一种自驱动摩擦电式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自驱动摩擦电式压力传感器及其制备方法。所述自驱动摩擦电式压力传感器由下至上依次包括基底、电极层、介电层、间隔层、摩擦层以及屏蔽层；所述介电层由下至上依次包括柔性衬底层、离子凝胶材料层以及微结构材料层，所述离子凝胶材料层为多孔结构，所述微结构材料层的上表面间隔开形成有多个向上凸起的微结构。本发明专利技术的自驱动压力传感器在无需外电源供电的情况下具有同时具有超高灵敏度以及超宽检测范围，能够在已施加较大压力时识别微小的压力，增加了压力传感器的应用范围，如应用至物联网系统时，使得其在降低物联网系统功耗的同时扩大了压力传感器的使用范围。围。围。

【技术实现步骤摘要】
一种自驱动摩擦电式压力传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及压力传感器技术，尤其涉及一种自驱动摩擦电式压力传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]随着5G时代的到来，物联网技术也发展的愈加成熟。而压力传感器是物联网中获得信息最重要的节点之一，其信号输出需要测试回路持续提供电源输入，但完整的物联网体系需要数量十分庞大的传感节点，供电问题已成为制约其发展的瓶颈。自驱动压力传感器可利用外部机械刺激实时转换为电信号输出，通过电信号输出的大小判断外界压力的大小。
[0003]压电式传感器与摩擦电式传感器是现有主流的自驱动压力传感器。虽然压电式传感器具有自供电、较薄等优点，但其材料限制较多，输出响应低。基于摩擦纳米发电机的压力传感器输出响应较高，且使用的摩擦材料与现有工业产线兼容。然而，现有较高灵敏度的摩擦电式压力传感器的检测范围都较窄，扩大压力检测范围通常会牺牲灵敏度。灵敏度和压力检测范围的不匹配很大程度上限制了摩擦电式压力传感器的实际应用。

