梯度可填充结构超宽范围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一种梯度可填充结构超宽范围电容式压力传感器，包括：上层PET导电银浆柔性电极，中间层基于PVA的梯度微结构离子膜介电层，底层PET导电银浆柔性电极。本发明专利技术柔性电容式压力传感器能够应用于平面、曲面结构的压力测试，而且具有比人体皮肤更低的检测极限。与现有技术相比，本发明专利技术柔性电容式压力传感器具有较高的灵敏度、超宽的工作压力范围以及高稳定性。稳定性。稳定性。

【技术实现步骤摘要】
梯度可填充结构超宽范围电容式压力传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于柔性电子
，特别是涉及一种梯度可填充结构超宽范围电容式压力传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着科技发展，人们对于生产的成本和生活的舒适要求更高，但是现在的一些检测仪器还不能满足人们对于生产生活的要求。一般的柔性传感器件主要采用聚合物弹性体如热塑性聚氨酯，聚二甲基硅氧烷，其中掺杂一些导电材料如碳黑，碳纳米管，碳纤维，石墨烯，Mxene等。这种类型的柔性传感器存在不同程度的缺陷，例如Mxene，碳纳米管等材料成本过高。
[0003]而水凝胶作为一种3D水合聚合物交联弹性体，与上述一般聚合物相比凭借其优异的机械和电气性能，具有良好的透明性，且低成本，制备过程简单，并拥有出色的生物兼容性，使柔性传感器在人体健康检测和柔性智能机器人的各种应用场景中具有巨大的应用可能。
[0004]当下，一些研究人员所制备的水凝胶在柔性器件的实际应用中，因为没有对材料组合进行良好选择，材料没有发挥出各自优秀的性能，使得其普遍存在拉伸度性低以及低灵敏度，感应范围窄等问题。
[0005]因此，当下需要中能克服上述问题的压力传感器。

