一种电容式柔性传感器的制备方法技术

本发明专利技术提供了一种电容式柔性传感器的制备方法。该传感器分别以柔性导电硅橡胶和纯硅橡胶为上下电极层和中间介电层。在电极层和介电层引入不同粗糙度的表面微结构后，制备的传感器具有不同的灵敏度，可用于人体运动信号检测。用作传感器介电层的纯橡胶由液态A组分基胶和B组分固化剂混炼制成；用作传感器导电层的导电橡胶由液态A组分基胶、B组分固化剂、导电填料、增塑剂以及稀释剂混炼制成，通过喷涂、固化、组装后，获得具有良好力学信号响应的柔性电容传感器。该电容器具有灵敏度高、响应时间快、滞后小、稳定性强等特点。

A preparation method of capacitive flexible sensor

【技术实现步骤摘要】
一种电容式柔性传感器的制备方法
本专利技术涉及一种电容式柔性传感器的制备方法。属于柔性电子设备领域。
技术介绍
柔性传感器因其在人体健康监测、可穿戴电子设备、人机交互和电子皮肤等领域巨大的应用前景，成为了近年来的研究热点。与压阻式、压电式和场效应晶体管式等类型传感器相比，电容式柔性传感器具有能耗低、响应速度快、低滞后等特点，受到了广泛的关注。电容式柔性传感器能够将外部机械刺激信号转化为电容值的变化，电容值变化量随即被系统识别，从而达到传感的目的。常规的平行板电容式柔性传感器为三夹层结构，包括顶、底部的电极层和中间的绝缘介电层。其中介电层材料一般选用高弹性的高分子材料，例如尼龙网、聚苯乙烯(PS)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯海绵(ILPS)、离子凝胶(MIG)、铂催化硅橡胶(Ecoflex)等。电极层材料大致可分为两类，一类为传统的金属箔片，如金箔；另外一类为通过旋涂或磁控溅射工艺，在基体薄膜上附着一层导电物质(银纳米线、氧化铟锡、碳纳米管、石墨烯等)组成的导电复合薄膜。当前柔性传感器制备方面仍存在工艺复杂、原材料昂贵以及传感器灵敏度不高等局限。专利CN109883582A(申请日期2019年2月14日，公开日期2019年6月14日)提供了一种基于导电橡胶的柔性电容传感器。该传感器以柔性导电橡胶为导电极板，以柔性纯橡胶为介电层，利用喷涂工艺制备电容传感器各层，辅助以表面微结构。制备的柔性电容传感器对外界载荷产生显著的信号响应，可用于拉伸、压缩及运动测试。其中介电层的纯橡胶由80～90wt％液态橡胶和10～20wt％固化剂混炼制成；导电橡胶由40～60wt％液态橡胶、10～15wt％固化剂、20～30wt％导电填料、以10～20wt％稀释剂混炼制成，通过分层喷涂和分步或整体固化后，获得具有良好力学信号响应的柔性电容传感器。该传感器的具有一定柔性，辅助以微结构，提高了灵敏度。该专利存在以下特点或局限：1)传感器需要采用铜箔引出电极，为非全柔性传感器，一定程度上破坏了整体性；2)电极层填充材料为镀金属镍的碳纤维，为刚性材料，降低了电极层的柔性；3)未定量表征传感器引入的微结构粗糙度，电容响应灵敏度不高(约0.24kPa-1)。专利CN110455443A(申请日期2019年8月23日，公开日期2019年11月15日)公开了一种采用银纳米线柔性电极制备的柔性电容传感器，包括上下两层柔性电极板以及中间的柔性介电层，柔性电极包括：柔性基底、柔性基底内的银纳米线电极薄膜层；电极的制备方法采用转印法，即先在电极模版内制备银纳米线电极薄层，后注入柔性聚合物固化从而将银纳米线导电薄层转移至柔性基底内；所述的柔性介电层分为两种：薄膜结构和多孔结构，薄膜结构采用在硅片上均匀涂抹柔性聚合物预聚体形成薄层制备；多孔结构采用模版法制备，即将柔性聚合物预聚体与食盐均匀混合，制备成膜结构固化，后去除食盐得到多孔介电层结构。该柔性电容传感器制备方法简单，并且具有良好的信号响应。该专利存在以下特点或局限：1)纳米材料用作电极，工艺较为复杂，成本较高；2)电容传感器初始值仅为1.7pF，且响应幅度不高。专利CN106813811A(申请日期2017年1月20日，公开日期2017年6月9日)公开了一种高灵敏度的电容型柔性压力传感器，具有多层次微结构材料，附着于微结构材料表面上为电容器上电极、电介质材料和电介质材料下表面的电容器下电极；多层次微结构材料和电介质材料平面叠合；所述多层次微结构材料为如下结构：纵截面的形状为面分布且排列的若干金字塔形或边缘平滑的类金字塔形、半球形、椭球形、圆锥形、V字形形状；多层次微结构材料采用聚合物弹性材料。