本發(fā)明涉及電子器件領(lǐng)域，更確切的指一種能夠?qū)崿F(xiàn)超大形變圓筒形電容式傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

電容檢測(cè)元件是根據(jù)圓筒形電容器原理進(jìn)行工作的，電容器由兩個(gè)絕緣的同軸圓柱極板內(nèi)電極、外電極以及填充在兩筒之間的電解質(zhì)(介電常數(shù)為e)組成。兩圓筒間的電容量為C=2πεL/ln（D/d），式中L為兩筒相互重合部分的長(zhǎng)度；D為外筒電極的直徑；d為內(nèi)筒電極的直徑；e為中間介質(zhì)的介電常數(shù)。

電容式傳感器是將被測(cè)量的變化轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種裝置，它本身就是一種可變電容器。由于這種傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，體積小，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好，靈敏度高，分辨率高，能實(shí)現(xiàn)非接觸測(cè)量等特點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用于位移、加速度、振動(dòng)、壓力、壓差、液位等檢測(cè)領(lǐng)域。

傳統(tǒng)的電容式傳感器多是由剛性部件組成，在受到嚴(yán)重彎曲、大形變拉伸、或扭轉(zhuǎn)時(shí)將產(chǎn)生非線性變化，靈敏度嚴(yán)重降低。這些年隨著柔性機(jī)械技術(shù)的不斷進(jìn)步，由于其可利用彈性來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)械或動(dòng)力學(xué)功能，逐漸成為機(jī)械制造領(lǐng)域發(fā)展的一個(gè)重要方向，鑒于此，本發(fā)明提供了一種能夠承受超大形變的圓筒形電容式傳感器，能夠隨被測(cè)量物的變化而產(chǎn)生形變，而且對(duì)伸縮形變和反復(fù)形變的耐久性良好，實(shí)現(xiàn)應(yīng)變范圍1000%，電容線性變化，且電容/應(yīng)變的變化率接近1?？煞磸?fù)使用2000次以上，性能衰減小于5%。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

一種超大形變圓筒形電容式傳感器可以是空心圓筒形電容式傳感器1，由彈性管11、內(nèi)電極12、外電極13以及導(dǎo)線14組成，其結(jié)構(gòu)及制備過(guò)程詳見(jiàn)說(shuō)明書(shū)附圖1；也可以是實(shí)心圓筒形電容式傳感器2，由彈性芯21、內(nèi)電極22、電介質(zhì)23、外電極24以及導(dǎo)線25組成，其結(jié)構(gòu)及制備過(guò)程詳見(jiàn)說(shuō)明書(shū)附圖2。

所述彈性管、彈性芯由白油與超軟橡膠以一定比例混合制成，熱熔后，制成空心彈性管或?qū)嵭膹椥孕?。使用此方法制作的彈性管、彈性芯具有極好的可拉伸性能，拉伸系數(shù)可達(dá)14倍，是目前橡膠材質(zhì)中拉伸倍數(shù)最長(zhǎng)的材料之一，為電容器實(shí)現(xiàn)超大形變奠定了基礎(chǔ)，同時(shí)也為電容器內(nèi)、外電極（碳納米管）提供了附著基底。所述電介質(zhì)由彈性芯溶于環(huán)己烷后均勻噴涂而成。所述內(nèi)電極和外電極采用單臂碳納米管或者多壁碳納米管，碳納米管本身具有優(yōu)異的力學(xué)性能以及輕的質(zhì)量，使得該導(dǎo)線具有強(qiáng)韌的結(jié)構(gòu)。所述導(dǎo)線為導(dǎo)電性能良好的金屬絲。

所述超大形變電容器是采用“表面覆蓋”方法，將高取向碳納米管薄膜均勻覆蓋在大形變預(yù)拉伸的彈性體纖維表面，碳納米管取向平行于纖維拉伸方向，形成核殼構(gòu)造；釋放該核殼結(jié)構(gòu)，預(yù)拉的伸彈性纖維壓縮碳納米管薄膜，形成多級(jí)褶皺結(jié)構(gòu)，詳見(jiàn)說(shuō)明書(shū)附圖3，再加上碳納米管優(yōu)良的力學(xué)性能，具有可反復(fù)拉伸、可反復(fù)扭曲、可反復(fù)折彎不易損壞的特點(diǎn)。

與以往應(yīng)變電容式傳感器應(yīng)變范圍只有30%相比，本發(fā)明所提供的電容式傳感器應(yīng)變范圍可達(dá)到1000%，而且電容量呈線性變化，電容量/應(yīng)變的變化率接近1，也就是說(shuō)隨拉伸該電容器，其能量?jī)?chǔ)存能力可增加10倍，而且反復(fù)使用2000次以上，性能衰減仍小于5%，真正實(shí)現(xiàn)超大形變且性能穩(wěn)定電容式傳感器。

