具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器及其制法的制作方法

本发明涉及一种压力传感器，特别涉及一种具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器及制法，属于传感器技术领域。

背景技术：

近年来，随着柔性电子学的发展，应用于假肢的触觉传感器、智能机器人以及健康监测方面的柔性传感器因其优异的性能而被广泛关注。自1991年具有触觉传感功能的电子皮肤首次应用于机器人起，研制轻、薄、柔的高灵敏度的新型柔性传感器已经成为前沿的科研方向。近15年来，随着新原理、新材料、新工艺等不断地应用于柔性传感器的研发，柔性传感器的发展成果举世瞩目。但在实际的机理研究和产品开发中，我们发现还存在一些问题：如灵敏度有待提高，检测范围有限，制作工艺复杂、成本高等。技术的发展状况与市场的需求为未来柔性传感器的发展指明了道路：首先，如何实现柔性传感器的高灵敏度，检测更小压力成为大家努力的目标。其次，在保证柔性传感器自身电学性能的前提下实现延展性和弯曲性，这就对电路的制作材料提出了新的挑战和要求。最后，以大型医疗检测设备为依托的医疗健康方面，简单轻巧、易于携带的健康检测设备更受医生和患者的青睐。

柔性电容型传感器因其柔软、富有弹性，能贴附于物体表面，且灵敏度较高，将在智能机器人、手持式电子消费产品、柔性显示器、医疗健康检测设备等方面具有巨大的潜在应用价值。目前，柔性传感器仍存在灵敏度有待提高、监测范围有限、制作工艺复杂、成本高等问题。所以，如何在维持相对简单的结构设计、保证器件轻薄和柔弹性的前提下，提高电容型传感器的灵敏度已成为研究的热点之一。

技术实现要素：

本发明的主要目的在于提供一种具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器及制法，以克服现有技术的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明提供了一种具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器，包括：

彼此相对设置的两个柔性电极，所述两个柔性电极彼此相对的两个相对面中的至少一个上具有由复数个凸起部和/或凹下部形成的微结构；

以及，多相介电层，分布于所述两个柔性电极之间，所述多相介电层包括由复数个可自由移动的微球聚集形成的微球介电层以及填充所述微球介电层内孔隙的空气和/或柔性聚合物。

进一步的，所述柔性电极覆设在柔性衬底表面，并且至少一个所述柔性衬底的一侧表面具有由复数个凸起部和/或凹下部形成的微结构；优选的，所述柔性电极共形沉积在相应柔性衬底的相应表面；优选的，所述柔性衬底的厚度为20～100μm；优选的，所述柔性衬底的材质包括乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺和聚乙烯中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

进一步的，所述柔性电极上的微结构包括复数个倒金字塔型凹下部；优选的，所述倒金字塔型凹下部的底面长度为10～50μm，底面宽度为10～50μm，高度为7.06～35.31μm；优选的，所述微球介电层中的至少部分微球分布于形成在所述柔性电极相对面的倒金字塔型凹下部内。

进一步的，所述传感器还包括柔性封装层，所述柔性封装层至少用于将所述微球介电层封装于两个柔性电极之间；优选的，所述柔性封装层形成于相互配合的两个柔性衬底周缘部或者两个柔性电极周缘部，并在两个柔性衬底之间或者两个柔性电极之间围合形成一封装空间，所述多相介电层分布于所述封装空间内；优选的，所述柔性封装层、柔性电极、多相介电层及柔性衬底形成一体结构；优选的，所述柔性封装层的厚度为10～20μm；优选的，所述柔性封装层的材料包括二甲基硅氧烷、聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

进一步的，所述多相介电层的厚度为3～12μm；和/或，组成所述微球介电层的微球随机堆积在所述柔性电极上；和/或，所述微球包括聚苯乙烯微球、二氧化硅微球、聚二甲基硅氧烷微球、钛酸钡微球、钛酸钡/聚苯乙烯核壳微球、钛酸钡/二氧化硅核壳微球、钛酸钡/聚二甲基硅氧烷核壳微球中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此；和/或，所述微球的直径为500nm～50μm；和/或，所述柔性聚合物包括聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