所述的柔性聚合物为PDMS、聚乙烯、硅橡胶等，多层次微结构的制备方法是光刻法，金属电极层的电极制备方法是电子束蒸镀，分别在电极上镀上金属Ti和金属Au制备电极。该传感器在0-5kPa压强下灵敏度较高，但是还存在以下缺点：1)多层次微结构和电极金属层采用光刻、电子束蒸镀、臭氧清洗等的方法制备。工艺复杂，成本高，对环境有一定污染；2)电极属于金属电极，并非完全柔性；3)该传感器只在较小压强(0～5kPa)下响应呈线性，测量范围有限。专利CN110068413A(申请日期2019年4月23日，公开日期2019年7月30日)公开了基于球曲面极板的电容式柔性触觉传感器，包括：半球型柔性腔体、四个球曲面感应极板、柔性公共极板、柔性基体；其中，四个所述的球曲面感应极板等间隔的贴合固定在所述半球形柔性腔体的内壁上，以所述半球形柔性腔体的中轴线为对称线两两对称，且各球曲面感应极板皆互不接触，在四个球曲面感应极板的底部均设置有导电银胶电极引线，电极引线穿过柔性基体被引出；所述柔性公共极板设置在柔性基体上，柔性公共极板与四个球曲面感应极板互不接触，四个呈空间立体排布的球曲面感应极板与底部柔性公共极板构成四个独立的电容式触觉敏感单元，并构成差分式结构。该传感器具备法向力、切向力检测功能，且检测灵敏度高。该专利存在以下特点或局限：1)曲面结构结构较为复杂，难以批量化生产；2)电极为导电银胶，生产成本较高。专利CN207703231U(申请日期2017年12月11日，公开日期2018年8月7日)公开了一种柔性电容传感器，包括第一电极、第二电极、包覆在第一电极外部的第一介电层以及包覆在第二电极外部的第二介电层，第一电极和第二电极各为一根导电纤维，第一电极和第二电极形成双螺旋结构，第一介电层和第二介电层的材质为织物。本技术提供一种集成在织物线中的柔性传感器，能够检测拉伸动作，可以融入到服装中去，不影响服装的透气性、柔软性，对穿戴者的动作无限制。该专利存在以下特点或局限：1)导电纤维的材质为金属金、银、铜等，成本高且不具备柔性；2)仅能对拉伸信号进行检测，无法检测压力信号。专利CN110440958A(申请日期2019年8月6日，公开日期2019年11月12日)公开了一种基于经编间隔织物的电容式压力传感器，包括介质层和与介质层相连的电极板，所述介质层为经编间隔织物，所述电极板为导电织物，所述经编间隔织物的两侧均设置有导电织物，所述导电织物处连接有导线引脚。本专利技术结合了经编间隔织物抗压缩性良好、透气透湿性优良等优点，可集成到日用纺织品中和检测压力变化，具有便携性好、灵敏度高、环保舒适等特点。该专利存在以下特点或局限：1)导电织物为在织物上电镀镍和铜等金属，工艺复杂且难以控制电镀厚度；2)电容传感器以织物为原材料，不具备拉伸性和延展性。专利CN110260893A(申请日期2019年6月18日，公开日期2019年9月20日)公开了一种电容式柔性传感器的制备方法，包括将两个复合片粘合在一起得到电容式柔性传感器，复合片的制备过程包括将用于制备石墨烯的薄膜粘结在基底表面，利用激光直写工艺在薄膜上打印出石墨烯电极图案；在石墨烯电极图案的表面设置封装层，将带有封装层的石墨烯电极图案从基底上剥离下来；在石墨烯电极图案上设置隔离层，将石墨烯电极图案的端部与导线相连，以得到复合片。利用激光直写工艺在薄膜上打印出石墨烯电极图案，提高电容式柔本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种电容式柔性传感器的制备方法，其特征在于：传感器由上下电极层和中间的介电层组成；用作传感器介电层的纯硅橡胶由85～90wt％液态A组分基胶和10～15wt％B组分固化剂混炼制成；用作传感器电极层的导电橡胶由40～50wt％液态A组分基胶、5～10wt％B组分固化剂、20～40wt％导电填料、5～10wt％增塑剂、以及10～20wt％稀释剂混炼制成；/n使用不同粗糙度的砂纸作为构造电极层和介电层微结构的基板，电极层和介电层表面微结构的粗糙度系数Ra为22～75μm，柔性电容传感器制备步骤如下：①液态纯硅橡胶制备，将液态A组分基胶和B组分固化剂均匀混合；②液态导电橡胶制备，将液态硅橡胶中加入导电填料、增塑剂和稀释剂并混合均匀；③准备表面含有均匀结构起伏的砂纸基板；④介电层和电极层制备，通过喷涂工艺分别将液态纯硅橡胶和液态导电橡胶喷涂在具有表面微结构的砂纸基板上，然后除气、固化和脱模，得到具有微结构起伏的固态介电层和电极层薄膜；⑤组装成型，将含有微结构的介电层和导电层组装成三明治结构的柔性电容传感器。/n

