一种基于电容-电阻转换原理的压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于电容

【技术实现步骤摘要】
一种基于电容
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电阻转换原理的压力传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种压力传感器，具体来说，涉及一种基于电容
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电阻转换原理的柔性压力传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]目前，柔性压力传感器凭借着其便携性、柔韧性、生物兼容性以及低成本等特点在智能医疗、人机交互、智能机器人等领域有着广泛的应用前景。在当今主流的研究方向中，柔性压力传感器实现原理有电阻式和电容式等，其具有工作原理简单，结构简单，制备方法易行等优点。但基于碳基纳米材料的柔性压力传感器的主要性能参数中，测量量程与灵敏度始终是需要协调的矛盾，如何解决测量量程与灵敏度之间的矛盾，仍是亟待解决的问题。

技术实现思路

[0003]技术问题：本专利技术所要解决的技术问题是：提供一种在大量程检测范围内的高灵敏度柔性压力传感器技术解决方案，并提供该传感器结构设计与制备方法。技术方案：为解决上述问题，本专利技术提供了一种基于电容
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电阻转换原理的柔性压力传感器，包括下电极板、复合敏感层、TPU海绵骨架以及上电极板；上电极板和下电极板分别位于聚氨酯(TPU)海绵骨架的上表面和下表面，用于导线引出；所述复合敏感层包括二维高介电纳米片层和一维导电纳米线层；二维高介电纳米片层一维导电纳米线层依次覆盖在TPU海绵骨架中的孔隙表面。
[0004]在没有外界压力作用的初始状态时，TPU海绵骨架中孔隙表面的二维高介电纳米片之间的面面接触占主导作用，一维导电纳米材料未形成有效导电网络，海绵多孔骨架结构层整体呈现不导电特性。当受到外加小压力时，海绵多孔骨架结构层孔隙上下壁表面沉积的复合薄膜部分接触，一维导电纳米材料开始相互接近，交叠形成少量的导电网络通路，海绵多孔骨架结构层的电阻值由极大的兆欧量级跳跃式减小，使得传感器上、下电极板得到的电阻输出量随着小压力产生明显的变化，是电阻工作原理，可以实现小压力下高灵敏度的电阻式测量。当压力增大到一定程度后，海绵多孔骨架结构层受压而形成的导电网络增加达到饱和状态，电阻输出量随着压力的增大达到饱和，电阻机制逐渐失效。同时，海绵多孔骨架结构层受到的压力增大，使得传感器结构中的上、下电极板间距减小量变大，根据平行板电容结构的原理可知，电容与间距呈反比关系，所以导致传感器的输出电容变化量增大，也就是传感器的电容机制开始发挥明显作用，传感器的工作机理由电阻感知切换为电容感知，可以实现较大压力下高灵敏度的电容式测量。
[0005]进一步的，所述的二维高介电纳米片是氧化石墨烯纳米片；所述的一维纳米线是碳纳米管。上电极板和下电极板均为金属导电胶带。
[0006]本专利技术的柔性压力传感器，通过电容
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电阻工作机理的转换，分别利用小压力下对电阻调控灵敏与大压力下对电容调控灵敏，实现对大量程范围压力信号的检测。另一方面，本专利技术实施例还提供了该传感器的制备方法，制备方法简单，成本低，可行性高，具体包括
以下步骤：
[0007]步骤1，对TPU海绵进行清洗并烘干，作为TPU海绵骨架。
[0008]步骤2，将氧化石墨烯纳米片加入去离子水，超声，使氧化石墨烯纳米片均匀分散，避免团聚，制备得到氧化石墨烯水溶液，氧化石墨烯纳米片与去离子水的比例关系在1～2mg/ml之间。
[0009]步骤3，将TPU海绵骨架浸入制备好的氧化石墨烯水溶液，超声，TPU海绵骨架充分吸收氧化石墨烯水溶液，将充分吸收了氧化石墨烯水溶液的TPU海绵骨架进行干燥处理，制备得到孔隙表面包覆氧化石墨烯纳米片的TPU海绵骨架；
[0010]步骤4，将碳纳米管加入去离子水，超声，使碳纳米管均匀分散，避免团聚，制备得到碳纳米管水溶液。碳纳米管与去离子水的比例关系在0.1～1mg/ml之间。
[0011]步骤5，将表面包覆氧化石墨烯纳米片的TPU海绵骨架浸入配制好的碳纳米管水溶液中，超声，TPU海绵骨架充分吸收碳纳米管水溶液；将充分吸收碳纳米管水溶液的TPU海绵骨架干燥处理，制备得到孔隙表面包覆复合敏感层的 TPU海绵骨架；
[0012]步骤6，在已包覆复合敏感层的TPU海绵骨架的上下表面分别组装电极材料，作为上电极板和下电极板，完成本专利技术压力传感器的制备。
[0013]进一步的，步骤3和步骤5中所述的干燥处理是指将TPU海绵骨架(3)放入真空干燥箱，70℃下干燥12小时，烘干后取出。
[0014]进一步的，步骤5中孔隙表面包覆的碳纳米管与氧化石墨烯纳米片的质量比控制在1:10到5:10之间。