进一步的，所述柔性电极的材质包括碳纳米管、银纳米线、金纳米颗粒中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此；优选的，所述柔性电极还与引线电连接；优选的，所述引线包括导电无纺布、铜箔、漆包线和带有压敏胶粘剂的扁平铜箔胶带中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

进一步的，所述具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器的厚度为50～200μm。

本发明还提供了一种上述具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器的制法，包括：

提供两个柔性电极，至少一个所述柔性电极的所述相对面上具有由复数个凸起部和/或凹下部形成的微结构；

在至少一个所述柔性电极的所述相对面上覆设多相介电材料，所述多相介电材料包括随机堆积的复数个微球以及填充于该复数个微球之间的空气和/或柔性聚合物；

将两个柔性电极结合，使多相介电材料在两个柔性电极之间形成多相介电层。

进一步的，所述制法还包括：

提供与所述两个柔性电极相应的柔性衬底，至少一个所述柔性衬底与所述柔性电极相应的表面上具有由复数个凸起部和/或凹下部形成的微结构；

在所述柔性衬底的相应表面覆设所述柔性电极，以使至少一个所述柔性电极的所述相对面上形成所述微结构。

进一步的，所述制法还包括：提供带有倒金字塔微结构的模板，并通过二次覆形获得表面具有由复数个倒金字塔型凹下部组成的微结构的柔性衬底。

进一步的，所述制法还包括：至少通过喷涂、打印、热蒸发中的任意一种方式在所述柔性衬底相应表面沉积形成所述柔性电极。

进一步的，所述制法还包括：至少通过粘贴、印刷、物理切割中的任意一种方式从所述柔性电极表面引出引线。

进一步的，所述制法还包括：至少通过旋涂、滴涂、喷涂、刮涂中的任意一种方式在所述柔性电极的相对面上堆积多相介电材料。

进一步的，所述制法具体包括：至少通过旋涂、滴涂、喷涂、刮涂中的任意一种方式将微球分散液施加在所述柔性电极的相对面上，之后干燥，形成所述多相介电材料；优选的，所述微球分散液的浓度为0.25wt％～5wt％；优选的，所述微球分散液还包含柔性聚合物。

进一步的，所述制法还包括：以柔性封装层将所述微球介电层封装于两个柔性电极之间；优选的，所述制法还包括：以柔性封装材料涂覆相互配合的两个柔性衬底周缘部或者两个柔性电极周缘部并形成柔性封装层，从而在两个柔性衬底之间或者两个柔性电极之间围合形成一封装空间，并使所述多相介电层分布于所述封装空间内；优选的，所述柔性封装层、柔性电极、多相介电层及柔性衬底形成一体结构。

与现有技术相比，本发明的优点包括：

(1)本发明提供的具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器具有轻薄、柔软等特点，可以被加工成多种形状，具有可穿戴、可贴附的优点；

(2)提供的具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器以多相材料为介电层，在施加的压力的同时，实现微球的自由运动，介电层厚度d减小时，极板面积S和介电常数ε增大，从而达到对压力较高灵敏度的响应，同时还具有高精度、高可靠性、长寿命等优点。

附图说明

图1是本发明一典型实施方案中一种具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器的结构示意图；

图2是本发明一典型实施方案中具有倒金字塔微结构的柔性衬底的电镜图；

图3是本发明一典型实施方案中空气-微球双相介电层的电镜图；

图4是本发明一典型实施方案中一种具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器对不同压力响应-恢复曲线图；

附图标记说明：1-柔性衬底；11-第二表面；12-第一表面；2-柔性电极；3-多相介电层；4-引线；5-倒金字塔微结构。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

