基于微結構化介電層的電容式柔性壓力傳感器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明涉及一種基于微結構化介電層的電容式柔性壓力傳感器及其制備方法，屬于傳感器技術領域，包括上柔性基底和下柔性基底，附著于上柔性基底內表面的上導電層和附著于下柔性基底內表面的下導電層，在所述上導電層和下導電層之間設有微結構化介電層。與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的電容式柔性壓力傳感器設計不同微結構化的介電層，并能夠通過介電層微結構的形狀、尺寸及分布等條件變化有效調節(jié)傳感器性能，實現(xiàn)不同靈敏度、測試范圍的電容式柔性壓力傳感器制作。另外，通過微膠囊發(fā)泡、壓印、復型轉移、3D打印等方法制備微結構，成本低、效率高、能耗小，特別適合于大面積、大規(guī)模的生產，有利于傳感器的應用推廣。
【專利說明】
基于微結構化介電層的電容式柔性壓力傳感器及其制備方法
技術領域
[0001]本發(fā)明涉及一種電容式柔性壓力傳感器及其制備方法，特別涉及一種基于微結構化介電層的電容式柔性壓力傳感器及其制備方法，屬于傳感器技術領域。
【背景技術】
[0002]電容式柔性壓力傳感器是一種新型的高靈敏度力學傳感器，由于其具有柔性化、高靈敏度、響應速度快等特點，有望廣泛應用于可穿戴電子、智能仿生、醫(yī)療健康監(jiān)控等領域。例如，蘋果公司在2016年最新發(fā)布了Iphone 6S智能手機，其觸摸屏就采用了壓力觸覺傳感器技術，用戶能夠通過對觸摸屏施加不同壓力調用不同的應用程序。此外，一些用于老年人健康狀態(tài)監(jiān)控的可穿戴電子設備也大量使用了電容式柔性壓力傳感技術。
[0003]各國學者對提高電容式柔性壓力傳感器性能進行了大量深入的研究，取得了理想的實驗結果并建立了一定的理論依據(jù)。
[0004]2016年3月9日公開的，專利申請?zhí)枮镃N201510673308.7，名稱為“基于印刷透明電極的可拉伸壓力傳感器及其制備方法”的中國發(fā)明專利公開了一種基于印刷透明電極的可拉伸壓力傳感器及其制備方法，基于印刷透明電極的可拉伸壓力傳感器的特征在于，包括上、下兩個可拉伸基底，附著于可拉伸基底內表面的印刷透明電極，以及夾在兩個印刷透明電極之間的介電層。該發(fā)明的可拉伸壓力傳感器既具有可拉伸、透明化特點，又具有較高的靈敏度與穩(wěn)定性。另一方面，該可拉伸透明電極是利用印刷方式制備的，無需任何復雜的微納加工過程，成本低、效率高、能耗小，特別適合于大面積、大規(guī)模的生產，有利于傳感器的應用推廣。該技術方案的缺點在于:傳感器的靈敏度和穩(wěn)定性也有待進一步提高。
[0005]但是，將柔性壓力傳感器的介電層進行微結構化，并利用介電層不同的微結構調控其性能的理論和實驗方法均未見報道。
[0006]因此，開發(fā)一種基于微結構化介電層且具有柔性化、高靈敏度、高穩(wěn)定性的壓力傳感器及其制備方法就成為該技術領域急需解決的技術難題。
【發(fā)明內容】
[0007]本發(fā)明的目的之一是提供一種基于微結構化介電層的電容式柔性壓力傳感器，使其具有高靈敏度、高穩(wěn)定性等優(yōu)點，可以有效的調節(jié)柔性壓力傳感器的靈敏度與測試范圍。
[0008]本發(fā)明的上述目的是通過以下技術方案達到的:
[0009]—種基于微結構化介電層的電容式柔性壓力傳感器，包括上柔性基底和下柔性基底，附著于上柔性基底內表面的上導電層和附著于下柔性基底內表面的下導電層，其特征在于:在所述上導電層和下導電層之間設有微結構化介電層。
[0010]優(yōu)選地，所述微結構化介電層具有棱柱、棱錐、圓柱、柵條等規(guī)則立體結構或曲面凸起、波浪狀等非規(guī)則立體結構，所述介電層微結構的高度為I?60μπι，介電層的厚度為I?40μπιο