[0015]有益效果：与现有技术相比，本专利专利技术具有以下有益效果：
[0016]第一，选择具有高介电常数的二维纳米片材料与导电的一维纳米线材料作为感压复合敏感层，顺序包覆在海绵骨架上。由于二维材料具有大的比表面积，可以与海绵骨架形成大面积接触从而稳定而牢固地附着在骨架表面，而一维纳米材料可以通过静电引力与二维纳米片紧密结合，从而增加敏感层在骨架表面的附着力，可以实现稳定的传感检测。
[0017]第二，基于选择合适比例关系的二维高介电纳米片、一维导电纳米材料质量比，并在本专利制备方案条件下，达到在受压力作用下传感器微观形变细节状态，达到电阻
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电容切换的效果，实现灵敏度的提高，具体效果如下：在没有外界压力作用的初始状态时，TPU海绵骨架表面的二维高介电纳米片之间的面面接触占主导作用，一维导电纳米材料未形成有效导电网络，海绵多孔骨架结构层整体呈现不导电特性。当受到外加小压力时，海绵多孔骨架结构层孔隙上下壁表面沉积的复合薄膜部分接触，一维导电纳米材料开始相互接近，交叠形成少量的导电网络通路，海绵多孔骨架结构层的电阻值由极大的兆欧量级跳跃式减小，使得传感器上、下电极板得到的电阻输出量随着小压力产生明显的变化，是电阻工作原理，可以实现在小压力量程的高灵敏度的电阻式测量。当压力增大到一定程度后，海绵多孔骨架结构层受压而形成的导电网络增加达到饱和状态，则电阻输出量随着压力的增大达到饱和，电阻机制逐渐失效。同时，海绵多孔骨架结构层受到的压力增大，使得传感器结构中的上、下电极板间距减小量变大，根据平行板电容结构的原理可知，电容与间距呈反比关系，所以导致传感器的输出电容变化量增大，也就是传感器的电容机制开始发挥明显作用，传感器的工作机理由电阻感知切换为电容感知，可以实现对较大压力量程的高灵敏度的电容式测量。柔性压力传感器通过传感机制从电阻模式切换到电容模式，分别利用小压力下
对电阻调控灵敏、与大压力下对电容调控灵敏，有效地实现传感器的在宽测试量程内的高灵敏度检测。
附图说明
[0018]图1为本专利技术实施例中传感器的剖视图；
[0019]图2为本专利技术实施例中传感器制备方法第一步的结构剖视图；
[0020]图3为本专利技术实施例中传感器制备方法第五步的结构剖视图；
[0021]图4为本专利技术实施例中传感器压力检测模态检测原理图。
[0022]图中有：1、下电极板；2、复合敏感层；3，TPU海绵骨架；4，上电极板；本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于电容
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电阻转换原理的压力传感器，其特征在于，包括下电极板(1)、复合敏感层(2)、TPU海绵骨架(3)以及上电极板(4)；上电极板(4)和下电极板(1)分别位于TPU海绵骨架(3)的上表面和下表面，用于导线引出；所述复合敏感层(2)包括二维高介电纳米片层(201)和一维导电纳米线层(202)；二维高介电纳米片层(201)和一维导电纳米线层(202)依次覆盖在TPU海绵骨架(3)中的孔隙表面。2.根据权利要求1所述一种基于电容
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电阻转换原理的压力传感器，其特征在于，在没有外界压力作用的初始状态时，二维高介电纳米片层(201)中二维高介电纳米片之间的面面接触占主导作用，一维导电纳米层(202)中一维导电纳米之间未形成有效导电网络，海绵多孔骨架结构层(3)整体呈现不导电特性。3.根据权利要求1或2所述一种基于电容
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电阻转换原理的压力传感器，其特征在于，所述的二维高介电纳米片是氧化石墨烯纳米片；所述的一维导电纳米线是碳纳米管。4.根据权利要求1所述一种基于电容
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电阻转换原理的压力传感器，其特征在于，上电极板(4)和下电极板(1)均为金属导电胶带。5.一种基于电容
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电阻转换原理的压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：步骤1，对TPU海绵进行清洗并烘干，作为TPU海绵骨架(3)；步骤2，将氧化石墨烯纳米片加入去离子水，超声，使氧化石墨烯纳米片均匀分散，避免团聚，制备得...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂萌，刘秋雨，问磊，柳星雨，叶秉泽，王梓菡，侯郑龙，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：