技术实现思路

[0004]本专利技术的一个目的在于提供一种无需外部电路供电的且同时具备高灵敏度与宽检测范围的压力传感器。
[0005]本专利技术的一个进一步的目的是提供一种在有较大压力的基础上能够识别极其微小的压力的压力传感器。
[0006]特别地，本专利技术提供了一种自驱动摩擦电式压力传感器，由下至上依次包括基底、电极层、介电层、间隔层、摩擦层以及屏蔽层；
[0007]所述介电层由下至上依次包括柔性衬底层、离子凝胶材料层以及微结构材料层，所述离子凝胶材料层为多孔结构，所述微结构材料层的上表面间隔开形成有多个向上凸起的微结构。
[0008]可选地，每个所述微结构的上部具有高低不同的多个尖端。
[0009]可选地，所述多个尖端包括位于所述微结构上部的中心部位的中心尖端以及围绕所述中心尖端布置的多个周围尖端。
[0010]可选地，所述中心尖端的高度高于或低于所述周围尖端的高度。
[0011]可选地，所述离子凝胶材料层内部具有多个孔，所述离子凝胶材料层的靠近所述微结构材料层一侧的孔的内径大于所述离子凝胶材料层的靠近所述柔性衬底层一侧的孔的内径；
[0012]可选地，所述离子凝胶材料层内部的由下至上的多个孔的内径逐渐增大。
[0013]可选地，所述离子凝胶材料层的靠近所述微结构材料层一侧的弹性模量小于所述离子凝胶材料层的靠近所述柔性衬底层一侧的弹性模量。
[0014]可选地，所述摩擦层和所述介电层的材料电负性的差值大于预设值。
[0015]特别地，本专利技术提供了一种如前述的自驱动摩擦电式压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
[0016]在基底上形成电极层；
[0017]在所述电极层上形成柔性衬底层，并在所述柔性衬底层上形成离子凝胶材料层，在所述离子凝胶材料层上再形成微结构材料层，所述柔性衬底层、所述离子凝胶材料层和所述微结构材料层一起作为介电层，所述离子凝胶材料层为多孔结构，所述微结构材料层的上表面间隔开形成有多个向上凸起的微结构；
[0018]在所述介电层的上表面的周缘上形成间隔层；
[0019]在所述间隔层上形成摩擦层和屏蔽层，得到自驱动摩擦电式压力传感器。
[0020]可选地，所述离子凝胶材料层的制备方法包括如下步骤：
[0021]提供第一盒状模具；
[0022]向所述第一盒状模具中施加待固化的离子凝胶，利用直流电源控制所述离子凝胶中离子在凝胶中的排布，并利用紫外光照射预设时间，固化后得到所述离子凝胶材料层。
[0023]可选地，所述介电层的制备方法包括如下步骤：
[0024]提供第二盒状模具；
[0025]将已固化的所述柔性衬底层和所述离子凝胶材料层依次置入所述第二盒状模具内，所述离子凝胶材料层的尺寸小于所述柔性衬底层的尺寸；
[0026]在所述离子凝胶材料层上涂覆未固化的起连接作用的待固化材料；
[0027]在所述待固化材料上置入所述微结构材料层；
[0028]在所述待固化材料固化后，得到所述介电层。
[0029]根据本专利技术的方案，通过设计介电层的结构，在柔性衬底层上形成离子凝胶材料层，并在离子凝胶材料层上形成微结构材料层，离子凝胶材料层为多孔结构，微结构材料层的上表面间隔开形成有多个向上凸起的微结构。由于该压力传感器具有摩擦发电结构，在受到外界压力时可以在外界压力的作用下产生电流，从而无需外界电源供电。微结构材料层具有多个向上凸起的微结构，摩擦层与所述介电层接触时容易产生应力集中效应，使得压力传感器在较小压力变化下能实现较大形变，从而提高传感器检测微小压力的能力。离子凝胶材料层为多孔结构，孔的存在使得传感器可以感受到压力变化，扩大传感器的压力检测范围。
[0030]进一步地，微结构的上部具有高低不同的多个尖端，由此可以使得摩擦层与介电层件的接触面积变化较为明显，从而更容易产生应力集中效应，进一步提高压力传感在较小压力变化下的形变量，从而进一步提高传感器的检测微小压力的能力。此外，离子凝胶材料层的靠近微结构材料层一侧的孔的内径大于离子凝胶材料层的靠近柔性衬底层一侧的孔的内径，使得离子凝胶材料层的靠近微结构材料层一侧的弹性模量小于离子凝胶材料层的靠近柔性衬底层一侧的弹性模量，即离子凝胶具有弹性模量的梯度，梯度的存在可以使传感器逐步感受压力的变化，扩大传感器的压力检测范围。
[0031]因此，本专利技术的自驱动压力传感器在无需外电源供电的情况下具有同时具有超高灵敏度以及超宽检测范围，能够在已施加较大压力时识别微小的压力，增加了压力传感器的应用范围，如应用至物联网系统时，使得其在降低物联网系统功耗的同时扩大了压力传
感器的使用范围。
[0032]根据下文结合附图对本专利技术具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本专利技术的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
[0033]后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本专利技术的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
[0034]图1示出了根据本专利技术一个实施例的自驱动摩擦电式压力传感器的示意性结构图；
[0035]图2示出了根据本专利技术一个实施例的单个微结构的光学显微镜图；
[0036]图3示出了根据本专利技术一个实施例的离子凝胶材料层冻干后的扫描电镜截面图；
[0037]图4示出了根据本专利技术一个实施例的自驱动摩擦电式压力传感器的制备方法；
[0038]图5示出了根据本专利技术一个实施例的离子凝胶材料层的制备方法的示意性流程图；
[0039]图6示出了根据本专利技术一个实施例的介电层的制备方法的示意性流程图；
[0040]图7示出了根据本专利技术一个实施例的自驱动压力传感器与利用现有技术中的普通凝胶做成自驱动压力传感器的压力与电压变化率的曲线对比图；
[0041]图8示出了图7在小压本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自驱动摩擦电式压力传感器，其特征在于，由下至上依次包括基底、电极层、介电层、间隔层、摩擦层以及屏蔽层；所述介电层由下至上依次包括柔性衬底层、离子凝胶材料层以及微结构材料层，所述离子凝胶材料层为多孔结构，所述微结构材料层的上表面间隔开形成有多个向上凸起的微结构。2.根据权利要求1所述的自驱动摩擦电式压力传感器，其特征在于，每个所述微结构的上部具有高低不同的多个尖端。3.根据权利要求2所述的自驱动摩擦电式压力传感器，其特征在于，所述多个尖端包括位于所述微结构上部的中心部位的中心尖端以及围绕所述中心尖端布置的多个周围尖端。4.根据权利要求3所述的自驱动摩擦电式压力传感器，其特征在于，所述中心尖端的高度高于或低于所述周围尖端的高度。5.根据权利要求1
‑
4中任一项所述的自驱动摩擦电式压力传感器，其特征在于，所述离子凝胶材料层内部具有多个孔，所述离子凝胶材料层的靠近所述微结构材料层一侧的孔的内径大于所述离子凝胶材料层的靠近所述柔性衬底层一侧的孔的内径；可选地，所述离子凝胶材料层内部的由下至上的多个孔的内径逐渐增大。6.根据权利要求1
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4中任一项所述的自驱动摩擦电式压力传感器，其特征在于，所述离子凝胶材料层的靠近所述微结构材料层一侧的弹性模量小于所述离子凝胶材料层的靠近所述柔性衬底层一侧的弹性模量。7.根据权利要求1
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4中任一项所述的自驱动摩擦...

【专利技术属性】
技术研发人员：文震，孙旭辉，高镇秋，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：