技术实现思路

[0006]为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种梯度可填充结构超宽范围电容式压力传感器，包括：上层PET(聚对苯二甲酸类)导电银浆柔性电极，中间层基于PVA(聚乙烯醇)的梯度微结构离子膜介电层，底层PET导电银浆柔性电极。
[0007]本专利技术的又一目的在于提供一种梯度可填充结构超宽范围电容式压力传感器的制备方法，具体包括：
[0008]S1、将聚乙烯醇溶解在去离子水中，常温下搅拌至完全溶解，在其变为清澈粘稠液体之后加入磷酸以及植酸搅拌，得到PVA/H3PO4/植酸溶液；
[0009]S2、将PVA/H3PO4/植酸溶液倒在经过处理的砂纸模板上并经过两次冻融循环之后在室温下固化得到PVA/H3PO4/植酸离子膜；
[0010]其中，植酸(PA)的加入既是PVA交联反应的催化剂，同时与PVA反应生成酯键，PVA和PA之间形成的氢键也有助于增加粘度使之能成为独特的多重协同网络，包括存在于PVA/PA和PVA/H3PO4中的强化学共价键，赋予了优异的力学性能；
[0011]S3、将导电银浆高速旋涂在PET薄膜上，在电脑软件上绘制出相应的电极图案，通过激光器控制软件对相应图案进行雕刻以及薄膜的切割，得到微米级厚度的柔性电极；
[0012]S4、将PVA/H3PO4/植酸离子膜从特质砂纸模板上剥离，按电极大小裁剪为相应大小，然后将离子膜夹在两个电极之间，封装得到柔性传感器；
[0013]进一步的，所述S1中植酸与磷酸的加入比例分别为0.6
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0.8：0.95
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1.05；
[0014]进一步的，所述S2中砂纸模板的制备包括：
[0015]将特氟龙基体溶液与固化剂按照10：1的比例进行混合，搅拌均匀得到混合溶液；将混合溶液均匀旋涂在80#砂纸的表面，得到砂纸模板；
[0016]进一步的，所述S4中采用3M透明胶带对离子膜和电极进行封装；
[0017]本专利技术的有益效果是：
[0018]1、本专利技术提供的压力传感器采用的微结构相对较大，而导致在一个比较宽内范围能提供一个更高的高灵敏度，使得传感器的最低检测极限小于皮肤的最低检测极限；
[0019]2、本专利技术所采用的材料均为环境友好型，具有良好的生物相容性，不存在传统离子型电容传感器化学品泄露对环境可能产生污染的情况；
[0020]3、本专利技术柔性电容式压力传感器能够应用于平面、曲面结构的压力测试，而且具有比人体皮肤更低的检测极限；与现有技术相比，本专利技术柔性电容式压力传感器具有较高的灵敏度、超宽的工作压力范围、短响应/松弛时间以及传感器性能的高稳定性。
附图说明
[0021]为了更清楚地说明本专利技术实施例的技术方案，下面将对实施例描述所需要使用的附图作简单地介绍。
[0022]图1为本专利技术柔性电容式压力传感器工艺工程示意图；
[0023]图2为本专利技术柔性电容式压力传感器的示意图；
[0024]图3为本专利技术柔性电容式压力传感器的微观结构图；
[0025]图4为本专利技术柔性电容式压力传感器的工作原理图；
[0026]图5为实施例1柔性电容式压力传感器的电容相对变化与压力关系图；
[0027]图6为实施例1柔性电容式压力传感器的经过长期循环力情况下相对电容变化关系图。
具体实施方式
[0028]下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述；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。
[0029]实施例
[0030]本柔性电容式压力传感器包括1g聚乙烯醇(PVA，Mw～145,000)溶解在9g去离子水中，然后在常温下搅拌直至完全溶解，变为清澈粘稠液体之后加入1g磷酸以及不等量的植酸(植酸与磷酸的加入比例分别为0.6
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0.8:0.95
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1.05)。在搅拌2h。然后将PVA/H3PO4/植酸溶液倒在经过处理砂纸模板上并经过两次冻融循环之后在室温下固化得到PVA/H3PO4/植酸电介质膜，然后将特氟龙基体溶液与固化剂按照10：1的比例进行混合，搅拌均匀；然后，将混合均匀的溶液采用细刷子均匀的涂抹在80#砂纸的表面，静止12h等待砂纸表面涂料自然干燥。进而得到可轻松剥离PVA/H3PO4/植酸离子膜的特殊砂纸模板，然后将制备好的特殊砂纸平铺，浇筑混合溶液到模板上，然后将其在室温下静置知道薄膜干燥，最后进行剥离，切割成10
×
10mm2大小形状，在这表明上会形成梯度可填充结构，提高导电性。
[0031]用激光打印相适应离子膜大小的叉指电极形状，然后将离子膜夹在两个电极之
间，采用3M透明胶带对柔性传感器的边缘进行封装。传感器电极与导线采用导电银胶进行粘接，绝缘胶带进行辅助固定，最终厚度为500μm。
[0032]对本实施例制备柔性电容式压力传感器进行传感性能测试，测试时柔性压力传感器平面放置，测试采用万能试验机ZQ
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950B施加载荷，分辨率为0.001N，采用同惠LCR阻抗仪(型号TH2830)对电容实时变化进行测量；结果见图5
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6，其中压力传感器的灵敏度定义为：单位压力变化对应的电容变化率的大小；灵敏度的值等于电容变化率与压力关系曲线的斜率。
[0033]从图1可知，本专利技术的工艺过程极其简单，并没有使用到一些贵重设备，只采用了简单的搅拌，冻融成型便得到。
[0034]从图2可知，被电极1和电极3包裹有着微结构即电介质微结构2
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1的电介质2传感器有着好的导电结构，这种梯度可填充结构能有效提高结构可压缩性，产生宽的检测范围。
[0035]从图本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种梯度可填充结构超宽范围电容式压力传感器，其特征在于，包括：上层PET导电银浆柔性电极，中间层基于PVA的梯度微结构离子膜介电层，底层PET导电银浆柔性电极。2.制备权利要求1所述梯度可填充结构超宽范围电容式压力传感器的方法，其特征在于，具体包括：S1、将聚乙烯醇溶解在去离子水中，常温下搅拌至完全溶解，在其变为清澈粘稠液体之后加入磷酸以及植酸搅拌，得到PVA/H3PO4/植酸溶液；S2、将PVA/H3PO4/植酸溶液倒在经过处理的砂纸模板上并经过两次冻融循环之后在室温下固化得到PVA/H3PO4/植酸离子膜；S3、将导电银浆高速旋涂在PET薄膜上，在电脑软件上绘制出相应的电极图案，通过激光器控制软件对相应图案进行雕刻以及薄膜的切割，得到微米级厚度的柔性电极；S4、将PVA/H3PO4/植酸离子膜从特质砂纸模板上剥离，按电极大小裁剪...

【专利技术属性】
技术研发人员：秦亚飞，位二炯，曾雨，杨晓京，卢鑫雨，李心蕴，崔陈凯，谢节高，
申请(专利权)人：昆明理工大学，
类型：发明
国别省市：