[发明专利]宽量程柔性电容式压力传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了宽量程柔性电容式压力传感器及其制备方法，包括有传感器上电极，复合介质层和传感器下电极，传感器按照从上至下顺序依次设置有传感器上电极、复合介质层和传感器下电极，所述复合介质层由柔性材料掺杂铁电材料纳米颗粒、碳纳米管和发泡材料组成，在智能按键、电子绘画及书写设备中具有广阔的应用前景，结构简单，加工方便，可以改善现有的柔性压力传感器测量范围小以及线性特性差的现状，本发明对柔性电介质层设计成多层不同孔隙率且厚度可控的多孔材料堆叠的结构，在施加在上表面的压力作用下，柔性电介质层发生垂直向下的位移及应变，传感器的电容值随所加压力的增大而增大，使整个传感器可获得一个较大的压力测量范围。

技术领域

本发明涉及压力传感器技术领域，尤其是宽量程柔性电容式压力传感器及其制备方法。

背景技术

目前，越来越多的特殊信号和特殊环境要求传感器具有透明、柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特性。随着人工智能的迅速发展，智能设备的发展速度逐渐加快，各大厂商都在想方设法提升人们的使用体验。例如将压力传感器嵌入智能设备的屏幕中，人们在使用时对屏幕施加不同的压力，可以使智能设备响应不同的功能。多孔压敏电介质的制备多采用在柔性材料前驱体溶液中加入如去离子水或者发泡剂的方法，然后通过加热使去离子水或者有机溶液挥发形成多孔结构。

但是从现有的研究成果来看，电阻式和电容式柔性压力传感器都存在压力测量范围偏小的问题，主要体现在低压范围内，器件灵敏度较理想，但是压力增大到一定数值(一般小于1kPa，有的甚至只有0.5kPa)，器件灵敏度迅速下降，并且测试曲线呈现较明显的非线性，造成这种现象的主要原因是加工方法的局限性，但如果不对多孔材料的空隙率和分布进行控制，孔的几何尺寸及分布较随机，柔性电介质的动态范围较差，现有柔性压力传感器中，多孔压敏材料的制备方式决定了孔的分布及尺寸较难控制，导致压敏材料的受压动态范围较小且线性度较差。

因此，需要进一步拓展柔性压力传感器的测量范围。

发明内容

本发明针对背景技术中的不足，提供了宽量程柔性电容式压力传感器及其制备方法。

本发明为解决上述现象，采用以下的技术方案，宽量程柔性电容式压力传感器，包括有传感器上电极、复合介质层和传感器下电极，传感器按照从上至下顺序依次设置有传感器上电极，复合介质层和传感器下电极，所述复合介质层由柔性材料掺杂铁电材料纳米颗粒、碳纳米管和发泡材料组成。

作为本发明的进一步优选方式，所述传感器上电极和传感器下电极采用铜箔材料，所述复合介质层为多层不同空隙率的多孔材料，所述复合介质层从上到下各层中孔隙率依次减小。

作为本发明的进一步优选方式，所述柔性材料采用聚偏氟乙烯PDMS、聚二甲基硅氧烷PVDF或聚对苯二甲酸乙二醇酯PET，所述铁电材料纳米颗粒采用碳酸钡BaTiO3或铌镁酸铅PMN。

宽量程柔性电容式压力传感器的制备方法，制备步骤包括如下：

S1，打印模具：利用3D打印机打印出制备长方体电介质的模具；

S2，溶合搅拌：取碳纳米管黑色粉末和铁电材料纳米颗粒溶于聚二甲基硅氧烷溶剂，并用磁力搅拌机充分搅拌，直至均匀；

S3，分别添加NaHCO3粉末：将S2步骤所得的共混溶液分成三份，放入三个小烧杯中，并分别向其中加入不同质量的NaHCO3粉末，使得三份中所含NaHCO3的质量分数分别为15％、20％和25％，并用磁力搅拌机充分搅拌均匀；

S4，试验15％的NaHCO3：先将质量分数为15％的NaHCO3共混溶液注入已均匀喷涂脱模剂的模具中，将其置于烘箱热板上，调整加热温度至100℃，使其中的NaHCO3完全分解，并加热使该层电介质完全固化；