本发明提供了一种具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器，包括：

彼此相对设置的两个柔性电极，所述两个柔性电极彼此相对的两个相对面中的至少一个上具有由复数个凸起部和/或凹下部形成的微结构；

以及，多相介电层，分布于所述两个柔性电极之间，所述多相介电层包括由复数个可自由移动的微球聚集形成的微球介电层以及填充所述微球介电层内孔隙的空气和/或柔性聚合物。

进一步的，所述柔性电极覆设在柔性衬底表面，并且至少一个所述柔性衬底的一侧表面具有由复数个凸起部和/或凹下部形成的微结构；优选的，所述柔性电极共形沉积在相应柔性衬底的相应表面；优选的，所述柔性衬底的厚度为20～100μm；优选的，所述柔性衬底的材质包括乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺和聚乙烯中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

进一步的，所述柔性电极上的微结构包括复数个倒金字塔型凹下部；优选的，所述倒金字塔型凹下部的底面长度为10～50μm，底面宽度为10～50μm，高度为7.06～35.31μm；优选的，所述微球介电层中的至少部分微球分布于形成在所述柔性电极相对面的倒金字塔型凹下部内。

进一步的，所述传感器还包括柔性封装层，所述柔性封装层至少用于将所述微球介电层封装于两个柔性电极之间；优选的，所述柔性封装层形成于相互配合的两个柔性衬底周缘部或者两个柔性电极周缘部，并在两个柔性衬底之间或者两个柔性电极之间围合形成一封装空间，所述多相介电层分布于所述封装空间内；优选的，所述柔性封装层、柔性电极、多相介电层及柔性衬底形成一体结构；优选的，所述柔性封装层的厚度为10～20μm；优选的，所述柔性封装层的材料包括二甲基硅氧烷、聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

进一步的，所述多相介电层的厚度为3～12μm；和/或，组成所述微球介电层的微球随机堆积在所述柔性电极上；和/或，所述微球包括聚苯乙烯微球、二氧化硅微球、聚二甲基硅氧烷微球、钛酸钡微球、钛酸钡/聚苯乙烯核壳微球、钛酸钡/二氧化硅核壳微球、钛酸钡/聚二甲基硅氧烷核壳微球中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此；和/或，所述微球的直径为500nm～50μm；和/或，所述柔性聚合物包括聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

进一步的，所述柔性电极的材质包括碳纳米管、银纳米线、金纳米颗粒中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此；优选的，所述柔性电极还与引线电连接；优选的，所述引线包括导电无纺布、铜箔、漆包线和带有压敏胶粘剂的扁平铜箔胶带中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

进一步的，所述具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器的厚度为50～200μm。

本发明还提供了一种上述具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器的制法，包括：

提供两个柔性电极，至少一个所述柔性电极的所述相对面上具有由复数个凸起部和/或凹下部形成的微结构；

在至少一个所述柔性电极的所述相对面上覆设多相介电材料，所述多相介电材料包括随机堆积的复数个微球以及填充于该复数个微球之间的空气和/或柔性聚合物；

将两个柔性电极结合，使多相介电材料在两个柔性电极之间形成多相介电层。

进一步的，所述制法还包括：

提供与所述两个柔性电极相应的柔性衬底，至少一个所述柔性衬底与所述柔性电极相应的表面上具有由复数个凸起部和/或凹下部形成的微结构；

在所述柔性衬底的相应表面覆设所述柔性电极，以使至少一个所述柔性电极的所述相对面上形成所述微结构。

进一步的，所述制法还包括：提供带有倒金字塔微结构的模板，并通过二次覆形获得表面具有由复数个倒金字塔型凹下部组成的微结构的柔性衬底。

进一步的，所述制法还包括：至少通过喷涂、打印、热蒸发中的任意一种方式在所述柔性衬底相应表面沉积形成所述柔性电极。

进一步的，所述制法还包括：至少通过粘贴、印刷、物理切割中的任意一种方式从所述柔性电极表面引出引线。

进一步的，所述制法还包括：至少通过旋涂、滴涂、喷涂、刮涂中的任意一种方式在所述柔性电极的相对面上堆积多相介电材料。

进一步的，所述制法具体包括：至少通过旋涂、滴涂、喷涂、刮涂中的任意一种方式将微球分散液施加在所述柔性电极的相对面上，之后干燥，形成所述多相介电材料；优选的，所述微球分散液的浓度为0.25wt％～5wt％；优选的，所述微球分散液还包含柔性聚合物。

