一种柔性电容式压力与接近传感器及其制备方法

1.本发明属于柔性电子技术领域，具体涉及一种柔性电容式压力与接近传感器及其制备方法。


背景技术：

2.近年来，随着机器人系统、假肢和可穿戴医疗设备的发展，高灵敏度电子皮肤的开发逐渐引起广泛关注。与人类不同，机器人通常需要压力和接近感测能力来实现与周围环境交互，把两者集成到单个传感器中，对柔性电子皮肤的发展及应用十分重要。
3.目前的压力与接近传感器常由两个互指梳状电极与中间的介电层制成，传感器电容为：
[0004][0005]
其中l为电极长度，ε为介电常数，w为电极宽度，t为厚度，h为电极间间隔。当物体接近传感器或在传感器上施加压力时，电极之间产生的条纹场会发生变化，从而引起电容变化。
[0006]
传统的电容式传感器制造存在工艺复杂、精度低、成本高、基底为刚性等问题。有研究人员设计了一种金字塔微结构介电层的电容式压力与接近传感器(small struct.2021,2,2000079)，基底为聚酰亚胺，电极为cr-au，介电层为pmma-pdms，制备电极时采用了激光蚀刻技术，激光烧蚀掩模后，高温蒸发溶剂，制备介电层时，使用光刻工艺蚀刻硅膜具，然后倒模获得介电层。工艺复杂、成本高，且电极形状和尺寸改变时需要重新制备模具。因此，以一种低成本、高效率的方式，制备电容式传感器电极与介电层，灵活调节传感器尺寸和分辨率，具有重要研究意义。


技术实现要素：

[0007]
为了克服上述现有技术存在的缺点，本发明的目的在于提供了提一种柔性电容式压力与接近传感器及其制备方法，解决传统的电容式传感器基底为刚性、精度低、需要制备模具等问题，可灵活调节传感器尺寸与分辨率，实现了电容式传感器的高精度、高灵活性、柔性化、微型化。
[0008]
为达到上述目的，本发明采用了以下技术方案：
[0009]
一种柔性电容式压力与接近传感器，包括聚酰亚胺基底，聚酰亚胺基底上采用喷墨印刷制备有叉指银电极，叉指银电极上旋涂有pdms薄膜介电层；叉指银电极通过导电银浆和引出导线连接；同时感知接触模式下的压力和非接触模式下的接近，使用电容作为单个读出信号，实现联合压力和接近传感。
[0010]
所述聚酰亚胺基底厚度为0.05-0.1mm；叉指银电极的长为4-6mm，宽为300-500μm。
[0011]
喷墨印刷叉指银电极使用银纳米颗粒型导电墨水，固体含量为45％，溶剂为三乙
二醇乙醚，烧结温度为120℃～200℃。
[0012]
所述柔性电容式压力与接近传感器的银电极电阻率为10μω*cm。
[0013]
所述柔性电容式压力与接近传感器的电容为20pf。
[0014]
所述柔性电容式压力与接近传感器能感知的最远接近距离为5mm。
[0015]
所述柔性电容式压力与接近传感器能感知的最小压力为50pa。
[0016]
上述一种柔性电容式压力与接近传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0017]
1)基底改性：对柔性聚酰亚胺薄膜基底(pi)进行亲水改性；
[0018]
2)制备叉指银电极：对步骤1)得到的亲水基底进行干燥处理，并在基底表面打印纳米银颗粒导电墨水，沉积导电层，退火处理后得到叉指银电极；
[0019]
3)制备介电层：使用pdms薄膜作为介电层封装叉指银电极；
[0020]
4)导线引出：在传感器电极边缘处滴加导电银浆，再引出导线，以制备符合使用要求的柔性电容式压力与接近传感器。
[0021]
步骤1)中所述基底改性具体为：用去离子水清洗pi表面，去除pi表面灰尘；再用异丙醇超声清洗pi薄膜10分钟，取出pi薄膜并用去离子水清洗表面残留异丙醇；将pi薄膜放置在60℃恒温干燥箱中干燥5分钟后取出备用。
[0022]
