一种自供电柔性加速度传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种自供电柔性加速度传感器及其制备方法，传感器由下到上依次包括基底层、下电极层、凹槽空腔、金属液滴、感压层以及上电极层。其中基底层为具有一定厚度的柔性可拉伸有机物构成的扁平状立方体，在基底中间部分有半球形的凹槽。基底的上表面以及空腔的外表面由镀铜下电极层全部覆盖。凹槽空腔中含有高表面张力、高质量密度、高弹性和机械稳定性的镓铟锡GaInSn金属液滴。GaInSn金属液滴由感压层和上电极层密封在空腔中。感压层由氟化乙烯丙烯FEP驻极体薄膜层构成，上电极层由镀铜薄膜构成。本发明专利技术公开的自供电柔性传感器，可以实现加速度的检测，灵敏度高，制备方法简单易行，可行性高。可行性高。可行性高。

【技术实现步骤摘要】
一种自供电柔性加速度传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及一种柔性加速度传感器，具体涉及一种自供电柔性加速度传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]加速度传感器是军事、国防、航空航天、工业应用等领域的关键MEMS传感器件之一。随着智能终端与物联时代的兴起，加速度传感器作为物联网中的基础传感器件，在曲面及可动基底上的加速度监测，以及无源应用需求被提上日程，例如智能机器人、工业应用、智慧医疗、可穿戴应用等。由于传统硅基MEMS加速度传感器的刚性衬底，不能与柔性或者曲面待测基底兼容，因此开发一种可以自供电的柔性加速度传感器极为迫切。
[0003]2012年，中国台湾中华大学Lin课题组设计了一款基于RFID的热式加速度传感器，该设计中使用了具有低导热系数的柔性聚酰亚胺衬底，这是一种用塑料材料作为基材的新思路。由于塑料材料的隔热性能优于传统的硅材料，从而降低了功耗和成本。2016年Lin课题组将加速度传感器直接制造或堆叠一层在柔性衬底上或将传感器在塑料基板上制造这两种思路，并且提出了用一个半球形或半圆柱形的腔体代替传统的矩形腔体。2013年，加拿大西蒙弗雷泽大学Zhang课题组利用银纳米油墨的简易喷涂技术设计并制造了一种高灵敏度单轴薄膜型柔性纸加速度传感器。在制造过程中，加速度传感器由悬浮式平行板传感电容器组成，该电容通过采用低成本纳米油墨印刷技术在柔性纸基板上制备得到。2015年，山东科技大学张同课题组设计了一款无线加速度检测系统，该系统是基于纳米技术的碳纳米管薄膜。碳纳米管具有独特的结构特性、优良的机械性能和电学性能，经过逐层交替沉积的方法，在聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)衬底上形成了碳纳米管薄膜，这种方法为层层自主装，得到的薄膜结构完整、厚度均匀且性能可靠，适合作为加速度传感器的探头。2020年，武汉理工大学梁磊课题组设计了一款柔性铰链加速度传感器，该传感器基于双光纤光栅，相较于电类传感器，光纤光栅加速度传感器具有体积小、耐高温、抗电磁干扰、精度高和稳定性好等诸多优点。以上柔性加速度传感器都需要电源供电且制作工艺复杂，如何解决传感器供电与工艺复杂问题具有重要的研究价值。
[0004]另一方面，由于液态金属具有高电导率、高密度和高表面张力等特性，在摩擦电纳米发电机、柔性电子领域的应用和探索迅速增加，与汞等有害金属相比，镓基合金更安全，因此对镓基合金的关注度在不断提升，这一不断发展的领域受到了特别的关注。
[0005]同时，随着对驻极体的研究越来越深入，其优异的电荷储存性能逐渐被广泛应用。与利用电磁感应和压电效应的机电换能装置相比，基于静电感应原理的柔性驻极体发电机具有很多突出的优点，例如柔性高、重量轻、结构简单、成本低廉和输出功率较大等。

