单向弯曲敏感传感器制造技术

一种单向弯曲敏感传感器，包括聚合物基底、叉指电极以及聚合物弹性体介电层；所述叉指电极覆盖在所述聚合物基底的表面；所述聚合物弹性体介电层具有向上凸起的微结构阵列，并覆盖在所述叉指电极的表面。此传感器结构简单，可实现对弯曲的方向和角度的测量，同时对法向压力不敏感，可避免法向压力带来的干扰，提高了测量的准确性，也不需要额外的校准，能够简便而可靠测量单向弯曲。

Unidirectional bending sensitive sensor

【技术实现步骤摘要】
单向弯曲敏感传感器
本技术涉及传感器
，特别是一种单向弯曲敏感传感器。
技术介绍
目前，许多智能化的检测设备已经大量地采用了各种各样的传感器，其应用早已渗透到诸如工业生产、海洋探测、环境保护、医学诊断、生物工程、智能家居等方方面面。随着信息时代的应用需求越来越高，对被测量信息的范围、精度和稳定情况等各性能参数的期望值和理想化要求逐步提高。针对特殊环境与特殊信号下气体、压力、湿度的测量需求，对普通传感器提出了新的挑战和要求。现阶段，各类新型传感器层出不穷。其中，能对外界环境的刺激做出准确而迅速反应的柔性传感器成为研究的热点。柔性传感器主要渗透到以下四个领域：可穿戴设备，植入传感器设备，电子皮肤及功能化器件。其中，用于弯曲测量的传感器中，单向弯曲测量在多轴伺服控制系统中至关重要，特别是对于与人类相互作用的机器人。由于对正弯曲和负弯曲的敏感性，为弯曲测量开发的大多数柔性传感器仅具有有限的应用。而且，这些传感器通常具有对压力的响应，这意味着需要额外的校准，以及由压力带来的对测量结果的干扰。
技术实现思路
本技术的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种单向弯曲敏感传感器。为实现上述目的，本技术采用以下技术方案：一种单向弯曲敏感传感器，包括聚合物基底、叉指电极以及聚合物弹性体介电层；所述叉指电极覆盖在所述聚合物基底的表面；所述聚合物弹性体介电层具有向上凸起的微结构阵列，并覆盖在所述叉指电极的表面。进一步地：所述聚合物弹性体介电层的微结构包括锥形、截顶锥形和球形中的至少一种。所述微结构的锥形包括圆锥形或棱锥形，所述微结构的截顶锥形包括截顶圆锥形或截顶棱锥形，所述锥形或所述截顶锥形的锥度在30°-90°之间。所述微结构凸起的底面尺寸为直径10-60μm或底边边长为10-60μm。所述微结构凸起的间距为10-120μm。所述聚合物弹性体介电层的材料为PDMS、TPU、PET、硅橡胶或聚氨酯橡胶。所述聚合物弹性体介电层的厚度为6-100μm。所述聚合物基底的材料为PET、PI或PP薄膜，薄膜厚度为5-15μm。所述叉指电极的电极宽度为10-100μm，叉指间距为10-100μm，电极厚度为50-150nm。所述叉指电极的材料为金、银、铜、碳纳米管或铬。本技术具有如下有益效果：本技术提供的单向弯曲敏感传感器包括聚合物基底、金属叉指电极以及聚合物弹性体介电层；所述金属叉指电极覆盖在所述聚合物基底的表面；所述聚合物弹性体介电层具有向上凸起的微结构并覆盖在所述金属叉指电极的表面。此传感器的工作原理是基于边缘效应，这种效应通过此传感器中设置的叉指电极与具有微结构阵列的聚合物弹性体介电层相配合来实现和增强。边缘效应产生的电场深度是叉指电极的宽度与间隙的总和。当传感器朝向微结构弹性介电层方向弯曲时，由叉指电极产生的边缘效应电场中的微结构所占体积发生变化，导致介电常数的变化，进一步影响电容的变化。相反，当向相反方向弯曲时，微结构在边缘效应电场中变得更稀疏，这对器件的介电常数的影响相对较小。由此，本技术的传感器实现了仅对单方向弯曲敏感。并且，此传感器对压力不敏感，这是由于边缘效应引起的电场穿透深度是电极宽度和间距的总和，而压力主要施加在微结构的尖端上，因此与初始介电常数相比，在电场中引起的介电常数变化的压力可忽略不计。本技术的弯曲测量的电容式传感器将外界的弯曲信号转化为电信号，且可实现单一方向的弯曲测量，不会因为压力等其他信号的作用产生额外的输出。通过简单的不对称微观结构设计，本技术的单向敏感柔性电容式传感器在正负弯曲时能够产生不均匀的响应，从而实现对弯曲的方向和角度的测量，并且此传感器对压力的响应可忽略不计，能够避免法向压力对测量带来的干扰，不需要额外的校准，对单向弯曲的测量简便而准确。