一种电容式压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术属于电容式压力传感器技术领域，尤其涉及一种电容式压力传感器及其制备方法所述传感器包括：电极、离子凝胶介质层和导线；所述电极由表面设置有银纳米线层的基板构成；所述银纳米线层中埋设有延伸到银纳米线层外部的导线；所述离子凝胶介质层在所述顶部电极、底部电极上的银纳米线层表面均有设置；所述离子凝胶介质层的结构为：基底层表面分布有柱状的离子凝胶；所述离子凝胶介质层中的基底层设置在一电极的银纳米线层上，所述另一电极的银纳米线层设置在离子凝胶介质层中的柱状的离子凝胶上。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，可广泛应用于电子皮肤、可穿戴产品、植入设备及多功能传感器系统中。

A Capacitive Pressure Sensor and Its Preparation Method

The invention belongs to the capacitive pressure sensor technical field, in particular to a capacitive pressure sensor and a preparation method thereof. The sensor comprises an electrode, an ionic gel medium layer and a conductor, wherein the electrode is composed of a substrate with a silver nanowire layer arranged on the surface, and a conductor extending to the outer layer of the silver nanowire layer is embedded in the silver nanowire layer, and the ion gel medium layer is embedded in the silver nanowire layer. The surface of the silver nanowire layer on the top electrode and the bottom electrode is arranged; the structure of the ionic gel medium layer is that the columnar ion gel is distributed on the surface of the base layer; the basal layer of the ionic gel medium layer is arranged on the silver nanowire layer of the electrode, and the silver nanowire layer of the other electrode is arranged on the columnar ionic gel of the ionic gel medium layer. The sensor prepared by the invention has high sensitivity, small hysteresis and good repeatability, and can be widely used in electronic skin, wearable products, implantation equipment and multi-functional sensor system.