在一些较为具体实施方案中，所述微球分散液的制备方法包括将微球分散在溶剂中，并在100W的功率下超声分散20min，得到微球分散液；优选的，所述溶剂包括乙醇。

进一步的，所述制法还包括：以柔性封装层将所述微球介电层封装于两个柔性电极之间；优选的，所述制法还包括：以柔性封装材料涂覆相互配合的两个柔性衬底周缘部或者两个柔性电极周缘部并形成柔性封装层，从而在两个柔性衬底之间或者两个柔性电极之间围合形成一封装空间，并使所述多相介电层分布于所述封装空间内；优选的，所述柔性封装层、柔性电极、多相介电层及柔性衬底形成一体结构。

请参阅图1，在一些较为具体的实施方案中，所述具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器，包括：

两个柔性衬底1，每个所述柔性衬底1具有相背对设置的第一表面12和第二表面11；

两个柔性电极2，分别设置于所述柔性衬底1的第一表面12，且每个柔性电极也具有相背对设置的第一表面和第二表面，所述柔性电极的第二表面与柔性衬底的第一表面12接触；其中至少一个所述柔性电极2的第一表面具有由复数个倒金字塔微结构5，且两个柔性电极的第一表面相对设置；以及，多相介电层3，分布于所述的两个柔性电极2之间，所述多相介电层3包括由复数个可自由移动的微球聚集形成的微球介电层以及填充所述微球介电层内的孔隙的空气和/或柔性聚合物。

在一些较为具体的实施方案中，所述多相介电层包括空气/聚二甲基硅氧烷/聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚乙烯-聚苯乙烯(PS)微球、空气/聚二甲基硅氧烷/聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚乙烯-二氧化硅微球、空气/聚二甲基硅氧烷/聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚乙烯-聚二甲基硅氧烷(PDMS)微球、空气/聚二甲基硅氧烷/聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚乙烯-钛酸钡微球、空气/聚二甲基硅氧烷/聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚乙烯-钛酸钡/聚苯乙烯(PS)核壳微球、空气/聚二甲基硅氧烷/聚对苯二甲酸乙二醇酯/聚乙烯-钛酸钡/二氧化硅核壳微球、空气-钛酸钡/聚二甲基硅氧烷(PDMS)核壳微球中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

为了实现传感器的柔性与高灵敏度，我们选择电容式结构，制备具有倒金字塔微结构的柔性衬底，以空气-微球为介电层，利用柔性衬底倒金字塔微结构增加上下两柔性电极的表面积，通过在其表面包覆具有更高介电常数的材料来提高介电常数，进而提高器件灵敏度，降低测量的最小压力。通过控制柔性衬底厚度来实现超薄厚度器件，整个器件轻小灵巧有具有方便的优点。

在本发明的一些较为具体的实施方案中涉及的一种具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器的结构可如图1所示，而其制备工艺可以包括：提供上下两个具有倒金字塔微结构的柔性衬底，所述柔性纳米电极通过热蒸发、打印、喷涂的方式置于所述具有倒金字塔微结构的柔性衬底的第一表面，形成电极，并引出引线；将至少两个柔性电极分别与所述多相介电层电性接触，并使该至少两个柔性电极间隔设置；在一些较为具体的实施方案中，将两个覆盖有空气-微球两相介电层的柔性衬底面对面叠加，获得所述具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器。其中所述具有倒金字塔微结构的柔性衬底的制备方法包括：以具有倒金字塔微结构的硅片为模板，经过二次覆形得到具有与硅片模板相同微结构的柔性衬底。

制备具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器具体的讲，本发明的该具体实施方案包括如下步骤：

S1、具有微结构的柔性衬底的制备，具体包括：对硅片模板进行清洗和干燥；通过二次覆形得到具有倒金字塔微结构的柔性衬底；

S2、对单壁碳纳米管进行退火、纯化和超声分散，制备SWNTs/DMF(N，N-二甲基甲酰胺)溶液，将得到的SWNTs/DMF溶液通过喷涂的方式置于所述柔性衬底上，形成柔性电极，并分别引出引线；

