具有梯度微锥结构阵列的柔性传感器及可穿戴电子产品制造技术

本发明专利技术公开了一种具有梯度微锥结构阵列的柔性传感器及可穿戴电子产品。柔性传感器包括两个电极以及沿第一方向层叠设置在两个电极之间的介质层结构，介质层结构包括沿第一方向层叠设置的第一介质层以及至少一第二介质层，第二介质层包括微锥结构阵列，微锥结构阵列包括沿第二方向呈阵列分布的多个微锥结构组，每一微锥结构组包括至少三个具有微纳尺度的微锥结构，至少三个微锥结构沿第二方向间隔设置，且至少三个微锥结构的高度不同且是沿第二方向依次递增或递减，其中，第二方向为第一介质层的平面延伸方向，第一方向、微锥结构的轴向与第二方向交叉设置。本发明专利技术具有更宽的压力检测范围，更高的灵敏度，更短的响应时间。更短的响应时间。更短的响应时间。

【技术实现步骤摘要】
具有梯度微锥结构阵列的柔性传感器及可穿戴电子产品


[0001]本专利技术特别涉及一种具有梯度微锥结构阵列的柔性传感器及可穿戴电子产品，属于传感器以及可穿戴设备


技术介绍

[0002]随着先进的物联网技术的发展，柔性触觉传感器在现代社会场景中发挥着不可替代的作用，能够实现对各种生物信号监测的智能设备传感器变得越来越重要。柔性压力传感器在电子皮肤、健康监测、人机界面等领域的广泛应用前景而备受关注。国内外的许多学者已经投入大量的精力来研究不同高性能柔性压力传感器，根据不同的物理传感机制，现有的柔性触觉传感器可分为压阻式传感器、电容式传感器、摩擦起电式传感器和压电式传感器。
[0003]压电式和摩擦电式压力传感器可以基于压电效应和摩擦电效应实现高灵敏度，但不能检测静压。压阻式传感器可以将施加在传感器上的压力信号转换成电阻或电流信号，从而实现力的测量。然而，压阻式传感器很容易受到外部环境的影响，在使用过程中可能会出现信号漂移，从而降低数据输出的稳定性和可靠性。电容式触觉传感器因其响应速度快、精度/灵敏度高、滞后小等优点而备受关注。此外，电容式触觉传感器的典型结构通常由两个柔性电极和中间的介质层组成，结构相对简单且制作成本低。但是由于传统的电容式触觉传感器的两电极之间夹有固体电介质难以压缩，导致传感器的压力检测范围变小，灵敏度降低。
[0004]为了提升传感器的性能，常用的方法是加入具有更高变形能力的微结构电介质，如微柱、微锥、微球、金字塔等。其原理是将导电材料引入电介质层可以显著提高介电常数，从而提高传感性能。然而，大多数结构增强的装置模式单一，其灵敏度的提高有限。而且现有技术主要集中在如何提高其灵敏度以及提升检测下限的能力上，作为最重要的传感参数之一，工作范围的扩展被忽略了，这大大限制了其在跨尺度压力复杂环境中的进一步应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于提供一种具有梯度微锥结构阵列的柔性传感器及可穿戴电子产品，从而克服现有技术中的不足。
[0006]为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：
[0007]本专利技术一方面提供了一种具有梯度微锥结构阵列的柔性传感器，包括两个电极以及沿第一方向层叠设置在两个电极之间的介质层结构，
[0008]所述介质层结构包括沿所述第一方向层叠设置的第一介质层以及至少一第二介质层，所述第二介质层包括微锥结构阵列，所述微锥结构阵列包括沿第二方向呈阵列分布的多个微锥结构组，每一所述微锥结构组包括至少三个具有微纳尺度的微锥结构，至少三个所述微锥结构沿所述第二方向间隔设置，且至少三个所述微锥结构的高度不同且是沿所述第二方向依次递增或递减，其中，所述第二方向为所述第一介质层的平面延伸方向，所述
第一方向、所述微锥结构的轴向与所述第二方向交叉设置。
[0009]本专利技术另一方面还提供了一种可穿戴电子产品，包括权利要求所述的具有梯度微锥结构阵列的柔性传感器。
[0010]与现有技术相比，本专利技术的优点包括：
[0011]1)本专利技术提供的一种具有梯度微锥结构阵列的柔性传感器，采用三级梯度微锥结构以及特定厚度的第一介质层有效地提高了压力检测范围及其检测灵敏度。
[0012]2)本专利技术提供的一种具有梯度微锥结构阵列的柔性传感器，有效的解决了介质层结构单一的问题，通过在介质层结构和电极层中加入不同含量的CNTs，有效地提高了传感器的灵敏度。
[0013]3)本专利技术提供的一种具有梯度微锥结构阵列的柔性传感器，在相同的受力情况下，具有更宽的压力检测范围，更高的灵敏度，更短的响应时间。
附图说明
[0014]为了更清楚地说明本申请实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本申请中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0015]图1a是本专利技术一典型实施案例中提供的一种具有梯度微锥结构阵列的柔性传感器的结构示意图；
[0016]图1b是本专利技术一典型实施案例中提供的一种具有梯度微锥结构阵列的柔性传感器的主视图；
