一种面向柔性电容传感器的多孔介电层结构的制备方法

本发明属于柔性传感器领域，涉及一种面向柔性电容传感器的多孔介电层结构的制备方法。

背景技术：

1、近年来，柔性压力传感器研究趋于成熟，在医疗健康，工业制造，机器人和体育等多个领域进行应用，随着这些领域的深入研究，柔性压力传感器越来越难以满足需求，尤其是高灵敏度。对于进一步提高柔性压力传感器的灵敏度是国内外研究学者的研究重点。根据压力传感器的工作机制，可以将其大致分为以下四类：电容式、压阻式、压电式、摩擦电式。电容式压力传感器因其制造过程简单、成本低、信号处理简单、灵敏度高、迟滞小、动态性能好、对湿度和温度敏感性低、既能够检测静态力也能够检测动态力而被广泛应用。

2、如今为进一步提高柔性电容传感器的性能，研究工作者主要从介电层的结构制备方法上进行研究，简化制备方法，增强介电层的压缩性，达到提升传感器灵敏度的目的。由于介电层的制备材料通常是弹性体材料，其具有杨氏模量高的特点，引入的介电层结构，可降低介电层压缩模量实现灵敏度的提升，首先制备介电层结构常用倒模法，例如微金字塔，微凸，微圆顶，微柱等。这种可以诱导出介电层的结构，通常微结构在介电层的表面，其在外部压力的刺激下容易变形，从而提高灵敏度。

3、倒模法制备的介电层结构存在两个问题，第一对于制备高深宽比的介电层结构极为困难，翻制模板过程中存在材料和有机溶剂具有溶胀特性(例如pdm s与丙酮有机溶剂)，在脱模时存在介电层结构断裂并残留在硬模板中的现象，影响介电层的表面结构质量，对后续模板清洁也造成困难。第二倒模法需要定制介电层结构的模板，模板尺寸小，制备成本高，不便于大批量生产，部分采用植物的叶片为倒模模板制备介电层结构，因叶片易变形的影响，导致介电层结构的质量难以保障，不利于大批量生产。

4、本发明针对以上传感器的介电层结构制备普遍存在的问题，提出一种新的制备介电层结构的方法。制备电容传感器介电层结构的核心分为两部分，其一选用合适目数的商用砂纸和真空负压值，确保该条件下介电层薄膜具备丰富多孔结构。其二通过pdms中掺杂不同浓度的增强介电性材料cnt控制介电层的介电常数(pdms与cnt的混合溶液简称cpdms),通过设置匀胶机旋涂的转速，砂纸上的cpdms在离心力的作用下，可以控制介电层薄膜的厚度，优化传感器的灵敏度。

技术实现思路

1、本发明目的在于提供一种能够制备多孔介电层薄膜结构的方法，提出一种简单可靠的方法制备介电层结构。

2、为了达到上述目的，该发明的技术方案如下：

3、本发明以砂纸为基底利用真空负压的条件，在砂纸上旋涂cpdms混合溶液,砂纸粗糙表面与cpdms混合溶液的界面处含有丰富的气隙，该气隙对于介电层薄膜中孔隙的形成起着至关重要的作用，介电层薄膜样品移入预热到一定温度的真空干燥箱中，在泵送适当的气压下，气隙保持在介电层薄膜结构中，成功将气隙引入介电层薄膜内部，介电层薄膜不仅表面形成砂纸微结构，内部也形成多孔介电层结构，保证了介电层具有高压缩性，提供了一种低成本、易制备、高可靠性的多孔介电层结构制备方法。

4、本发明提供一种高灵敏的柔性电容传感器，整体结构如图1所示，从上到下分别是上铝箔电极板、多孔介电层、下铝箔电极板，通过改变介电层的压缩模量和介电常数，以实现传感器的宽范围和高灵敏度。

5、上述技术方法中，多孔介电层结构的制备，采用增强介电性的材料为cnt(碳纳米管)，弹性体基体材料选择为pdms(聚二甲基硅氧烷)。

6、上述的多孔介电层结构的制备方法，包括以下步骤：

7、a.量取25-35ml正己烷置于烧杯中，加入2-5g的pdms主剂，磁力搅拌10min得到混合溶液1。

8、b.按照0.3％的质量浓度，计算称取增强介电性材料cnt，加入到混合溶液1中，将混合溶液1在64w下超声处理20min，以获得含增强介电性材料cnt分散均匀的混合溶液2。

9、c.将含有混合溶液2的烧杯放入通风橱的热板上，加热磁力搅拌，直至有机溶剂正己烷完全挥发。

10、d.按质量比pdms和固化剂10：1，加入固化剂磁力搅拌10min使混合均匀得到混合溶液3。

11、e.选择100目的砂纸，首先酒精清洗砂纸表面,将含酒精的砂纸放在热板上干燥处理，然后在清洗干燥后的砂纸表面喷涂氟硅烷溶液(氟硅烷溶液由三氯硅烷与异丙醇按照体积比1：100混合组成),最后将喷涂氟硅烷的砂纸放在热板上，完成对砂纸表面预处理。

