CN113074843A - 一种多功能平面电容式柔性传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔性传感器相关技术领域，其公开了一种多功能平面电容式柔性传感器及其制备方法，所述柔性传感器包括自上而下层叠设置的封装层、电极层、基底层及屏蔽层；所述电极层包括至少两个间隔设置的电极，且至少两个该电极相互嵌套设置；所述柔性传感器通过机械形变来测量压应变及拉应变，同时基于电容的边缘效应实现对外部导体的接近感应。本发明对柔性传感器的结构进行了研究及设计，使得所述柔性传感器可以同时实现压应力、拉应力及接近感应的多功能测量，且制备简单，成本较低。

Description

一种多功能平面电容式柔性传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于柔性传感器相关技术领域，更具体地，涉及一种多功能平面电容式柔性传感器及其制备方法。

背景技术

随着功能材料的革新和制造工艺的进步，柔性电子器件因其具有机械柔韧性、可拉伸性、便携性、设备可扩展性以及生物相容性等诸多性能成为现代电子***发展的新型研究方向，并为从仿生设备到软体机器人等各个领域内电子设备的研发提供了巨大的价值。在诸多柔性电子器件的实际应用过程中，柔性传感器均占据着极其重要的地位。在诸多不同类型的柔性传感器中，电容式柔性传感器具有结构简单、信号易采集、温度稳定性好、易于集成等优点，应用较为广泛。

电容式柔性传感器兼具柔性与传感两大主要功能，目前的柔性电容式传感器常见为平行板式，该传感器通常由两块平行极板组成，其中上极板的下表面与下极板的上表面之间常使用诸如PDMS预聚体、Ecoflex、水凝胶等高分子介电材料隔开。当外界压力作用于极板表面时，会挤压极板之间的介电材料并减小平行极板之间的间隙，从而使得极间电容发生相应的变化。

但是，在平行板式柔性电容式传感器的设计及制备方面仍旧存在功能单一、结构设计欠佳、灵敏度骤降、制备工艺复杂、制备成本昂贵等问题，因此，发展一种新型结构式、制备工艺低廉、柔性多功能的电容式传感器具有非常重要的意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多功能平面电容式柔性传感器及其制备方法，本发明对柔性传感器的结构进行了研究及设计，使得所述柔性传感器可以同时实现压应力、拉应力及接近感应的多功能测量，且制备简单，成本较低。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多功能平面电容式柔性传感器，所述柔性传感器包括自上而下层叠设置的封装层、电极层、基底层及屏蔽层；所述电极层包括至少两个间隔设置的电极，且至少两个该电极相互嵌套设置；

所述柔性传感器通过机械形变来测量压应变及拉应变，同时基于电容的边缘效应实现对外部导体的接近感应。

进一步地，相邻电极之间形成有电极间隔；所述封装层朝向所述电极层的表面形成有凸起，所述凸起收容于所述电极间隔内。

进一步地，所述凸起的形状及位置分别与所述电极间隔的形状及位置相对应。

进一步地，所述电极层为回字型、早字型、圆盘型、矩形螺旋型、圆形叉指型或者矩形叉指型。

进一步地，所述电极层为矩形叉指型，其包括左叉指电极及右叉指电极，所述左叉指电极与所述右叉指电极之间形成的电极间距是一致的。

进一步地，所述电极层的材料为石墨烯；所述屏蔽层的材料为镓铟合金与PDMS预聚体的混合体；所述基底层的材料为PDMS预聚体；所述封装层的材料为PDMS预聚体。

进一步地，所述柔性传感器的总长度为20mm，所述屏蔽层的厚度为0.1mm，所述基底层的厚度为0.3mm～0.5mm，所述电极层的厚度为0.1mm～0.2mm，所述电极的长度为9mm，所述电极的宽度为1mm，所述封装层的厚度为0.5mm。

进一步地，外部导***于所述封装层上方时，所述外部导体作为所述柔性传感器的第三个电极耦合进入所述柔性传感器原有的空间电场，继而直接改变所述柔性传感器周围的电场或者周围环境的相对介电系数而引起所述柔性传感器的极间电容的变化，通过测量极间电容的变化来反映外界环境的变化。

