[發明專利]一種柔性電容式壓力傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201810859607.3
• 申請日: 2018-08-01
• 公開（公告）號: CN108731851B
• 公開（公告）日: 2023-10-20
• 發明（設計）人: 余輝洋;于許可;李義豐
• 申請（專利權）人: 南京工業大學
• 主分類號: G01L1/14
• 分類號: G01L1/14;G01L9/12
• 代理公司: 北京中知法苑知識產權代理有限公司 11226
• 代理人: 李明

本發明提供了一種柔性電容式壓力傳感器，所述柔性電容式壓力傳感器包括上電極、下電極，夾設于上電極和下電極之間的復合電介質層，其中，復合電介質層包括與所述上電極連接的第一結構層、與所述下電極連接的第二結構層、以及設置在第一結構層和第二結構層之間的可形變層；所述可形變層具有拓撲結構。與現有技術相比，本發明提出了基于3D打印技術的電容式壓力傳感器結構，精確控制壓敏材料中孔的尺寸和分布，從而改善傳感器的動態范圍和線性度；復合電介質層的可形變結構的設置，還充分利用了介電應變效應的特性，提高了介質材料的介電應變系數，可以進一步提高傳感器的靈敏度。

技術領域

本發明涉及微電子技術領域，特別地涉及一種柔性電容式壓力傳感器及其制備方法。

背景技術

目前，越來越多的特殊信號和特殊環境要求傳感器具有透明、柔韌、延展、可自由彎曲甚至折疊、便于攜帶、可穿戴等特性。因此，研制高性能、低成本的柔性壓力傳感器具有十分廣闊的應用前景。從敏感機制上看，目前報導出的柔性壓力傳感器的類型主要可以分為電阻式壓力傳感器和電容式壓力傳感器兩種。從結構設計上看，這兩種類型的柔性壓力傳感器的結構非常類似，一般都包含兩層柔性電極和一層柔性壓敏材料。對于電阻式柔性壓力傳感器，柔性壓敏材料通常是一些多孔復合聚合物材料，主要包含兩部分：柔性基底和增敏材料。它的制備方法主要是在柔性基底材料中摻入一定量導電的納米顆粒或納米線。在壓力的作用下，壓敏材料的電阻率和厚度發生改變，導致兩個柔性電極之間的電阻值變化。通過測量器件的電阻值可以推斷結構所承受的壓力。電阻式柔性壓力傳感器的優點主要是靈敏度高，器件的制備和表征比較方便，但是，這種類型的壓力傳感器不適合低功耗應用。對于柔性電容式傳感器，壓力作用下壓敏電介質受壓發生形變，電容值發生變化。電容變化的因素包括兩個方面：一方面，壓力作用使電容的極板間距發生變化。另一方面，壓力的作用使電介質的介電常數發生變化。從宏觀的角度來說，壓力的作用使電介質中的空氣被擠壓，電介質層中的固體電介質與空氣的比率發生改變，電介質的介電常數發生變化。從微觀的角度來說，壓力的作用會使固態電介質的形態發生變化，而電介質的形態與價電子的運動密切相關。價電子的運動在很大程度上直接和間接地決定了電介質的幾何性質和電極化性質，最終體現在電容極板上的極化電荷的變化。電介質分子/原子的極化狀態發生變化實際上是改變了電介質的介電常數。這種現象即我們所說的“介電應變效應”。與電阻式柔性壓力傳感器相比，電容式柔性壓力傳感器具有一個典型的優點是低功耗，因此，受到越來越多的關注。

從現有的研究成果來看，電阻式和電容式柔性壓力傳感器都存在壓力測量范圍偏小的問題。主要體現在低壓范圍，器件靈敏度較理想，但是壓力增大到一定數值(一般小于5kPa，有的甚至只有0.5kPa)，器件靈敏度迅速下降并且測試曲線呈現較明顯的非線性。造成這種現象的主要原因是加工方法的局限性。多孔壓敏電介質的制備多采用在柔性材料和功能粒子的共混溶液中加入如去離子水或易揮發的有機溶液的方法，然后通過加熱使去離子水或者有機溶液揮發形成多孔結構。但這種加工方法會造成孔的幾何尺寸及分布較隨機，壓敏材料的動態范圍及線性特性較差。因此，需要擴展柔性壓力傳感器的測量范圍，同時確保器件在整個壓力測量范圍內具有較高的靈敏度和良好的線性度。

發明內容

為了解決有柔性壓力傳感器存在壓力測量范圍小、線性特性差等問題，本發明提供了一種柔性電容式壓力傳感器，所述柔性電容式壓力傳感器包括上電極、下電極，夾設于上電極和下電極之間的復合電介質層，其中，復合電介質層包括與所述上電極連接的第一結構層、與所述下電極連接的第二結構層、以及設置在第一結構層和第二結構層之間的可形變層；所述可形變層具有拓撲結構。

優選地，所述拓撲結構包括并聯的多列可形變部，該可形變部被構造成由多個空心柱體沿其截面中心軸線方向堆疊形成。

優選地，所述空心柱體的數量至少為兩個；所述空心柱體的截面形狀為方形、圓形或者多邊形。

優選地，所述上電極和所述下電極均為柔性平面板。