【技术实现步骤摘要】
一种电容式压力传感器及其制备方法
本专利技术涉及压力传感器
，尤其涉及一种电容式压力传感器及其制备方法。
技术介绍
柔性电子技术是将电子元器件集成在柔性可延展塑料或薄金属基板上的新兴电子技术，相对于传统的无机刚性电子器件，柔性电子器件在适用性、便携性及舒适性等方面具有独特的优势。柔性应力传感器以信号传导的形式将生理活动信号转换为可视的电信号，具有轻薄便携、电学性能优异和集成度高等特点。在众多类型的应力传感器中，电容式应力传感器具有较高的响应速度和动态范围，对力的敏感性高，可以实现低能耗检测微小的静态力，在人体健康监测、生物医学、智能服装、可穿戴显示器和柔性电子皮肤等方面有着巨大的潜力。虽然以半导体和金属箔为基础的传统应变传感器在成本上有一定优势，且具有较大的介电常数，但大多缺乏柔韧性，不易弯曲，造成检测范围窄，较难适用于多种场合。与之相比弹性高分子材料具有柔软、轻便、透明、延展性等特性，可以良好的适用于智能化领域，然而对于常用的柔性材料，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)、聚苯乙烯(PS)等，它们虽然具有良好的柔韧性与可拉伸性，但这些柔性材料的介电常数通常较低，因此我们需要通过将导电相(碳纤维、碳纳米管、炭黑、金属颗粒等)掺入到柔性材料中构成复合材料，以提高器件的灵敏度。但由于这些导电相在掺杂过程中并不能均匀的分散在柔性材料中，造成介电常数的分布不均匀，极大的影响器件的性能，并且导电相的制备成本高昂，并不适用于未来工业化生产。此外，通过改变器件结构上的设计也可以提高传感器的灵敏度。有些研究人员利用简单、低成本的方法制备多孔结构应力传感器，器件在受到外部应力后，孔中空气容易被挤压出来，介质层厚度减小，灵敏度得到提高。然而，气孔的设计依赖于一定的制造工艺，可能会造成器件之间性能的差异。为了制备规则的微结构，可以利用光刻工艺制备光刻模具，实现有序排列的微结构阵列，但随着光刻尺寸的降低，成本将指数增长，并且工艺复杂、耗时，并不适合大规模生产。为降低成本并且得到有序阵列，可以采用呼吸图法制备微结构模具，这种方法利用在潮湿空气中蒸发溶剂，水滴在表面凝结成核生长，形成六边形阵列，在水滴完全蒸发后，在剩余聚合物膜中留下蜂窝状孔洞。但实验过程是一个非等温、非平衡态过程，实验中影响结果的变量很多，包括聚合物的化学性质和结构、选择的有机溶剂与衬底、环境温度与湿度等，因此其制备过程十分复杂，需经过大量实验来得到一个最佳的制备过程，同样难以得到广泛应用。综上，本专利技术认为：尽管研究人员目前探索出了各种巧妙的方法用于制备高灵敏度的柔性传感器，但在传感器介质层的制作及微结构设计中大多都依赖贵金属掺杂、硅基板刻蚀、柔性衬底表面等离子体处理等高成本、高能耗的制造工艺，很难实现大面积的制备，而简单、低廉的制备方法又无法使器件达到理想的性能，从而限制了它们在实际中的应用。
技术实现思路
针对上述的问题，本专利技术旨在提供一种电容式压力传感器及其制备方法。一方面，本专利技术通过利用具有高比电容和高柔韧性的微结构离子凝胶来提高传感器的灵敏度。离子凝胶由聚合物聚偏氟乙烯-六氟丙烯(P(VDF-HFP))和离子液体(1-乙基-3-甲基咪唑双(三氟甲基磺酰基)酰胺)([EMI][TFSA])复合而成，含正电荷和负电荷离子对，具有很高的比电容和优异的拉伸性，在受到应力时极易变形，撤除应力后可立即恢复原状，多次使用后性能仍保持稳定。另一方面，我们采用低成本、制备工艺简单且孔洞长程有序的自组装多孔阳极氧化铝(AAO)模板来辅助制备离子凝胶纳米微结构阵列，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。而且，本专利技术的传感器制备方法低成本、低能耗、且能够大面积制备，让电子皮肤及可穿戴设备更易实现。本专利技术的目的之一是提供电容式压力传感器。本专利技术的目的之一是提供电容式压力传感器及其制备方法。本专利技术的目的之二是提供上述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电容式压力传感器，所述传感器包括：电极，离子凝胶介质层，以及，导线；其中：所述电极由表面设置有银纳米线(AgNWs)层的基板构成；所述银纳米线层中埋设有延伸到银纳米线层外部的导线；所述离子凝胶介质层在所述顶部电极、底部电极上的银纳米线层表面均有设置；所述离子凝胶介质层的结构为：基底层表面分布有柱状的离子凝胶，从而形成阵列结构的离子凝胶介质层，所述离子凝胶层由P(VDF-HFP)聚合物和[EMI][TFSA]离子液体制成；所述电容式压力传感器的结构为：离子凝胶介质层中的基底层设置在一电极的银纳米线层上，所述另一电极的银纳米线层设置在离子凝胶介质层中的柱状的离子凝胶上；所述两个电极可以称为顶部电极、底部电极，可以理解的，该“顶部”或“底部”仅仅是指空间位置上的区别。其次，本专利技术公开一种具有双面离子凝胶介质层结构的电容式压力传感器，所述传感器包括：电极，离子凝胶介质层，以及，导线；其中：所述电极、离子凝胶介质层以及导线的结构设置与前面所述电容式压力传感器的结构设置相同，区别在于：所述离子凝胶介质层为：基底层的两面均分布有柱状的离子凝胶的双面离子凝胶介质层。这种具有双面离子凝胶介质层的电容式应力传感器的灵敏度有了更显著的提高。进一步地，所述电容式压力传感器中，所述基板包括聚酰亚胺(PI)层等。本专利技术使用的P(VDF-HFP)/[EMI][TFSA]离子凝胶是由离子液体单体单元组成的高分子材料，结合了离子液体的绝大部分优点，如不挥发、不易燃、高的化学稳定性和热稳定性、离子电导率高等，以及高分子材料的易加工性、结构可调控性等优点。由它构成的介质层具有很大的介电常数和很高的比电容(>5μFcm-2)，原因是离子凝胶与电极表面接触时形成独特的电子-离子接触，这触发了离子电容的建立，形成可观的界面电容，这是与其他常规电容式应力传感器的主要区别。且界面电容值基本与离子-电子接触面积成比例，因此随着外部应力上升，离子凝胶的纳米线结构变矮、变粗或者倾斜，都会使离子凝胶和电极之间的接触面积持续增加，这将导致界面电容的进一步升高。此外，应力传感器中介质层的纳米线结构受到应力时极易发生形变，极板间距d减小，使电容值C明显增大。因此，本专利技术提出的电容式应力传感器对应力具有良好的灵敏度。再次，本专利技术公开所述电容式压力传感器的制备方法，包括如下步骤：电极制备：将银纳米线(AgNWs)喷涂在基板表面，制成柔性电极；离子凝胶介质层制备，包括：(1)将P(VDF-HFP)聚合物和[EMI][TFSA]离子液体制成的离子凝胶涂覆在AAO模板上，使离子凝胶均匀铺开；然后去除离子凝胶中的溶剂；(2)去除溶剂后，对得到的样品进行加压加热处理，使熔融态的离子凝胶充分进入AAO孔洞；(3)加压加热完成后，除去样品中的AAO模板，得到离子凝胶介质层；由于AAO模板的作用，所述离子凝胶介质层具有阵列结构，且在AAO模板上涂覆离子凝胶时，涂在AAO模板表面的离子凝胶形成了基底层，进入AAO模板孔洞中的离子凝胶的一端与基底层一体成型，另一端为自由端，从而形成了纳米线阵列结构的离子凝胶介质层；电容式压力传感器的组装：将所述离子凝胶介质层中的基底层设置在一电极的银本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电容式压力传感器，其特征在于，所述传感器包括：电极，离子凝胶介质层，以及，导线；其中：所述电极由表面设置有银纳米线层的基板构成；所述银纳米线层中埋设有延伸到银纳米线层外部的导线；所述离子凝胶介质层在所述顶部电极、底部电极上的银纳米线层表面均有设置；所述离子凝胶介质层的结构为：基底层表面分布有柱状的离子凝胶，从而形成阵列结构的离子凝胶介质层，所述离子凝胶层由P(VDF‑HFP)聚合物和[EMI][TFSA]离子液体制成；所述电容式压力传感器的结构为：离子凝胶介质层中的基底层设置在一电极的银纳米线层上，所述另一电极的银纳米线层设置在离子凝胶介质层中的柱状的离子凝胶上。