按照本发明的另一方面，提供了一种如上所述的多功能平面电容式柔性传感器的制备方法，所述制备方法包括以下步骤：首先，在所述基底层上制备电极层涂层，并对所述电极层涂层进行切割以得到间隔设置的所述电极，由此得到所述电极层；接着，在所述基底层远离所述电极层的一侧及所述电极层上分别制备屏蔽层及封装层。

进一步地，所述制备方法包括以下子步骤：

(1)将PDMS预聚体均匀涂覆在硬质基底上并加热固化，以得到PDMS预聚体薄膜，即所述基底层；

(2)采用热层压法转移石墨烯至所述基底层的一侧，并采用电子切割方式对石墨烯涂层进行切割以得到电极，由此得到电极层；

(3)将液态金属镓铟合金与PDMS预聚体的混合体均匀涂覆在所述基底层的另一侧，并加热固化以得到屏蔽层；

(4)在所述电极层上均匀涂覆PDMS预聚体并加热固化，以得到封装层，由此得到所述柔性传感器。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，本发明提供的多功能平面电容式柔性传感器及其制备方法主要具有以下有益效果：

1.所述电极层包括至少两个间隔设置的电极，且至少两个该电极相互嵌套设置，由此使得所述柔性传感器通过机械形变来测量压应变及拉应变，同时基于电容的边缘效应实现对外界导体的接近感应，进而实现所述传感器的多功能传感。

2.在柔性平面电容式压力传感器的工作场景中，不论是用来检测来自外界的拉压应力，还是用来感受外部导体的接近状态，其传感特性均取决于电极层上方空间局域内的电场分布状态。为传感器设计屏蔽层，既可以防止外界电磁干扰，又可使电场场能集中在工作面的空间区域内，在减少非重点传感的同时更是增加了计算的准确度。

3.相邻电极之间形成有电极间隔；所述封装层朝向所述电极层的表面形成有凸起，所述凸起收容于所述电极间隔内，由此保证了电极之间间隔设置，进而保证了所述传感器能够实现多功能测量。

4.所述电极层采用矩形叉指结构的石墨烯材料，矩形叉指结构的电极层可以保证敏感场分布最为均匀，能够实现高灵敏度传感；石墨烯材料可以保证电极层的高电导率与高拉伸性能。

5.本发明通过研究对所述柔性传感器的结构参数进行了设计，如综合考量柔性传感器的整体厚度不应太厚，故而屏蔽层的厚度优选为0.1mm，当屏蔽层接地时，一部分电场线由电极层指向了屏蔽层，由此实现电场场能在电极层上方空间区域的集中；如果基底层过厚，则电极层与屏蔽层之间的距离过大，场能集中效果不佳；如果基底层过薄，则在制备基底层时将其从硬质基底上剥离的难度较大，综合考虑上述方面及传感器整体厚度限制，故而基底层的厚度优选为0.3～0.5mm；电极层的设置对传感器输出性能的影响最大，在相同的测试拉压应力以及接近距离内，电极层厚度越大，传感器的输出性能越好，但电极层厚度过大，传感器在发生形变时电极层的导电性能会不稳定，同时带来的横向电容效应增大，电场场能的集中效果不明显，进而影响传感器的使用寿命，因此电极层的厚度一般均设置为略低于基底层厚度；此外，传感器电极层的材料较为昂贵，电极层的厚度过大会大大增加器件的制备成本，故而电极层的厚度优选为0.1～0.2mm；对于电极间距和电极宽度，电极间距增加后一方面电介质填充体积增加进而引起传感器刚度的增加，导致相同条件下传感器的形变量减小进而引起极间电容的相对变化量减小；另一方面电极间距增加后传感器的电容边缘效应降低，同样导致相同条件下传感器极间电容的相对变化量减小，因此，对于电极间距和电极宽度的设计，在满足传感器足够大的灵敏度的同时，同样要考虑在传感器整体宽度尺寸范围内尽量多增加电极的条数，更要考虑传感器的电容边缘效应的弱化程度。同时考虑对电极层进行切割加工的便捷性，所述电极间距与电极宽度优选为一致；封装层既起到保护作用，也充当电极之间的电介质，当封装层过厚，电极层所产生的电场的穿透深度不足，不能够对外界导体的接近状态进行很好的感知，当封装层过薄，传感器发生形变时电介质的相应形变过小以至于传感器的灵敏度不足，同时考虑传感器整体厚度的限制，故而封装层的厚度优选为0.5mm。

