一种柔性电容式压力传感器及其制备方法与流程

本发明属于压力传感器技术领域，特别涉及柔性电容式压力传感器及其制备方法。

背景技术：

目前柔性电子技术的研究已经从起步阶段进入了实质性发展阶段，柔性电子技术行业也一直获得了深度关注。而柔性压力传感器在信息传输和采集方面具有良好的性能，是一类很重要的器件，能将外界感受的压力转化为电学、光学能够直接测量的信号数据，通过这些反映压力信号的大小分布情况。由于柔性具备的随意弯曲、体积小、厚度薄等特点，与人体皮肤的相容性较好，压力传感器还可以进行生理参数、环境特征和运动姿势等检测，所以柔性传感器在医疗设备、电子皮肤、可穿戴设备等方面有大量应用。

随着有机电子和电感测技术的飞速发展，柔性压力传感器的发展也取得了显著的进步。其具有优异的灵活性、具有大的弹性拉伸应变和良好的兼容性等特征，大量应用在人体运动检测、健康诊断等领域，对于信息测量的精度、灵敏度和稳定情况等各个性能参数的要求也在逐渐提高。目前柔性传感器在一些应用上表现出局限性，包括柔性不足，响应滞后，灵敏度较低和容易受到信号噪声的干扰等。目前的柔性压力传感器制备方法主要有以下几种：

在预拉伸的pdms薄膜基底上通过真空沉积的方法磁控溅射ag作为电极层，制备具有波浪形微结构的电极，中间介电层由聚二甲基硅氧烷/碳纳米管(pdms/cnt)的复合材料组成。此传感器的响应时间<200ms，可用来检测手指压力的分布和位置信息。

利用仿生玫瑰花瓣制备微观凸起结构复制到柔性pdms薄膜表面。首先将聚乙烯醇(pva)溶液浇筑在玫瑰花瓣表面，剥离后得到与花瓣结构截然相反的凹陷pva膜，将混合好的pdms溶液旋涂在微结构pva薄膜上，即再剥离后的结构与花瓣结构相吻合。将镀银铜纳米线(cu-agnws)复制到pdms膜表面，两片微结构导电膜对叠并封装好即为仿玫瑰微结构的柔性压力传感器。此传感器灵敏度较高，可用于语音识别、手腕脉搏检测等。

将混合pdms和交联剂溶液涂覆在圆锥形凹槽结构阵列模具上，在70℃下加热30分钟，静置30分钟，将pdms膜从模具上分离。将预处理后的碳纳米管在微孔过滤膜上形成预制碳纳米管薄膜。此传感器中间为碳纳米管薄膜，下电极层为圆锥形阵列结构的pdms薄膜，上电极层为平滑的pdms薄膜。此传感器提升了线性度，最小可感受到的压力达到1mn，具有低功耗的特点。

虽然上述柔性压力传感器可以感受到外界施加的压力作用，但仍存在着不足之处：基于波浪形结构的传感器稳定性能不够，适用于感应微小压力；基于仿生玫瑰花瓣结构的检测范围小，会出现响应滞后的现象；基于圆锥体结构的pdms传感器灵敏度不高，容易受到噪声干扰。

技术实现要素：

基于此，有必要提供一种响应时间较短、灵敏度高且制备工艺较简单且制备成本低的柔性压力传感器。

为达到上述目的，本发明提供了柔性电容式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：s10，选择传感器材料；

s20，制备柔性基底，作为介电层；

s30，对电极层或者介电层进行结构化处理，包括对上电极层的表面加入棱锥体微结构；

s40，制备上下电极层；

s50，将电极导线穿入电极薄膜中；

s60，将制备的上电极层和下电极层交叉贴合放置，使二者上设置的电极阵列相互垂直，上电极层和下电极层之间设置介电层，在80摄氏度烘箱中放置2小时进行固化，取下即制得的三明治结构的柔性电容式压力传感器。

