一种一体式电容式传感器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术提供了一种一体式电容式传感器及其制备方法和应用，所述传感器包括具有多孔结构的介电层，以及位于介电层两侧的电极层；其中，所述介电层的孔壁上负载离子物质。本发明专利技术提供的传感器具有一体化、灵敏度高、透气性好的优点，可以应用于制作健康监测器件或户外运动服装等。

【技术实现步骤摘要】
一种一体式电容式传感器及其制备方法和应用
本专利技术属于传感器
，涉及一种一体式电容式传感器及其制备方法和应用。
技术介绍
近年来，压力传感器在可穿戴式电子产品、医疗健康监测设备、电子皮肤、平板显示、航空航天、人工智能等领域有着巨大应用潜力，受到人们越来越多的关注。压力传感器按照工作原理主要分为压阻式、电容式、压电式和摩擦式传感器。其中电容式传感器通过外界力的变化从而引起电容值的变化，该类型传感器响应快、能耗低、结构简单、信噪比低，引起广泛的关注。目前所报道的电容式的压力传感器仍然存在一些缺点，例如灵敏度低，采用全密封模式封装器件导致不透气，很难制备大面积的样品等。通过在电极或介电层构建一些微结构来提高传感器的灵敏度已被证实是一种可行的方法，然而薄膜表面微纳结构的获取方式诸如硅倒膜法、光刻法、反应离子束刻蚀法等，其不仅价格昂贵，且灵敏度提高量不显著。CN107505068A公开了一种电容式柔性压力传感器及其制备方法，其中，该电容式柔性压力传感器包括：第一柔性纳米纤维薄膜层；第二柔性纳米纤维薄膜层，与第一柔性纳米纤维薄膜层相对设置；第一电极层，附着于第一柔性纳米纤维薄膜层内侧；第二电极层，附着于第二柔性纳米纤维薄膜层内侧；以及纳米纤维膜介电层，设置于第一电极层与第二电极层之间；该纳米纤维薄膜作为介电层，由静电纺丝制备得到，介电层的多孔结构提高了传感器的灵敏度，并且保持传感器的透气性。然而，该专利技术只是单纯的通过多孔结构来提高灵敏度，其灵敏度的增加量是非常有限的，并且在外界压力较大的情况下(高压区)，由于多孔层被压实，其灵敏度大幅降低，影响其使用范围。CN105547531A提供了一种高灵敏电容式压力传感器及其制作方法，该传感器包括衬底，压力弹性膜，分别固定在衬底上的第一固定基座、第二固定基座和第三固定基座，机械杆，支撑轴，第一叉指电极和第二叉指电极，第一引线电极和第二引线，绝缘材料。该专利技术通过机械放大杆的使用，使压力膜的变形成倍放大，从而提高了电容检测的灵敏度。然而，该专利技术为提高灵敏度而采用机械杆，很大程度上影响到传感器使用的舒适性，且该传感器结构复杂，不利于生产制备。CN108472846A公开了一种用于生物电极的一体式传感器和用于生产的方法，包括：穿过背衬材料的膜注塑导电树脂以直接在所述背衬材料中形成所述传感器，所述传感器包括设置在所述膜的第一侧上的接触面和从与所述第一侧相背的所述膜的第二侧凸出的柱；以及用不可极化的导电材料涂覆所述接触面。但是透气性差且灵敏度较低。因此，需要开发一种灵敏度高，结构简单且透气排汗性较好的一体式传感器以满足应用要求。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种一体式电容式传感器及其制备方法和应用，本专利技术提供的一体式电容式传感器实现了传感器件的一体化，而且所得到的传感器件灵敏度高，透气性好；且原料成本低廉，制备工艺简单，方便大规模工业化生产；所述一体式电容式传感器可用于制作户外运动衣物、可穿戴式健康监测器件等，具有广阔的应用价值。为达到此专利技术目的，本专利技术采用以下技术方案：第一方面，本专利技术提供了一种一体式电容式传感器，所述传感器包括具有多孔结构的介电层，以及位于介电层两侧的电极层；其中，所述介电层的孔壁上负载离子物质。本专利技术提供的传感器具有一体化、灵敏度高、透气性好的优点；在本专利技术中，在介电层的孔壁上负载离子物质，在外力作用下，离子物质的存在使传感器形成一种独特的超级电容层，从而可以大幅提高传感器的灵敏度，进而提高信号监测的准确性，并且离子物质的存在不会影响介电层的通孔性，进而可以保持介电层良好的透气排汗性。优选地，所述电极层具有网状多孔结构。本专利技术提供的网状多孔结构的电极可以进一步增加传感器的透气排汗性。优选地，所述电极层的厚度为1-10μm，例如2μm、3μm、4μm、5μm、6μm、7μm、8μm、9μm等，进一步优选5-10μm，更进一步优选2μm。优选地，所述电极层的孔径为0.1-100μm，例如0.5μm、1μm、5μm、10μm、20μm、30μm、40μm、50μm、60μm、70μm、80μm、90μm等。优选地，所述电极层的制备原料包括金、银、铜、铝或不锈钢中的任意一种或至少两种的组合，其中典型但非限制性的组合为：金与银的组合，金与铜的组合，银与铜的组合，铜与铝的组合，金、银与铝的组合，铜、铝、银与不锈钢的组合等，进一步优选银。优选地，所述离子物质包括离子液体、离子凝胶、氯化钠、氯化钾、磷酸盐、碳酸钠或碳酸氢钠中的任意一种或至少两种的组合。其中典型但非限制性的组合为：离子液体与氯化钠的组合，离子凝胶与氯化钠的组合，氯化钠与氯化钾的组合，碳酸钠与碳酸氢钠的组合，离子液体、氯化钠与氯化钾的组合，离子凝胶、氯化钠、磷酸盐与氯化钾的组合，优选离子液体。优选地，所述介电层的制备原料包括纸、聚苯乙烯泡沫、棉布、硝化纤维素、纤维素、聚酰亚胺、聚酯、聚酰胺、聚苯乙烯或醋酸纤维素中的任意一种或至少两种的组合。优选地，所述介电层的厚度为0.1-10mm，例如0.5mm、1mm、2mm、3mm、4mm、5mm、6mm、7mm、8mm、9mm等。优选地，所述介电层的孔径为0.1-500μm，例如0.1μm、5μm、10μm、50μm、100μm、200μm、300μm、400μm、450μm等。本专利技术所述的“包括”，意指其除所述组分外，还可以包括其他组分，这些其他组分赋予布料不同的特性。除此之外，本专利技术所述的“包括”，还可以替换为封闭式的“为”或“由……组成”。第二方面，本专利技术提供了如第一方面所述的一体式电容式传感器的制备方法，所述制备方法包括：在介电层两侧沉积电极层，得到所述一体式电容式传感器。优选地，所述介电层的制备方法包括：将多孔状介电膜浸入含有离子物质的溶液中，然后干燥，得到所述介电层。本专利技术提供的制备方法简单易行，并且原料成本低，方便大规模的工业化生产。优选地，所述离子物质和所述多孔状介电膜的质量比为1:(1-5)，例如1:2、1:3、1:4等，进一步优选1:5。优选地，所述干燥包括真空干燥、加热干燥、鼓风干燥或自然干燥中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选自然干燥。优选地，所述干燥的时间为1-60min，例如2min、5min、10min、12min、15min、18min、20min、25min、30min、35min、40min、45min、50min、55min等，进一步优选20-40min，更进一步优选30min。优选地，所述沉积的方法包括玻璃棒刮膜、热蒸镀、磁控溅射、喷枪喷涂、旋转涂覆或滴定中的任意一种或至少两种的组合，优选喷枪喷涂。优选地，所述沉积的温度为25-100℃，例如28℃、30℃、35℃、40℃、45℃、50℃、55℃、60℃、65℃、70℃、75℃、80℃、85℃、90℃、95℃等，进一步优选25-80℃，更进一步优选40℃。第三方面，本专利技术提供了如第一方面所述的一体式电容式传感器在功能器件或功能衣物中的应用。优选地，所述功能器件或功能衣物用于监测人体运动信号或监测人体生理信号，进而可以判断人体健康情况。相比于传统的传感器应用于布料衣物时，为了保持布料的透气性，通常采用分布排列组合的方式而言，本专利技术提供的传感器具有良好的透气性，可以全本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种一体式电容式传感器，其特征性在于，所述传感器包括具有多孔结构的介电层，以及位于介电层两侧的电极层；其中，所述介电层的孔壁上负载离子物质。

