一种柔性电容式压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术涉及电容式压力传感器技术领域，尤其涉及一种柔性电容式压力传感器及其制备方法。包括：顶部电极、底部电极，复合材料介质层以及导线；所述顶部电极、底部电极均由表面设置有导电聚合物层的基板构成；所述导电聚合物层中埋设有延伸到导电聚合物层外部的导线；所述复合材料介质层在所述顶部电极、底部电极上的导电聚合物层表面均有设置；所述柔性电容式压力传感器由顶部电极、底部电极设置有复合材料介质层的一面面对面组合形成。本发明专利技术制备的传感器灵敏度高、迟滞小、可重复性好的高性能柔性电容式压力传感器，且制备成本低廉、方法简单，可大规模生产，这种传感器可广泛应用于人机交互系统、探测传感器系统、医疗健康检测设备等领域。

A Flexible Capacitive Pressure Sensor and Its Preparation Method

The invention relates to the technical field of capacitive pressure sensor, in particular to a flexible capacitive pressure sensor and a preparation method thereof. Including: top electrode, bottom electrode, composite dielectric layer and conductor; the top electrode and bottom electrode are composed of a substrate with conductive polymer layer on the surface; the conductive polymer layer is embedded with conductors extending to the outside of the conductive polymer layer; and the composite dielectric layer is arranged on the surface of the conductive polymer layer on the top electrode and the bottom electrode. The flexible capacitive pressure sensor is formed by a face-to-face combination of a top electrode and a bottom electrode with a composite dielectric layer. The flexible capacitive pressure sensor prepared by the invention has high sensitivity, small hysteresis and good repeatability, and has low preparation cost, simple method and large-scale production. The sensor can be widely used in the fields of human-computer interaction system, detection sensor system, medical health detection equipment and so on.