6.所述传感器的电极层的形状多样，灵活性较好，适用性较强。

7.所述柔性传感器为夹层结构，结构简单，易于制备，且所述柔性传感器的主体结构是采用PDMS预聚体制备而成的，具有很好的柔性及可拉伸性，有利于推广应用。

附图说明

图1中的(a)、(b)分别是本发明提供的多功能平面电容式柔性传感器的结构示意图及分解示意图；

图2是图1中的多功能平面电容式柔性传感器的截面示意图；

图3是图1中的多功能平面电容式柔性传感器的电极层的结构示意图；

图4是图1中的多功能平面电容式柔性传感器的封装层的结构示意图；

图5a～图5f分别是图1中的多功能平面电容式柔性传感器的电极的示意图；

图6中的(a)～(f)是本发明提供的多功能平面电容式柔性传感器的制备方法的流程示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：1-屏蔽层，2-基底层，3-电极层，301-左叉指电极，302-右叉指电极，303-电极间距，4-封装层，401-凸起。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

请参阅图1、图2、图3及图4，本发明提供的多功能平面电容式柔性传感器，所述柔性传感器为夹层结构，其包括自上而下层叠设置的封装层4、电极层3、基底层2及屏蔽层1。

所述电极层3为矩形叉指型电极，其包括左叉指电极301及右叉指电极302，所述左叉指电极301与所述右叉指电极302相互嵌设且间隔设置，两者之间形成有电极间距303。本实施方式中，所述左叉指电极301及所述右叉指电极302的数量均为三个，可以理解在其他实施方式中，所述左叉指电极301及所述右叉指电极302的数量可以根据实际需要增加或者减少。

请参阅图5a～图5f，所述电极层3可以为回字型、早字型、圆盘型、矩形螺旋型、圆形叉指型及矩形叉指型，且其包括至少两个电极，至少两个电极嵌套设置且相互之间设置有电极间距。

本实施方式中，所述左叉指电极301与所述右叉指电极302之间的电极间距303是一致的；所述屏蔽层1及所述基底层2均为柔性平板结构；所述封装层4既作为保护层又作为介电层；所述屏蔽层1的材料优选为镓铟合金与PDMS预聚体的混合体，所述基底层2的材料优选为PDMS预聚体，所述电极层3的材料优选为石墨烯，所述封装层4的材料优选为PDMS预聚体；当然在其他实施方式中，所述电极层3的材料还可以为导电银浆、银纳米线、金纳米线、碳纳米管；所述屏蔽层1的材料还可以为镓铟合金与TPU的混合体、镓铟合金与PI的混合体、镓铟合金与PVA的混合体、导电银浆、银纳米线、金纳米线、碳纳米管；所述基底层2的材料还可以为Ecoflex、SEBS、PI、TPU、PVA、PET、纸、水凝胶；所述封装层4的材料还可以为Ecoflex、SEBS、PI、TPU、PET。

所述柔性传感器的总长度优选为20mm，所述屏蔽层1的厚度优选为0.1mm，所述基底层2的厚度优选为0.3～0.5mm，所述电极层3的厚度优选为0.1～0.2mm，所述电极的长度优选为9mm，所述电极的宽度优选为1mm，所述电极间距优选为1mm，所述封装层4的厚度优选为0.5mm。

