宽量程柔性电容式压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了宽量程柔性电容式压力传感器及其制备方法，包括有传感器上电极，复合介质层和传感器下电极，传感器按照从上至下顺序依次设置有传感器上电极、复合介质层和传感器下电极，所述复合介质层由柔性材料掺杂铁电材料纳米颗粒、碳纳米管和发泡材料组成，在智能按键、电子绘画及书写设备中具有广阔的应用前景，结构简单，加工方便，可以改善现有的柔性压力传感器测量范围小以及线性特性差的现状，本发明专利技术对柔性电介质层设计成多层不同孔隙率且厚度可控的多孔材料堆叠的结构，在施加在上表面的压力作用下，柔性电介质层发生垂直向下的位移及应变，传感器的电容值随所加压力的增大而增大，使整个传感器可获得一个较大的压力测量范围。

【技术实现步骤摘要】
宽量程柔性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
，尤其是宽量程柔性电容式压力传感器及其制备方法。
技术介绍
目前，越来越多的特殊信号和特殊环境要求传感器具有透明、柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特性。随着人工智能的迅速发展，智能设备的发展速度逐渐加快，各大厂商都在想方设法提升人们的使用体验。例如将压力传感器嵌入智能设备的屏幕中，人们在使用时对屏幕施加不同的压力，可以使智能设备响应不同的功能。多孔压敏电介质的制备多采用在柔性材料前驱体溶液中加入如去离子水或者发泡剂的方法，然后通过加热使去离子水或者有机溶液挥发形成多孔结构。但是从现有的研究成果来看，电阻式和电容式柔性压力传感器都存在压力测量范围偏小的问题，主要体现在低压范围内，器件灵敏度较理想，但是压力增大到一定数值(一般小于1kPa，有的甚至只有0.5kPa)，器件灵敏度迅速下降，并且测试曲线呈现较明显的非线性，造成这种现象的主要原因是加工方法的局限性，但如果不对多孔材料的空隙率和分布进行控制，孔的几何尺寸及分布较随机，柔性电介质的动态范围较差，现有柔性压力传感器中，多孔压敏材料的制备方式决定了孔的分布及尺寸较难控制，导致压敏材料的受压动态范围较小且线性度较差。因此，需要进一步拓展柔性压力传感器的测量范围。
技术实现思路
本专利技术针对
技术介绍
中的不足，提供了宽量程柔性电容式压力传感器及其制备方法。本专利技术为解决上述现象，采用以下的技术方案，宽量程柔性电容式压力传感器，包括有传感器上电极、复合介质层和传感器下电极，传感器按照从上至下顺序依次设置有传感器上电极，复合介质层和传感器下电极，所述复合介质层由柔性材料掺杂铁电材料纳米颗粒、碳纳米管和发泡材料组成。作为本专利技术的进一步优选方式，所述传感器上电极和传感器下电极采用铜箔材料，所述复合介质层为多层不同空隙率的多孔材料，所述复合介质层从上到下各层中孔隙率依次减小。作为本专利技术的进一步优选方式，所述柔性材料采用聚偏氟乙烯PDMS、聚二甲基硅氧烷PVDF或聚对苯二甲酸乙二醇酯PET，所述铁电材料纳米颗粒采用碳酸钡BaTiO3或铌镁酸铅PMN。宽量程柔性电容式压力传感器的制备方法，制备步骤包括如下：S1，打印模具：利用3D打印机打印出制备长方体电介质的模具；S2，溶合搅拌：取碳纳米管黑色粉末和铁电材料纳米颗粒溶于聚二甲基硅氧烷溶剂，并用磁力搅拌机充分搅拌，直至均匀；S3，分别添加NaHCO3粉末：将S2步骤所得的共混溶液分成三份，放入三个小烧杯中，并分别向其中加入不同质量的NaHCO3粉末，使得三份中所含NaHCO3的质量分数分别为15％、20％和25％，并用磁力搅拌机充分搅拌均匀；S4，试验15％的NaHCO3：先将质量分数为15％的NaHCO3共混溶液注入已均匀喷涂脱模剂的模具中，将其置于烘箱热板上，调整加热温度至100℃，使其中的NaHCO3完全分解，并加热使该层电介质完全固化；S5，试验20％的NaHCO3：再将质量分数为20％的NaHCO3共混溶液注入S4步骤所得的第一层电介质上方，按同样的方法加热使其中的NaHCO3完全分解，并加热使该层电介质完全固化；S6，试验25％的NaHCO3：最后将质量分数为25％的NaHCO3共混溶液注入S5步骤所得的第二层电介质上方，按同样的方法加热使其中的NaHCO3完全分解，并加热使该层电介质完全固化；S7，模具剥离：用镊子将S6步骤所得的最终电介质从模具中剥离；S8，粘贴金属电极测试：对剥离后的电介质上下表面粘贴柔性导电电极并将电极引出以方便测试。本专利技术宽量程柔性电容式压力传感器，在智能按键、电子绘画及书写设备中具有广阔的应用前景，结构简单，加工方便，可以改善现有的柔性压力传感器测量范围小以及线性特性差的现状，本专利技术对柔性电介质层设计成多层不同孔隙率且厚度可控的多孔材料堆叠的结构，在施加在上表面的压力作用下，柔性电介质层发生垂直向下的位移及应变，传感器上下极板的间距增大，复合电介质中各电偶极子的耦合作用增强，传感器的电容值随所加压力的增大而增大；最上层电介质由于孔隙率最大，对微小压力的反应敏感，越往下的电介质层中的孔隙率越小，敏感的压力范围增大，使整个传感器可获得一个较大的压力测量范围，通过调节多孔电介质的各层不同孔隙率材料的厚度还可以改善电介质的线性特性。附图说明图1为本专利技术的主视图；图2为本专利技术的剖面图；图3为本专利技术模具的主视图；图4为本专利技术模具的剖面图；图5为本专利技术工艺制备的流程图。图中：传感器上电极1，复合电介质2，传感器下电极3。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。本专利技术提供一种实施例技术方案：宽量程柔性电容式压力传感器的制备方法，制备步骤包括如下：S1，打印模具：利用3D打印机打印出制备长方体电介质的模具；S2，溶合搅拌：取碳纳米管(2％)黑色粉末和铁电材料纳米颗粒(如BaTiO3)(15％)溶于聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶剂，并用磁力搅拌机充分搅拌，直至均匀；S3，分别添加NaHCO3粉末：将S2步骤所得的共混溶液分成三份，放入三个小烧杯中，并分别向其中加入不同质量的NaHCO3粉末，使得三份中所含NaHCO3的质量分数分别为15％、20％和25％，并用磁力搅拌机充分搅拌均匀；S4，试验15％的NaHCO3：先将质量分数为15％的NaHCO3共混溶液注入已均匀喷涂脱模剂的模具中，将其置于烘箱热板上，调整加热温度至100℃，使其中的NaHCO3完全分解，并加热使该层电介质完全固化；S5，试验20％的NaHCO3：再将质量分数为20％的NaHCO3共混溶液注入S4步骤所得的第一层电介质上方，按同样的方法加热使其中的NaHCO3完全分解，并加热使该层电介质完全固化；S6，试验25％的NaHCO3：最后将质量分数为25％的NaHCO3共混溶液注入S5步骤所得的第二层电介质上方，按同样的方法加热使其中的NaHCO3完全分解，并加热使该层电介质完全固化；S7，模具剥离：用镊子将S6步骤所得的最终电介质从模具中剥离；S8，粘贴金属电极测试：对剥离后的电介质上下表面粘贴柔性导电电极并将电极引出以方便测试。宽量程柔性电容式压力传感器，包括有传感器上电极1，复合介质层2和传感器下电极3，这三层材料构成了一个类似“三明治”结构的电容，传感器按照从上至下顺序依次设置有传感器上电极1、复合介质层2和传感器下电极3，所述复合介质层2由柔性材料掺杂铁电材料纳米颗粒、碳纳米管和发泡材料组成。所述传感器上电极1和传感器下电极3采用铜箔材料，具有良好的导电性和抗静电屏蔽本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.宽量程柔性电容式压力传感器，其特征在于，包括有传感器上电极(1)，复合介质层(2)和传感器下电极(3)，传感器按照从上至下顺序依次设置有传感器上电极(1)、复合介质层(2)和传感器下电极(3)，所述复合介质层(2)由柔性材料掺杂铁电材料纳米颗粒、碳纳米管和发泡材料组成。/n