步骤2)制备叉指银电极具体为：在墨水加入墨盒前，先经过0.22μm的滤网过滤，再静置6小时备用；喷墨印刷银纳米颗粒导电墨水时，打印机参数为：打印间隔20-40μm，基底温度为30-60℃，打印层数为5层；打印完成后对银电极进行退火处理，放置在真空恒温干燥箱中，退火温度为120℃-150℃，退火时间为30-60分钟。
[0023]
步骤2)中打印的叉指银电极至少为10个。
[0024]
步骤3)中pdms薄膜介电层，预聚物和固化剂比例为10：1，经过充分搅拌混合，再抽真空去除气泡，旋涂在叉指银电极上后开始固化，固化温度为70℃至90℃，时间为10分钟至15分钟。
[0025]
步骤4)中滴加导电银浆后，在100℃的恒温干燥箱中退火1分钟后取出。
[0026]
与现有技术相比，本发明具有以下优点：
[0027]
本发明设计了三层传感器结构，基底为柔性聚酰亚胺薄膜，柔性韧性高、与皮肤贴合更紧密，并且对基底材料进行了亲水改性，电极与基底结合更紧密；电极层采用了喷墨印刷技术制备银电极，银电极的尺寸和图案可以个性化修改，具有打印精度高、耗费原材料少、无需制备模板、导电性强等诸多优点；介电层采用旋涂pdms预聚物的方式，可以改变预聚物比例控制介电层弹性，且无需制备模板，同时也起到封装作用，可以保护电极、防止污染。
[0028]
本发明具有两种检测模式，能够同时感知接触模式下的压力和非接触模式下的接近，从而模拟实现电子皮肤的功能。使用电容作为单个读出信号，更加小型化。采用了叉指电极结构，可以提高压力检测模式的灵敏度、响应时间等性能参数。
附图说明
[0029]
图1为本发明柔性电容式压力与接近传感器的结构示意图。
[0030]
图2为本发明柔性电容式压力与接近传感器的制备方法示意图。
[0031]
图3为本发明实施例1叉指银电极的设计图案。
[0032]
图4为接近本发明实施例1传感器时电容的距离测试结果图。
[0033]
图5为实施例1、2、3不同电极宽度传感器施加不同压力时电容的测试结果图。
[0034]
图6为实施例4、5、6不同电极间隔施加不同压力时电容的测试结果图。
具体实施方式
[0035]
下面结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步详细说明，以下实例用于说明本发明，但不限制本发明的范围。
[0036]
实施例1，如图1所示，一种柔性电容式压力与接近传感器，包括聚酰亚胺基底，聚酰亚胺基底上采用喷墨印刷制备有叉指银电极，叉指银电极上旋涂有pdms薄膜介电层；叉指银电极通过导电银浆和引出导线连接；同时感知接触模式下的压力和非接触模式下的接近，使用电容作为单个读出信号，实现联合压力和接近传感。
[0037]
所述聚酰亚胺基底厚度为0.08mm；叉指银电极的长为5mm，宽为300μm，电极间隔为400μm。
[0038]
喷墨印刷叉指银电极使用银纳米颗粒型导电墨水，固体含量为45％，溶剂为三乙二醇乙醚，烧结温度为120℃。
[0039]
如图2所示，上述一种柔性电容式压力与接近传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0040]
1)基底改性：对柔性聚酰亚胺薄膜基底(pi)进行亲水改性；
[0041]
本实施例基底改性具体为：用去离子水清洗pi表面，去除pi表面灰尘；再用异丙醇超声清洗pi薄膜10分钟，取出pi薄膜并用去离子水清洗表面残留异丙醇；将pi薄膜放置在60℃恒温干燥箱中干燥5分钟后取出备用；
[0042]
2)制备叉指银电极：对步骤1)得到的亲水基底进行干燥处理，并在基底表面打印纳米银颗粒导电墨水，沉积导电层，退火处理后得到叉指银电极；
[0043]