[0011]優(yōu)選地，所述微結構化介電層具有內部微孔結構，微孔直徑為I?30μπι，介電層厚度為I?ΙΟΟμπι。
[0012]優(yōu)選地，所述微結構化介電層為聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯、聚氨酯丙烯酸酯、有機玻璃、硅橡膠或UV固化膠。
[0013]優(yōu)選地，所述柔性基底為聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯、聚氨酯丙烯酸酯、有機玻璃、硅橡膠、UV固化膠、聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)或聚酰亞胺(ΡΙ)，厚度為I?ΙΟΟμπι。
[0014]優(yōu)選地，所述導電層材質為銀、銅、金、鋁、鉛、鋅、錫等金屬或上述金屬的合金。
[0015]優(yōu)選地，所述導電層材質為碳納米管、石墨烯、導電高分子材料中的一種或兩種以上任意比例的混合物。
[0016]本發(fā)明的另一目的是提供一種上述基于微結構化介電層的電容式柔性壓力傳感器的制備方法。
[0017]本發(fā)明的上述目的是通過以下技術方案達到的:
[0018]—種基于微結構化介電層的電容式柔性壓力傳感器的制備方法，步驟如下:
[0019](I)、制備上柔性基底和下柔性基底；
[0020](2)、在步驟(I)中得到的上柔性基底和下柔性基底的表面，通過印刷、涂布、蒸鍍或化學沉積方式制備上導電層和下導電層；
[0021](3)、使用導電膠分別在步驟(2)制得的上導電層和下導電層的表面形成上電極和下電極，并從上電極和下電極分別引出導線，用于傳感器性能測試；
[0022](4)、制備微結構化介電層；
[0023](5)、將步驟(3)中制得的帶有導電層、電極和導線的上柔性基底、下柔性基底與步驟(4)中制得的微結構化介電層，按照“夾心三明治”結構進行貼合封裝，微結構化介電層位于上導電層和下導電層之間，得到基于微結構化介電層的電容式柔性壓力傳感器。
[0024]優(yōu)選地，所述步驟(4)中的微結構化介電層是通過微膠囊發(fā)泡、壓印、復型轉移、3D打印等方法實現(xiàn)的。
[0025]優(yōu)選地，所述步驟(4)的具體步驟如下:
[0026]I).將酚醛環(huán)氧樹脂溶于三甲基乙基硅烷溶劑中，得到A溶液備用；
[0027]2).將阿拉伯樹膠溶解在水中，得到B溶液備用；
[0028]3).將步驟I)制得的A溶液加入到步驟2)制備的B溶液中，攪拌乳化，得到穩(wěn)定的乳液；
[0029]4).將聚酰胺固化劑溶于水中，并加入到步驟3)形成的乳液中反應，得到發(fā)泡微膠囊分散液;將發(fā)泡微膠囊分散液通過濾紙過濾并置于烘箱干燥，得到發(fā)泡微膠囊粉體；
[0030]5).將市售PDMS單體與固化劑按照質量比10:1進行充分混合，再整體與步驟4)所得發(fā)泡微膠囊粉體按照質量比10:1進行混合，利用邁耶棒在PET薄膜表面進行涂布，然后置于真空烘箱中室溫抽氣，固化，固化過程中，發(fā)泡微膠囊受熱膨脹伴隨PDMS交聯(lián)同時發(fā)生，形成了具有內部微孔結構的介電層，將得到的介電層從PET表面揭下，厚度為ΙΟΟμπι。
[0031]優(yōu)選地，所述步驟(4)的具體步驟如下:
[0032]I).以4寸單面拋光的硅晶圓為基底，利用旋涂方式在其表面涂布聚甲基丙烯酸甲酯，再利用壓印技術制得具有特定微結構的模版，選擇的微結構是邊長為40μπι，高為28μπι的正三棱錐結構，正三棱錐的中心距分別為:60μπι、80μπι、ΙΟΟμ??、120μ??、140μ??，制備5種不同的微結構模版；
[0033]2).將市售PDMS單體與固化劑按照質量比10:1進行充分混合，利用旋涂方法在步驟I)中制備的各個微結構模版表面進行涂布，然后置于真空烘箱中室溫抽氣，固化，并從微結構模版表面揭下，得到具有不同中心距、基底厚度為20μπι的微結構化介電層。