优选地，所述选择传感器材料包括作为基底材料的聚二甲基硅氧烷和作为导电材料的碳纳米管粉末。

优选地，所述制备柔性基底，包括以下步骤：

s21，量取液态聚二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷固化剂，以质量比10:1的比例混合搅拌，再将液态聚二甲基硅氧烷和去离子水以3:1的比例混合，将上述形成的两种混合溶液搅拌在一起；

s22，将溶液滴涂在清洗干净的玻璃片表面，旋涂20s，在60摄氏度的烘箱中固化半个小时，得到半固化的柔性基底聚二甲基硅氧烷膜，将这个柔性衬底切割成大约6cm*6cm的方形形状；

s23，在碳纳米管粉末中加入稀硝酸，经磁力搅拌机搅拌，超声分散处理,后，加入去离子水稀释，静置后，滤去上层清液，制得氧化碳纳米管。

优选地，所述制备上下电极层，包括以下步骤：

s41，制备带有棱锥体微结构的上电极层，根据电极阵列和导线图制作丝印网版，利用丝网印刷工艺将导电材料印刷到半固化微结构的聚二甲基硅氧烷膜上；

s42，制备下电极层，将氧化碳纳米管印刷在平滑的基底膜上，经过干燥制得电极层，制备的下电极层的电极阵列为4-6条0.5cm*5cm的平行带状，其间隔为4-6mm。

优选地，所述介电层为聚二甲基硅氧烷薄膜。

优选地，所述制得的三明治结构的柔性电容式压力传感器，在向其施加压力时，发生形变，电容值随之变化，其电容的表达式为：

其中，ε0＝8.854×10^-12f/m表示真空中的绝对介电常数，εr为介电层的相对介电常数，sζ为电容单元面积，d为上下电极层的层间初始厚度，δd为层间变化的距离。

基于上述目的，本发明还提供了一种采用上述制备方法制备的柔性电容式压力传感器，其特征在于，包括由上至下的上电极层、介电层和下电极层，其中，上电极层为带有棱锥体微结构的氧化碳纳米管薄膜，介电层为聚二甲基硅氧烷薄膜，下电极层为平滑的导电平面电极。

优选地，所述棱锥体微结构的高度为0.2mm，制备的氧化碳纳米管薄膜厚度为200μm-400μm。

优选地，所述上电极层和下电极层上设置的电极阵列均为平行带状，上电极层和下电极层上的电极阵列呈垂直交叉的结构放置。

优选地，所述电极阵列中的每个电极的大小为0.5cm*5cm，相互间隔为0.5cm。

本发明的有益效果在于：配方制得的柔性电容式压力传感器，导热率在2.8-3.0w/m.k，剥离强度1.08-1.28kn/m能够实现高散热、高绝缘、高耐温、柔韧性强等特点。使用经过初步定位的聚合物胶体，通过涂布、半固化和热压固化，使得体系中的氮化硼之间相互连接，建立起聚合物中的导热网络，提高绝缘层的导热率。

附图说明

为了使本发明的目的、技术方案和有益效果更加清楚，本发明提供如下附图进行说明：

图1为本发明实施例的柔性电容式压力传感器的制备方法的步骤流程图；

图2为本发明实施例的柔性电容式压力传感器的整体结构剖视图；

图3为本发明实施例的柔性电容式压力传感器的整体结构图；

图4为本发明实施例的柔性电容式压力传感器的棱锥体微结构模具的剖视图；

图5为本发明实施例的柔性电容式压力传感器的上电极层和下电极层电极阵列图

图6为本发明实施例的柔性电容式压力传感器的微结构仿真图。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明的优选实施例进行详细的描述。

柔性压力传感器是一类能感知外界压力变化的电子器件，其结构种类多样，在物联网、可穿戴电子、电子皮肤、智能机器人等方面有很重要的应用。在制备压力传感器时，提高其性能指标，对其微结构作进一步研究是有效的方法。并且，针对制备工艺复杂的问题，需要进一步简化其过程，降低制作成本，才能使此传感器大批量投入应用中。

