凸起截面为齿状，阵列化径向凸起的高度和间隔均为0.1mm～0.2mm；
(2)将聚二甲基硅氧烷与固化剂混合液浇注在步骤(1)所制备的表面具有微结构钢质模具表面，聚二甲基硅氧烷与固化剂质量比为10:1；
(3)从钢质模具表面剥离固化后形成的聚二甲基硅氧烷基底，使钢质模具表面的微结构复制到基底表面；
(4)在具有微结构的基底表面使用化学气相沉积法沉积石墨烯薄膜作为导电层，导电层与基底表面的微结构紧密结合并具有相同的微结构；
(5)取银电极，通过导电胶使之固定于导电层的一端；
(6)将等数量的导电层固定有银电极的基底分别作为上基底和下基底，在下基底导电层表面利用3D打印技术将聚二甲基硅氧烷与固化剂混合浆料以正交方式进行打印，获得多孔结构的电介质层，电介质层线单元之间的距离为0.05-0.1mm，电介质层的厚度为0.1-0.15mm，所述聚二甲基硅氧烷与固化剂质量比为10:1；
(7)分别在上、下基底导电层的银电极连接引线；
(8)在下基底的电介质层的上表面罗列上基底，上基底的导电层与电介质层相接合，上、下基底导电层的银电极分别对应于电介质层相对的一端；
(9)封装，即得电容式柔性压力传感器。
所述钢质模具材质为不锈钢。
所述聚二甲基硅氧烷上、下基底在真空条件下干燥固化，加热温度为80℃，固化时间为120分钟。
所述使用化学气相沉积法在基底表面形成石墨烯薄膜构成导电层是以乙醇作为碳源、氢气作为辅助还原气体、工作气压105Pa、沉积温度为1000℃、沉积时间为2h、使用铜或镍金属板作为生长基底，沉积完成后，使用聚甲基丙烯酸甲酯作为中介物，转移到基底表面。
本发明的有益效果和优点在于：本电容式柔性压力传感器具有微结构的上下导电层和具有孔隙结构的电介质层，在压力作用下，上下导电层与电介质之间的有效接触面积急剧增大，而上下导电层之间的距离也相应减小，电容量的变化幅度非常明显，因此具有很高的灵敏度，通过实验检测在低压力区域(<1Kpa范围)，其灵敏度可以达到0.3～0.5Kpa-1。本电容式柔性压力传感器加工方法充分利用激光选区熔化技术制备表面微结构化的钢质模具，通过浇注柔性基底材料制成表面微结构化的柔性基底，再通过化学气相沉积法和中介物转移技术将石墨烯薄膜作为导电层，并使导电层微结构化。本发明具有微结构参数可控、有效提高电容式柔性压力传感器性能和便于大规模生产的突出优点。
附图说明
附图1是加工方法流程图。
附图2是钢质模具径向凸起截面之一示意图。
附图3是钢质模具径向凸起截面之二示意图。
附图4是钢质模具径向凸起截面之三示意图。
附图5是电介质层孔隙结构示意图。
图中标记：1钢质模具，2基底，2a下基底，2b上基底，3导电层，4银电极，5电介质层，6引线。
具体实施方式
下面结合实施例及其附图进一步说明本发明。
如图1①所示，使用激光选区熔化技术制备表面微结构化的不锈钢材质的钢质模具1，所述微结构化由高度、间隔相等的阵列化径向凸起构成，所述径向凸起截面为齿状，阵列化径向凸起的高度和间隔均为0.1mm～0.2mm。所述径向凸起其截面可以如图2、3、4所示的齿状，但不局限与此。
将聚二甲基硅氧烷与固化剂混合液浇注在图1①所示的表面具有微结构不锈钢材质的钢质模具表面待固化后形成基底2，聚二甲基硅氧烷与固化剂质量比为10:1。聚二甲基硅氧烷上、下基底在真空条件下干燥固化，加热温度为80℃，固化时间为120分钟。
如图1②所示，从钢质模具1表面剥离固化后形成的聚二甲基硅氧烷基底2，使钢质模具表面的微结构复制到基底2表面。
如图1③所示，在具有微结构的基底2表面使用化学气相沉积法和中介物转移技术将石墨烯薄膜作为导电层3，导电层3与基底2表面的微结构紧密结合并具有相同的微结构。
化学气相沉积法是以乙醇作为碳源、氢气作为辅助还原气体、工作气压105Pa、沉积温度为1000℃、沉积时间为2h、使用铜或镍金属板作为生长基底，沉积完成后，使用聚甲基丙烯酸甲酯作为中介物，转移到基底2表面成为导电层3。
如图1④所示，取银电极4，通过导电胶使之固定于导电层3的一端。
