一种高灵敏度柔性电容式压力传感器及其制备方法、应用与流程

本发明涉及传感器，尤其涉及一种高灵敏度柔性电容式压力传感器及其制备方法、应用。

背景技术：

1、随着医疗技术的不断进步和柔性电子领域的蓬勃发展，可穿戴柔性电子设备的市场需求不断增长，传感器是这些柔性电子设备的重要组成部分。柔性压力传感器具有适形性好，轻薄便携等特点。基于柔性压力传感器的医疗可穿戴设备可以集成到衣服、配件或直接贴敷于皮肤表面，动态收集人体生理信息，用于反馈判断人体的健康状况；同时柔性压力传感器可根据使用场景任意贴附于不规则的三维物体表面进行信号检测，如贴敷于喉咙处监测声带的振动，贴在手腕处实现脉搏监测，贴敷在人体腹部对人体呼吸强度和频率进行监测等。

2、按敏感原理来分，柔性压力传感器分为压阻式、电容式、压电式传感器等，其中柔性电容式压力传感器一般检测限较高、结构简单和功耗低，是柔性压力传感器的主要类型之一。电学性能优异的柔性压力传感器主要包括高性能柔性基底电极和敏感材料和特殊的结构，目前，在敏感层或柔性电极上制作微结构是提高传感器性能的关键手段，如金子塔结构、柱状结构，小球互锁结构，海绵状多孔结构，纳米纤维结构等，多采用激光刻蚀、静电纺丝、溶胶-凝胶等方法制备，工艺复杂、设备昂贵且耗能较高；另外，绝大部分柔性压力传感器灵敏度不高，测量范围窄，对微弱生理信号无法识别。例如中国发明专利申请201710717484.5公开了一种电容式柔性压力传感器及其制备方法，利用静电纺丝得到具有微纳结构的纳米纤维膜，但是该方法仍然存在制备工艺复杂、成本较高的问题。

3、因此，需要提供一种工艺简单、成本低廉、灵敏度高的压力传感器。

技术实现思路

1、本发明提供一种高灵敏度柔性电容式压力传感器，利用规则生物微纳结构，大大提高传感器的灵敏度。

2、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案是：

3、本发明第一方面提供一种电容式压力传感器，包括依次层叠设置的第一柔性薄膜层、第一电极层、介电层、第二电极层和第二柔性薄膜层，其中，

4、所述第二电极层和所述第二柔性薄膜层具有规则排布的仿生微纳结构。

5、在其中一些实施例中，所述第二电极层和所述第二柔性薄膜层以超疏水性生物材料为模板制备得到。

6、在其中一些实施例中，所述超疏水性生物材料包括蝉翼、荷叶、苍蝇复眼、蝴蝶翅膀中的一种。

7、在其中一些实施例中，所述第二电极层和所述第二柔性薄膜层采用通过如下方法制备得到：利用所述超疏水性生物材料制备获得具有规则排布的仿生微纳结构逆图案的模具，将所述模具浇注成模，得到所述第二柔性薄膜层；

8、所述第二电极层通过如下方法制备得到：将导电浆料涂布在所述第二柔性薄膜层表面，干燥后得到所述第二电极层。

9、在其中一些实施例中，所述介电层的材料为oca光学胶，所述介电层的厚度为25μm-170μm。所述第一柔性薄膜层和所述第二柔性薄膜层的材料为聚氨酯弹性体，所述第一柔性薄膜层的厚度为20μm-150μm，所述第二柔性薄膜层的厚度为20μm-150μm。具体地，聚氨酯弹性体包括水性聚氨酯、聚氨酯泡沫、热塑性聚氨酯弹性体橡胶中的一种；优选地，所述第一柔性薄膜层和所述第二柔性薄膜层的材料为热塑性聚氨酯弹性体橡胶。

10、在其中一些实施例中，所述第一电极层和所述第二电极层的导电材料包括银纳米线、铜纳米线、碳纳米管、石墨烯、氧化铟锡中的一种或几种，所述第一电极层的厚度为15μm-30μm，所述第二电极层的厚度为80nm-120nm。

11、第二方面，本发明提供上述电容式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

12、(1)在第一薄膜层上涂布导电浆料，干燥后得到第一电极层；

13、(2)将超疏水性生物材料清洗干燥后固定在载体上，在其表面浇注成模溶液，固化后剥离所述生物材料，得到具有规则排布的仿生微纳结构逆图案的模具；然后在所述模具上二次浇注所述成模溶液，固化后剥离所述模具，得到具有规则排布的仿生微纳结构的第二柔性薄膜层；

14、(3)将导电浆料涂布在具有生物微纳结构的第二柔性薄膜层表面，干燥后得到具有规则排布的仿生微纳结构的第二电极层；

15、(4)分别在第一电极层和第二电极层蚀刻导电图案，制备导电通路；

16、(5)在蚀刻有导电图案的第一电极层表面制备介电层；

17、(6)将形成有介电层的第一电极层与第二电极层进行压合，封装后得到所述传感器。

18、在其中一些实施例中，步骤(1)中，所述载体为硬质材料，例如玻璃、硅片、石英、铌酸锂等。

19、在其中一些实施例中，步骤(1)和步骤(3)中，所述导电浆料中导电材料的浓度为0.5-2.5g/l，干燥温度为60-100℃。

20、在其中一些实施例中，步骤(2)中，所述成模溶液通过有机溶剂溶解第二柔性薄膜层材料制得，所述有机溶剂选自丙酮、丁酮、乙酸乙酯、环己酮、n,n-二甲基甲酰胺、二氯甲烷中的一种。