【技术实现步骤摘要】
一种柔性电容式压力传感器及其制备方法
本专利技术涉及电容式压力传感器
，尤其涉及一种柔性电容式压力传感器及其制备方法。
技术介绍
柔性压力传感器是一种用于感知物体表面作用力大小的柔性电子器件，能贴附于各种不规则物体表面，具有尺寸小、重量轻、便携性、可拉伸、可穿戴、良好柔韧性等优点，在工业生产、健康监测、电子皮肤、生物工程、可穿戴电子产品等领域有着广泛的应用前景。根据不同的工作原理，压力传感器可分为电阻式、电容式和压电式。和电阻式、压电式传感器相比，电容式传感器具有灵敏度高、迟滞小、动态稳定性好等特点，因此得到了更广泛的应用。聚合物材料因其较好的柔性且易加工成型的优点，被广泛用来构造柔性电容式压力传感器的介质层。但聚合物的介电常数通常较低，因此目前基于聚合物材料的柔性电容式压力传感器在感应外部压力时仅能引起较小的电容变化。为解决上述问题，可以利用渗流理论在柔性聚合物材料中填充银纳米颗粒、银纳米线、金纳米颗粒、碳纳米管等导电材料来增加介电常数。但是，此类导电材料制备复杂、价格昂贵且尺寸较大，不适用于面向实际应用的大规模生产。除了通过直接增加介质层的介电常数来提高柔性电容式压力传感器的性能之外，还可以通过用基于线形、金字塔形、“V”形、圆柱形等微结构的介质层来代替传统的平整薄膜介质层。这种微结构介质层在施加微小压力时，极易发生形变，导致电容式传感器介质层厚度明显变薄，从而引起电容值的显著变化。目前主要利用电子束光刻、激光干涉光刻、纳米压印光刻技术来制备微结构。虽然利用该方式形成的微结构尺寸可控，稳定性好，但是在剥离微结构薄膜的过程中，可能导致部分微结构与光刻模板粘连，造成微结构不完整，影响器件的性能，与此同时也将面临制备工艺复杂、耗时且成本较高的缺点。为降低成本，一些研究人员借助荷叶、丝绸、砂纸等模板来制备微结构。这种方法虽然具有成本低、模板易获得的显著优势，但是无法精确控制该模板的固有微结构形貌，从而导致无法利用该模板制备出具有尺寸良好可控的微结构介质层。目前，由于聚合物材料介电常数较低，基于聚合物材料介质层的电容式柔性传感器在感应外部压力时仅能引起较小的电容变化，导致传感器具有较低的灵敏度。虽然通过在介质层中掺杂银纳米颗粒、银纳米线、金纳米颗粒、碳纳米管等导电材料或者构造具有微结构的介质层可以大幅度提高传感器灵敏度，但只适用于微米级别微结构介质层的掺杂，而对于纳米级别微结构介质层的掺杂则无能为力。同时该传感器现有的制备技术仍具有成本高、工艺复杂、不适合大规模生产等技术难题。因此，为实现低成本、制备工艺简单且高灵敏度度的柔性压力传感器，急需一种具有更小尺寸，高介电常数的导电材料以及更加简单高效的传感器制备方法。
技术实现思路
针对上述现有技术中存在的问题，本专利技术旨在于提供一种柔性电容式压力传感器及其制备方法。本专利技术采用低成本、制备工艺简单且孔洞长程有序的自组装多孔“V”型阳极氧化铝(AAO)模板浸润法来制备新型复合材料微结构阵列，成功解决了现有技术制备成本高、耗时长、工艺复杂、微结构薄膜和模板之间粘连的问题。同时，本专利技术制备的传感器具有灵敏度高、迟滞小、可重复性好的特点。本专利技术的第一目的，是提供一种柔性电容式压力传感器。本专利技术的第二目的，是提供上述柔性电容式压力传感器制备方法。本专利技术的第二目的，是提供上述柔性电容式压力传感器及其制备方法的应用。为实现上述专利技术目的，本专利技术公开了下述技术方案：首先，本专利技术公开一种柔性电容式压力传感器，所述传感器结构包括：顶部电极、底部电极，复合材料介质层，以及，导线；其中：所述顶部电极、底部电极均由表面设置有导电聚合物层的基板构成；所述导电聚合物层中埋设有延伸到导电聚合物层外部的导线；所述复合材料介质层在所述顶部电极、底部电极上的导电聚合物层表面均有设置；所述柔性电容式压力传感器由顶部电极、底部电极设置有复合材料介质层的一面面对面组合形成；所述导电聚合物由聚3，4-乙烯二氧噻吩(PEDOT)和聚苯乙烯磺酸盐(PSS)混合而成；所述复合材料介质层由聚合物聚偏氟乙烯-六氟丙烯(P(VDF-HFP))和石墨烯量子点(GQD)复合而成。本专利技术提出的由P(VDF-HFP)和GQD形成的复合材料介质层具有高介电常数和优异的拉伸性能，在受到压力时极易变形，撤除压力后可立即恢复原状，多次使用后性能仍保持稳定；同时，这种新型的复合材料能够显著提高传感器的灵敏度。进一步地，所述复合材料介质层的形状为平面状。进一步地，所述柔性电容式压力传感器，所述基板包括聚酰亚胺(PI)板等。进一步地，本专利技术在所述柔性电容式压力传感器的基础上，再公开一种具有更好的性能的锯齿状结构的柔性电容式压力传感器，其区别在：所述复合材料介质层不是平面形状，而是锯齿状结构，所述顶部电极、底部电极中的该结构的复合材料介质层交叉组合后，形成“互锁”的复合材料介质层结构，即得。进一步地，所述锯齿状结构的柔性电容式压力传感器中，顶部电极、底部电极中锯齿状结构的复合材料介质层的尺寸相同。相比于复合材料介质层的形状为平面状的电容式压力传感器，“互锁”的复合材料介质层结构的电容式压力传感器的优势在于灵敏度明显提高以及拥有极好的稳定性。灵敏度的提高主要有两个方面，一方面，在于外界刺激下，互锁结构中存在的空气受到应力的作用被挤压出去，导致P(VDF-HFP)/GQD复合材料介质层的介电常数ε增加，电容的变化量增加，灵敏度提高；另一方面，在挤压空气的同时，相比于平面结构，互锁结构的介质层厚度更易减小，这是因为挤压空气比平面结构的形变更容易实现。稳定性主要是由于互锁结构中纳米锥与纳米锥之间互相倚靠，并且锯齿状结构本身具有良好的抗形变能力，因此，在外界不断刺激下，能始终保持原状。进一步地，所述锯齿状结构的柔性电容式压力传感器中，顶部电极、底部电极中，其其中一个电极的复合材料介质层的锯齿状结构的尺寸大于另一个。相比于顶部电极、底部电极中锯齿状结构的复合材料介质层的尺寸相同的传感器，尺寸不同时由于气隙增大，因此在同样压强下，介电常数ε有更大的提高，器件将更加敏感。其次，本专利技术公开一种平面结构柔性电容式压力传感器的制备方法，包括如下步骤：1)将聚3，4-乙烯二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸盐混合，形成导电聚合物溶液后旋涂到涂覆在基板表面，形成导电聚合物层，然后将在导电聚合物层中埋设导线，且导线的一端延伸到导电聚合物层外部，备用；2)将聚合物聚偏氟乙烯-六氟丙烯溶于溶剂中，然后向得到的溶液中加入石墨烯量子点粉末，混合均匀后将得到的溶液涂覆在步骤1)的基板上的导电聚合物层表面形成平面状的复合材料介质层；去除所述溶剂，得到顶部电极、底部电极；3)将顶部电极和底部电极上涂覆有复合材料介质层的一面面对面组合；即得。再次；本专利技术公开一种锯齿状结构的柔性电容式压力传感器，包括如下步骤：(1)将聚合物聚偏氟乙烯-六氟丙烯溶于溶剂中，然后向得到的溶液中加入石墨烯量子点粉末，得到复合材料介质层溶液，将该溶液涂覆在多孔氧化铝(AAO)模板上，所述模板上均匀分布着“V”形孔，即所述孔底部直径小于顶部直径；去除溶剂后，对得到的样品进行退火；(2)除去AAO模板，得到锯齿状结构的复合材料介质层，备用；(3)聚3，4-乙烯二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸盐混合，形成导电聚合物溶液后旋涂到涂覆在本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性电容式压力传感器，其特征在于，所述传感器结构包括：顶部电极、底部电极，复合材料介质层，以及，导线；其中：所述顶部电极、底部电极均由表面设置有导电聚合物层的基板构成；所述导电聚合物层中埋设有延伸到导电聚合物层外部的导线；所述复合材料介质层在所述顶部电极、底部电极上的导电聚合物层表面均有设置；所述柔性电容式压力传感器由顶部电极、底部电极设置有复合材料介质层的一面面对面组合形成；所述导电聚合物由聚3，4‑乙烯二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸盐混合而成；所述复合材料介质层由聚合物聚偏氟乙烯‑六氟丙烯和石墨烯量子点复合而成。