【技术特征摘要】
1.一种电容式压力传感器，其特征在于，所述传感器包括：电极，离子凝胶介质层，以及，导线；其中：所述电极由表面设置有银纳米线层的基板构成；所述银纳米线层中埋设有延伸到银纳米线层外部的导线；所述离子凝胶介质层在所述顶部电极、底部电极上的银纳米线层表面均有设置；所述离子凝胶介质层的结构为：基底层表面分布有柱状的离子凝胶，从而形成阵列结构的离子凝胶介质层，所述离子凝胶层由P(VDF-HFP)聚合物和[EMI][TFSA]离子液体制成；所述电容式压力传感器的结构为：离子凝胶介质层中的基底层设置在一电极的银纳米线层上，所述另一电极的银纳米线层设置在离子凝胶介质层中的柱状的离子凝胶上。2.一种具有双面离子凝胶介质层结构的电容式压力传感器，其特征在于，所述传感器包括：电极，离子凝胶介质层，以及，导线；其中：所述电极、离子凝胶介质层以及导线的结构设置与权利要求1所述电容式压力传感器的结构设置相同，区别在于：所述离子凝胶介质层为：基底层的两面均分布有柱状的离子凝胶的双面离子凝胶介质层。3.权利要求1所述的电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：电极制备：将银纳米线喷涂在基板表面，制成柔性电极；离子凝胶介质层制备，包括：(1)将P(VDF-HFP)聚合物和[EMI][TFSA]离子液体制成的离子凝胶涂覆在AAO模板上，然后去除离子凝胶中的溶剂；(2)去除溶剂后，对得到的样品进行加压加热处理，使熔融态的离子凝胶充分进入AAO孔洞；(3)加压加热完成后，除去样品中的AAO模板，得到离子凝胶介质层；电容式压力传感器的组装：将所述离子凝胶介质层中的基底层设置在一电极的银纳米线层上，将所述另一电极的银纳米线层设置在离子凝胶介质层中的柱状的离子凝胶上，即得。4.权利要求2所述的电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，采用权利要求3所述的方法得到具有纳米线阵列结构的离子凝胶介质层后，在该介质层的基底层表面放置一片新的AAO模板对介质层进行热压，使熔融态离子凝胶充分渗入AAO模板中的孔洞，然后自然冷却至室温再撤去压力，除去AAO模板，得到基底层两面均分布有柱状的离子凝胶的双面离子凝胶介质层，将该双面离子凝胶介质层置于顶部电极和底部电极之间，即得。5.如权利要求3或4所述的电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述AAO模板由多孔氧化铝层和铝基组成，其中，多孔氧化铝层位于铝基上；优选地，所述AAO模板的孔径为100-400nm，厚度为0.2-10μm；优选地，所述AAO模板由两步阳极氧化法制备，具体包括如下步骤：S1、将铝片浸泡在丙酮和乙醇溶液中超声清洗30min后，转移至中温管式炉，在N2气氛下退火，退火温度500℃，时间8h；S2、以步骤S1的铝片为阳极，铅块为阴极，以草酸为电解质，进行第一次氧化，反应后在铝片表面生成初步有序的氧化膜；S3、将步骤S2得到的含有氧化膜的铝片浸泡在磷酸和...

【专利技术属性】
技术研发人员：李阳，郭云建，牛闳森，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