CN113932950A - 柔性压力传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
提供了一种柔性压力传感器及其制作方法。该柔性压力传感器包括：柔性电极；复合物电介质薄膜，设置于柔性电极上；高介电常数胶粘层，涂布于复合物电介质薄膜上；泡沫多孔电极，覆盖于高介电常数胶粘层上。本发明采用高介电常数的复合物薄膜为介电层，能够显著提升柔性压力传感器的电容变化量，从而提升柔性压力传感器的灵敏度；同时电容量的增大减小了寄生电容和电磁干扰对柔性压力传感器工作稳定性的影响，提高了抗干扰能力。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体地讲，涉及一种柔性压力传感器及其制作方法。
背景技术
柔性压力传感器(FPS)具有易弯折，延展性高，重量轻和耐用的优点，相较于传统的压力传感器，它能较为容易得实现对曲面物体的压力检测，尤其适合于对于人体表面分布压力的测量，因而被广泛应用于机器人电子皮肤，人体健康检测和人机交互等领域。压力传感器按其测量信号类别可以分为压阻式、电容式和压电式压力传感器，其中电容式压力传感器具有低功耗，高精度和动态响应好的特点，适合应用于移动电子设备和一些精度要求较高的场合。
然而，现有的柔性电容式压力传感器灵敏度较低，检测范围小，容易受到电磁干扰和寄生电容的影响，因此如何提升该类传感器的灵敏度是亟需要解决的技术问题。
发明内容
为了解决上述现有技术存在的技术问题，根据本发明的实施例提供了一种高灵敏度、高干扰能力的柔性压力传感器及其制作方法。
根据本发明的实施例的一方面提供的一种柔性压力传感器，其包括：柔性电极；复合物电介质薄膜，设置于所述柔性电极上；高介电常数胶粘层，涂布于所述复合物电介质薄膜上；泡沫多孔电极，覆盖于所述高介电常数胶粘层上。
在上述一方面提供的柔性压力传感器的一个示例中，所述复合物电介质薄膜由聚合物主体材料和增强相材料形成，其中，所述增强相材料的填充质量分数为1％至10％。
在上述一方面提供的柔性压力传感器的一个示例中，所述泡沫多孔电极的材料为气凝胶导电材料，所述气凝胶导电材料的孔隙率为0.1％至2％；或者，所述泡沫多孔电极的材料为高分子泡沫骨架为主体的导电材料，所述高分子泡沫骨架为主体的导电材料的孔隙率为2％至20％。
在上述一方面提供的柔性压力传感器的一个示例中，所述高介电常数胶粘层的介电常数大于100。
根据本发明的实施例的另一方面提供的一种柔性压力传感器的制作方法，其包括：将已制作形成的复合物电介质薄膜固定在柔性电极上；将已制作形成的高介电常数胶粘层涂布在所述复合物电介质薄膜上；将已制作形成的泡沫多孔电极覆盖在所述高介电常数胶粘层上。
在上述另一方面提供的柔性压力传感器的制作方法的一个示例中，制作形成所述复合物电介质薄膜的方法包括：选用适当的纳米功能材料依序进行表面修饰和纯化以得到增强相材料；将所述增强相材料与选用的聚合物主体材料配制成溶液，通过溶液铸膜的方式得到所述复合物电介质薄膜。
在上述另一方面提供的柔性压力传感器的制作方法的一个示例中，对所述纳米功能材料进行表面修饰的方法包括原位聚合、重氮化、表面分子接枝和添加稳定剂；对经表面修饰的纳米功能材料进行纯化的方法包括对经表面修饰的纳米功能材料采用离心和低温冻干的方式进行分离纯化，以得到所述增强相材料。
在上述另一方面提供的柔性压力传感器的制作方法的一个示例中，所述将所述增强相材料与选用的聚合物主体材料配制成溶液，通过溶液铸膜的方式得到所述复合物电介质薄膜的方法包括：在所述增强相材料中加入溶剂以配制成分散液，并对所述分散液进行超声处理；将选用的聚合物主体材料加入超声后的分散液中，搅拌溶解后，加入成膜助剂，通过自动涂膜机对加入成膜助剂的分散液进行涂布；对涂布后的分散液依序进行加热处理和干燥处理，以得到所述复合物电介质薄膜。
在上述另一方面提供的柔性压力传感器的制作方法的一个示例中，制作形成所述泡沫多孔电极的方法包括：采用胶体溶液冻干的方法制作形成为气凝胶导电材料的所述泡沫多孔电极，或者对选用的高分子泡沫骨架为主体的导电材料进行粗化或亲水表面处理，并采用无电沉积或溶液浸渍的方法制作形成所述泡沫多孔电极。