本实施例制备叉指银电极如图3所示，具体为：在墨水加入墨盒前，先经过0.22μm的滤网过滤，再静置6小时备用；喷墨印刷银纳米颗粒导电墨水时，打印机参数为：打印间隔30μm，基底温度为60℃，打印层数为5层；打印完成后对银电极进行退火处理，放置在真空恒温干燥箱中，退火温度为120℃，退火时间为30分钟；打印的叉指银电极为10个，电极宽度为300μm，长度为5mm，电极间隔为400μm；
[0044]
3)制备介电层：使用pdms薄膜作为介电层封装叉指银电极；
[0045]
本实施例所述pdms薄膜介电层，预聚物和固化剂比例为10：1，经过充分搅拌混合，再抽真空去除气泡，旋涂在叉指银电极上后开始固化，固化温度为70℃，时间为15分钟；
[0046]
4)导线引出：在叉指银电极边缘处滴加导电银浆，再引出导线，以制备符合使用要求的柔性电容式压力与接近传感器；
[0047]
本实施例滴加导电银浆后，在100℃的恒温干燥箱中退火1分钟后取出，并对其进行性能测试，本实施例的距离测试结果如图4所示，当从5cm远处逐渐靠近传感器时，检测传感器的相对电容变化；图5为不同电极宽度传感器施加不同压力时电容的测试结果图，电极宽度为300、400、500μm，电极间隔为400μm，横坐标为施加的压力，纵坐标为电容值的相对变化量；本实施例的压力测试结果如图5的300w-400d曲线所示，施加压力从0开始至35kpa，检测传感器的相对电容变化。
[0048]
本实施例的有益效果：所制备的柔性电容式压力与接近传感器的银电极电阻率为
10μω*cm，传感器的电容为16.8pf，能感知的最远接近距离为4mm，能感知的最小压力为50pa。图4为本实施例的距离测试结果，在距离传感器4000μm处，传感器表现出接近感测能力，并随着与传感器的接近，电容变化越来越大，在距离传感器500μm时，电容变化量为13％，表现出良好的接近传感能力；300w-400d为本实施例压力测试结果，随着施加压力的增加，电容的变化量也增加，在施加压力小于5kpa时，电容变化量呈线性，当施加压力大于30kpa时，电容变化量趋于稳定，为22.81％。
[0049]
实施例2，一种柔性电容式压力与接近传感器的制备方法，将实施例1步骤2)改为：打印间隔40μm，基底温度为40℃；退火温度改为130℃，退火时间为50分钟；电极宽度为400μm，电极间隔为400μm；步骤3)固化温度改为80℃，时间改为13分钟；其它步骤和实施例1)相同。
[0050]
本实施例的有益效果：所制备的柔性电容式压力与接近传感器的银电极电阻率为27μω*cm，传感器的电容为15.7pf，能感知的最远接近距离为4mm，能感知的最小压力为50pa。如图5所示，400w-400d为本实施例压力测试结果，随着施加压力的增加，电容的变化量也增加，在施加压力小于5kpa时，电容变化量呈线性，当施加压力大于30kpa时，电容变化量趋于稳定，为25.2％。
[0051]
实施例3，一种柔性电容式压力与接近传感器的制备方法，将实施例1步骤2)改为：电极宽度为500μm，长度为5mm，电极间隔为400μm；其它步骤和实施例1)相同。
[0052]
本实施例的有益效果：所制备的柔性电容式压力与接近传感器的银电极电阻率为10μω*cm，传感器的电容为25pf，能感知的最远接近距离为5mm，能感知的最小压力为50pa，如图5所示，500w-400d为本实施例压力测试结果，随着施加压力的增加，电容的变化量也增加，在施加压力小于5kpa时，电容变化量呈线性，当施加压力大于30kpa时，电容变化量趋于稳定，为25.31％。
[0053]
实施例4，一种柔性电容式压力与接近传感器的制备方法，将实施例1步骤2)改为：打印间隔20μm，基底温度为30℃；退火温度改为150℃，退火时间为60分钟；电极长度为6μm，宽度为500μm，电极间隔为300μm；步骤3)固化温度改为90℃，时间改为10分钟；其它步骤和实施例1)相同。