【技术特征摘要】
1.一种一体式电容式传感器，其特征性在于，所述传感器包括具有多孔结构的介电层，以及位于介电层两侧的电极层；其中，所述介电层的孔壁上负载离子物质。2.根据权利要求1所述的一体式电容式传感器，其特征在于，所述电极层具有网状多孔结构；优选地，所述电极层的厚度为1-10μm，进一步优选5-10μm，更进一步优选2μm；优选地，所述电极层的孔径为0.1-100μm；优选地，所述电极层的制备原料包括金、银、铜、铝或不锈钢中的任意一种或至少两种的组合，进一步优选银。3.根据权利要求1或2所述的一体式电容式传感器，其特征在于，所述离子物质包括离子液体、离子凝胶、氯化钠、氯化钾、磷酸盐、碳酸钠或碳酸氢钠中的任意一种或至少两种的组合，优选离子液体。4.根据权利要求1-3中的任一项所述的一体式电容式传感器，其特征在于，所述介电层的制备原料包括纸、聚苯乙烯泡沫、棉布、硝化纤维素、纤维素、聚酰亚胺、聚酯、聚酰胺、聚苯乙烯或醋酸纤维素中的任意一种或至少两种的组合。5.根据权利要求1-4中的任一项所述的一体式电容式传感器，其特征在于，所述介电层的厚度为0.1-10mm；优选地，所述介电层的孔径...

【专利技术属性】
技术研发人员：郭传飞，刘庆先，杨俊龙，王泉，
申请(专利权)人：南方科技大学，
类型：发明
国别省市：广东,44