【技术特征摘要】
1.一种柔性电容式压力传感器，其特征在于，所述传感器结构包括：顶部电极、底部电极，复合材料介质层，以及，导线；其中：所述顶部电极、底部电极均由表面设置有导电聚合物层的基板构成；所述导电聚合物层中埋设有延伸到导电聚合物层外部的导线；所述复合材料介质层在所述顶部电极、底部电极上的导电聚合物层表面均有设置；所述柔性电容式压力传感器由顶部电极、底部电极设置有复合材料介质层的一面面对面组合形成；所述导电聚合物由聚3，4-乙烯二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸盐混合而成；所述复合材料介质层由聚合物聚偏氟乙烯-六氟丙烯和石墨烯量子点复合而成。2.如权利要求1所述的柔性电容式压力传感器，其特征在于，所述复合材料介质层的形状为平面状；优选地，所述基板包括聚酰亚胺板。3.如权利要求1所述的平面结构柔性电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：1)将聚3，4-乙烯二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸盐混合，形成导电聚合物溶液后旋涂到涂覆在基板表面，形成导电聚合物层，然后将在导电聚合物层中埋设导线，且导线的一端延伸到导电聚合物层外部，备用；2)将聚合物聚偏氟乙烯-六氟丙烯溶于溶剂中，然后向得到的溶液中加入石墨烯量子点粉末，混合均匀后将得到的溶液涂覆在步骤(1)的基板上的导电聚合物层表面形成平面状的复合材料介质层；去除所述溶剂，得到顶部电极、底部电极；3)将顶部电极和底部电极上涂覆有复合材料介质层的一面面对面组合；即得；优选地，步骤1)中，所述石墨烯量子点粉末的加入量为：占溶液体积百分比为0.1-0.8％；优选地，所述石墨烯量子点的制备方法为：将氧化石墨烯溶解在溶剂中，超声30-60min，之后在200℃水热反应5-10h，冷却至室温后，收集棕色悬浮液，经过蒸发、过滤、纯化后，即可得到尺寸5-10nm的石墨烯量子点；优选地，步骤2)中，所述聚3，4-乙烯二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸盐的质量比为1：1-10。4.如权利要求1所述的柔性电容式压力传感器，其特征在于，所述复合材料介质层为锯齿状结构，所述顶部电极、底部电极中的该结构的复合材料介质层交叉组合后，形成“互锁”的复合材料介质层结构，即得锯齿状结构的柔性电容式压力传感器。5.如权利要求3所述的柔性电容式压力传感器，其特征在于，所述顶部电极、底部电极中锯齿状结构的复合材料介质层的尺寸相同；或者；所述锯齿状结构的柔性电容式压力传感器中，顶部电极、底部电极中，其中一个电极的复合材料介质层的锯齿状结构的尺寸大于另一个。6.如权利要求4或5所述的柔性电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：(1)将聚合物聚偏氟乙烯-六氟丙烯溶于溶剂中，然后向得到的溶液中加入石墨烯量子点粉末，得到复合材料介质层溶液，将该溶液涂覆在多孔氧化铝模板上，所述模板上均匀分布着“V”形孔，即所述孔底部直径小于顶部直径；去除溶剂后，对得到的样品进行退火；(2)除去多孔氧化铝模板，得到锯齿状结构的复合材料介质层，备用；(3)将聚3，4-乙烯二氧噻吩和聚苯乙烯磺酸盐混合，形成导电聚合物溶液后旋涂到涂覆在基板表面，形成导电聚合物层，然后将在导电聚合物层中埋设导线，且导线的一端延伸到导电聚合物层外部；得到顶部电极、底部电极；(4)两组步骤(2)得到锯齿状结构的复合材料介质层的锯齿状部分交错组合，形成“互锁”结构，然后将该“互锁...

【专利技术属性】
技术研发人员：李阳，牛闳森，郭云建，岳文静，张春伟，
申请(专利权)人：济南大学，
类型：发明
国别省市：山东,37