附圖說(shuō)明

附圖1，空心圓筒形電容式傳感器結(jié)構(gòu)及制備示意圖。

附圖2，實(shí)心圓筒形電容式傳感器結(jié)構(gòu)及制備示意圖。

附圖3，大形變多級(jí)褶皺結(jié)構(gòu)碳納米管導(dǎo)電彈性體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)示意圖。

附圖4，鋪設(shè)不同碳納米管層數(shù)導(dǎo)電彈性纖維電阻變化。

附圖5，超大形變導(dǎo)電彈性纖維掃描電鏡圖。

附圖6，機(jī)械方法鋪設(shè)碳納米管。

附圖7，超大形變圓筒形電容式傳感器隨不同應(yīng)變程度下其性能變化。

具體實(shí)施方式

下面參照附圖對(duì)本發(fā)明的實(shí)施方式進(jìn)行說(shuō)明。

所述電容式傳感器由彈性層芯（彈性管）、內(nèi)電極、外電極、電介質(zhì)、導(dǎo)線組成，請(qǐng)參閱圖1和圖2。

（1）所述彈性層芯（彈性管）由白油與橡膠彈性體按照一定比例混合、熱熔攪拌后，擠出成型，根據(jù)白油和橡膠彈性體種類(lèi)不同，一般選用1：1-8：1（質(zhì)量比），生成超軟彈性芯直徑約為0.1-5mm；生成的彈性管內(nèi)徑≥4mm，外徑>4mm。本實(shí)施例選用15#白油與熱塑性橡膠SEBS按照6：1比例混合熱熔，采用的超軟彈性芯直徑為2mm，超軟彈性管內(nèi)徑為6mm，外徑為8mm。

（2）內(nèi)電極的制備：將步驟1制備的超軟彈性芯根據(jù)所需拉伸率拉伸至原長(zhǎng)的1-14倍，優(yōu)選的倍數(shù)為6-14倍，本實(shí)施例選取倍數(shù)為12.5倍。原直徑2mm的彈性芯拉伸12.5倍之后，直徑約為0.5-0.55mm。滴少許乙醇于彈性芯上，以利于后續(xù)碳管能緊密貼附在彈性芯上，待乙醇揮發(fā)后在彈性芯之上鋪設(shè)碳納米管作為電容器的內(nèi)電極，碳管可選層數(shù)范圍1-20，最佳范圍5-10層，本實(shí)施例選取的層數(shù)8。層數(shù)太低容易導(dǎo)致鋪設(shè)不均勻，太高會(huì)影響電容器的形變力度。鋪設(shè)完畢之后，在碳納米管之上滴少量乙醇，使碳納米管全部浸潤(rùn)，可達(dá)到碳納米管與彈性芯緊密貼合的作用。所述的碳納米管軸向全部平行于彈性芯（層）軸向方向排列。最后在鋪好碳納米管上面的一端固定上導(dǎo)線。對(duì)于彈性管來(lái)說(shuō)，拉伸至原長(zhǎng)的12.5倍后，按照如上方法在彈性管外壁上鋪設(shè)碳納米管，作為電容器的內(nèi)電極。

(3)電介質(zhì)的制備：將步驟2中處于拉伸狀態(tài)的超軟導(dǎo)電芯釋放，使其恢復(fù)到自然狀態(tài)，再在上面噴涂橡膠溶液作為電介質(zhì)，所述橡膠溶液由超軟彈性層芯以一定的比例溶解于有機(jī)溶劑中獲得，本實(shí)施例采用超軟彈性芯溶于環(huán)己烷中所得，溶解比例一般為1：15-1：30（質(zhì)量體積比），本實(shí)施例中采用1：23（g：ml）。橡膠溶液的噴涂厚度為100-500μm，本實(shí)施例中選用200μm，由于不可避免誤差，噴涂厚度太薄容易導(dǎo)致噴涂不均勻，影響電容器的穩(wěn)定性，而噴涂太厚會(huì)導(dǎo)致電容器外徑過(guò)大，使電容量降低，影響其使用范圍。噴涂過(guò)程可人工操作，也可機(jī)械噴涂。對(duì)于彈性管來(lái)說(shuō)，不用噴涂橡膠溶液，以彈性管內(nèi)外徑之間的彈性體作為電容器的電介質(zhì)。