21、第三方面，本发明还提供上述电容式压力传感器、根据上述方法制备的电容式压力传感器在制备医疗可穿戴设备中的应用。

22、与现有技术相比，本发明的有益效果是：

23、(1)本发明的电容式压力传感器，包括依次层叠设置的第一柔性薄膜层、第一电极层、介电层、第二电极层和第二柔性薄膜层，第二电极层和第二柔性薄膜层具有规则排布的仿生微纳结构。本发明通过设置微纳结构，大大拓宽了传感器感应压力时的形变范围，压力传感器的灵敏度大大提高；同时本发明的微纳结构为规则排布的仿生微纳结构，微纳结构在传感器平面内分布均匀，且微纳结构大小均匀，制得的传感器不同位置应变性能均衡，具有良好的稳定性和可重复性。

24、(2)本发明的电容式压力传感器，以oca光学胶作为介电层材料，贴合性好不易发生脱落，且制得的传感器的耐久性提高，同时利用oca光学胶胶体性质，增加介电层的形变，提高传感器的灵敏度；同时，本发明聚氨酯弹性体作为柔性基材，聚氨酯弹性体具有高弹性和高拉伸度，受到压力时易发生形变，能够进一步提高传感器的灵敏度。

25、(3)本发明的电容式压力传感器以生物材料为模板制备出具有微纳结构的第二柔性薄膜层和第二电极层，组转得到具有微纳结构的传感器，无需额外制作微纳结构模板，工艺简单且无需使用昂贵设备，成本大大降低，可实现大批量制备；制得的传感器灵敏度为1.00-3.25kpa-1，最小检测值小于30pa，响应时间低于80ms，可耐500次以上弯折，灵敏度高且稳定性好，适合应用于医疗可穿戴设备。

技术特征：

1.一种电容式压力传感器，其特征在于，包括依次层叠设置的第一柔性薄膜层、第一电极层、介电层、第二电极层和第二柔性薄膜层，其中，

2.根据权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述第二电极层和所述第二柔性薄膜层以超疏水性生物材料为模板制备得到。

3.根据权利要求2所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述超疏水性生物材料包括蝉翼、荷叶、苍蝇复眼、蝴蝶翅膀中的一种。

4.根据权利要求2所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述第二柔性薄膜层通过如下方法制备得到：利用所述超疏水性生物材料制备获得具有规则排布的仿生微纳结构逆图案的模具，将所述模具浇注成模，得到所述第二柔性薄膜层；

5.根据权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述介电层的材料为oca光学胶，所述介电层的厚度为25μm-170μm；所述第一柔性薄膜层和所述第二柔性薄膜层的材料为聚氨酯弹性体，所述第一柔性薄膜层的厚度为20μm-150μm，所述第二柔性薄膜层的厚度为20μm-150μm。

6.根据权利要求1所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述第一电极层和所述第二电极层的导电材料包括银纳米线、铜纳米线、碳纳米管、石墨烯、氧化铟锡中的一种或几种，所述第一电极层的厚度为15μm-30μm，所述第二电极层的厚度为80nm-120nm。

7.一种制备如权利要求1-6任一项所述的电容式压力传感器的方法，其特征在于，包括以下步骤：

8.根据权利要求7所述的制备压力传感器的方法，其特征在于，步骤(1)和步骤(3)中，所述导电浆料中导电材料的浓度为0.5-2.5g/l，干燥温度为60-100℃。

9.根据权利要求7所述的制备电容式压力传感器的方法，其特征在于，步骤(2)中，所述成模溶液通过有机溶剂溶解第二柔性薄膜层材料制得，所述有机溶剂选自丙酮、丁酮、乙酸乙酯、环己酮、n,n-二甲基甲酰胺、二氯甲烷中的一种。

10.权利要求1-6任一项所述的电容式压力传感器、根据权利要求7-9任一项所述方法制备的电容式压力传感器在制备医疗可穿戴设备中的应用。

技术总结
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种高灵敏度柔性电容式压力传感器及其制备方法、应用，所述高灵敏度柔性电容式压力传感器，包括依次层叠设置的第一柔性薄膜层、第一电极层、介电层、第二电极层和第二柔性薄膜层，其中，所述第二电极层和所述第二柔性薄膜层具有规则排布的仿生微纳结构。本发明通过设置微纳结构，大大拓宽了传感器感应压力时的形变范围，压力传感器的灵敏度大大提高；同时本发明的微纳结构为规则排布的仿生微纳结构，微纳结构在传感器平面内分布均匀，且微纳结构大小均匀，制得的传感器不同位置应变性能均衡，具有良好的稳定性和可重复性。

技术研发人员：叶晃青,曾西平,喻东旭,汪颖
受保护的技术使用者：深圳市华科创智技术有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/15