[0034]優(yōu)選地，所述步驟(4)的具體步驟如下:
[0035]用紫外光固化3D打印機，打印材料為SomoS11122型光敏樹脂，分別打印具有立方柱、四棱錐、線性結構的微結構化介電層，其中，立方體和四棱錐底面邊長為20μ??，高60μ??，中心距為140μπι;線性結構截面為正三角形，邊長20μπι，高60μπι;介電層基底厚度為40μπι。
[0036]與現(xiàn)有技術相比，本發(fā)明的積極效果在于:該電容式柔性壓力傳感器設計了不同微結構化的介電層，并能夠通過介電層微結構形狀、尺寸及分布等條件變化有效調節(jié)傳感器性能，實現(xiàn)不同靈敏度、測試范圍的電容式柔性壓力傳感器制作。另一方面，上述介電層的微結構通過壓印、復型轉移、3D打印、微膠囊發(fā)泡等方法進行制備，成本低、效率高、能耗小，特別適合于大面積、大規(guī)模的生產，有利于傳感器的應用推廣。
[0037]下面通過附圖和【具體實施方式】對本發(fā)明做進一步說明，但并不意味著對本發(fā)明保護范圍的限制。
【附圖說明】
[0038]圖1為本發(fā)明基于微結構化介電層的電容式柔性壓力傳感器的截面結構示意圖。
[0039]圖2-1為本發(fā)明實施例1發(fā)泡微膠囊粉體的光學顯微鏡圖片。
[0040]圖2-2為本發(fā)明實施例1單顆發(fā)泡微膠囊掃描電子顯微鏡(SEM)圖片。
[0041 ]圖3為本發(fā)明實施例2中，中心距為80μπι的正三棱錐狀微結構化介電層，在300倍放大倍率下觀察的掃描電子顯微鏡(SEM)圖片。
[0042]圖4為本發(fā)明實施例3中，四棱柱狀微結構化介電層，在300倍放大倍率下觀察的掃描電子顯微鏡(SEM)圖片。
[0043]圖5-1為本發(fā)明實施例1的電容式柔性壓力傳感器的壓力與電容變化關系圖。
[0044]圖5-2為本發(fā)明實施例2的電容式柔性壓力傳感器的壓力與電容變化關系圖。
[0045]圖5-3為本發(fā)明實施例3的電容式柔性壓力傳感器的壓力與電容變化關系圖
[0046]附圖中主要零部件名稱:
[0047]I上柔性基底2下柔性基底
[0048]3上導電層4下導電層
[0049]5微結構化介電層
【具體實施方式】
[0050]如圖1所示，是本發(fā)明基于微結構化介電層的電容式壓力傳感器的截面結構示意圖，該電容式柔性壓力傳感器包括:上柔性基底I，下柔性基底2，附著于上柔性基底內表面的上導電層3，附著于下柔性基底內表面的下導電層4，以及位于上導電層3和下導電層4之間的微結構化介電層5。
[0051]基于微結構化介電層的電容式柔性壓力傳感器工作原理為:當柔性基底受到壓力時，附著于柔性基底內表面的導電層間距將會發(fā)生變化，從而引起傳感器電容值的變化，通過外部測試電容值變化可反映傳感器受力情況。
[0052]本發(fā)明通過設計并制作不同微結構化的介電層，達到調節(jié)受力過程中兩導電層間距變化率以及空氣占有率的目的，從而有效的調節(jié)柔性壓力傳感器的靈敏度與測試范圍等性能。
[0053]上柔性基底I和下柔性基底2的材質為聚二甲基硅氧烷(PDMS)，厚度為ΙΟΟμπι(也可以是聚氨酯、聚氨酯丙烯酸酯、有機玻璃、硅橡膠、UV固化膠、聚對苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亞胺，厚度為I?100Μ1)。
[0054]上導電層3和下導電層4為銀導電涂層(也可以是銅、金、鋁、鉛、鋅、錫等金屬或上述金屬的合金形成的涂層，或者碳納米管、石墨烯或導電高分子材料中的一種或兩種以上的組合形成的涂層)。
[0055]微結構化介電層5為聚二甲基硅氧烷(PDMS)(也可以是聚氨酯、聚氨酯丙烯酸酯、有機玻璃、硅橡膠或UV固化膠)。
