[发明专利]一种可变量程电容式柔性压力传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种可变量程电容式柔性压力传感器，它包括自下而上依次设置的下电极层、柔性腔体、柔性薄膜层和上电极层，其中柔性腔体中填充电流变介质层。本发明首次提出将电容器与填充电流变介质的柔性结构结合，在电容器两个可动电极之间设置电流变介质层，通过外加电场调节电流变介质层的机械特性，使所得柔性电容器可动电极在同等外力情况下所产生的形变发生改变，借助对柔性薄膜受力形变的影响调节两电极板间的压力‑电容特性，从而实现传感器压力检测量程的调节；本发明所得压力传感器可有效兼顾高灵敏度和宽线性量程，对推动柔性压力传感器的发展具有重要的研究和应用意义。

技术领域

本发明属于智能流体、柔性传感器技术领域，具体公开了一种可变量程电容式柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术

柔性压力传感器作为一种新型压力传感器,具有轻薄便携、柔韧性好及可检测复杂曲面及特殊接触面间压力等特点，可应用于人体运动检测、健康诊断、智能服装、电子皮肤、汽车行业、人机界面、移动通信等领域。柔性压力传感器能够在一定压力作用下发生形变，并根据形变量的大小来输出与之对应的电学信号。相对于传统的硬质硅基传感器，柔性压力传感器兼具弯折、拉伸、扭转等柔性功能特点。引入微结构加工技术的柔性压力传感器能够表现出更高的灵敏度。可以预见这种高灵敏度和高稳定性以及抗疲劳性的柔性压力传感器将在移动医疗、电子皮肤、可穿戴设备、人机交互等领域有很大应用场景。将柔性压力传感器制备成阵列，贴敷在机器人表面，以阵列像素传感机制模拟人类触觉。通过阵列传感机制来赋予机器人形状识别和压力定位的能力，这项技术加速了机器人在军事领域，工业自动化以及远程医疗等领域的应用。此外，柔性压力传感器不仅可以使机器人通过多点压力感知的方式模拟人类的触觉，还可以赋予机器人听觉。Guo等人制备出了由带有微结构的多个通道的氟化乙烯丙烯以及上下薄膜电极组成的听觉传感器。其中氟化乙烯丙烯薄膜上的微结构有效的提高了该听觉传感器的灵敏度。在机器人的人工耳蜗内集成该款听觉传感器可以有效记录外界声音。

然而，现有柔性压力传感器由于量程固定，高灵敏度和宽线性量程难以同时实现。因此，进一步设计制造出结构简单、可调节量程的柔性压力传感器对推动柔性压力传感器的发展具有重要的研究和应用意义。

发明内容

本发明的主要目的在于针对现有技术存在的不足，提供一种可变量程电容式柔性压力传感器，采用薄膜空腔型结构，并在空腔内设置电流变介质层，基于电流变介质层的电流变效应使薄膜在外力情况下发生的形变受外电场影响，借助对薄膜受力形变的影响调节两电极板间的压力-电容特性，最终实现柔性电容式压力传感器检测量程的可调性；且涉及的制备方法简单、操作方便，适合推广应用。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案为：

一种可变量程电容式柔性压力传感器，它包括自下而上依次设置的下电极层、柔性腔体、柔性薄膜层和上电极层，其中柔性腔体中填充电流变介质层；通过施加外加电场，调控其量程。

上述方案中，所述上电极层和下电极层的材质为导电性良好的材料，包括但不限定于金属、无机导电材料、有机导电高分子材料或以上材料的复合物。

上述方案中，所述柔性薄膜层的材质为柔性绝缘有机物，可选用聚二甲基硅氧烷或热塑性聚氨酯弹性体橡胶等。

上述方案中，所述柔性腔体的材质为柔韧性优良的有机物，可选用聚二甲基硅氧烷或光固化树脂，等。

上述方案中，所述柔性腔体设有加注电流变介质的通孔。

上述方案中，所述电流变介质层为为高介电材料制备的绝缘分散液(电压-粘度敏感性流体材料)，其中高介电材料可选用C@TiO₂纳米颗粒、聚苯胺、聚二苯胺、聚吡咯、聚3,4-乙撑二氧噻吩及其衍生物中的一种或几种；绝缘液可选用纯水、硅油，等。