一种变电极长度的柔性电容应变传感器及其制备方法

本发明属于柔性应变传感器和柔性可穿戴电子学，具体涉及一种变电极长度的柔性电容应变传感器及其制备方法。

背景技术：

1、柔性电容应变传感器在运动、呼吸、脉搏等人体生理体征监测和人机交互领域具有广阔的应用前景，其响应线性度和灵敏度是极其重要的性能指标。当柔性电容应变传感器的响应为线性时，后端信号处理容易，测试误差小。而非线性响应会导致后端信号处理变得复杂，且可能增大检测误差。此外，提升柔性电容应变传感器的灵敏度可提高应变检测的精度。

2、目前的柔性电容应变传感器主要利用应变导致的电极间距d改变，实现应变感知。

3、专利cn 113587803 a公布了一种电容式聚合物应变传感器、制备方法及应用。通过2-氰基乙基三乙氧基硅烷对tio2进行修饰，得到cn-tio2，将其掺杂在pvdf-hfp（聚偏氟乙烯-六氟丙烯）聚合物中，制得高介电常数的复合膜。在复合膜的两侧涂覆硅胶电极，得到大量程、高灵敏度和高分辨率的电容式聚合物应变传感器。但是，该传感器对应变的响应为非线性。专利cn 116147671 a公布了一种大应变线形双螺旋结构柔性电容传感器及其制备方法。利用水浴静电纺丝技术在导电纱线表面包缠纳米纤维形成纳米纤维包芯纱，然后将两根纳米纤维包芯纱并排双螺旋状缠绕在橡筋上，导电纱线作为电容器的极板，纳米纤维层作为绝缘的介电层，形成线形一维结构的电容器，因橡筋或弹性长丝具有很大的变形能力，可以很容易通过拉伸改变长度，从而改变纳米纤维包芯纱之间的距离，即电容器的电极间距d，达到改变电容的目的，传感器表现出较好的应变-电容传感性能。由于电极间距d在电容理论公式c=εs/d中处于分母部分，电容值c随电极间距d的增大逐渐减小，因此导致电容响应非线性。其中，s表示电极正对面积；ε表示电极间电介质的介电常数。除此之外，采用变电极间距d的方法构建的传感器灵敏度较低。

4、因此，如何提升柔性电容应变传感器的线性度和灵敏度成为亟待解决的问题。

技术实现思路

1、本发明目的在于针对上述现有技术中的问题，另辟蹊径地提出一种变电极长度的柔性电容应变传感器及其制备方法，通过拉伸电极改变电极正对面积s，获得宽线性范围电容响应的柔性电容应变传感器，并具有高灵敏度。

2、本发明所采用的技术方案如下：

3、一种变电极长度的柔性电容应变传感器，包括可拉伸电介质、两个可拉伸电极和两个信号引线；两个可拉伸电极相平行的埋入可拉伸电介质内部，两个信号引线分别与对应的可拉伸电极相连，并引出至可拉伸电介质外部；以两个可拉伸电极的平行设置方向为拉伸应变方向，对柔性电容应变传感器施加拉伸应变，导致两个可拉伸电极之间的电极正对面积s增大，实现线性的电容应变传感。

4、进一步地，所述可拉伸电极为包覆有导电材料的弹力线。

5、进一步地，所述导电材料为碳纳米管、石墨烯、银纳米线中的一种。

6、进一步地，两个可拉伸电极相对设置，使电极正对面积s最大。

7、进一步地，两个可拉伸电极之间的间距为5~10 mm。

8、进一步地，所述可拉伸电介质的主剂为聚二甲基硅氧烷（pdms）、脂肪族芳香族共聚酯（ecoflex）、pdms-钛酸钡复合材料、ecoflex-钛酸钡复合材料中的一种。