[0056]微結構化介電層5的立體結構為三棱錐，底面邊長為40μπι，高28μπι，中心距140μπι，介電層基底的厚度為20μπι(介電層的微結構也可以為棱柱、圓柱、柵條等規(guī)則立體結構，或曲面凸起、波浪狀等非規(guī)則立體結構，上述介電層微結構的高度為I?60μπι，介電層基底的厚度為I?40μηι;介電層的微結構也可以是內部的微孔結構，微孔直徑為I?30μηι，介電層厚度為I?ΙΟΟμπι)。
[0057]本發(fā)明還提供了一種基于微結構化介電層的電容式柔性壓力傳感器的制造方法，步驟如下:
[0058](I)、制備上柔性基底和下柔性基底；
[0059](2)、在步驟(I)中得到的上柔性基底和下柔性基底的表面，通過印刷、涂布、蒸鍍或化學沉積方式制備上導電層和下導電層；
[0060](3)、使用導電膠分別在步驟(2)制得的上導電層和下導電層的表面形成上電極和下電極，并從上電極和下電極分別引出導線，用于傳感器性能測試；
[0061](4)、制備微結構化介電層；
[0062](5)、將步驟(3)中制得的帶有導電層、電極和導線的上、下柔性基底與步驟(4)中制得的微結構化介電層，按照“夾心三明治”結構進行貼合封裝，微結構化介電層位于上導電層和下導電層之間，得到基于微結構化介電層的電容式柔性壓力傳感器。
[0063]步驟(4)中的微結構化介電層是通過微膠囊發(fā)泡、壓印、復型轉移、3D打印等方法實現(xiàn)的。
[0064]實施例1:
[0065](I)制備柔性基底
[0066]將市售PDMS單體與固化劑(Dow Corning，SYLGARD 184，美國)按照質量比10:1進行充分混合，利用奧斯派-100邁耶棒(0SP-100，石家莊奧斯派機械科技有限公司)在市售噴墨打印相紙(佳能，LU-101專業(yè)絨面相紙，日本)表面進行涂布，然后置于真空烘箱中室溫抽氣5分鐘去除涂層中氣泡，再70°C固化2小時，并從相紙表面揭下，得到柔性基底，厚度為100μπι。
[0067](2)制備導電層與電極
[0068]采用絲網(wǎng)印刷方式(絲網(wǎng)印刷機:0S_500FB，中國歐萊特印刷機械工業(yè)有限公司)，在柔性基底表面印刷納米銀導電油墨(AP02，北京北印中源科技有限公司)，得到導電層，表面電阻10 Ω /sq。使用銀導電膠(Ablestik，Ablebond 84_lLimisr4)分別在兩導電層上形成上、下導電極，并從導電極上引出銅導線，用于傳感器性能測試。
[0069](3)制備發(fā)泡微膠囊
[0070]a.將1.75g酚醛環(huán)氧樹脂(F51，藍星化工新材料股份有限公司無錫樹脂廠)在60°C溶于1ml三甲基乙基硅烷(化學純，北京化工廠)溶劑中，得到A溶液備用；
[0071]b.將3g阿拉伯樹膠(化學純，廣東汕頭西隴化工廠)溶解在150ml水中，得到B溶液備用;
[0072]c.將上述步驟制得的A溶液加入到B溶液中，60 °(:攪拌乳化3小時，轉速為400rpm，得到穩(wěn)定的乳液體系(電動攪拌機D2004W，海司樂儀器有限公司)；
[0073]d.將0.72g聚酰胺固化劑(YF-650，廣州億琿盛化工有限公司)溶于50ml水中，并加入到步驟c形成的乳液中反應I小時，得到發(fā)泡微膠囊分散液;將發(fā)泡微膠囊分散液通過濾紙過濾并置于烘箱60°C干燥I小時，得到發(fā)泡微膠囊粉體;如圖2-1所示，為本實施例發(fā)泡微膠囊粉體的光學顯微鏡圖片，如圖2-2所示，為本實施例單顆發(fā)泡微膠囊SEM圖片，其平均粒徑約為5μηι。
[0074](4)利用發(fā)泡微膠囊技術制備微結構化介電層
[0075]將市售PDMS單體與固化劑(Dow Corning，SYLGARD 184，美國)按照質量比10:1進行充分混合，再整體與步驟(3)所得發(fā)泡微膠囊粉體按照質量比10:1進行混合，利用奧斯派-100邁耶棒(0SP-100，石家莊奧斯派機械科技有限公司)在PET薄膜(樂凱，中國，厚度為ΙΟΟμπι)表面進行涂布，然后置于真空烘箱中室溫抽氣5分鐘，再90°C固化2小時，固化過程中，發(fā)泡微膠囊受熱膨脹伴隨PDMS交聯(lián)同時發(fā)生，形成了具有內部微孔結構的介電層，將得到的介電層從PET表面揭下，厚度為ΙΟΟμπι。