在上述另一方面提供的柔性压力传感器的制作方法的一个示例中，所述高介电常数胶粘层的介电常数大于100。
有益效果：本发明采用高介电常数的复合物薄膜为介电层，能够显著提升柔性压力传感器的电容变化量，从而提升柔性压力传感器的灵敏度；同时电容量的增大减小了寄生电容和电磁干扰对柔性压力传感器工作稳定性的影响，有助于减少ADC电路等的设计成本。此外，本发明还采用三维多孔泡沫电极作为电容传感器的对电极，能够使得传感器的极板间距变化作用于多孔电极上，在低压下多孔电极接触电介质的分叉结构易于变形，使得低压灵敏度显著提升，而且在中高压下由于多孔电极形成电容的极板间距持续减小，介电层超高的介电常数使得传感器仍然有较大的电容变化量，能够实现宽压力范围的检测。
附图说明
通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：
图1是根据本发明的实施例的柔性压力传感器的结构示意图；
图2是根据本发明的实施例的柔性压力传感器的制作方法的流程图；
图3示出了采用纯TPU和MXene/TPU复合物材料作为电介质层的柔性压力传感器的性能对比图；
图4为使用根据本发明的实施例的柔性压力传感器测量人体脉搏压力得到的脉搏波信号图。
具体实施方式
以下，将参照附图来详细描述本发明的具体实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。
如本文中使用的，术语“包括”及其变型表示开放的术语，含义是“包括但不限于”。术语“基于”、“根据”等表示“至少部分地基于”、“至少部分地根据”。术语“一个实施例”和“一实施例”表示“至少一个实施例”。术语“另一个实施例”表示“至少一个其他实施例”。术语“第一”、“第二”等可以指代不同的或相同的对象。下面可以包括其他的定义，无论是明确的还是隐含的。除非上下文中明确地指明，否则一个术语的定义在整个说明书中是一致的。
为解决上述背景技术中提出的技术问题，根据本发明的实施例提供了一种柔性压力传感器及其制作方法。该柔性压力传感器采用导电的泡沫多孔电极作为压敏层，结合高介电常数的复合物电介质薄膜来提升该柔性压力传感器的检测区间和灵敏度。此外，高介电常数的复合物电介质薄膜能显著增大电容变化量，同时泡沫多孔电极使得该柔性压力传感器在受压力条件下的电极位移更为显著，从而实现了宽压力范围内高灵敏度的压力传感性能，提升了该柔性压力传感器的抗干扰能力。
图1是根据本发明的实施例的柔性压力传感器的结构示意图。
参照图1，根据本发明的实施例的柔性压力传感器为电容式柔性压力传感器，其包括：柔性电极110、复合物电介质薄膜120、高介电常数胶粘层130、泡沫多孔电极140。
具体地，柔性电极110可以包括柔性衬底以及柔性衬底表面附着的导电层。这里，柔性衬底的材料为如下材料中的一种或几种：聚甲氧基硅氧烷(PDMS)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、聚丙烯腈(PAN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(PI)、聚乳酸(PLA)和聚醚砜(PES)。
复合物电介质薄膜120设置于柔性电极110上。所述复合物电介质薄膜120由聚合物主体材料和增强相材料形成，其中，所述增强相材料的填充质量分数为1％至10％。在一个示例中，复合物电介质薄膜120的厚度在10-200μm之间。
这里，所述聚合物主体材料为如下材料中的一种或几种：聚甲氧基硅氧烷(PDMS)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、聚丙烯腈(PAN)、聚酰胺(PA)、聚偏氟乙烯及其共聚物(PVDF&PVDF-HFP)、聚乙烯醇(PVA)、聚乳酸(PLA)和聚醚砜(PES)。而所述增强相材料为以下纳米功能材料中的一种或几种：介电陶瓷纳米粉体、六方氮化硼、石墨烯、麦克烯(MXene)、碳纳米管、黑鳞、石墨炔和聚苯胺。
