[發明專利]一種充氣柔性電容式體積傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201910082769.5
• 申請日: 2019-01-29
• 公開（公告）號: CN109932016B
• 公開（公告）日: 2020-07-03
• 發明（設計）人: 劉遵峰;劉中勝;王潤
• 申請（專利權）人: 南開大學
• 主分類號: G01F17/00
• 分類號: G01F17/00
• 代理公司: 天津耀達律師事務所 12223
• 代理人: 侯力

一種充氣柔性電容式體積傳感器及其制備方法。所述體積傳感器包括充氣式彈性導管，充氣式彈性導管內外表面均附著一層粘附層，并在內外表面的粘附層上加工有褶皺結構的電極板，且內外表面的電極板對稱排布，其中電極板由碳納米管薄膜構成。當充氣式彈性導管被氣體填充而膨脹時，充氣式彈性導管的橫向和縱向均存在變形，通過在預充氣的導管內外表面上噴涂一層橡膠粘附層，再分別鋪設電極板，放氣后生成具有褶皺結構的電極板，從而在一定范圍內對充氣式彈性基板充氣時，電極板不會斷裂，傳感器不會損壞。該傳感器不但可以測量彈性基板的體積變化，而且靈敏度高，響應速度快，重復性好等優點。

技術領域

本發明屬于柔性電容傳感器制造技術領域，特別涉及一種充氣柔性電容式體積傳感器及其制備方法。

背景技術

電容傳感器是指將被測量(如尺寸、壓力等)的變化轉換成電容量變化的一種傳感器。實際上，它本身(或和被測物體)就是一個可變電容器。目前，它已經廣泛應用于壓力、液位、位移等指標的檢測。傳統的電容傳感器基本采用硬質材料，變形小，無法用于非平面場景中，并且受力而發生形變后，基本不能回復，極易損壞。柔性電容傳感器具有傳統電容式傳感器不具備的優點，且能夠應用于特殊場景中，是一種很有前途的傳感器。

目前，柔性電容傳感器已經得到了廣泛研發，按照功能可以分為以下三種，分別是柔性電容式壓力傳感器、柔性電容式濕度傳感器和柔性電容式觸覺傳感器。專利公開號CN102589760B的發明專利提出了一種柔性的、能夠基于電容變化感測壓力變化的電容壓力傳感器，該電容式傳感器彈性好，可充分貼合非平面物體，能夠保證其靈敏度以及受壓回復性。顯然，這種傳感器只能用于檢測目標物的壓力，不具備檢測目標物體積變化的功能；專利公開號CN105067682A的發明專利公開了一種柔性電容式濕度傳感器及其制備方法，該傳感器具有靈敏度高，響應速度快，濕滯小，穩定性好等優點。相似的是，這種傳感器只能用于檢測目標物的濕度，也不能檢測目標物的體積變化；專利公開號CN106959175A的發明專利公開了一種基于金字塔結構的柔性電容式滑觸覺傳感器，該傳感器能夠分辨較小的觸覺力，同時又能實現對各個方向剪切力的測量，大大提高了傳感器的機械靈敏度。然而它也不能用于檢測目標物的體積變化。

雖然目前柔性電容式傳感器已經得到了廣泛研究，但是至今柔性電容式體積傳感器尚未報道。因此開發一種柔性電容式體積傳感器，且具備檢測目標物體積變化的傳感器是非常有必要的。

發明內容

本發明目的是解決目前大多數柔性電容式傳感器不具備檢測目標物體積變化的問題，開發一種新功能的充氣柔性電容式體積傳感器及其制備方法，該體積傳感器具有靈敏度高、響應速度快、重復性好，且能夠滿足特殊應用場景中的需求。

本發明的技術方案是：

一種充氣柔性電容式體積傳感器，包括充氣式彈性導管，所述充氣式彈性導管外表面向外依次為外粘附層和外電極板，充氣式彈性導管內表面向內依次為內粘附層和內電極板，所述內外電極板都采用碳納米管薄膜并加工有褶皺結構，且內外電極板分別與電極絲相連接。

所述內外電極板上的褶皺結構由多個周期性的褶皺構成。

該充氣式柔性電容式體積傳感器具有靈敏度高、響應速度快、重復性好等特點。當充氣式彈性導管被氣體填充而膨脹時，充氣式彈性導管的軸向和垂直于軸向都存在變形，通過在預充氣的彈性導管上，噴涂一層橡膠粘附層，再鋪設電極板，放氣后生成具有褶皺結構的電極板，翻轉導管使導管內表面，暫時變成導管“外”表面，重復前面步驟，再次在導管“外”表面制成有周期性褶皺結構的電極板，最后翻轉導管使“外”表面回復成內表面，從而在一定范圍內對充氣式彈性導管充氣時，電極板不會斷裂。

其中充氣式彈性導管和粘附層可選擇相同材質，也可選擇不同材質。

一種充氣柔性電容式體積傳感器的制備方法，包括以下步驟：

步驟1：先在充氣式彈性導管內充入氣體，再將橡膠溶液噴涂在充氣式彈性導管的表面作為外粘附層；