具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器及其制法制造技术

本发明专利技术公开了一种具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器及制法，所述压力传感器包括：彼此相对设置的两个柔性电极，所述两个柔性电极彼此相对的两个相对面中的至少一个上具有由复数个凸起部和/或凹下部形成的微结构；以及，多相介电层，分布于所述的两个柔性电极之间，所述多相介电层包括由复数个可自由移动的微球聚集形成的微球介电层以及填充所述微球介电层内的孔隙的空气和/或柔性聚合物。本发明专利技术提供的具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器具有轻薄、柔软等特点，可以被加工成多种形状，具有可穿戴、可贴附的优点；以多相材料为介电层，可提高器件灵敏度，降低测量的最小压力。

Micro structured dielectric capacitor pressure sensor with micro structure and method for making the same

The invention discloses a micro structured multiphase dielectric layer capacitive pressure sensor and preparation method, wherein the pressure sensor includes two flexible electrode arranged opposite to each other, the two flexible electrode relative to each other the two opposite surfaces of at least one of the plurality of protrusions having a the lower part of the formation and / or concave micro structure; and heterogeneous dielectric layer between two electrodes on the flexible distribution, the multi-phase dielectric layer includes a dielectric layer free moving microspheres microspheres formed by the aggregation of microspheres and filling the dielectric layer of the pores in the air and / or by a plurality of flexible polymers. The invention provides a micro structured multiphase dielectric layer capacitive pressure sensor with a thin, soft features, can be processed into a variety of shapes, is wearable, can be attached to the advantages; multiphase materials as dielectric layer, can improve the sensitivity of the device, reducing the minimum pressure measurement.

【技术实现步骤摘要】
具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器及其制法
本专利技术涉及一种压力传感器，特别涉及一种具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器及制法，属于传感器