[0076](5)封裝電容式柔性壓力傳感器
[0077]步驟(2)中制得的帶有導電層、電極和導線的柔性基底與步驟(4)中制得的具有內部微孔結構的介電層，按照“夾心三明治”的結構進行貼合封裝(如圖1所示)，其中柔性基底帶有導電層的一側面對面，介電層位于兩導電層之間，器件的封裝與貼合是通過PDMS自身的親和性與分子間作用力實現(xiàn)的，無需使用任何膠黏劑。得到基于微結構化介電層的電容式柔性壓力傳感器。
[0078]如圖5-1所示，為本發(fā)明實施例1基于微結構化介電層的電容式柔性壓力傳感器電容變化率與壓力關系圖。從圖5-1可知，傳感器敏感度達到了2.461^?-1(從圖5-2可知，無微結構傳感器的靈敏度為0.156kPa—O，最小檢測壓力為0.90Pa。需要說明的是，靈敏度在數(shù)值上等于曲線斜率是本領域所的公知常識。
[0079]實施例2:
[0080](I)制備柔性基底
[0081 ] 將市售PDMS單體與固化劑(Dow Corning，SYLGARD 184，美國)按照質量比10:1進行充分混合，利用奧斯派-1.5邁耶棒(0SP-1.5，石家莊奧斯派機械科技有限公司)在市售噴墨打印相紙(佳能，LU-101專業(yè)絨面相紙，日本)表面進行涂布，然后置于真空烘箱中室溫抽氣5分鐘去除涂層中氣泡，再70°C固化2小時，并從相紙表面揭下，得到柔性基底，厚度為1μmD
[0082] (2)制備導電層與電極
[0083]在柔性基底表面利用奧斯派-1.5邁耶棒(0SP-1.5，石家莊奧斯派機械科技有限公司)涂布制備碳納米管導電層(TNWPM，中科院成都有機化學有限公司)，表面電阻為50 Ω /sq。使用銀導電膠(Ablestik，Ablebond 84_lLimisr4)分別在兩導電層上形成上、下導電極，并從導電極上引出銅導線，用于傳感器性能測試。
[0084](3)利用壓印-復型轉移技術制備微結構化介電層
[0085]a.以4寸單面拋光的硅晶圓為基底，利用旋涂方式在其表面涂布聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，再利用壓印技術制得具有特定微結構的模版，在本實施例中，選擇的微結構是邊長為40μπι，高為28μπι的正三棱錐結構，為了調控電容式柔性壓力傳感器的靈敏度，在本實施例中，改變正三棱錐的中心距分別為:60μ??、80μ??、IΟΟμ??、120μ??、140μ??，制備了 5種不同的微結構模版；圖2-1是中心距為80μπι的正三棱微觀結構SEM圖片；如圖3所示，是本實施例電容式柔性壓力傳感器中三棱錐狀微觀結構在300倍放大倍率下進行觀察的掃描電鏡(SEM)圖片。
[0086]b.將市售PDMS單體與固化劑(Dow Corning，SYLGARD 184，美國)按照質量比10:1進行充分混合，利用旋涂方法(2000rpm/30S，KW-4A，北京賽德凱斯電子有限責任公司)在步驟a制備的各個微結構模版表面進行涂布，然后置于真空烘箱中室溫抽氣5分鐘，再90°C固化2小時，并從微結構模版表面揭下，得到具有不同中心距、基底厚度為20μπι的微結構化介電層；
[0087](4)封裝電容式柔性壓力傳感器
[0088]步驟(2)中制得的帶有導電層、電極及導線的柔性基底與步驟(3)中制得的具有不同中心距正三棱錐微結構的介電層，按照“夾心三明治”的結構進行貼合封裝(如圖1所示)，其中柔性基底帶有導電層的一側面對面，介電層位于兩導電層之間，器件的封裝與貼合是通過PDMS自身的親和性與分子間作用力實現(xiàn)的，無需使用任何膠黏劑。得到基于微結構化介電層的電容式柔性壓力傳感器。
