【技术实现步骤摘要】
高稳定性的柔性电容式压力传感器、其延时标定方法及压力检测方法
[0001]本专利技术属于柔性技术与压力传感
，特别涉及高稳定性的柔性电容式压力传感器、其延时标定方法及压力检测方法。
技术介绍
[0002]近年来随着柔性电子技术的发展，柔性体的压力分布检测成为各国研究热点之一，目前各种类型的柔性压力传感器被开发出来，例如电容式、压阻式、压电式等,其原理是在压力作用下导电材料或者导电结构的电阻、电容或电流等电学参数发生变化，通过这些电学参数的变化检测压力的大小。检测稳定性是衡量柔性压力传感器的关键性能，具有高稳定性的柔性压力传感器在柔性电子技术中具有广阔的应用前景，例如可应用于智能服装、智能家居、智能机器人、生物仿真等领域。
[0003]柔性电容式压力传感器是一种常用的柔性压力传感器，包括柔性顶电极、柔性底电极以及位于二者之间具有导电绝缘性的柔性介电材料，具有结构简单、功耗低以及稳定性良好等显著优势。目前市场上已经实现高精度压力监测商业化的公司中，加拿大Xsensor和德国NOVEL两家公司采用电容式方案。Xsensor公司的LX系列压力阵列传感器的工作温度为10
‑
45度，可提供准确的压力分布数据，为座椅设计提供全面的人体压力分布数据。其优点在于检测精度高(
±
5％)，最小检测精度为0.1psi，可以测量较低的负载压力。NOVEL公司的Pliance系统集成了1024个传感器，采样频率高达100Hz，压力范围为1
‑
127N/cm2，检测精度为>±
5％，滞后小于3％，可作静态测量，也可用于记录动态数据。
[0004]柔性电容式压力传感器中，柔性介电材料是影响其检测稳定性的关键因素之一，目前，柔性电容式压力传感器中的柔性介电材料主要采用具有弹性的有机高分子材料，例如聚氨酯海绵、三元乙丙橡胶(EPDM)等。但是，大部分有机高分子材料经长时间、大负载作用后易产生不可逆的永久变形和硬度(弹性模量)变化，严重影响压力检测值的准确性，例如，采用聚氨酯海绵作为柔性介电材料时，经过长时间负载作用和/或大负载作用下，海绵结构发生不可逆变化，硬度也发生变化，当卸除负载后，其结构不能完全恢复，导致再次施加负载时形变量发生变化，严重影响检测值稳定性。为了提高检测值稳定性，经常需要对传感器进行重新标定。为了提高检测稳定性，通常采用模量较高的高分子材料，在负载作用下形变量较小，但是随之带来的是检测灵敏度、最小检测量程以及检测精度的降低。因此，通常采取介电材料表面微结构化或者导电掺杂的方提高检测灵敏度。例如，中国科学院半导体所沈国震课题组成功研制一种基于银纳米线/PDMS复合电介质层材料的柔性透明电容式压力传感器，灵敏度达到0.831kPa
‑1。中国科学院苏州纳米技术及纳米仿生研究所张珽研究员课题组利用荷叶表面存在的天然微结构作为仿生模板，利用微结构扩张同时实现极距减小、接触面积增加及介电常数改变等多参数的协同变化，获得灵敏度为0.815kPa
‑
1、响应时间为38ms及响应范围为0
‑
50N的柔性电容式传感器，并且能够实现对触压、扭曲及拉伸等不同力学量的选择性响应。韩国成均馆大学Yong
‑
Hoon Kim课题组报道了一种由高介电常数
的离子凝胶膜(IG膜)与导电织物组成的电容式离子电子(CIT)压力传感器阵列，具备高达308nF/kPa的灵敏度。
[0005]另外，具有弹性的有机高分子材料基本属于粘弹性体，粘弹性体存在蠕变特性，即，施加一定应力时，除了瞬时应变以外还会产生一个随时间而变化的可逆形变，导致压力检测值随着时间变化而变化，进一步影响检测值稳定性。
[0006]因此，通过柔性介电层材料的选择和结构设计，提高柔性电容式压力传感器的稳定性，并保证其灵敏度、检测量程，并实现大面积制备是柔性压力传感器制备的关键。
技术实现思路
[0007]针对上述技术现状，本专利技术旨在提供一种高稳定性的柔性电容式压力传感器。
[0008]为了实现该技术目的，本专利技术人经过大量材料研究与实验后发现采用发泡硅橡胶作为柔性电容式压力传感器的柔性介电材料能够提高柔性电容式压力传感器的检测值稳定性，得到具有高稳定性的柔性电容式压力传感器。
[0009]发泡硅橡胶是一种以硅橡胶为基体，经过发泡工艺制成的多孔高分子材料，结合了硅橡胶与发泡材料的优点，不仅质轻、绝缘性良好、压缩率高，而且具有回弹性高、抗压缩形变和抗蠕变性能优良、永久变形低、重复疲劳低等优点，因此，当柔性电容式压力传感器的柔性介电材料为发泡硅橡胶时，与海绵、橡胶等材料作为柔性介电材料相比，一方面能够显著降低经长时间、大负载作用后产生不可逆的永久变形和硬度变化对检测值稳定性的影响，另一方面能够显著降低因蠕变特性对检测值稳定性的影响。并且，发泡硅橡胶耐高低温，因此使用温度广，可在
‑
55℃至200℃范围稳定使用。