12、f.裁剪4cm×4cm尺寸的砂纸，根据匀胶机运行的不同转速，控制样品薄膜的厚度。

13、g.将制备一定厚度的样品薄膜放入预加热80℃的真空干燥箱中，气泵抽气提供-70～-100kpa的压强。如图2(a)所示的旋涂结构(命名为sps)：将样品薄膜放入预加热80℃的真空干燥箱中，保持-70kpa恒压直至样品薄膜出现丰富气泡，然后恒温恒压2h。如图2(b)所示无结构(命名为nps)：将样品薄膜放入预加热80℃的真空干燥箱中，保持-100kpa恒压样品薄膜与砂纸界面处的气泡完全消失，然后保持恒温恒压时间2h。

14、h.待样品薄膜固化后，取出样品薄膜常温冷却，脱膜处理，裁剪1cm×1cm的尺寸，得到介电层薄膜,使用pi胶带分别将sps和nps结构的介电层薄膜封装在上下铝箔电极板之间，用导电银浆将导线固定在上下铝箔电极板两侧，获得电容传感器。

15、本发明采用铝箔作为电极，创新性的使用真空负压无模板法制备出sps薄膜，因其表面和内部具有丰富微结构、高压缩性、高孔隙率等优异性能，sps薄膜适用于电容传感器的介电层。如下图2(a)(b)所示，图2(a)是创新性的真空负压无模板制备多孔介电层结构的方法,对于sps结构薄膜，由于cpdms与砂纸界面存在气隙，在真空-70kpa条件下，大量气泡在薄膜内部形成，薄膜内部具有丰富的气孔和表面砂纸微结构，图2(b)为传统工艺的制膜方法，对于nps结构薄膜，在-100kpa负压条件下，将cpdms与砂纸界面存在的气隙完全排除，薄膜仅表面含有砂纸微结构，由于cpdms弹性体材料模量大，主要靠薄膜表面的微结构变形提高压缩性，因此nps结构薄膜仅表面具有微结构内部无气孔，压缩性差，从传感器性能的角度nps结构薄膜难以适用于传感器的介电层。两种不同制备介电层薄膜结构的方法，对pdms中不掺杂有增强介电性材料cnt薄膜的表征，如图所示图3(a)、(d)分别表示sps和nps结构薄膜的数码图片，图3(b)、(e)分别表示sps和nps结构薄膜的sem截面图，图3(c)、(f)分别表示sps和nps结构薄膜的sem表面图。综上因传统的制膜方法以砂纸为模板制备的薄膜仅表面含有砂纸微结构，内部无气孔，而新的制备薄膜方法sps结构薄膜的数码图片(a)相较于nps结构薄膜的数码图片(b)有着丰富的表面气孔，sps结构薄膜的sem截面图(b)相较于nps结构薄膜的图(e)内部含有大量的气孔，sps和nps结构薄膜的sem表面图(c)、(f)均含有丰富的砂纸表面微结构。因sps结构薄膜含有丰富的表面和内部多孔结构即该薄膜具有良好的压缩性，而nps结构薄膜的压缩性主要由砂纸表面微结构倒模出的结构变形所提供。如下图4所示，分别对两种不同工艺制备的sps和nps结构薄膜进行应力-应变测试，经测试表现出在压力的作用下sps比nps结构薄膜有更好的压缩性，sps薄膜结构更适用于电容传感器的介电层。通过介电层掺杂不同cnt浓度调控介电常数如下图5所示，为分别用0％sps、0％nps、0.3％sps、0.3％nps结构薄膜用作介电层封装测试，图5(a)、(b)分别为传感器在压力作用下的绝对电容和相对相容，经数据分析0％sps、0％nps、0.3％sps、0.3％nps在0-5kpa范围灵敏度分别为0.0368kpa-1、0.0151kpa-1、0.6144kpa-1、0.3641kpa-1，在5-40kpa范围灵敏度分别为0.0129kpa-1、0.0039kpa-1、0.2973kpa-1、0.1832kpa-1，综上分析新的制膜方法，0.3％sps薄膜作为介电层对传感器的灵敏度提升显著。

16、与现有技术相比，本发明具有的突破体现在如下两方面:

17、第一：工艺角度

18、本发明以砂纸为基底，无需其他模板即可制备出具有丰富多孔结构的介电层薄膜。传统工艺制备介电层结构需要定制模板，主要是引入微结构降低介电层的压缩模量，以实现灵敏度的提升。与传统制备工艺相比，本发明制备仅需砂纸为基底、真空负压吸附，具有简单易制备、多孔介电层结构稳定等优点。

19、第二：结构角度

20、对于介电层微结构制备，我们提出一种以砂纸为基底，将气隙引入微观结构，在真空负压条件下形成的介电层薄膜内部不仅具有丰富的多孔微结构而且表面具有砂纸微结构。介电层微结构薄膜制备的方法对比：如图2(a)所示为本发明采用的真空负压无模板法，如图2(b)所示为传统的制备介电层微结构薄膜的方法，该方法制备的薄膜仅表面具有微结构。如下图4所示为本发明工艺制备的薄膜和传统工艺制备的薄膜应力-应变图的测试，展现出了薄膜结构优异的压缩性。

21、分别用本发明的真空负压无模板法和传统制备工艺法制备介电层薄膜，所作出的介电层薄膜进行封装测试，图5所示传感器在0-40kpa范围下，0.3％sps结构介电层相较于0.3％nps介电层有着更为低的初始电容，更高的灵敏度表现性能优异。