[發明專利]一種柔性電容式壓力傳感器

在審

• 申請號: 202111115645.6
• 申請日: 2021-09-23
• 公開（公告）號: CN113884224A
• 公開（公告）日: 2022-01-04
• 發明（設計）人: 秦亞飛;曾雨;盧鑫雨;楊有朋
• 申請（專利權）人: 昆明理工大學
• 主分類號: G01L1/14
• 分類號: G01L1/14;G01L9/12
• 代理公司: 昆明同聚專利代理有限公司 53214
• 代理人: 蘇蕓蕓

本發明公開了一種柔性電容式壓力傳感器，其包括基于PVA基底的離子水凝膠介電層和設置在離子水凝膠介電層兩側的活性炭電極層；本發明柔性電容式壓力傳感器能夠應用于平面、曲面、球面結構的壓力測試；與現有技術相比，本發明柔性電容式壓力傳感器具有穩定性好，靈敏度高、較低的漂移、較大量程的優點，且本發明傳感器制備工藝簡單，成本低，適用于工業化生產和市場推廣應用。

技術領域

本發明屬于柔性電子技術領域，特別是涉及一種柔性電容式壓力傳感器。

背景技術

近年來，隨著對電子設備多樣化需求的不斷增加，柔性電子產品因其在便攜式和可折疊設備中的廣泛潛在應用而受到越來越多的關注。根據不同的感測原理，柔性電子傳感器可以分為四類：摩擦電式、壓電式、壓阻式和電容式。由于電容式傳感器的低功耗、快速響應和低漂移，電容式傳感器已廣泛應用于許多重要領域。盡管如此，靈敏度仍有待提高。為了解決這些問題，在柔性聚合物中加入了少量的導電材料（碳納米管、石墨烯、金屬納米線等）。然而，由于聚合物的低壓縮應變和高楊氏模量，傳感器的靈敏度仍然很低。之后，一些微結構（金字塔、微柱、半球等）被用于提高靈敏度。雖然在這些情況下可以獲得更高的靈敏度，但當施加在傳感器上的壓力超過一定范圍時，靈敏度會急劇下降。此外，微孔彈性體已被提議作為一種用于具有高靈敏度的柔性傳感器的傳感材料。最近，已經開發出一種基于離子納米纖維膜的超電容傳感器，它可以形成具有超高單位面積電容的雙電層。該傳感器具有 5.3nF/kPa的相對較高的靈敏度。然而，這種纖維傳感器在拉力下很容易被破壞，極大地限制了它的應用。此外，一些離子彈性體（離子液體載離子的熱塑性聚氨酯、彈性聚丙烯酰胺復合水凝膠等）具有微結構（柱，棱錐等）已經被用于電介質傳感器的材料。然而，這些傳感器與具有微結構介電層的傳感器具有相同的缺點，同時一些聚合物介電層發生破損還對環境具有危害。

發明內容

針對現有技術存在的問題，本發明提供了一種具有更高靈敏度、更低漂移、更寬傳感范圍、低成本、對環境友好的柔性電容式壓力傳感器，其包括基于PVA基底的離子水凝膠介電層和設置在基于PVA基底的離子水凝膠介電層兩側的活性炭電極層。

所述基于PVA基底的離子水凝膠介電層是將聚乙烯醇（PVA）在90-95℃下溶解在水中，然后依次加入KOH-KI混合溶液或者NaOH-NaI混合溶液、甘油，混勻后，將混合溶液澆注到模具中，脫泡后室溫干燥制得厚度80-100μm的膜，其中PVA:KOH:KI:甘油的質量比為1:0.4-0.5:0.4-0.5:1或者PVA:NaOH:NaI:甘油的質量比為1:0.4-0.5:0.4-0.5:1；聚乙烯醇為99系列的聚乙烯醇，甘油有極強的保水能力，同時也是一種性能優良的增塑劑，甘油的加入可以有效增強離子介電層的保水能力以及介電層中離子運動的效率。

所述活性炭電極層是將PDMS DC184、PDMS SE1700混合制成PMDS混合膠， 將PMDS混合膠涂于載玻片上固化后得到厚度40-60μm的PMDS膜；按質量比1:9-11的比例，將乙炔黑與活性炭混合后研磨混勻，制得乙炔黑-活性炭混合物；按質量比1:0.4-0.5:10-13的比例，在攪拌、60-65℃條件下將熱塑性聚氨酯彈性體橡膠（TPU）顆粒、聚偏氟乙烯（PVDF）粉末加入到N,N-二甲基甲酰胺（DMF）溶液中混勻后，加入乙炔黑-活性炭混合物，攪拌均勻后，均勻的涂覆到PMDS膜上，干燥即得厚度90-110μm的活性炭電極層，乙炔黑-活性炭混合物與熱塑性聚氨酯彈性體橡膠顆粒的質量比為4-6:1；TPU是一種生物友好型材料，同時具有極高的延展性，被用于柔性電容式傳感器的電極材料時可以使得電極的柔韌性增強，延長電極耐用性；同時由于TPU材料的高電阻狀態，所以在活性炭之外加入了乙炔黑，使得此種柔性電極擁有了活性炭高比面積的同時具有了良好的導電性。

基于PVA基底的離子水凝膠介電層與活性炭電極層通過導電型環氧樹脂進行粘接，采用旋涂工藝，黏膠層的厚度為20-30μm，且活性炭電極層的涂覆面與基于PVA基底的離子水凝膠介電層接觸。

所述活性炭電極層的連接導線通過導電銀漿粘接到涂覆層上，形成連接端子；導線與電容測量線路相連。