在柔性平面电容式压力传感器的工作场景中，不论是用来检测来自外界的拉压应力，还是用来感受外部导体的接近状态，其传感特性均取决于电极层上方空间局域内的电场分布状态。为传感器设计屏蔽层，既可以防止外界电磁干扰，又可使电场场能集中在工作面的空间区域内，在减少非重点传感的同时更是增加了计算的准确度。由于屏蔽层始终接地，其厚度对传感器的输出性能影响不大，同时综合考量柔性传感器的整体厚度不应太厚，故而屏蔽层1的厚度优选为0.1mm。当屏蔽层接地时，一部分电场线由电极层指向了屏蔽层，由此实现电场场能在电极层上方空间区域的集中，如果基底层过厚，则电极层与屏蔽层之间的距离过大，场能集中效果不佳；如果基底层过薄，则在制备基底层时将其从硬质基底上剥离的难度较大。综合考虑上述方面及传感器整体厚度限制，故而基底层2的厚度优选为0.3～0.5mm。电极层的设置对传感器输出性能的影响最大，在相同的测试拉压应力以及接近距离内，电极层厚度越大，传感器的输出性能越好，但电极层厚度过大，传感器在发生形变时电极层的导电性能会不稳定，同时带来的横向电容效应增大，电场场能的集中效果不明显，进而影响传感器的使用寿命，因此电极层的厚度一般均设置为略低于基底层厚度；此外，传感器电极层的材料较为昂贵，电极层的厚度过大会大大增加器件的制备成本，故而电极层3的厚度优选为0.1～0.2mm。对于电极间距和电极宽度，电极间距增加后一方面电介质填充体积增加进而引起传感器刚度的增加，导致相同条件下传感器的形变量减小进而引起极间电容的相对变化量减小；另一方面电极间距增加后传感器的电容边缘效应降低，同样导致相同条件下传感器极间电容的相对变化量减小。因此，对于电极间距和电极宽度的设计，在满足传感器足够大的灵敏度的同时，同样要考虑在传感器整体宽度尺寸范围内尽量多增加电极的条数，更要考虑传感器的电容边缘效应的弱化程度。同时考虑对电极层进行切割加工的便捷性，所述电极间距与电极宽度优选为一致。封装层既起到保护作用，也充当电极之间的电介质，当封装层过厚，电极层所产生的电场的穿透深度不足，不能够对外界导体的接近状态进行很好的感知，当封装层过薄，传感器发生形变时电介质的相应形变过小以至于传感器的灵敏度不足。同时考虑传感器整体厚度的限制，故而封装层4的厚度优选为0.5mm。

所述封装层4朝向所述电极层3的表面形成有凸起401，所述凸起401的形状及位置与所述电极间距303的形状及位置分别相对应；所述凸起401收容于所述电极间距303内，以保证相邻的电极间隔设置。

所述柔性传感器具有较好的柔性及可拉伸性，可以承受竖直方向的压应力及水平方向的拉应力，可以测量竖直方向的压应变以及水平方向的拉伸应变，同时可以基于电容的边缘效应实现对外界导体的接近感应。

所述柔性传感器在电场中工作时，当外部导体施加压应力在所述封装层4的表面某一处时，该处的所述封装层4发生机械形变并沿压应力方向内陷，此时内陷空间立刻被外部导体所填充从而改变外界环境中的介电常数，进而内陷空间立刻被外部导体所填充从而改变外界环境中的介电常数，继而引起测量过程中传感器极间电容的变化；当外部导体施加拉应力于所述柔性传感器侧面时，所述柔性传感器整体被拉伸，其中所述屏蔽层1、所述基底层2、所述电极层3及所述封装层4整体被拉伸而发生形变从而导致所述柔性传感器的厚度变薄，原有电场被改变的同时外界环境的介电常数也发生变化，继而引起测量过程中传感器极间电容的变化。

当外部导***于所述封装层4的上方，距离所述封装层4一定垂直距离时，由于外部导体自身所带电压或者自身相对介电系数的影响，外部导体相当于所述柔性传感器的第三个电极耦合进入所述柔性传感器原有空间电场，直接改变所述柔性传感器周围的电场或者周围环境的相对介电系数继而引起所述左叉指电极301与所述右叉指电极302之间电容的变化。而当外部导体接近距离的变化引起所述左叉指电极301与所述右叉指电极302之间电容的变化时，通过测量极间电容的变化来反映外界环境的变化。