S3、在步骤S2中制得的柔性电极上喷涂聚苯乙烯(PS)微球/乙醇溶液，然后通过烘干、自然晾干等方式去除乙醇溶剂，进而形成空气-聚苯乙烯(PS)微球两相介电层，且所述聚苯乙烯微球的直径为500nm，且空气-微球两相介电层的厚度为3-12μm，可参阅图3所示；

S4、将上下两片结构完全一致的柔性衬底第一表面对面叠加；

S5、在所述柔性衬底的第一表面边缘和所述柔性电极的局部表面涂覆生物相容性材料而形成柔性封装层，并使所述柔性封装层、柔性电极、多相介电层及柔性衬底形成一体结构，制备具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器。

优选的，前述步骤S1中，聚二甲基硅氧烷预聚体与交联剂的质量比为10∶1，搅拌时间为20分钟，固化温度为70～120℃，固化时间为1～5小时，二次覆形得到的柔性衬底厚度为20-300μm；

优选的，前述步骤S2中SWNTs/DMF溶液浓度为0.05g/L，超声功率为150～400W，超声时间为1～3h；

优选的，前述步骤S1、S5中柔性衬底和柔性封装层1均具有良好的透气、透水及生物相容性；

优选的，前述步骤S3、S5中电极的材质也可如前文所述；

优选的，前述步骤S5中具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器可以贴敷在手指和皮肤上，用于检测各种手势和微小力。

本发明的一些具体实施方案中，介电层具有多相结构，实现在施加压力的同时，材料中空气-微球的存在，微球的自由的运动，介电层厚度d减小的同时，极板面积S和介电常数ε增大，从而达到对压力较高灵敏度的响应，所以具有较高的压力响应性能。

本发明的一些具体实施方案中，所采用的制备方法具有原料廉价、工艺简单、操作方便和适合大规模工业化生产的优点，特别是可以通过调节柔性衬底微结构的大小，介电层的种类和厚度、微球的直径来调控传感器的灵敏度，获得高精度、高可靠性、长寿命的电容式压力传感器，克服了现有电容式压力传感器单相介电层、稳定性和可靠性不好、灵敏度低、最低检测限高等缺陷。

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它附图。

实施例1

称取10g聚二甲基硅氧烷预聚体和1g交联剂，搅拌20min，除气泡，以硅片为模板，旋涂，固化，二次覆形得到具有倒金字塔的柔性衬底。

实施例2

在柔性衬底上喷涂0.05g/L的SWNTs/DMF溶液，在80-150℃下除去溶剂，得到柔性电极，并引出引线。在上述柔性衬底上喷涂PS/乙醇溶液，除去乙醇溶剂，得到厚度为3-12μm的空气-微球的多相介电层；将上下两片柔性衬底面对面叠加，并于柔性衬底边缘涂覆具有生物相容性的柔性封装层，制备具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器。结果表明微球间存在大量空气，有利于介电层中空气与微球两相的相互转化，从而达到介电常数的变化，以此提高传感器的灵敏度。在此基础上，通过在柔性衬底表面表面引出两条电极，及在柔性衬底边缘涂覆具有良好的生物相容性的材料(如硅胶)，形成封装层后使各部分融为一体，就组装得到一种具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器(参阅图1所示)。考察所组装电容式柔性传感器对压力响应性能，结果如图4所示，表明柔性器件对压力具有良好的响应性能。

实施例3

采用实施例1中的柔性衬底的制备方法制备微结构化的柔性衬底，通过热蒸发在柔性衬底上沉积一层金电极，并引出引线。在上述柔性衬底上喷涂PS/乙醇溶液，除去乙醇溶剂，得到厚度为3～12μm的空气-PS微球的两相介电层。将上下两片柔性衬底面对面叠加，并于柔性衬底边缘涂覆具有生物相容性的柔性封装层，制备具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器。

本实施例的传感器轻薄柔软，可以被加工成多种形状，具有可穿戴、可贴附的优点，能实现只对湿度具有较高灵敏度的单一性响应，且其制备方法具有原料廉价、工艺简单、易规模化的优点。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。