高介电常数胶粘层130涂布于复合物电介质薄膜120上。这里，高介电常数胶粘层的介电常数大于100。所述高介电常数胶粘层130由胶粘层复合物主体材料和胶粘剂填料形成。其中，所述胶粘层复合物主体材料为如下材料中的一种或几种：硅胶、聚氨酯(PU)、环氧树脂、异氰酸酯，聚丙烯酸。而所述胶粘剂填料为以下纳米功能材料中的一种或几种：介电陶瓷纳米粉体、六方氮化硼、聚苯胺、三氧化二铝和二氧化硅微粉。
泡沫多孔电极140覆盖于高介电常数胶粘层130上。在本实施例中，所述泡沫多孔电极140的材料为气凝胶导电材料，或高分子泡沫骨架为主体的导电材料和附着在高分子泡沫骨架为主体的导电材料上的表面导电材料；其中，当所述泡沫多孔电极140的材料为气凝胶导电材料时所述气凝胶导电材料的孔隙率为0.1％至2％；而当所述泡沫多孔电极140的材料为高分子泡沫骨架为主体的导电材料和附着在高分子泡沫骨架为主体的导电材料上的表面导电材料时，所述泡沫多孔电极140由所述高分子泡沫骨架为主体的导电材料的孔隙率为2％至20％。
此外，所述气凝胶导电材料可以选自石墨烯、碳纳米管、银纳米线、金纳米线和铜纳米线的一种或几种；而所述高分子泡沫骨架为主体的导电材料选自聚氨酯、聚甲氧基硅氧烷、三聚氰胺、聚乙烯醇、天然橡胶泡沫、纳米纤维素，所述表面导电材料为石墨烯、碳纳米管、金属涂层、导电聚合物的一种或几种。
图2是根据本发明的实施例的柔性压力传感器的制作方法的流程图。
一并参照图1和图2，在步骤S210中，将已制作形成的复合物电介质薄膜120固定在柔性电极110上。
在一个示例中，制作形成所述复合物电介质薄膜120的方法包括：选用适当的纳米功能材料依序进行表面修饰和纯化以得到增强相材料；将所述增强相材料与选用的聚合物主体材料配制成溶液，通过溶液铸膜的方式得到所述复合物电介质薄膜120。
在一个示例中，对所述纳米功能材料进行表面修饰的方法包括原位聚合、重氮化、表面分子接枝和添加稳定剂；对经表面修饰的纳米功能材料进行纯化的方法包括对经表面修饰的纳米功能材料采用离心和低温冻干的方式进行分离纯化，以得到所述增强相材料。
在一个示例中，所述将所述增强相材料与选用的聚合物主体材料配制成溶液，通过溶液铸膜的方式得到所述复合物电介质薄膜的方法包括：在所述增强相材料中加入溶剂以配制成分散液，并对所述分散液进行超声处理；将选用的聚合物主体材料加入超声后的分散液中，搅拌溶解后，加入成膜助剂，通过自动涂膜机对加入成膜助剂的分散液进行涂布；对涂布后的分散液依序进行加热处理和干燥处理，以得到所述复合物电介质薄膜。
在步骤S220中，将已制作形成的高介电常数胶粘层130涂布在所述复合物电介质薄膜120上。
在步骤S230中，将已制作形成的泡沫多孔电极140覆盖在所述高介电常数胶粘层130上。
在一个示例中，制作形成所述泡沫多孔电极140的方法包括：采用胶体溶液冻干的方法制作形成为气凝胶导电材料的所述泡沫多孔电极，或者对选用的高分子泡沫骨架为主体的导电材料进行粗化或亲水表面处理，并采用无电沉积或溶液浸渍的方法制作形成所述泡沫多孔电极。
以下将以具体的实施方式对上述的根据本发明的实施例的柔性压力传感器的制作方法进行进一步描述。
步骤一：将复合物电介质薄膜120转移至柔性电极110表面上，通过超声波焊接将复合物电介质薄膜120固定在柔性电极110表面上。
具体地，制作柔性电极110的方法包括：在选用的柔性基底上通过磁控溅射、丝网印刷、喷墨打印等方式制备导电层材料，以制作形成柔性电极110。
这里，制作复合物电介质薄膜120的方法具体如下：
首先，MXene材料的制备，向100mL的聚四氟乙烯水热釜内胆中加入4.5g氟化锂，然后加入60ml盐酸，搅拌10min。称取3g的Ti3AlTi2陶瓷粉末,将粉末缓慢倒入上述刻蚀液中，然后将水热釜内胆放入40℃的水热锅中刻蚀24h得到黑色的悬浊液。
其次，MXene材料的分离纯化，将悬浊液放入离心管中以6000转/分钟的速度离心，取下层沉淀物用去离子水重新分散后继续离心，多次重复上述步骤直至上清液pH大于6。将离心后的分散液稀释至2mg/mL，然后将其在惰性气体保护下以200W的功率超声30分钟得到具有高电导率和比表面积的MXene分散液。