技术介绍
近年来，随着柔性电子学的发展，应用于假肢的触觉传感器、智能机器人以及健康监测方面的柔性传感器因其优异的性能而被广泛关注。自1991年具有触觉传感功能的电子皮肤首次应用于机器人起，研制轻、薄、柔的高灵敏度的新型柔性传感器已经成为前沿的科研方向。近15年来，随着新原理、新材料、新工艺等不断地应用于柔性传感器的研发，柔性传感器的发展成果举世瞩目。但在实际的机理研究和产品开发中，我们发现还存在一些问题：如灵敏度有待提高，检测范围有限，制作工艺复杂、成本高等。技术的发展状况与市场的需求为未来柔性传感器的发展指明了道路：首先，如何实现柔性传感器的高灵敏度，检测更小压力成为大家努力的目标。其次，在保证柔性传感器自身电学性能的前提下实现延展性和弯曲性，这就对电路的制作材料提出了新的挑战和要求。最后，以大型医疗检测设备为依托的医疗健康方面，简单轻巧、易于携带的健康检测设备更受医生和患者的青睐。柔性电容型传感器因其柔软、富有弹性，能贴附于物体表面，且灵敏度较高，将在智能机器人、手持式电子消费产品、柔性显示器、医疗健康检测设备等方面具有巨大的潜在应用价值。目前，柔性传感器仍存在灵敏度有待提高、监测范围有限、制作工艺复杂、成本高等问题。所以，如何在维持相对简单的结构设计、保证器件轻薄和柔弹性的前提下，提高电容型传感器的灵敏度已成为研究的热点之一。
技术实现思路
本专利技术的主要目的在于提供一种具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器及制法，以克服现有技术的不足。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：本专利技术提供了一种具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器，包括：彼此相对设置的两个柔性电极，所述两个柔性电极彼此相对的两个相对面中的至少一个上具有由复数个凸起部和/或凹下部形成的微结构；以及，多相介电层，分布于所述两个柔性电极之间，所述多相介电层包括由复数个可自由移动的微球聚集形成的微球介电层以及填充所述微球介电层内孔隙的空气和/或柔性聚合物。进一步的，所述柔性电极覆设在柔性衬底表面，并且至少一个所述柔性衬底的一侧表面具有由复数个凸起部和/或凹下部形成的微结构；优选的，所述柔性电极共形沉积在相应柔性衬底的相应表面；优选的，所述柔性衬底的厚度为20～100μm；优选的，所述柔性衬底的材质包括乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺和聚乙烯中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。进一步的，所述柔性电极上的微结构包括复数个倒金字塔型凹下部；优选的，所述倒金字塔型凹下部的底面长度为10～50μm，底面宽度为10～50μm，高度为7.06～35.31μm；优选的，所述微球介电层中的至少部分微球分布于形成在所述柔性电极相对面的倒金字塔型凹下部内。进一步的，所述传感器还包括柔性封装层，所述柔性封装层至少用于将所述微球介电层封装于两个柔性电极之间；优选的，所述柔性封装层形成于相互配合的两个柔性衬底周缘部或者两个柔性电极周缘部，并在两个柔性衬底之间或者两个柔性电极之间围合形成一封装空间，所述多相介电层分布于所述封装空间内；优选的，所述柔性封装层、柔性电极、多相介电层及柔性衬底形成一体结构；优选的，所述柔性封装层的厚度为10～20μm；优选的，所述柔性封装层的材料包括二甲基硅氧烷、聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。进一步的，所述多相介电层的厚度为3～12μm；和/或，组成所述微球介电层的微球随机堆积在所述柔性电极上；和/或，所述微球包括聚苯乙烯微球、二氧化硅微球、聚二甲基硅氧烷微球、钛酸钡微球、钛酸钡/聚苯乙烯核壳微球、钛酸钡/二氧化硅核壳微球、钛酸钡/聚二甲基硅氧烷核壳微球中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此；和/或，所述微球的直径为500nm～50μm；和/或，所述柔性聚合物包括聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。进一步的，所述柔性电极的材质包括碳纳米管、银纳米线、金纳米颗粒中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此；优选的，所述柔性电极还与引线电连接；优选的，所述引线包括导电无纺布、铜箔、漆包线和带有压敏胶粘剂的扁平铜箔胶带中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。进一步的，所述具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器的厚度为50～200μm。本专利技术还提供了一种上述具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器的制法，包括：提供两个柔性电极，至少一个所述柔性电极的所述相对面上具有由复数个凸起部和/或凹下部形成的微结构；在至少一个所述柔性电极的所述相对面上覆设多相介电材料，所述多相介电材料包括随机堆积的复数个微球以及填充于该复数个微球之间的空气和/或柔性聚合物；将两个柔性电极结合，使多相介电材料在两个柔性电极之间形成多相介电层。进一步的，所述制法还包括：提供与所述两个柔性电极相应的柔性衬底，至少一个所述柔性衬底与所述柔性电极相应的表面上具有由复数个凸起部和/或凹下部形成的微结构；在所述柔性衬底的相应表面覆设所述柔性电极，以使至少一个所述柔性电极的所述相对面上形成所述微结构。进一步的，所述制法还包括：提供带有倒金字塔微结构的模板，并通过二次覆形获得表面具有由复数个倒金字塔型凹下部组成的微结构的柔性衬底。进一步的，所述制法还包括：至少通过喷涂、打印、热蒸发中的任意一种方式在所述柔性衬底相应表面沉积形成所述柔性电极。进一步的，所述制法还包括：至少通过粘贴、印刷、物理切割中的任意一种方式从所述柔性电极表面引出引线。进一步的，所述制法还包括：至少通过旋涂、滴涂、喷涂、刮涂中的任意一种方式在所述柔性电极的相对面上堆积多相介电材料。进一步的，所述制法具体包括：至少通过旋涂、滴涂、喷涂、刮涂中的任意一种方式将微球分散液施加在所述柔性电极的相对面上，之后干燥，形成所述多相介电材料；优选的，所述微球分散液的浓度为0.25wt％～5wt％；优选的，所述微球分散液还包含柔性聚合物。进一步的，所述制法还包括：以柔性封装层将所述微球介电层封装于两个柔性电极之间；优选的，所述制法还包括：以柔性封装材料涂覆相互配合的两个柔性衬底周缘部或者两个柔性电极周缘部并形成柔性封装层，从而在两个柔性衬底之间或者两个柔性电极之间围合形成一封装空间，并使所述多相介电层分布于所述封装空间内；优选的，所述柔性封装层、柔性电极、多相介电层及柔性衬底形成一体结构。与现有技术相比，本专利技术的优点包括：(1)本专利技术提供的具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器具有轻薄、柔软等特点，可以被加工成多种形状，具有可穿戴、可贴附的优点；(2)提供的具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器以多相材料为介电层，在施加的压力的同时，实现微球的自由运动，介电层厚度d减小时，极板面积S和介电常数ε增大，从而达到对压力较高灵敏度的响应，同时还具有高精度、高可靠性、长寿命等优点。附图说明图1是本专利技术一典型实施方案中一种具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器的结构示意图；图2是本专利技术一典型实施方案中具有本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器，其特征在于包括：彼此相对设置的两个柔性电极，所述两个柔性电极彼此相对的两个相对面中的至少一个上具有由复数个凸起部和/或凹下部形成的微结构；以及，多相介电层，分布于所述两个柔性电极之间，所述多相介电层包括由复数个可自由移动的微球聚集形成的微球介电层以及填充所述微球介电层内孔隙的空气和/或柔性聚合物。