技术实现思路

[0006]专利技术目的：针对上述现有技术，提供一种自供电的柔性加速度传感器，同时提供该传感器的制备方法。
[0007]技术方案：本专利技术的一种自供电柔性加速度传感器包括自下而上依次设置的基底层、下电极层、感压层和上电极层；所述基底层采用具有一定厚度的柔性可拉伸有机物材料，基底层的上表面开设有凹槽，凹槽中设置有金属液滴，下电极层覆盖在基底层的上表面和凹槽的内表面；感压层位于凹槽上方。
[0008]本专利技术传感器的工作原理：在静止状态下，传感器中的金属液滴在重力下静置于凹槽内部，与顶部感压层无接触，当施加竖直方向加速度时，金属液滴在加速度下向上运动接触并挤压顶部感压层，感压层发生形变，由于驻极体具有压电效应，受到压力发生形变后，驻极体内部的电荷发生转移，在上电极层输出电压变化，实现对加速度的感知，且在一定加速度范围内，金属液滴对感压层挤压形变量与加速度呈正相关性。由此工作原理，实现自供电能力。
[0009]进一步的，所述基底层采用聚二甲基硅氧烷PDMS材料。
[0010]进一步的，所述金属液滴具有高电导率、高固液界面张力、高质量密度、高弹性和机械鲁棒性。
[0011]进一步的，所述金属液滴为镓铟锡GaInSn金属液滴。GaInSn金属液滴被感压层封在凹槽中。
[0012]进一步的，所述感压层为氟化乙烯丙烯FEP驻极体薄膜层；驻极方式为电晕极化，薄膜厚度为200μm。
[0013]进一步的，下电极层和上电极层均为镀铜电极层。下电极层和上电极层均由溅射或电镀方式制备，厚度均为100nm。
[0014]本专利技术的一种自供电柔性加速度传感器的制备方法，包括如下步骤：
[0015]步骤1，制备成上表面具有凹槽的基底层；
[0016]步骤2，在基底层表面溅射或电镀下电极层；下电极层覆盖基底层上表面及凹槽内表面；
[0017]步骤3，将金属液滴用氢氧化钠NaOH溶液处理，然后涂覆一层聚四氟乙烯 PTFE颗粒，置于凹槽内；
[0018]步骤4，采用电晕驻极的方式对感压层进行驻极带电，电压为
‑
1.8kV，温度为25摄氏度，时间为3分钟，然后将感压层贴装在基底层上表面；
[0019]步骤5，在驻极后的感压层表面溅射或电镀上电极层。
[0020]有益效果：与现有技术相比，本专利技术的柔性加速度传感器具有以下创新性：第一，用FEP薄膜材料实现感压层结构，该结构可以实现自供电，不用外加电源；第二，驻极体FEP薄膜的储存电荷能力与超高表面体积比和液态金属的高表面张力与高电导率，使得传感器具有高灵敏度和较短的响应时间；第三，液态金属采用镓铟锡合金液滴，具有无毒性可作为人体可穿戴设备；第四，器件的工作腔体密封，可有效隔绝液态金属与空气接触，防止金属液滴被氧化，提高器件的可靠性。
附图说明
[0021]图1是本专利技术实施例中加速度传感器的结构示意图以及剖视图；
[0022]图2是本专利技术实施例中加速度传感器制备方法第一步的结构剖视图；
[0023]图3是本专利技术实施例中加速度传感器制备方法第二步的结构剖视图；
[0024]图4是本专利技术实施例中加速度传感器制备方法第三步的结构剖视图；
[0025]图5是本专利技术实施例中加速度传感器制备方法第四步的结构剖视图；
[0026]图6是本专利技术实施例中加速度传感器制备方法第五步的结构剖视图。
[0027]其中，1、基底层；2、下电极层；3、凹槽；4、金属液滴；5、感压层；6、上电极层。
[0028]具体实施方法
[0029]下面结合附图对本专利技术做更进一步的解释。
[0030]本专利技术的一种自供电柔性加速度传感器，如图1所示，包括自下而上依次设置的基底层1、下电极层2、感压层5和上电极层6；所述基底层1为长方体结构，基底层的上表面开设有半球形凹槽3，凹槽3中设置有金属液滴4，下电极层2覆盖在基底层1的上表面和凹槽3的内表面；所述下电极层2为铜薄膜。
[0031]所述基底层1为柔性可拉伸有机物构成的扁平状长方体结构；本专利技术基底层 1具体采用聚二甲基硅氧烷PDMS等弹性模量较高的可拉伸柔性有机材料，采用浇筑筑模的方式制备带有凹槽3的基底层1，基底层1主体厚度为本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种自供电柔性加速度传感器，其特征在于，包括自下而上依次设置的基底层、下电极层、感压层和上电极层；所述基底层采用柔性可拉伸有机物材料，基底层的上表面开设有凹槽，凹槽中设置有金属液滴，下电极层覆盖在基底层的上表面和凹槽的内表面。2.根据权利要求1所述一种自供电柔性加速度传感器，其特征在于，所述基底层采用聚二甲基硅氧烷PDMS材料。3.根据权利要求1所述一种自供电柔性加速度传感器，其特征在于，所述金属液滴具有高电导率、高固液界面张力、高质量密度、高弹性和机械鲁棒性。4.根据权利要求1所述一种自供电柔性加速度传感器，其特征在于，所述金属液滴为镓铟锡GaInSn金属液滴。5.根据权利要求1所述一种自供电柔性加速度传感器，其特征在于，所述感压层为氟化乙烯丙烯FEP驻极体薄膜层。6.根据权利要求5所述一种自供电柔性加速度传感器，其特征在于，驻极方式为电晕极化，薄膜厚度为200μm。7.根据权利要求1所述一...

【专利技术属性】
技术研发人员：聂萌，李可，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：