【技术特征摘要】
1.一种电容式柔性传感器的制备方法，其特征在于：传感器由上下电极层和中间的介电层组成；用作传感器介电层的纯硅橡胶由85～90wt％液态A组分基胶和10～15wt％B组分固化剂混炼制成；用作传感器电极层的导电橡胶由40～50wt％液态A组分基胶、5～10wt％B组分固化剂、20～40wt％导电填料、5～10wt％增塑剂、以及10～20wt％稀释剂混炼制成；
使用不同粗糙度的砂纸作为构造电极层和介电层微结构的基板，电极层和介电层表面微结构的粗糙度系数Ra为22～75μm，柔性电容传感器制备步骤如下：①液态纯硅橡胶制备，将液态A组分基胶和B组分固化剂均匀混合；②液态导电橡胶制备，将液态硅橡胶中加入导电填料、增塑剂和稀释剂并混合均匀；③准备表面含有均匀结构起伏的砂纸基板；④介电层和电极层制备，通过喷涂工艺分别将液态纯硅橡胶和液态导电橡胶喷涂在具有表面微结构的砂纸基板上，然后除气、固化和脱模，得到具有微结构起伏的固态介电层和电极层薄膜；⑤组装成型，将含有微结构的介电层和导电层组装成三明治结构的柔性电容传感器。


2.根据权利要求1所述一种电容式柔性传感器的制备方法，其特征在于：所述柔性电...

【专利技术属性】
技术研发人员：夏志东，王雪龙，赵陈，黄培，高沐，赵少凡，
申请(专利权)人：北京工业大学，
类型：发明
国别省市：北京;11