[0010]即，本专利技术提供的技术方案是：一种高稳定性的柔性电容式压力传感器，包括第一柔性导电层、第二柔性导电层，以及夹在第一柔性导电层与第二柔性导电层之间的柔性介电层；柔性介电层材料是发泡硅橡胶。
[0011]所述发泡硅橡胶的基体不限，包括聚二甲基硅氧烷聚合物(PDMS)等。
[0012]所述发泡硅橡胶的制备方法不限，包括化学发泡与物理发泡等，例如采用硅氢加成发泡、超临界CO2发泡等。
[0013]为了兼顾高检测灵敏度与高检测量程，本专利技术人还从柔性介电层的如下方面进行深入研究探索。
[0014](一)柔性介电层的厚度与发泡硅橡胶的硬度
[0015]对于柔性电容式压力传感器，其电容与介电常数和厚度的关系为：ε
r
为柔性介电层的相对介电常数，ε0为真空介电常数，S为传感单元面积，d为第一柔性导电层与第二柔性导电层之间的距离，即柔性介电层的初始厚度。在压力值F作用下柔性介电层的厚度发生变化，引起柔性电容式压力传感器的电容值发生变化。当柔性介电层的厚度变化率较小时，电容式压力传感器的灵敏度与柔性介电层的厚度以及发泡硅橡胶的硬度(弹性模量)有关，柔性介电层材料一定，即，弹性模量相同时，柔性介电层的初始厚度越小，电容式传感器的灵敏度越高；柔性介电层的厚度相同时，柔性介电层材料的弹性模量越低灵敏度越高。
[0016](二)发泡硅橡胶的泡孔结构
[0017]一般情况下，如图1所示，发泡硅橡胶经发泡工艺在内部(即柔性介电层的上表面1与下表面2之间)形成的泡孔呈闭孔结构3，称这种发泡硅橡胶为闭孔发泡硅橡胶。当施加负载压力时，由于闭孔无法排出内部空气，闭孔发泡硅橡胶的变形量小，有利于提高传感器的压力检测量程；但是另一方面，变形量小会导致电容变化量小，从而会降低传感器的检测灵敏度。
[0018]为了提高传感器的压力检测灵敏度，本专利技术人经过大量实验探索后发现，将发泡硅橡胶中的闭孔结构开孔化，即，如图3、4所示，使闭孔结构3变为开孔结构4，当相同的压力作用本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.高稳定性的柔性电容式压力传感器，包括第一柔性导电层、第二柔性导电层，以及夹在第一柔性导电层与第二柔性导电层之间的柔性介电层；其特征是：柔性介电层材料是发泡硅橡胶。2.如权利要求1所述的柔性电容式压力传感器，其特征是：发泡硅橡胶是聚二甲基硅氧烷聚合物。3.如权利要求1所述的柔性电容式压力传感器，其特征是：发泡硅橡胶的邵氏硬度为10
‑
40shoreA；柔性电介质层的厚度为0.6mm
‑
2.0mm。4.如权利要求1所述的柔性电容式压力传感器，其特征是：将发泡硅橡胶中的闭孔结构开孔化，使闭孔结构变为开孔结构；作为优选，开孔化后发泡硅橡胶在25％压缩形变条件下的应力为30
‑
62kPa。5.如权利要求4所述的柔性电容式压力传感器，其特征是：将发泡硅橡胶中的部分闭孔结构开孔化，使发泡硅橡胶中不仅存在开孔结构，而且存在闭孔结构。6.如权利要求4或5所述的柔性电容式压力传感器，其特征是：采用切割工艺实现开孔化；作为优选，沿垂直于柔性介电层厚度的方向对柔性介电层进行切割；作为优选，通过调整切割线至柔性介电层上表面或下表面的距离调整开孔化程度。7.如权利要求4或5所述的柔性电容式压力传感器，其特征是：采用激光打孔工艺实现开孔化；作为优选，通过控制激光的波长、脉冲宽度、光束发散角、聚焦状态中的一种或者几种控制开孔化程度；作为优选，采用光束照射发泡硅橡胶，使其中闭孔结构可被定位，针对需要开孔化的闭孔结构进行激光打孔。8.如权利要求1至7中任一权利要求所述的柔性电容式压力传感器，其特征是：所述柔性电介质层内部的泡孔呈单层排布；作为优选，柔性介电层的厚度控制在0.6mm
‑
1.5mm，进一步优选为0.8mm
‑
1.2mm；作为优选，所述柔性电介质层的上表面至泡孔的距离为0.01mm
‑
0.2mm；作为优选，所述柔性电介质层的下表面至每个泡孔的距离为0.01mm
‑
0.2mm；作为优选，沿着柔性介电层的厚度方向，每个泡孔尺寸为0.4
‑
1.0mm，更优选为0.5
‑
0.8mm；作为优选，沿着垂直柔性介电层厚度的方向，每个泡孔尺寸为0.2
‑
1.0mm，更优选为0.4
‑
0.8mm。9.如权利要求1至8中任一权利要求所述的柔性电容式压力传感器的延时标定方法，其特征是：包括如下步骤：对柔性电容式压力传感器施加压力，压力值分别为标定的基准压力值，记作P1、P2……
P
K
，K是大于或者等于1的整数，并且在各...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘志敏，孙丹丹，刘宜伟，胡超，秦琴，周酉林，李金财，
申请(专利权)人：中科韧和科技山东有限公司，
类型：发明
国别省市：
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