[发明专利]电容式柔性应变传感器及制备方法

说明书

本发明提供了一种电容式柔性应变传感器及制备方法，包括：导电极板、介电层、电极板导线以及封装层；所述导电极板的层数大于或者等于三层；所述介电层、电极板导线以及封装层设置于导电极板之间；所述导电极板包括：中间层电极板、外层电极板；所述中间层电极板与外层电极板的极性相反；所述中间层电极板的面积小于或者等于外层电极板。本发明结构可靠、制备工艺简洁，工序少，制备环境要求宽松，可重复性高，原材料和制备工艺成本低。

技术领域

本发明涉及柔性电子技术领域，具体地，涉及一种电容式柔性应变传感器及制备方法，尤其是一种电容式柔性大应变传感器。

背景技术

目前，柔性电子器件多用作传感器领域。将传感器接入相匹配的电路和信号处理器中，在外加载荷和特定环境下，柔性传感器电学性能发生改变，从而达到信号反馈的效果。随着柔性电子技术及可穿戴设备的发展，可拉伸大应变传感器因具有优异的可拉伸性及舒适性而越来越受到人们的关注，在人体健康\运动监测、人体辅助康复系统、机器人、人机交互等领域具有广泛的应用前景。柔性传感器在可穿戴电子材料和未来人机交互领域有着巨大的发展潜力，主要以电容、电阻传感器为主。柔性电容传感器常用橡胶硅胶类弹性材料作为介电层。而电极层较为常见的是复合型电极，即将导电材料制备成导电网络或者导电薄膜，再贴附具有高弹性的有机橡胶类材料，为电极层提供支撑。选用的导电材料主要有纳米金属线、碳系填料(碳纳米管、石墨烯、碳纤维)、以及一些无机导电颗粒。在制备工艺方面，常用的制备方法有旋涂、铸模、喷涂、3D打印和光刻工艺等，利用这些工艺将混合的液态复合胶制备成目标结构和形状，从而得到的柔性导电结构。现有技术亟需一种电容式柔性大应变传感器。

专利文献CN109883582A公开了一种基于导电橡胶的柔性电容传感器。该传感器以柔性导电橡胶为导电极板，以柔性纯橡胶为介电层，利用喷涂工艺制备电容传感器各层，辅助以表面微结构。制备的柔性电容传感器对外界载荷产生显著的信号响应，可用于拉伸、压缩及运动测试。其中介电层的纯橡胶由80～90wt％液态橡胶和10～20wt％固化剂混炼制成；导电橡胶由40wt％～60wt％液态橡胶、10～15wt％固化剂、20wt％～30wt％导电填料、以及10～20wt％稀释剂混炼制成，通过分层喷涂和分步或整体固化后，获得具有良好力学信号响应的柔性电容传感器。该电容器导电极板层为导电橡胶，介电层均为纯液态橡胶，是真正意义上的完全柔性传感器。该专利在工艺和性能仍然有待提升的空间。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种电容式柔性应变传感器及制备方法。

根据本发明提供的一种电容式柔性应变传感器，包括：导电极板、介电层、电极板导线以及封装层；所述导电极板的层数大于或者等于三层；所述介电层、电极板导线以及封装层设置于导电极板之间；导电电极的最上层与最下层为作同一极性电极，即同为正极或同为负极；所述导电极板包括：中间层电极板、外层电极板；所述中间层电极板与外层电极板的极性相反；所述中间层电极板的面积小于或者等于外层电极板。具体地，所述中间层电极的极性与其外层的两个电极极性相反。最上层与最下层导电电极在制备时使其处于导电连通状态或者以导线连通。中间层电极板的面积不大于最上层与最下层电极板的面积。

优选地，所述导电极板采用弹性材料。

优选地，所述导电极板采用银纤维弹性针织织物。

优选地，所述中间介电层采用ecoflex硅橡胶。

优选地，所述中间介电层采用添加介电填料的ecoflex硅橡胶。

优选地，所述导电极板包括：橡胶基体、导电填料；所述导电填料加入到橡胶基体。

优选地，所述导电填料采用以下任意一种填料：-碳系填料；-金属粉；-金属包覆型粉料。

优选地，所述导电填料的尺寸级别采用纳米尺寸级别或者微米尺寸级别；所述微米尺寸级别的导电填料采用以下任意一种类型：-纤维状；-片状；-球形。