请参阅图6，本发明还提供了一种多功能平面电容式柔性传感器的制备方法，所述制备方法主要包括以下步骤：

S1，制备PDMS预聚体：选取PDMS单体，将其与固化剂按10：1的比例均匀混合，在烧杯中手动搅拌10min～20min，搅拌后真空放置30min～60min除去气泡；

S2，制备传感器基底层：选取厚度为1mm～2mm的载玻片作为硬质基底，使用匀胶机在硬质基底上以300r/min～500r/min的速度，100rpm/s～150rpm/s的加速度旋涂PDMS预聚体60s～90s；之后使用热板在85℃～90℃的温度下加热PDMS预聚体2h～3h使其固化，从硬质基底上剥离出PDMS预聚体薄膜；

S3，制备传感器电极层：选取传感器基底层上表面，使用热层压法转移石墨烯至该侧，所用石墨烯为在铜片上化学气相沉积所制备的石墨烯，层压后再使用FeCl₃溶液在去50℃～60℃的离子水中刻蚀2h～3h，以去除残留的铜；

S4，传感器电极层图案化：使用高分子石墨烯激光切割机在功率为50W～100W的条件下对石墨烯进行叉指图案化；

S5，制备液态金属与PDMS预聚体的混合体：选取液态金属镓铟合金，将其与PDMS预聚体按照(2～3)：1的比例均匀混合，在烧杯中手动搅拌10min～20min，搅拌后真空放置30min～60min除去气泡；

S6，制备传感器屏蔽层：使用匀胶机在在传感器基底层下表面以300r/min～500r/min的速度，100rpm/s～150rpm/s的加速度旋涂液态金属与PDMS预聚体的混合体60s～90s；使用热板在85℃～90℃的温度下加热混合体2h～3h使其固化；

S7，制备传感器封装层：使用匀胶机在传感器电极层上表面以300r/min～500r/min的速度，100rpm/s～150rpm/s的加速度旋涂PDMS预聚体60s～90s；使用热板在85℃～90℃的温度下加热PDMS预聚体2h～3h使其固化。

以下以几个具体实施例来对本发明进行进一步地详细说明。

实施例1

本发明实施例1提供的多功能平面电容式柔性传感器的制备方法主要包括以下步骤：

S1，制备PDMS预聚体：选取PDMS单体，将其与固化剂按10：1的比例均匀混合，在烧杯中手动搅拌10min，搅拌后真空放置30min除去气泡；

S2，制备传感器基底层：选取厚度为1mm的载玻片作为硬质基底，使用匀胶机在硬质基底上以300r/min的速度，100rpm/s的加速度旋涂PDMS预聚体90s；之后使用热板在85℃的温度下加热PDMS预聚体3h使其固化，从硬质基底上剥离出PDMS预聚体薄膜，所得基底层的厚度为0.3mm；

S3，制备传感器电极层：选取传感器基底层上表面，在110℃温度下使用热层压法转移石墨烯至该侧，所用石墨烯为在铜片上化学气相沉积所制备的石墨烯，层压后再使用FeCl₃溶液在去50℃的离子水中刻蚀3h，以去除残留的铜，制备得到石墨烯电极层的厚度为0.1mm；

S4，传感器电极层图案化：使用高分子石墨烯激光切割机在功率为50W的条件下对石墨烯进行叉指图案化，制备得到石墨烯叉指电极宽度为1mm，电极间距为0.5mm；

S5，制备液态金属与PDMS预聚体的混合体：选取液态金属镓铟合金，将其与PDMS预聚体按照2：1的比例均匀混合，在烧杯中手动搅拌10min，搅拌后真空放置30min除去气泡；