接着，MXene材料的表面改性，将0.75g对氨基乙酰苯胺加入200mL冰水浴的盐酸溶液(1M)中，待其搅拌溶解后缓慢加入50mL亚硝酸钠溶液(1M)，继续搅拌1小时后得到重氮盐溶液。取100mL新鲜制备的重氮盐溶液加入1000mL的MXene分散液(2mg/mL)中，分散液体系在冰水浴和搅拌下反应12h得到偶氮苯修饰的MXene分散液。将分散液离心后冷冻干燥，然后采用DMF将表面改性的MXene重新分散成10mg/mL的分散液。
最后，MXene/TPU复合物电介质薄膜(即复合物电介质薄膜120)的制备，取10gTPU颗粒加入100mL的DMF中搅拌溶解，然后加入一定量的改性MXene分散液。将混合液搅拌15分钟，取一定体积的混合液滴加在玻璃片(也可以是硅片或者镜面抛光不锈钢)上，放置玻璃片于60℃的加热台上挥发掉大部分溶剂，最后将玻璃片放入80℃的真空烘箱中将残余溶剂完全除去得到复合物电介质薄膜120。
步骤二：将已制作形成的高介电常数胶粘层130涂布在所述复合物电介质薄膜120上。具体地，将复合物胶粘剂A和B以10：1的体积比混合摇匀后放入注射泵中，打开注射泵和超声波雾化器，采用程序控制的XY轴位移平台将高介电常数胶粘层喷涂于复合物电介质薄膜120表面。
这里，制作高介电常数胶粘层130的方法具体为：取10g纳米钛酸钡粉末，加入100mL双氧水溶液中，将溶液加热数小时后离心分离，得到的沉淀物真空干燥后分散于无水乙醇中。然后，向分散液中加入质量分数为1％的KH550溶液进行表面硅烷化处理，处理得到的钛酸钡经过离心洗涤分散于正己烷中。将一定量的羟基封端硅脂加入钛酸钡分散液中得到复合物胶粘剂A，质量分数为10％的二月桂酸二丁基锡正硅酸四乙酯溶液作为复合物胶粘剂B(固化作用)。
步骤三：将泡沫多孔电极140以10kPa的压力覆盖在高介电常数胶粘层130，在常温下固化12h完成泡沫多孔电极140的粘结得到结构稳定的电容式柔性压力传感器。
这里，制作泡沫多孔电极140的方法具体为：采用模切机将三聚氰胺泡沫切割成厚度为1mm的薄片，将薄片放置于浓度为2g/L的盐酸多巴胺溶液中，加入一定量的硼酸钠缓冲液将pH稳定在8.5左右,搅拌24h后将薄片取出，采用去离子水多次清洗泡沫薄片后烘干。接下来将薄片置入浓度为0.1mg/mL的银纳米线溶液中，浸泡15分钟后将泡沫薄片取出放入烘箱中烘干，重复此步骤3次得到导电性良好的泡沫多孔电极140。
图3示出了采用纯TPU和MXene/TPU复合物材料作为电介质层的柔性压力传感器的性能对比图。参照图3，可以看到以基于纯TPU电介质的柔性压力传感器灵敏度仅为0.039kPa-1,而基于MXene/TPU复合物材料作为电介质层的柔性压力传感器的灵敏度则高达0.77kPa-1，灵敏度提升明显，在0-100kPa的宽压力区间内，基于MXene/TPU复合物材料作为电介质层的柔性压力传感器性能优于现有的基于泡沫电介质的电容式压力传感器。
柔性压力传感器在人体微小压力的检测方面具有较多的应用，特别是对人体脉搏波信号的检测可以用于测量心率和辅助诊断心血管疾病，图4为使用根据本发明的实施例的柔性压力传感器测量人体脉搏压力得到的脉搏波信号图。从图4中可以清楚地看到脉搏波随时间的变化波形，证明了根据本发明的实施例的柔性压力传感器具有较好的实用效果。
综上所述，根据本发明的实施例的柔性压力传感器及其制作方法，采用高介电常数的复合物薄膜为介电层，能够显著提升柔性压力传感器的电容变化量，从而提升柔性压力传感器的灵敏度；同时电容量的增大减小了寄生电容和电磁干扰对柔性压力传感器工作稳定性的影响，有助于减少ADC电路等的设计成本。此外，根据本发明的实施例还采用三维多孔泡沫电极作为电容传感器的对电极，能够使得传感器的极板间距变化作用于多孔电极上，在低压下多孔电极接触电介质的分叉结构易于变形，使得低压灵敏度显著提升，而且在中高压下由于多孔电极形成电容的极板间距持续减小，介电层超高的介电常数使得传感器仍然有较大的电容变化量，能够实现宽压力范围的检测。