(4)外電極的制備：將步驟3中噴涂好的導(dǎo)電彈性纖維再次拉伸至原長(zhǎng)的12.5倍，滴加少許乙醇后，再次鋪上碳納米管作為電容器的外電極，碳管層數(shù)為1-20，最佳范圍5-10層，本實(shí)施例中采用8層。對(duì)于在外側(cè)壁鋪好碳納米管的彈性管來(lái)說(shuō)，首先將其釋放，恢復(fù)到自然狀態(tài)，再將其外壁內(nèi)翻，使未鋪碳納米管的內(nèi)壁翻至外側(cè)，再按照如上方法鋪設(shè)碳納米管，作為電容器的外電極。最后在電容器內(nèi)外極不同端固定上導(dǎo)線。

(5)將步驟4中制備好的導(dǎo)電纖維釋放至自然狀態(tài)，得到能夠?qū)崿F(xiàn)超大形變的電容式傳感器。

針對(duì)以上實(shí)施步驟解釋如下：

所述電容式傳感器內(nèi)電極和外電極是由至少一層碳納米管構(gòu)成的，此處的碳納米管可以為單臂碳納米管，亦可以為雙壁或者多壁碳納米管，層數(shù)數(shù)值越大，導(dǎo)電性能越好，但限于碳納米管彈性遠(yuǎn)不如彈性芯（彈性管），所以鋪設(shè)碳管層數(shù)數(shù)值越大時(shí)，制備的電容式傳感器拉伸倍數(shù)越小。多次試驗(yàn)效果得出，優(yōu)選的碳納米管層數(shù)范圍為1-20。請(qǐng)參考附圖4鋪設(shè)不同碳納米管層數(shù)導(dǎo)電彈性纖維電阻變化。

制備的電容式傳感器，由拉伸狀態(tài)釋放為自然狀態(tài)時(shí)，碳納米管層在縱向和橫向均會(huì)形成大周期和小周期的周期褶皺，該周期褶皺確保了所述電容式傳感器在大幅拉伸收縮時(shí)維持電阻的穩(wěn)定和電容量的線性變化。請(qǐng)參考附圖5超大形變導(dǎo)電彈性纖維掃描電鏡圖。

上述步驟2、4所述電容器的內(nèi)外電極的碳納米管的鋪設(shè)方法如下：碳納米管層由一碳納米管陣列制備得到，該碳納米管陣列需基本沿同一方向取向排列。首先，采用一定寬度的膠帶或者刀片自碳納米管陣列中選取多個(gè)碳納米管一致往外拉伸，以一定的速度沿實(shí)際上垂直于碳管陣列生長(zhǎng)方向拉伸碳納米管，所述的多個(gè)碳納米管在拉力作用下沿拉伸方向逐漸脫離碳納米管陣列的基底，并在范德瓦爾力的作用下，使選定的多個(gè)碳納米管分別于其它相鄰的碳納米管首尾相連，連續(xù)拉出，均勻鋪設(shè)于彈性芯（層）和電介質(zhì)之上。上述碳納米管平行并排為束狀非扭曲結(jié)構(gòu)；當(dāng)然，也可采用扭曲纏繞的絞線結(jié)構(gòu)；所述扭轉(zhuǎn)的碳納米管線制備可參見(jiàn)2009年6月公告的CN100500556C的中國(guó)發(fā)明專(zhuān)利說(shuō)明書(shū)。

本實(shí)施例中，碳納米管層的鋪設(shè)可人工操作，亦可采用機(jī)械式鋪設(shè)。機(jī)械鋪設(shè)方法示意圖參考附圖6，采用兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)（起馬達(dá)作用），同軸同向同速轉(zhuǎn)動(dòng)，可將碳納米管膜均勻鋪設(shè)于彈性芯之上，形成電容器內(nèi)電極，此時(shí)形成的電容器內(nèi)電極為平行非扭曲結(jié)構(gòu)。如若采用扭曲絞線結(jié)構(gòu)，只需將兩個(gè)步進(jìn)電機(jī)同軸同速反向轉(zhuǎn)動(dòng)即可。該方法從可編制纖維的工藝精神延伸而來(lái)，只需稍加改進(jìn)即適用于該發(fā)明的導(dǎo)電層鋪設(shè)。

所述超大形變電容式傳感器，能夠保持實(shí)現(xiàn)超大形變的同時(shí)線性良好，拉伸倍數(shù)達(dá)1000%時(shí)，電容量呈線性變化，并且電容/應(yīng)變接近1，可反復(fù)拉伸使用2000次以上，性能衰減小于5%，請(qǐng)參照附圖7。

另外，相關(guān)領(lǐng)域技術(shù)人員還可以依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案做其它變化，依據(jù)本發(fā)明技術(shù)方案所做的變化，都應(yīng)包含在本技術(shù)方案所保護(hù)的范圍之內(nèi)。