S6，制备传感器屏蔽层：使用匀胶机在传感器基底层下表面以500r/min的速度，150rpm/s的加速度旋涂液态金属与PDMS预聚体的混合体90s；使用热板在85℃的温度下加热混合体3h使其固化，制备得到屏蔽层的厚度为0.1mm；

S7，制备传感器封装层：使用匀胶机在传感器电极层上表面以300r/min的速度，100rpm/s的加速度旋涂PDMS预聚体80s；使用热板在85℃的温度下加热PDMS预聚体3h使其固化，制备得到封装层的厚度为0.5mm。

实施例2

本发明实施例2提供的多功能平面电容式柔性传感器的制备方法主要包括以下步骤：

S1，制备PDMS预聚体：选取PDMS单体，将其与固化剂按10：1的比例均匀混合，在烧杯中手动搅拌15min，搅拌后真空放置40min除去气泡；

S2，制备传感器基底层：选取厚度为1mm的载玻片作为硬质基底，使用匀胶机在硬质基底上以400r/min的速度，100rpm/s的加速度旋涂PDMS预聚体80s；之后使用热板在90℃的温度下加热PDMS预聚体2h使其固化，从硬质基底上剥离出PDMS预聚体薄膜，所得基底层厚度为0.4mm；

S3，制备传感器电极层：选取传感器基底层上表面，在110℃温度下使用热层压法转移石墨烯至该侧，所用石墨烯为在铜片上化学气相沉积所制备的石墨烯，层压后再使用FeCl₃溶液在去55℃的离子水中刻蚀2.5h，以去除残留的铜，制备得到石墨烯电极层的厚度为0.1mm；

S4，传感器电极层图案化：使用高分子石墨烯激光切割机在功率为60W的条件下对石墨烯进行叉指图案化，制备得到石墨烯叉指电极的宽度为1mm，电极间距为0.5mm；

S5，制备液态金属与PDMS预聚体的混合体：选取液态金属镓铟合金，将其与PDMS预聚体按照2.5：1的比例均匀混合，在烧杯中手动搅拌20min，搅拌后真空放置40min除去气泡；

S6，制备传感器屏蔽层：使用匀胶机在传感器基底层下表面以500r/min的速度，150rpm/s的加速度旋涂液态金属与PDMS预聚体的混合体90s；使用热板在90℃的温度下加热混合体2h使其固化，制备得到屏蔽层的厚度为0.1mm；

S7，制备传感器封装层：使用匀胶机在传感器电极层上表面以400r/min的速度，100rpm/s的加速度旋涂PDMS预聚体70s；使用热板在85℃的温度下加热PDMS预聚体3h使其固化，制备得到封装层的厚度为0.5mm。

实施例3

本发明实施例3提供的多功能平面电容式柔性传感器的制备方法主要包括以下步骤：

S1，制备PDMS预聚体：选取PDMS单体，将其与固化剂按10：1的比例均匀混合，在烧杯中手动搅拌20min，搅拌后真空放置60min除去气泡；

S2，制备传感器基底层：选取厚度为2mm的载玻片作为硬质基底，使用匀胶机在硬质基底上以400r/min的速度，150rpm/s的加速度旋涂PDMS预聚体60s；之后使用热板在90℃的温度下加热PDMS预聚体3h使其固化，从硬质基底上剥离出PDMS预聚体薄膜，所得基底层的厚度为0.5mm；

S3，制备传感器电极层：选取传感器基底层上表面，在110℃温度下使用热层压法转移石墨烯至该侧，所用石墨烯为在铜片上化学气相沉积所制备的石墨烯，层压后再使用FeCl₃溶液在去50℃的离子水中刻蚀3h，以去除残留的铜，制备得到石墨烯电极层的厚度为0.1mm；

S4，传感器电极层图案化：使用高分子石墨烯激光切割机在功率为70W的条件下对石墨烯进行叉指图案化，制备得到石墨烯叉指电极的宽度为1mm，电极间距为0.5mm；

S5，制备液态金属与PDMS预聚体的混合体：选取液态金属镓铟合金，将其与PDMS预聚体按照3：1的比例均匀混合，在烧杯中手动搅拌30min，搅拌后真空放置50min除去气泡；