[0089]如圖5-2所示，為本實施例基于微結構化介電層的電容式柔性壓力傳感器電容變化率與壓力關系圖。從圖5-2可知，隨著微結構中心距的增加，傳感器靈敏度依次升高。當中心距為60μπι時，傳感器靈敏度最低約0.156kPa—1;中心距為140μπι時，傳感器在O?400Pa壓力范圍內，靈敏度最高約1.需要說明的是，靈敏度在數(shù)值上等于曲線斜率是本領域所的公知常識。
[0090]實施例3:
[0091](I)制備柔性基底
[0092]將市售PDMS單體與固化劑(Dow Corning，SYLGARD 184，美國)按照質量比10:1進行充分混合，利用奧斯派-50邁耶棒(0SP-50，石家莊奧斯派機械科技有限公司)在市售PET薄膜(樂凱，中國，厚度為ΙΟΟμπι)表面進行涂布，然后置于真空烘箱中室溫抽氣5分鐘去除涂層中氣泡，再70 0C固化2小時，并從相紙表面揭下，得到柔性基底，厚度為50μπι。
[0093](2)制備導電層及電極
[0094]采用化學沉積方式，在柔性基底表面沉積制備金涂層，其表面電阻為5Ω/sq。使用銀導電膠(Ablestik，Ablebond 84_lLimisr4)分別在兩導電層上形成上、下導電極，并從導電極上引出銅導線，用于傳感器性能測試。
[0095](3)利用3D打印技術制備微結構化介電層
[0096]本實施例選用的打印機為日本Mimaki公司生產的型號為UJF-3042FX UV的紫外光固化3D打印機，打印材料選擇為美國DSM Desotch公司生產的Somos 11122型光敏樹脂，分別打印了具有四棱柱、四棱錐、線性結構的微結構化介電層，其中四棱柱和四棱錐底面邊長為20μηι，高60μηι，中心距為140μηι;線性結構截面為正三角形，邊長20μηι，高60μηι;介電層基底厚度為40μπι。如圖4所示，是本實施例電容式柔性壓力傳感器中棱柱狀微觀結構在300倍放大倍率下進行觀察的SEM圖片。
[0097](4)封裝電容式柔性壓力傳感器
[0098]步驟(2)中制得的帶有導電層、電極及導線的柔性基底與步驟(3)中制得的具有微結構的介電層，按照“夾心三明治”的結構進行貼合封裝(如圖1所示)，其中柔性基底帶有導電層的一側面對面，介電層位于兩導電層之間。器件的封裝與貼合是通過TOMS自身的親和性與分子間作用力實現(xiàn)的，無需使用任何膠黏劑。得到基于微結構化介電層的電容式柔性壓力傳感器。
[0099]如圖5-3所示，為本實施例基于微結構化介電層的電容式柔性壓力傳感器電容變化率與壓力關系圖。從圖5-3可知，三種不同微結構與無微結構的傳感器特性曲線趨勢相同，在測試壓強范圍內均呈線性變化，但斜率相差較大。其中斜率最大的是四棱錐，其傳感器靈敏度約0.65kPa—1，最小的是無微結構的，傳感器靈敏度約0.085kPa—1。需要說明的是，靈敏度在數(shù)值上等于曲線斜率是本領域所的公知常識。
[0100]本發(fā)明克服重重困難，制備了基于微結構化介電層的電容式柔性壓力傳感器，實現(xiàn)了利用介電層不同的微結構調節(jié)傳感器性能的目標;并針對電容式柔性壓力傳感器的特點，對壓印、復型轉移、3D打印、發(fā)泡微膠囊等技術進行針對性改進與優(yōu)化，應用于介電層微結構的制備，制作成本低、效率高。
[0101]可以理解的是，對于本領域的普通技術人員，可以根據(jù)本發(fā)明的技術構思做出其它各種相應的改變與變形，而所有這些改變與變形都應屬于本發(fā)明專利要求的保護范圍。
【主權項】