方法实施例1

参见图1，包括以下步骤：s10，选择传感器材料；

s20，制备柔性基底，作为介电层；

s30，对电极层或者介电层进行结构化处理，包括对上电极层的表面加入棱锥体微结构；

s40，制备上下电极层；

s50，将电极导线穿入电极薄膜中；

s60，将制备的上电极层和下电极层交叉贴合放置，使二者上设置的电极阵列相互垂直，上电极层和下电极层之间设置介电层，在80摄氏度烘箱中放置2小时进行固化，取下即制得的三明治结构的柔性电容式压力传感器。

s10，选择传感器材料包括作为基底材料的聚二甲基硅氧烷和作为导电材料的碳纳米管粉末。

s20，制备柔性基底，包括以下步骤：

s21，量取液态聚二甲基硅氧烷和聚二甲基硅氧烷固化剂，以质量比10:1的比例混合搅拌，再将液态聚二甲基硅氧烷和去离子水以3:1的比例混合，将上述形成的两种混合溶液搅拌在一起；

s22，将溶液滴涂在清洗干净的玻璃片表面，旋涂20s，在60摄氏度的烘箱中固化半个小时，得到半固化的柔性基底聚二甲基硅氧烷膜，将这个柔性衬底切割成大约6cm*6cm的方形形状；

s23，在碳纳米管粉末中加入稀硝酸，经磁力搅拌机搅拌，超声分散处理,后，加入去离子水稀释，静置后，滤去上层清液，制得氧化碳纳米管。

s40，制备上下电极层，包括以下步骤：

s41，制备带有棱锥体微结构的上电极层，根据电极阵列和导线图制作丝印网版，利用丝网印刷工艺将导电材料印刷到半固化微结构的聚二甲基硅氧烷膜上；

s42，制备下电极层，将氧化碳纳米管印刷在平滑的基底膜上，经过干燥制得电极层，制备的下电极层的电极阵列为4-6条0.5cm*5cm的平行带状，其间隔为4-6mm。

介电层为聚二甲基硅氧烷薄膜。

s60中制得的三明治结构的柔性电容式压力传感器，在向其施加压力时，发生形变，电容值随之变化，其电容的表达式为：

其中，ε0＝8.854×10^-12f/m表示真空中的绝对介电常数，εr为介电层的相对介电常数，sζ为电容单元面积，d为上下电极层的层间初始厚度，δd为层间变化的距离。

实施例2

s10选择材料中，碳材料作为柔性传感器的导电填料拥有很多优势，其碳纳米管具有很大的比表面积、优良的导电性能和机械性能，由于其特殊的管状结构，还可以和大面积溶液处理技术相容，采用加工工艺使氧化碳纳米管沉积在柔性基底上。基底材料也是传感器一个很重要的影响因素，需具备轻薄、拉伸性好、柔性等关键性指标，聚二甲基硅氧烷(pdms)具有低模量、柔韧性良好及高弹性等特点，并且简单易得，化学性质稳定，满足制备柔性传感器的需求。

s20，柔性基底pdms膜的制备方法。量取液态pdms和pdms固化剂以最优10:1的比例混合搅拌，再将pdms溶液和去离子水以3:1的比例混合，两种混合溶液搅拌在一起。

将溶液滴涂在清洗干净的玻璃片表面，以一定速度旋涂20s，在60摄氏度的烘箱中固化半个小时，就可以得到半固化的柔性基底pdms膜，将这个柔性衬底切割成大约6*6cm²的方形形状。

将碳纳米管粉末加入稀硝酸经磁力搅拌机搅拌，超声分散处理之后，加入去离子水稀释，静置一段时间后，滤去上层清液，制得氧化碳纳米管。

s30，为了提高传感器的性能，在柔性传感器的上电极层中设计一种微结构，能够满足传感器在受到微小压力作用下易于发生形变的特点。

在设计中，在传感器的上电极层表面加入微型棱锥体结构，在同样的材料下，同样的制作工艺，实现带有微小结构的传感器，在受到压力时，通过棱锥体结构与电极相接触，受力面积相对比较集中，电容变化率也较大，材料可获得更大的形变量，提高传感器的灵敏度，使用3d打印技术制备模具。其灵敏度的表达式如下式：