【技术特征摘要】
1.一种具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器，其特征在于包括：彼此相对设置的两个柔性电极，所述两个柔性电极彼此相对的两个相对面中的至少一个上具有由复数个凸起部和/或凹下部形成的微结构；以及，多相介电层，分布于所述两个柔性电极之间，所述多相介电层包括由复数个可自由移动的微球聚集形成的微球介电层以及填充所述微球介电层内孔隙的空气和/或柔性聚合物。2.根据权利要求1所述具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器，其特征在于：所述柔性电极覆设在柔性衬底表面，并且至少一个所述柔性衬底的一侧表面具有由复数个凸起部和/或凹下部形成的微结构；优选的，所述柔性电极共形沉积在相应柔性衬底的相应表面；优选的，所述柔性衬底的厚度为20～100μm；优选的，所述柔性衬底的材质包括乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺和聚乙烯中的任意一种或两种以上的组合。3.根据权利要求1或2所述具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器，其特征在于：所述柔性电极上的微结构包括复数个倒金字塔型凹下部；优选的，所述倒金字塔型凹下部的底面长度为10～50μm，底面宽度为10～50μm，高度为7.06～35.31μm；优选的，所述微球介电层中的至少部分微球分布于形成在所述柔性电极相对面的倒金字塔型凹下部内。4.根据权利要求2所述具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器，其特征在于：所述传感器还包括柔性封装层，所述柔性封装层至少用于将所述微球介电层封装于两个柔性电极之间；优选的，所述柔性封装层形成于相互配合的两个柔性衬底周缘部或者两个柔性电极周缘部，并在两个柔性衬底之间或者两个柔性电极之间围合形成一封装空间，所述多相介电层分布于所述封装空间内；优选的，所述柔性封装层、柔性电极、多相介电层及柔性衬底形成一体结构；优选的，所述柔性封装层的厚度为10～20μm；优选的，所述柔性封装层的材料包括二甲基硅氧烷、聚乙烯、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯中的任意一种或两种以上的组合。5.根据权利要求1所述具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器，其特征在于：所述多相介电层的厚度为3～12μm；和/或，组成所述微球介电层的微球随机堆积在所述柔性电极上；和/或，所述微球包括聚苯乙烯微球、二氧化硅微球、聚二甲基硅氧烷微球、钛酸钡微球、钛酸钡/聚苯乙烯核壳微球、钛酸钡/二氧化硅核壳微球、钛酸钡/聚二甲基硅氧烷核壳微球中的任意一种或两种以上的组合；和/或，所述微球的直径为500nm～50μm；和/或，所述柔性聚合物包括聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯中的任意一种或两种以上的组合。6.根据权利要求1所述具有微结构化的多相介电层电容式压力传感器，其...

【专利技术属性】
技术研发人员：张珽，罗袆，李铁，刘林，顾杨，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏,32