1.一種基于微結構化介電層的電容式柔性壓力傳感器，包括上柔性基底和下柔性基底，附著于上柔性基底內表面的上導電層和附著于下柔性基底內表面的下導電層，其特征在于:在所述上導電層和下導電層之間設有微結構化介電層。2.根據(jù)權利要求1所述的電容式柔性壓力傳感器，其特征在于:所述微結構化介電層具有棱柱、棱錐、圓柱、柵條等規(guī)則立體結構或曲面凸起、波浪狀等非規(guī)則立體結構，所述介電層微結構的高度為I?60μηι，介電層的厚度為I?40μηι。3.根據(jù)權利要求1所述的電容式柔性壓力傳感器，其特征在于:所述微結構化介電層具有內部微孔結構，微孔直徑為I?30μηι，介電層厚度為I?ΙΟΟμπι。4.一種基于微結構化介電層的電容式柔性壓力傳感器的制備方法，步驟如下: (1)、制備上柔性基底和下柔性基底； (2)、在步驟(I)中得到的上柔性基底和下柔性基底的表面，通過印刷、涂布、蒸鍍或化學沉積方式制備上導電層和下導電層； (3)、使用導電膠分別在步驟(2)制得的上導電層和下導電層的表面形成上電極和下電極，并從上電極和下電極分別引出導線，用于傳感器性能測試； (4 )、制備微結構化介電層； (5)、將步驟(3)中制得的帶有導電層、電極和導線的上柔性基底、下柔性基底與步驟(4)中制得的微結構化介電層，按照“夾心三明治”結構進行貼合封裝，微結構化介電層位于上導電層和下導電層之間，得到基于微結構化介電層的電容式柔性壓力傳感器。5.根據(jù)權利要求4所述的電容式柔性壓力傳感器的制備方法，其特征在于:所述步驟(4)中的微結構化介電層是通過壓印、復型轉移、3D打印或微膠囊發(fā)泡方法實現(xiàn)的。6.根據(jù)權利要求4所述的電容式柔性壓力傳感器的制備方法，其特征在于:所述步驟(4)的具體步驟如下: 1).將酚醛環(huán)氧樹脂溶于三甲基乙基硅烷溶劑中，得到A溶液備用； 2).將阿拉伯樹膠溶解在水中，得到B溶液備用； 3).將步驟I)制得的A溶液加入到步驟2)制備的B溶液中，攪拌乳化，得到穩(wěn)定的乳液； 4).將聚酰胺固化劑溶于水中，并加入到步驟3)形成的乳液中反應，得到發(fā)泡微膠囊分散液;將發(fā)泡微膠囊分散液通過濾紙過濾并置于烘箱干燥，得到發(fā)泡微膠囊粉體； 5).將市售PDMS單體與固化劑按照質量比10:1進行充分混合，再整體與步驟4)所得發(fā)泡微膠囊粉體按照質量比10:1進行混合，利用邁耶棒在PET薄膜表面進行涂布，然后置于真空烘箱中室溫抽氣，固化，固化過程中，發(fā)泡微膠囊受熱膨脹伴隨PDMS交聯(lián)同時發(fā)生，形成了具有內部微孔結構的介電層，將得到的介電層從PET表面揭下，厚度為I?ΙΟΟμπι。7.根據(jù)權利要求4所述的電容式柔性壓力傳感器的制備方法，其特征在于:所述步驟(4)的具體步驟如下: 1).以4寸單面拋光的硅晶圓為基底，利用旋涂方式在其表面涂布聚甲基丙烯酸甲酯，再利用壓印技術制得具有特定微結構的模版； 2).將市售PDMS單體與固化劑按照質量比10:1進行充分混合，利用旋涂方法在步驟I)中制備的各個微結構模版表面進行涂布，然后置于真空烘箱中室溫抽氣，固化，并從微結構模版表面揭下，得到具有不同中心距、基底厚度為20μπι的微結構化介電層。8.根據(jù)權利要求7所述的電容式柔性壓力傳感器的制備方法，其特征在于:所述特定微結構的模板是邊長為40μηι，高為28μηι的正三棱錐結構，正三棱錐的中心距分別為:60μπι、80μm、10ym、12Oym、140μηι，制備5種不同的微結構模版。9.根據(jù)權利要求4所述的電容式柔性壓力傳感器的制備方法，其特征在于:所述步驟(4)的具體步驟如下: 用紫外光固化3D打印機，打印材料為Somos11122型光敏樹脂，分別打印具有立方柱、四棱錐、線性結構的微結構化介電層。10.根據(jù)權利要求9所述的電容式柔性壓力傳感器的制備方法，其特征在于:所述立方體和四棱錐的底面邊長為20μπι，高60μπι，中心距為140μπι;線性結構截面為正三角形，邊長20μπι，高60μηι;介電層基底厚度為I?40μηι。
【文檔編號】G01L9/12GK105865667SQ201610333340
【公開日】2016年8月17日
【申請日】2016年5月19日
【發(fā)明人】莫黎昕, 李路海, 翟慶彬, 李正博, 王振國
【申請人】北京印刷學院