[发明专利]超灵敏电容式柔性压力传感器及其制备方法

说明书

本发明属于电容传感器领域，并具体公开了超灵敏电容式柔性压力传感器及其制备方法。该超灵敏电容式柔性压力传感器包括上电极层、中间电介质层和下电极层，其中：上电极层和下电极层的结构相同，均包括柔性基体材料和镶嵌在该柔性基体材料表面的导电材料；中间电介质层的表面具有微凹槽结构，同时该微凹槽结构内部设置有微锥结构，以通过增大中间电介质层与上电极层或下电极层的接触面积，提高超灵敏电容式柔性压力传感器的灵敏度。本发明通过在电介质层表面设置微凹槽结构，使得电介质层能够在较宽的压力范围内显示出较大的变形和可压缩性，同时通过在微凹槽结构内部设置微锥结构，能够使得电介质层在较宽的压力范围内具有较高的灵敏度。

技术领域

本发明属于电容传感器领域，更具体地，涉及超灵敏电容式柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术

智能机器人作为当前研究热点之一，越来越多的被应用于日常生活之中。而机器人能够在这些领域得到充分地发展和广泛地应用，得益于其对于外部环境的感知能力及其良好的适应能力。传感系统是机器人与外界进行信息交换的主要窗口，是其感知能力的基础，机器人根据布置在机器人身上的不同传感元件对周围环境状态进行感知，通过内部系统将传感信号传递给中央处理系统以进行分析、处理，并通过相应指令控制执行器执行相应动作，这样就完成了这个机器人执行动作的整个回路。对于机器人来说，触觉为其提供关于物理接触的信息，是机器人重要的感知能力之一，辅助其在未知环境中操纵未知物体。

目前应用在机器人上的触觉传感器包括：压电式传感器、摩擦发电式传感器、电阻式传感器以及电容式传感器等类型。相比于其他几种类型的传感器，电容式传感器具有结构简单、易于制造、较高灵敏度、良好的动态响应和较高的分辨率等优点，广泛应用于测量位移、加速度和压力等物理参数。但传统电容式传感器在保形性、柔韧性、拉伸性等方面尚不能满足需求。柔性电容式传感器不仅具有其优点，还具有良好的拉伸性、保形性和柔韧性，且能在复杂表面进行检测，广泛应用于电子皮肤、接触式测量、柔性天线、生物传感器等领域。

高灵敏度是柔性电容式传感器研究的热点，制备表面具有微结构的电极层或电介质层可以提高传感器灵敏度和响应速度，如微金字塔阵列、微柱阵列、指纹结构以及从植物(如荷叶、玫瑰花)中复制的微结构等。除了在传感器结构中引入微结构外，还可以利用超级电容原理，采用离子凝胶作为电介质层，使电介质层与电极之间的界面形成双电层电容来提高界面电容密度，可进一步提高传感器的灵敏度。为了实现在较大的压力下提高灵敏度以及压力分辨率，电介质层采用多级微结构，使得中间电介质层进一步压缩变形还可以利用微结构增加灵敏度。在多级微结构的制造上，柔性电子技术脱胎于固态电子技术，因此也大量采用了传统的半导体工艺，但是一些柔性材料对传统工艺的适应性并不好，因此对其制备工艺进行改进是十分必要的。

发明内容

针对现有技术的上述缺点和/或改进需求，本发明提供了超灵敏电容式柔性压力传感器及其制备方法，其中通过在电介质层表面设置微凹槽结构，并在微凹槽结构内部设置微锥结构，使得电介质层能够在较宽的压力范围内显示出较大的变形和可压缩性，并且具有较高的灵敏度。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种超灵敏电容式柔性压力传感器，该超灵敏电容式柔性压力传感器包括上电极层、中间电介质层和下电极层，其中：所述上电极层和下电极层的结构相同，均包括柔性基体材料和镶嵌在该柔性基体材料表面的导电材料；所述中间电介质层的表面具有微凹槽结构，同时该微凹槽结构内部设置有微锥结构，以通过增大中间电介质层与上电极层或下电极层的接触面积，提高所述超灵敏电容式柔性压力传感器的灵敏度。

作为进一步优选地，所述中间电介层由具有微锥结构的仿生模板制备而成。

作为进一步优选地，所述上电极层与下电极层的距离为150μm～350μm，所述上电极层和下电极层的厚度为100μm～200μm，所述中间电介质层的厚度为150μm～350μm。