9、进一步地，所述信号引线用于为柔性电容应变传感器提供电源，并将柔性电容应变传感器产生的电容信号引出。

10、进一步地，所述信号引线为铜线。

11、所述变电极长度的柔性电容应变传感器的制备方法，包括以下步骤：

12、步骤1、将两根弹力线浸泡于导电材料的分散液中，经超声、干燥后，得到两个包覆有导电材料的弹力线，作为可拉伸电极；

13、步骤2、配置由主剂和固化剂混合而成的电介质预聚物，倒入模具中；

14、步骤3、将两个包覆有导电材料的弹力线相平行的埋入模具内的电介质预聚物中，并将两个信号引线的一端分别固定在对应包覆有导电材料的弹力线的一端，另一端放置在模具外部，放置在50℃~70℃的环境中，直至电介质预聚物固化为可拉伸电介质，从模具中取出，得到变电极长度的柔性电容应变传感器。

15、进一步地，所述主剂与固化剂的质量比为（1~10）：1等。

16、进一步地，所述模具的长度为5~20 mm，宽度为10~50 mm；其中，宽度方向为两个可拉伸电极的平行设置方向。

17、本发明提出的变电极长度的柔性电容应变传感器的工作原理为：

18、通过信号引线为柔性电容应变传感器供电，在两个可拉伸电极之间形成电场，使两个可拉伸电极与之间的可拉伸电介质共同构成电容器；沿两个可拉伸电极的平行设置方向，对柔性电容应变传感器施加拉伸应变，两个可拉伸电极被拉伸，导致电极正对面积s增大；根据电容理论公式c=εs/d，可知电容值c随电极正对面积s的增大而线性增大，进而实现宽线性范围的电容应变传感。

19、本发明的有益效果为：

20、本发明提出了一种变电极长度的柔性电容应变传感器及其制备方法，通过拉伸两个可拉伸电极，增大电极正对面积s，进而获得宽线性范围的电容响应，解决变极板间距电容应变传感器的响应非线性问题，降低后端信号处理复杂度，并提升探测灵敏度。

技术特征：

1.一种变电极长度的柔性电容应变传感器，其特征在于，包括可拉伸电介质、两个可拉伸电极和两个信号引线；两个可拉伸电极相平行的埋入可拉伸电介质内部，两个信号引线分别与对应的可拉伸电极相连，并引出至可拉伸电介质外部；以两个可拉伸电极的平行设置方向为拉伸应变方向，对柔性电容应变传感器施加拉伸应变。

2.根据权利要求1所述变电极长度的柔性电容应变传感器，其特征在于，所述可拉伸电极为包覆有导电材料的弹力线。

3.根据权利要求2所述变电极长度的柔性电容应变传感器，其特征在于，所述导电材料为碳纳米管、石墨烯、银纳米线中的一种。

4.根据权利要求1所述变电极长度的柔性电容应变传感器，其特征在于，两个可拉伸电极相对设置，使电极正对面积s最大。

5. 根据权利要求1所述变电极长度的柔性电容应变传感器，其特征在于，两个可拉伸电极之间的间距为5~10 mm。

6.根据权利要求1所述变电极长度的柔性电容应变传感器，其特征在于，所述可拉伸电介质的主剂为pdms、ecoflex、pdms-钛酸钡复合材料、ecoflex-钛酸钡复合材料中的一种。

7.根据权利要求1所述变电极长度的柔性电容应变传感器，其特征在于，所述信号引线用于为柔性电容应变传感器提供电源，并将柔性电容应变传感器产生的电容信号引出。

8.一种变电极长度的柔性电容应变传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

技术总结
本发明公开的一种变电极长度的柔性电容应变传感器及其制备方法，属于柔性应变传感器和柔性可穿戴电子学技术领域，具体包括可拉伸电介质、两个可拉伸电极和两个信号引线；两个可拉伸电极相平行的埋入可拉伸电介质内部，两个信号引线分别与对应的可拉伸电极相连，并引出至可拉伸电介质外部；以两个可拉伸电极的平行设置方向为拉伸应变方向，对柔性电容应变传感器施加拉伸应变，导致两个可拉伸电极之间的电极正对面积s增大，实现线性的电容应变传感，解决变极板间距电容应变传感器的响应非线性问题，降低后端信号处理复杂度，并提升探测灵敏度。

技术研发人员：段再华,黄琦,王朝,郭劲宏,太惠玲,蒋亚东,袁震
受保护的技术使用者：电子科技大学
技术研发日：
技术公布日：2024/3/21