在整个本说明书中使用的术语“示例性”、“示例”等意味着“用作示例、实例或例示”，并不意味着比其它实施例“优选”或“具有优势”。出于提供对所描述技术的理解的目的，具体实施方式包括具体细节。然而，可以在没有这些具体细节的情况下实施这些技术。在一些实例中，为了避免对所描述的实施例的概念造成难以理解，公知的结构和装置以框图形式示出。
以上结合附图详细描述了本发明的实施例的可选实施方式，但是，本发明的实施例并不限于上述实施方式中的具体细节，在本发明的实施例的技术构思范围内，可以对本发明的实施例的技术方案进行多种简单变型，这些简单变型均属于本发明的实施例的保护范围。
本说明书内容的上述描述被提供来使得本领域任何普通技术人员能够实现或者使用本说明书内容。对于本领域普通技术人员来说，对本说明书内容进行的各种修改是显而易见的，并且，也可以在不脱离本说明书内容的保护范围的情况下，将本文所定义的一般性原理应用于其它变型。因此，本说明书内容并不限于本文所描述的示例和设计，而是与符合本文公开的原理和新颖性特征的最广范围相一致。
Claims (10)
1.一种柔性压力传感器，其特征在于，包括：
柔性电极；
复合物电介质薄膜，设置于所述柔性电极上；
高介电常数胶粘层，涂布于所述复合物电介质薄膜上；
泡沫多孔电极，覆盖于所述高介电常数胶粘层上。
2.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述复合物电介质薄膜由聚合物主体材料和增强相材料形成，其中，所述增强相材料的填充质量分数为1％至10％。
3.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述泡沫多孔电极的材料为气凝胶导电材料，所述气凝胶导电材料的孔隙率为0.1％至2％；
或者，所述泡沫多孔电极的材料为高分子泡沫骨架为主体的导电材料，所述高分子泡沫骨架为主体的导电材料的孔隙率为2％至20％。
4.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述高介电常数胶粘层的介电常数大于100。
5.一种柔性压力传感器的制作方法，其特征在于，所述制作方法包括：
将已制作形成的复合物电介质薄膜固定在柔性电极上；
将已制作形成的高介电常数胶粘层涂布在所述复合物电介质薄膜上；
将已制作形成的泡沫多孔电极覆盖在所述高介电常数胶粘层上。
6.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，制作形成所述复合物电介质薄膜的方法包括：选用适当的纳米功能材料依序进行表面修饰和纯化以得到增强相材料；将所述增强相材料与选用的聚合物主体材料配制成溶液，通过溶液铸膜的方式得到所述复合物电介质薄膜。
7.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，对所述纳米功能材料进行表面修饰的方法包括原位聚合、重氮化、表面分子接枝和添加稳定剂；
对经表面修饰的纳米功能材料进行纯化的方法包括对经表面修饰的纳米功能材料采用离心和低温冻干的方式进行分离纯化，以得到所述增强相材料。
8.根据权利要求6或7所述的制作方法，其特征在于，所述将所述增强相材料与选用的聚合物主体材料配制成溶液，通过溶液铸膜的方式得到所述复合物电介质薄膜的方法包括：
在所述增强相材料中加入溶剂以配制成分散液，并对所述分散液进行超声处理；
将选用的聚合物主体材料加入超声后的分散液中，搅拌溶解后，加入成膜助剂，通过自动涂膜机对加入成膜助剂的分散液进行涂布；
对涂布后的分散液依序进行加热处理和干燥处理，以得到所述复合物电介质薄膜。
9.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，制作形成所述泡沫多孔电极的方法包括：采用胶体溶液冻干的方法制作形成为气凝胶导电材料的所述泡沫多孔电极，或者对选用的高分子泡沫骨架为主体的导电材料进行粗化或亲水表面处理，并采用无电沉积或溶液浸渍的方法制作形成所述泡沫多孔电极。
10.根据权利要求5所述的制作方法，其特征在于，所述高介电常数胶粘层的介电常数大于100。
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