上式中，δc表示电容变化量，cξ表示初始电容值，f表示传感器单位面积受到的压力值。从式中可以看出当压力作用时，当电容变化增大时，灵敏度也随之提高。

s40，柔性压力传感器的上下电极层的制备。电极层制备是在柔性基底基础上进行，采取制备工艺流程简单且成本较低的丝网印刷技术。微小棱锥体结构，应用3d打印技术制得模具，模具的剖视图参见图4。

第一层电极层制得带有微结构的上电极层。根据电极阵列和导线图案制作丝印网版，利用丝网印刷工艺将导电材料印刷到半固化微结构的pdms膜上。

最后一层为下电极层，是将氧化碳纳米管印刷在平滑的基底膜上，经过干燥制得电极层，即制备的电极阵列为4条0.5*5cm的平行带状型，其间隔为5mm。

s50，为了对传感器检测方便，需要布置电极导线，但又要保证导电的稳定性和连接的牢固性，故将其直接穿入电极薄膜中，确保连接的牢固性。

s60，将制备的上下平行电极层垂直交叉放置，中间为介电层pdms层，在80摄氏度烘箱中放置两小时进行固化，将样品取下便是制备的三明治结构传感器。

传感器实施例

采用上述制备方法制备的柔性电容式压力传感器，参见图2、图3，包括由上至下的上电极层10、介电层20和下电极层30，其中，上电极层10为带有棱锥体微结构的氧化碳纳米管薄膜，介电层20为聚二甲基硅氧烷薄膜，下电极层30为平滑的导电平面电极。当感受到压力作用，由于棱锥微结构，受力面积增大，即电容变化率增大，使传感器灵敏度提高。

棱锥体微结构的高度为0.2mm，制备的氧化碳纳米管薄膜厚度为200μm-400μm。

上电极层10和下电极层30上设置的电极阵列均为平行带状，上电极层10和下电极层30上的电极阵列呈垂直交叉的结构放置。电极阵列中的每个电极的大小为0.5cm*5cm，相互间隔为0.5cm。

具体实施例中

本发明的先制备带棱锥体微结构的pdms薄膜，然后制备平滑的pdms薄膜，再制备导电材料氧化碳纳米管膜电极层，最后将三者层叠得到传感器。在其他实施例中，也可以调换其制备顺序，最后将上下电极层10、30和介电层20叠加制备柔性传感器。

通过在电极表面加入微结构，在压力刺激下，电极板正对面积增大且间距变小，因此使电容变化率较大，提高灵敏度。在本设计中，上电极层表面铺设着大小相同，间距相等的微型棱锥体形状，使压力接触面积增大。可采取3d打印技术依照图案打印模具，应用丝网印刷工艺将导电材料铺设于带有微结构的柔性基底表面制作柔性上电极层。

图5为电极阵列图。此上下电极层的电极阵列为0.5cm*5cm的方形，中间间隔为5mm，根据设计的模型，制备电极阵列的丝印网板。

图6微结构仿真图。在相同的材料，采用相同的制备工艺时，设计微结构的传感器，在压力作用下，形变量优于无结构的，具有更高的灵敏度。从力学的角度分析，受到压力时，通过角锥与电极接触，受力面积更加集中，获得形变量更大，具有更大的电容变化率，所以灵敏度更好。使用comsolmultiphysics软件进行仿真分析，设计微型锥体结构，同样压力作用，获得的形变量要大于无微结构的传感器。

最后说明的是，以上优选实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管通过上述优选实施例已经对本发明进行了详细的描述，但本领域技术人员应当理解，可以在形式上和细节上对其做出各种各样的改变，而不偏离本发明权利要求书所限定的范围。