[发明专利]电容式柔性压力传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本公开属于压力传感器技术领域，涉及一种电容式柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，高灵敏度、低成本的可穿戴触觉传感器引起了科研人员的广泛关注与研究。特别是基于电容式柔性压力传感器的可穿戴设备应运而生，为人们的生活带来了方便，并快速渗透到智能穿戴、电子皮肤、智能机器人等各个领域。

各国研究学者对提高电容式柔性压力传感器结构和理论展开了深入的探索，利用传感器件微结构化来优化传感器的力学性能已被证实是一种有效的方法，但薄膜表面微纳结构的获取方式诸如硅倒膜法、光刻法、反应离子束刻蚀法等，一方面存在仪器昂贵或流程复杂的问题；另一方面，很难大面积获取，成本太高，不能满足实际应用。

目前，柔性压力传感器的基底大多采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜或者聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜作为基底，从而导致整个传感器件不透气，不适合长时间贴附皮肤来实时监测人体健康特征信号。而且由于这些薄膜的厚度较厚，厚度达到50-100μm，大大限制了压力传感器的灵敏度。

发明内容

(一)要解决的技术问题

本公开提供了一种电容式柔性压力传感器及其制备方法，以至少部分解决以上所提出的技术问题。

(二)技术方案

根据本公开的一个方面，提供了一种电容式柔性压力传感器，包括：第一柔性纳米纤维薄膜层；第二柔性纳米纤维薄膜层，与第一柔性纳米纤维薄膜层相对设置；第一电极层，附着于第一柔性纳米纤维薄膜层内侧；第二电极层，附着于第二柔性纳米纤维薄膜层内侧；以及纳米纤维膜介电层，设置于第一电极层与第二电极层之间。

在本公开的一些实施例中，第一柔性纳米纤维薄膜层和第二柔性纳米纤维薄膜层的材料为如下材料中的一种或几种：热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、聚丙烯腈(PAN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、尼龙6(PA6)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)、聚乳酸(PLA)和聚醚砜(PES)。

在本公开的一些实施例中，第一柔性纳米纤维薄膜层和第二柔性纳米纤维薄膜层的厚度介于50μm～100μm之间。

在本公开的一些实施例中，第一电极层和第二电极层的材料为如下材料中的一种或者几种：银纳米颗粒或银纳米线导电油墨涂层或者碳纳米管、石墨烯和氧化铟锡(ITO)形成的涂层。

在本公开的一些实施例中，纳米纤维膜介电层的材料为如下材料中的一种或几种：聚丙烯腈(PAN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、尼龙6(PA6)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚乙烯醇(PVA)、热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)、聚乳酸(PLA)和聚醚砜(PES)。

在本公开的一些实施例中，纳米纤维膜介电层的厚度介于20μm～60μm之间。

在本公开的一些实施例中，纳米纤维膜介电层的表面带有微纳结构。

根据本公开的另一个方面，提供了一种电容式柔性压力传感器的制备方法，包括：制备第一柔性纳米纤维薄膜层和第二柔性纳米纤维薄膜层；以第一柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第一电极层，以第二柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第二电极层；以高分子聚合物作为溶质配置纺丝液，基于静电纺丝工艺制备纳米纤维膜介电层；以及将带有第一电极层的第一柔性纳米纤维薄膜层、纳米纤维膜介电层和带有第二电极层的第二柔性纳米纤维薄膜层按照电极层相对的形式，以“夹心三明治”结构进行封装，得到电容式柔性压力传感器。

在本公开的一些实施例中，以第一柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第一电极层，以第二柔性纳米纤维薄膜层为基底，在其上制备第二电极层的步骤之后还包括：在制备完第一电极层和第二电极层之后，利用导电银胶或银浆在两个电极层上各引出导线。

在本公开的一些实施例中，以高分子聚合物作为溶质配置纺丝液中的高分子聚合物为聚醚砜(PES)，溶剂为N，N-二甲基甲酰胺(DMF)，基于静电纺丝工艺制备带微纳结构的纳米纤维膜介电层包括：将聚醚砜(PES)加入N，N-二甲基甲酰胺(DMF)配置纺丝液，在室温下磁力搅拌，使其配置成聚醚砜(PES)的均一溶液，静置脱泡，备用；将得到的聚醚砜(PES)的均一溶液作为纺丝液，在纺丝装置上进行纺丝得到串珠结构的聚醚砜(PES)纳米纤维薄膜；其中，在纺丝装置上设置的纺丝参数如下：纺丝电压介于18kV～26kV之间；进液速度介于0.3mL/h～0.6mL/h之间；接收距离介于13cm～20cm之间；纺丝温度介于45℃～80℃之间，纺丝时间介于6h～8h之间；得到的串珠结构的聚醚砜(PES)纳米纤维薄膜的厚度介于20μm～50μm之间。