[發明專利]一種高靈敏度柔性電容式應變傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 202110526880.6
• 申請日: 2021-05-14
• 公開（公告）號: CN113237419B
• 公開（公告）日: 2023-02-03
• 發明（設計）人: 聶萌;沈靖程
• 申請（專利權）人: 東南大學
• 主分類號: G01B7/16
• 分類號: G01B7/16
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 任志艷

本發明公開一種高靈敏度柔性電容式應變傳感器及其制備方法，該傳感器為五層結構，由上至下分別為第一拉脹結構層，上電極板，多孔介質層，下電極板，第二拉脹結構層；拉脹結構層由拉脹結構框架與柔性基底組成，拉脹結構框架嵌入于柔性基底中；多孔介質層為柔性多孔結構，厚度較拉脹結構層小，上下電極板導電性能優異，且厚度極小可忽略不計。本發明提出通過拉伸拉脹結構層促使電容結構面積形變量增加從而實現提高柔性電容式應變傳感器的靈敏度。

技術領域

本發明涉及一種柔性傳感器領域，具體涉及一種高靈敏度柔性電容式應變傳感器及其制備方法。

背景技術

近年來由于在可穿戴電子設備，電子皮膚和醫療健康監測系統中巨大的應用潛力，靈活穩定的高性能柔性電容式應變傳感器受到廣泛關注。柔性電容式應變傳感器可以精確地檢測微小的機械變化并實時反饋，因此傳感器的靈敏度是一個非常重要的性能參數。電容式應變傳感器靈敏度主要是由在傳感器受到應變的作用時，電容極板之間的有效作用面積，介質的介電常數或者電極板之間的距離三個參數的變化量決定的。目前，一般是通過摻雜調控介電層材料的介電常數，或者通過對襯底結構的優化，實現靈敏度的提高。

而一般彈性基底的泊松比為正泊松比，這會使得傳感器縱向拉伸時橫向產生壓縮，使得電容器結構的有效面積減小，從而削弱了由其他兩個參數變化帶來的電容的變化量，導致傳感器靈敏度的提高程度受限。

發明問題

本發明要解決的技術問題是提供一種柔性基底呈現等效負泊松比的結構，實現基底縱向拉伸時，電容器極板橫向也被拉伸，有效的增加了電容器的面積，進而使得輸出電容的變化量在原來基礎上增大，實現傳感器靈敏度的提高。

本發明的一種高靈敏度柔性電容式應變傳感器，包括由上至下依次設置的第一拉脹結構層、上電極板、多孔介質層、下電極板、以及第二拉脹結構層；第一拉脹結構層和第二拉脹結構層結構相同。

拉脹結構層包括拉脹結構框架與柔性基底組成，拉脹結構框架嵌入在柔性基底中；拉脹結構框架具有負的泊松比；所述多孔介質層為柔性多孔結構。

進一步的，拉脹結構框架為凹角蜂窩結構、旋轉剛體結構、手性結構、褶皺結構或穿孔板結構。

進一步的，拉脹結構框架選用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亞胺(PI)、聚氨酯(PU)、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏氟乙烯(PVDF)或聚萘酯(PEN)彈性模量相對高的材料；柔性基底與多孔介質層選用硅橡膠(Ecoflex)或水凝膠等彈性模量相對低的材料。

進一步的，所述上電極板和下電極板均由碳納米管、炭黑、液態金屬、導電水凝膠或導電聚合物制成。

進一步的，多孔介質層厚度較第一拉脹結構層或第二拉脹結構層小。

另一方面，本發明還提供一種高靈敏度柔性電容式應變傳感器的制備方法。

與現有技術相比，本發明的有益效果是提出了一種平行板電容式應變傳感器結構，其獨特的地方在于：在上電極板和下電極板層的表面，比傳統平行板電容結構多兩層拉脹結構層，可以有效的提高傳感器的靈敏度，并可通用于柔性平行板結構的電容式應變傳感器。原因是，當受到外力縱向拉伸時，拉脹結構層會被縱向拉伸，由于其具有負泊松比特性，同時橫向會產生膨脹。由于在結構設計時選擇了硬度較高的材料框架，則在其受到拉伸時會拉動周圍硬度較低的柔性基底一起橫向膨脹，進而拉動厚度較薄的多孔介質層與上下電極板的橫向膨脹，增加電容器結構的面積；同時，介質層在縱向和橫向都膨脹的狀態下厚度會減小，又由于介質層為多孔結構，厚度減小的過程中受到的阻力較小可實現厚度的減小量相對較大；且介質層厚度減小時，介質層中的孔被壓縮使得孔中一部分空氣被擠壓出去，導致介電常數增加。綜上，根據平行板電容公式可得本專利提出的傳感器結構，在受到拉伸應變作用時，影響電容變化的三個參數上都得到了全面積極的影響變化。因此在相同應變條件下，本發明提出的柔性電容式應變傳感器的靈敏度高于傳統柔性電容式應變傳感器。

附圖說明