[0017]图2a、图2b是本专利技术一典型实施案例中提供的一种具有梯度微锥结构阵列的柔性传感器的中单个微锥结构组的结构示意图；
[0018]图2c是本专利技术一典型实施案例中提供的一种具有梯度微锥结构阵列的柔性传感器的中两个第二介质层中的微锥结构组与第一介质层配合的结构示意图；
[0019]图3是本专利技术一典型实施案例中提供的一种具有梯度微锥结构阵列的柔性传感器的微锥结构阵列的SEM图；
[0020]图4是本专利技术一典型实施案例中提供的一种具有梯度微锥结构阵列的柔性传感器的制备流程示意图；
[0021]图5a和图5b是本专利技术实施例2、实施例3、实施例4中具有梯度微锥结构阵列的柔性传感器的相对电容变化曲线图；
[0022]图6a和图6b是本专利技术实施例2、实施例5、实施例6、实施例7中具有梯度微锥结构阵列的柔性传感器的相对电容变化曲线图；
[0023]图7a和图7b是本专利技术实施例2、实施例8、实施例9中具有梯度微锥结构阵列的柔性传感器的相对电容变化曲线图；
[0024]图8是本专利技术实施例2中提供的一种具有梯度微锥结构阵列的柔性传感器的检测范围及灵敏度曲线；
[0025]图9是本专利技术实施例2中提供的一种具有梯度微锥结构阵列的柔性传感器的响应/恢复时间测试曲线。
具体实施方式
[0026]鉴于现有技术中的不足，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
[0027]本专利技术一方面提供了一种具有梯度微锥结构阵列的柔性传感器，包括两个电极以及沿第一方向层叠设置在两个电极之间的介质层结构，
[0028]所述介质层结构包括沿所述第一方向层叠设置的第一介质层以及至少一第二介质层，所述第二介质层包括微锥结构阵列，所述微锥结构阵列包括沿第二方向呈阵列分布的多个微锥结构组，每一所述微锥结构组包括至少三个具有微纳尺度的微锥结构，至少三个所述微锥结构沿所述第二方向间隔设置，且至少三个所述微锥结构的高度不同且是沿所述第二方向依次递增或递减，其中，所述第二方向为所述第一介质层的平面延伸方向，所述第一方向、所述微锥结构的轴向与所述第二方向交叉设置。
[0029]进一步的，至少三个所述微锥结构的高度沿所述第二方向梯度变化。
[0030]进一步的，所述微锥结构具有沿自身轴向背对设置的顶部端面和底部端面，所述顶部端面的面积小于所述底部端面的面积，其中，所述顶部端面面向所述第一介质层。
[0031]进一步的，所述顶部端面与所述第一介质层相贴合。
[0032]进一步的，每一所述微锥结构组所包含的至少三个所述微锥结构的底部端面的面积均相同。
[0033]进一步的，所述微锥结构的底部端面为圆本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有梯度微锥结构阵列的柔性传感器，包括两个电极以及沿第一方向层叠设置在两个电极之间的介质层结构，其特征在于：所述介质层结构包括沿所述第一方向层叠设置的第一介质层以及至少一第二介质层，所述第二介质层包括微锥结构阵列，所述微锥结构阵列包括沿第二方向呈阵列分布的多个微锥结构组，每一所述微锥结构组包括至少三个具有微纳尺度的微锥结构，至少三个所述微锥结构沿所述第二方向间隔设置，且至少三个所述微锥结构的高度不同且是沿所述第二方向依次递增或递减，其中，所述第二方向为所述第一介质层的平面延伸方向，所述第一方向、所述微锥结构的轴向与所述第二方向交叉设置。2.根据权利要求1所述的柔性传感器，其特征在于：至少三个所述微锥结构的高度沿所述第二方向梯度变化。3.根据权利要求2所述的柔性传感器，其特征在于：所述微锥结构具有沿自身轴向背对设置的顶部端面和底部端面，所述顶部端面的面积小于所述底部端面的面积，其中，所述顶部端面面向所述第一介质层；优选的，所述顶部端面与所述第一介质层相贴合；优选的，每一所述微锥结构组所包含的至少三个所述微锥结构的底部端面的面积相同；优选的，所述微锥结构的底部端面为圆形，每一所述微锥结构组所包含的至少三个所述微锥结构的底部端面的半径相同。4.根据权利要求3所述的柔性传感器，其特征在于：所述微锥结构的底部端面的半径r为100
‑
250μm，所述微锥结构的高度h为100
‑
500μm；优选的，每一所述微锥结构组包括依次间隔设置的第一微锥结构、第二微锥结构和第三微锥结构，所述第一微锥结构、第二微锥结构和第三微锥结构的底部端面的半径相同，所述第一微锥结构的高度h1＞所述第二微锥结构的高度h2＞所述第三微锥结构的高度h3；优选的，所述第一微锥结构的高度h1为300
‑
500μm，所述第二微锥结构的高度h2为200
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400μm，所述第三微锥结构的高度h3为100
‑
300μm。5.根据权利要求4所述的柔性传感器，其特征在于：每一所述微锥结构组所包含的至少三...

【专利技术属性】
技术研发人员：苏亚辉，王芝云，褚梦阳，
申请(专利权)人：安徽大学，
类型：发明
国别省市：