【技术特征摘要】
1.宽量程柔性电容式压力传感器，其特征在于，包括有传感器上电极(1)，复合介质层(2)和传感器下电极(3)，传感器按照从上至下顺序依次设置有传感器上电极(1)、复合介质层(2)和传感器下电极(3)，所述复合介质层(2)由柔性材料掺杂铁电材料纳米颗粒、碳纳米管和发泡材料组成。


2.根据权利要求1所述的宽量程柔性电容式压力传感器，其特征在于，所述传感器上电极(1)和传感器下电极(3)采用铜箔材料，所述复合介质层(2)为多层不同空隙率的多孔材料，所述复合介质层(2)从上到下各层中孔隙率依次减小。


3.根据权利要求1所述的宽量程柔性电容式压力传感器，其特征在于，所述柔性材料采用聚偏氟乙烯PDMS、聚二甲基硅氧烷PVDF或聚对苯二甲酸乙二醇酯PET，所述铁电材料纳米颗粒采用碳酸钡BaTiO3或铌镁酸铅PMN。


4.宽量程柔性电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，制备步骤包括如下：
S1，打印模具：利用3D打印机打印出制备长方体电介质的模具；
S2，溶合搅拌：取碳纳米管(2％)黑色粉末和铁电材料纳米颗粒(如BaTiO3)(15％)溶于聚二甲基硅氧烷(PDM...

【专利技术属性】
技术研发人员：余辉洋，李义丰，李传亮，王震涛，
申请(专利权)人：南京工业大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32