S6，制备传感器屏蔽层：使用匀胶机在传感器基底层下表面以500r/min的速度，150rpm/s的加速度旋涂液态金属与PDMS预聚体的混合体90s；使用热板在90℃的温度下加热混合体2h使其固化，制备得到屏蔽层的厚度为0.1mm；

S7，制备传感器封装层：使用匀胶机在传感器电极层上表面以400r/min的速度，150rpm/s的加速度旋涂PDMS预聚体60s；使用热板在90℃的温度下加热PDMS预聚体2h使其固化，制备得到封装层的厚度为0.5mm。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种多功能平面电容式柔性传感器，其特征在于：

所述柔性传感器包括自上而下层叠设置的封装层、电极层、基底层及屏蔽层；所述电极层包括至少两个间隔设置的电极，且至少两个该电极相互嵌套设置；

所述柔性传感器通过机械形变来测量压应变及拉应变，同时基于电容的边缘效应实现对外部导体的接近感应。

2.如权利要求1所述的多功能平面电容式柔性传感器，其特征在于：相邻电极之间形成有电极间隔；所述封装层朝向所述电极层的表面形成有凸起，所述凸起收容于所述电极间隔内。

3.如权利要求2所述的多功能平面电容式柔性传感器，其特征在于：所述凸起的形状及位置分别与所述电极间隔的形状及位置相对应。

4.如权利要求1所述的多功能平面电容式柔性传感器，其特征在于：所述电极层为回字型、早字型、圆盘型、矩形螺旋型、圆形叉指型或者矩形叉指型。

5.如权利要求1-4任一项所述的多功能平面电容式柔性传感器，其特征在于：所述电极层为矩形叉指型，其包括左叉指电极及右叉指电极，所述左叉指电极与所述右叉指电极之间形成的电极间距是一致的。

6.如权利要求1-4任一项所述的多功能平面电容式柔性传感器，其特征在于：所述电极层的材料为石墨烯；所述屏蔽层的材料为镓铟合金与PDMS预聚体的混合体；所述基底层的材料为PDMS预聚体；所述封装层的材料为PDMS预聚体。

7.如权利要求1-4任一项所述的多功能平面电容式柔性传感器，其特征在于：所述柔性传感器的总长度为20mm，所述屏蔽层的厚度为0.1mm，所述基底层的厚度为0.3mm～0.5mm，所述电极层的厚度为0.1mm～0.2mm，所述电极的长度为9mm，所述电极的宽度为1mm，所述封装层的厚度为0.5mm。

8.如权利要求1-4任一项所述的多功能平面电容式柔性传感器，其特征在于：外部导***于所述封装层上方时，所述外部导体作为所述柔性传感器的第三个电极耦合进入所述柔性传感器原有的空间电场，继而直接改变所述柔性传感器周围的电场或者周围环境的相对介电系数而引起所述柔性传感器的极间电容的变化，通过测量极间电容的变化来反映外界环境的变化。

9.一种权利要求1-8任一项所述的多功能平面电容式柔性传感器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：首先，在所述基底层上制备电极层涂层，并对所述电极层涂层进行切割以得到间隔设置的所述电极，由此得到所述电极层；接着，在所述基底层远离所述电极层的一侧及所述电极层上分别制备屏蔽层及封装层。

10.如权利要求9所述的多功能平面电容式柔性传感器的制备方法，其特征在于：所述制备方法包括以下子步骤：

(1)将PDMS预聚体均匀涂覆在硬质基底上并加热固化，以得到PDMS预聚体薄膜，即所述基底层；

(2)采用热层压法转移石墨烯至所述基底层的一侧，并采用电子切割方式对石墨烯涂层进行切割以得到电极，由此得到电极层；

(3)将液态金属镓铟合金与PDMS预聚体的混合体均匀涂覆在所述基底层的另一侧，并加热固化以得到屏蔽层；

(4)在所述电极层上均匀涂覆PDMS预聚体并加热固化，以得到封装层，由此得到所述柔性传感器。

Images