如图1⑤⑥所示，将等数量的导电层3固定有银电极4的基底2分别作为上基底2b和下基底2a，在下基底2a导电层3表面利用3D打印技术将聚二甲基硅氧烷与固化剂混合浆料以正交方式进行打印，获得多孔结构的电介质层5，所述聚二甲基硅氧烷与固化剂质量比为10:1。电介质层的厚度为0.1-0.15mm，电介质层孔隙如图5所示，电介质层线单元之间的距离d为0.05-0.1mm，
如图1⑥所示，分别在上基底2b和下基底2a的银电极4连接引线6。
如图1⑦所示，在下基底2a的电介质层5的上表面罗列上基底2b，上基底2b的导电层3与电介质层5相接合，上、下基底导电层的银电极及其引线分别对应于电介质层5相对的一端；
在图1⑦基础上可以采用各种软封装结构即得电容式柔性压力传感器。实施例的软封装结构采用以下简单形式：在图1⑦所示的上基底2b及其导电层3、下基底2a及其导电层3和电介质层5重叠部的前后侧面使用胶水如玻璃胶、硅烷固化胶等将所述组件连接成为一个整体即可。
Claims (7)
1.一种电容式柔性压力传感器，包括柔性的上下基底和封装结构，其特征在于：所述上下基底相对应的表面等间隔分布有阵列化径向凸起构成的微结构，所述径向凸起截面为齿状，上下基底相对应的表面设有与其紧密贴合并具有相同微结构的导电层，所述上下导电层之间设置具有孔隙结构的电介质层，上下导电层阵列化径向凸起与电介质层相接合，上下基底导电层的一端设有分别对应于电介质层相对一端的银电极及其引线。
2.根据权利要求1所述的电容式柔性压力传感器，其特征在于：所述上下基底表面分布的径向凸起其高度和间隔范围均为0.1mm～0.2mm。
3.根据权利要求1所述的电容式柔性压力传感器，其特征在于：所述电介质层的孔隙结构为正交多孔结构，线单元之间的距离为0.05-0.1mm，电介质层的厚度为0.1-0.15mm。
4.根据权利要求1或2或3所述的电容式柔性压力传感器的加工方法，其特征在于包括以下步骤：
(1)使用激光选区熔化技术制备表面微结构化的钢质模具，所述微结构化由高度、间隔相等的阵列化径向凸起构成，所述径向凸起截面为齿状，阵列化径向凸起的高度和间隔均为0.1mm～0.2mm；
(2)将聚二甲基硅氧烷与固化剂混合液浇注在步骤(1)所制备的表面具有微结构钢质模具表面，聚二甲基硅氧烷与固化剂质量比为10:1；
(3)从钢质模具表面剥离固化后形成的聚二甲基硅氧烷基底，使钢质模具表面的微结构复制到基底表面；
(4)在具有微结构的基底表面使用化学气相沉积法沉积石墨烯薄膜作为导电层，导电层与基底表面的微结构紧密结合并具有相同的微结构；
(5)取银电极，通过导电胶使之固定于导电层的一端；
(6)将等数量的导电层固定有银电极的基底分别作为上基底和下基底，在下基底导电层表面利用3D打印技术将聚二甲基硅氧烷与固化剂混合浆料以正交方式进行打印，获得多孔结构的电介质层，电介质层线单元之间的距离为0.05-0.1mm，电介质层的厚度为0.1-0.15mm，所述聚二甲基硅氧烷与固化剂质量比为10:1；
(7)分别在上、下基底导电层的银电极连接引线；
(8)在下基底的电介质层的上表面罗列上基底，上基底的导电层与电介质层相接合，上、下基底导电层的银电极分别对应于电介质层相对的一端；
(9)封装，即得电容式柔性压力传感器。
5.根据权利要求4所述的电容式柔性压力传感器的加工方法，其特征在于：所述钢质模具材质为不锈钢。
6.根据权利要求4所述的电容式柔性压力传感器的加工方法，其特征在于：所述聚二甲基硅氧烷上、下基底在真空条件下干燥固化，加热温度为80℃，固化时间为120分钟。
7.根据权利要求4所述的电容式柔性压力传感器的加工方法，其特征在于：所述使用化学气相沉积法在基底表面形成石墨烯薄膜构成导电层是以乙醇作为碳源、氢气作为辅助还原气体、工作气压105Pa、沉积温度为1000℃、沉积时间为2h、使用铜或镍金属板作为生长基底，沉积完成后，使用聚甲基丙烯酸甲酯作为中介物，转移到基底表面。
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