[发明专利]一种柔性叉指电容传感器结构及其制备方法

说明书

本发明提供了一种柔性叉指电容传感器结构及其制备方法。该传感器由基底层、中间叉指电极层和上封装层组成。其中基底层和上封装层的硅橡胶由液态预聚物和固化剂混炼均匀而成，打印叉指电极所用的导电橡胶由液态硅橡胶、刚性导电纤维颗粒、稀释剂和协同剂混炼均匀而成。传感器的制备顺序依次为基底膜、叉指电极、上封装层和电极植入，并优化传感器基底层和上封装层厚度以及叉指电极各项参数。此外，传感器具有较大应变工作范围、对微应变具有高灵敏度、高服役寿命、不同拉伸速度的传感稳定性以及对人体运动传感检测一致性的实时检测能力和特点。

技术领域

柔性叉指电容传感器的制备方法，属于柔性电子设备领域。

背景技术

在过去的十几年中，柔性传感器得到深入的研究并在人工智能、医疗健康和电子皮肤等方面有了广泛的应用。与压阻式、压电式和场效应晶体管式等类型传感器相比，电容式传感器由于其结构简单、温度稳定性良好、动态响应快和灵敏度高等优点得到广大研究学者的青睐。

常规的平行板电容式柔性传感器为三夹层结构，包括顶、底部的电极层和中间的绝缘介电层，其提高灵敏度的方法多为构建微结构和多孔结构。该类传感器由于需要一定的微结构来维持传感器的灵敏度，传感器的厚度很难进一步降低。平面刚性叉指电容传感器作为刚性传感器已被广泛用于多种场合，如生物医学检测、环境湿度检测以及工业上的桥梁高负载监测等。相对于传统的夹层式堆叠设计，平面设计的刚性叉指式电容传感器具有增加介电材料与电极的接触面积、降低传输阻力、可嵌入微型设备、制作工艺简洁、成本低、可批量制造和对不同需求无需显著更改设计等优点。刚性叉指电容传感器基底材料主要是由氧化铝陶瓷、多孔金属和二氧化硅等构成，通过旋涂和印刷工艺制备叉指电极而得，存在工艺复杂、原材料昂贵以及传感器无柔性等局限。迄今少有柔性叉指电容应变传感器的相关报道。

专利CN202010311401.4(申请日期2020年4月18日，公开日期2020年8月5日)公开了一种基于超级电容传感原理的叉指型对电极式柔性触觉传感器，叉指电极采用了丝网印刷工艺将导电油墨印刷于柔性基底上制备而成，其所用的导电油墨由第二溶剂、粘结剂、导电材料和四硼酸钠组成，四者的质量比为(5-6):(1-2):(1-2):(0.2-0.3)。传感器在不同压强下得到的电容值可以稳定、精确的反映出外界压强，但灵敏度存在差异，三种不同结构形式的叉指电容传感器的精度分别为119.41nF.KPa^-1、133.77nF.KPa^-1、142.34nF.KPa^-1。该专利存在以下局限：1)制备时间过长，导电材料混合需1-2h，凝胶除气0.5-2h，电介质层制备10-12h；2)离子载体为酸、碱、盐中的一种两种以上，对人体具有一定的危害性，且不符合绿色环保；3)该柔性传感器为压敏传感传感器，不适于拉伸载荷。

专利CN201910285025.3(申请日期2019年4月08日，公开日期2019年10月13日)公开了一种叉指型大面积柔性阵列传感器制备方法，叉指型阵列电极和导线采用丝网工艺制备，其压敏复合材料由导电粒子、纳米SiO₂、硅烷偶联剂Si-69和液态硅橡胶组成，四者的质量比为(25-100):(5-20):(85-115):(350-450)。传感器为正压阻效应，压力感知范围0～4N，响应时间为1s，灵敏度为52～121Ω/N。该专利存在以下局限：1)制备时间过长，中温干燥时间40-60min、导电粒子表面改性时间14-27h、产物溶解与反应时间12-24h、产物乙二醇中分散20-30h、搅拌反应20-30h和洗涤干燥10-20h；2)制备复杂，导电粒子制备过程需搅拌反应、震荡反应、表面改性、氮气保护、十几种反应材料的加入、多次干燥和过滤；3)该柔性传感器为压敏传感传感器，不适于拉伸载荷；4)压力感知范围0～4N，可测力的范围受限。