附图说明图1是本技术实施例的单向弯曲敏感传感器的结构示意图；图2是本技术实施例的单向弯曲敏感传感器的剖面示意图；图3是本技术实施例中的聚合物弹性体介电层的微结构示意图；图4是本技术实施例中的聚合物弹性体介电层的剖面示意图；图5是本技术实施例中的叉指电极的结构示意图；图6是本技术实施例的工作原理图；图7是本技术实施例的单向弯曲敏感传感器制作方法的流程示意图；图8为本技术实施例的单向弯曲敏感传感器的测量结果图。具体实施方式以下对本技术的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本技术的范围及其应用。参阅图1至图5，在一种实施例中，一种单向弯曲敏感传感器，该电容式单向敏感弯曲测量传感器包括聚合物基底3、叉指电极2以及聚合物弹性体介电层1；所述叉指电极2覆盖在所述聚合物基底3的表面；所述聚合物弹性体介电层1具有向上凸起的微结构阵列，并覆盖在所述叉指电极2的表面。作为用于弯曲测量的电容式单向敏感柔性传感器，此传感器的工作原理是基于边缘效应，这种效应通过此传感器中设置的叉指电极与具有微结构阵列的聚合物弹性体介电层相配合来实现和增强。边缘效应产生的电场深度是叉指电极的宽度与间隙的总和。参阅图6，当传感器朝向微结构弹性介电层方向弯曲时，由叉指电极产生的边缘效应电场中的微结构所占体积发生变化，导致介电常数的变化，进一步影响电容的变化。相反，当向相反方向弯曲时，微结构在边缘效应电场中变得更稀疏，这对器件的介电常数的影响相对较小。由此，本技术的传感器实现了仅对单向弯曲敏感。并且，此传感器对压力不敏感，这是由于边缘效应引起的电场穿透深度是电极宽度和间距的总和，而压力主要施加在微结构的尖端上，因此与初始介电常数相比，在电场中引起的介电常数变化的压力可忽略不计。此传感器结构简单，可实现对弯曲的方向和角度的测量，同时对法向压力不敏感，因此可避免法向压力带来的干扰，提高了测量的准确性，也不需要额外的校准，对于单向弯曲的测量简便而可靠。在优选的实施例中，所述锥形包括圆锥形或棱锥形(如金字塔形)，所述截顶锥形包括截顶圆锥形或截顶棱锥形(如截顶金字塔形)，所述锥形或所述截顶锥形的锥度在30°-90°之间。在优选的实施例中，所述微结构凸起的底面尺寸为直径10-60μm或底边边长为10-60μm。在优选的实施例中，所述微结构凸起的间距为10-120μm。在不同的实施例中，所述聚合物弹性体1材料为PDMS、TPU、PET、硅橡胶或聚氨酯橡胶。在不同的实施例中，所述聚合物弹性体介电层1的厚度为6-100μm。在不同的实施例中，所述聚合物基底3材料为PET、PI以及PP薄膜，薄膜厚度为5-15μm。在不同的实施例中，所述叉指电极2材料可以是金、银、铜、碳纳米管、铬等。在优选的实施例中，所述叉指电极2的电极宽度为10-100μm，叉指间距为10-100μm，电极厚度为50-150nm。例如，在具体实施例中，微结构凸起本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单向弯曲敏感传感器，其特征在于，包括聚合物基底、叉指电极以及聚合物弹性体介电层；所述叉指电极覆盖在所述聚合物基底的表面；所述聚合物弹性体介电层具有向上凸起的微结构阵列，并覆盖在所述叉指电极的表面。/n

【技术特征摘要】
1.一种单向弯曲敏感传感器，其特征在于，包括聚合物基底、叉指电极以及聚合物弹性体介电层；所述叉指电极覆盖在所述聚合物基底的表面；所述聚合物弹性体介电层具有向上凸起的微结构阵列，并覆盖在所述叉指电极的表面。


2.如权利要求1所述的单向弯曲敏感传感器，其特征在于，所述聚合物弹性体介电层的微结构包括锥形、截顶锥形和球形中的至少一种。


3.如权利要求2所述的单向弯曲敏感传感器，其特征在于，所述微结构的锥形包括圆锥形或棱锥形，所述微结构的截顶锥形包括截顶圆锥形或截顶棱锥形，所述锥形或所述截顶锥形的锥度在30°-90°之间。


4.如权利要求2至3任一所述的单向弯曲敏感传感器，其特征在于，所述微结构凸起的底面尺寸为直径10-60μm或底边边长为10-60μm。


5.如权利要求1至3任一所述的单向弯曲敏感传感器，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：张旻，李萌萌，梁家铭，
申请(专利权)人：清华大学深圳研究生院，
类型：新型
国别省市：广东;44