[0054]
本实施例的有益效果：所制备的柔性电容式压力与接近传感器的银电极电阻率为18μω*cm，传感器的电容为25pf，能感知的最远接近距离为4mm，能感知的最小压力为50pa。如图6所示，图6为不同电极间隔传感器施加不同压力时电容的测试结果图，电极间隔为300、400、500μm，电极宽度为500μm，横坐标为施加的压力，纵坐标为电容值的相对变化量；500w-300d为本实施例压力测试结果，随着施加压力的增加，电容的变化量也增加，在施加压力小于5kpa时，电容变化量呈线性，当施加压力大于30kpa时，电容变化量趋于稳定，为24％。
[0055]
实施例5，一种柔性电容式压力与接近传感器的制备方法，将实施例1步骤2)改为：电极长度为6μm，宽度为500μm，电极间隔为400μm；其它步骤和实施例1)相同。
[0056]
本实施例的有益效果：所制备的柔性电容式压力与接近传感器的银电极电阻率为10μω*cm，传感器的电容为17.5pf，能感知的最远接近距离为4mm，能感知的最小压力为50pa。如图6所示，500w-400d为本实施例压力测试结果，随着施加压力的增加，电容的变化量也增加，在施加压力小于5kpa时，电容变化量呈线性，当施加压力大于30kpa时，电容变化
量趋于稳定，为25.31％。
[0057]
实施例6，一种柔性电容式压力与接近传感器的制备方法，将实施例1步骤2)改为：电极长度为4μm，宽度为500μm，电极间隔为500μm；其它步骤和实施例1)相同。
[0058]
本实施例的有益效果：所制备的柔性电容式压力与接近传感器的银电极电阻率为10μω*cm，传感器的电容为13.3pf，能感知的最远接近距离为4mm，能感知的最小压力为50pa。如图6所示，500w-500d为本实施例压力测试结果，随着施加压力的增加，电容的变化量也增加，在施加压力小于5kpa时，电容变化量呈线性，当施加压力大于30kpa时，电容变化量趋于稳定，为23.3％。

技术特征：
1.一种柔性电容式压力与接近传感器，包括聚酰亚胺基底，其特征在于：聚酰亚胺基底上采用喷墨印刷制备有叉指银电极，叉指银电极上旋涂有pdms薄膜介电层；叉指银电极通过导电银浆和引出导线连接；同时感知接触模式下的压力和非接触模式下的接近，使用电容作为单个读出信号，实现联合压力和接近传感。2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述聚酰亚胺基底厚度为0.05-0.1mm；叉指银电极的长为4-7mm，宽为300-500μm，电极间隔为300-500μm。3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：喷墨印刷叉指银电极使用银纳米颗粒型导电墨水，固体含量为45％，溶剂为三乙二醇乙醚，烧结温度为120℃～200℃。4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述柔性电容式压力与接近传感器的银电极电阻率为10μω*cm；柔性电容式压力与接近传感器的电容为20pf；柔性电容式压力与接近传感器能感知的最远接近距离为5mm；柔性电容式压力与接近传感器能感知的最小压力为50pa。5.上述权利要求1-4任一项所述的一种柔性电容式压力与接近传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：1)基底改性：对柔性聚酰亚胺薄膜基底(pi)进行亲水改性；2)制备叉指银电极：对步骤1)得到的亲水基底进行干燥处理，并在基底表面打印纳米银颗粒导电墨水，沉积导电层，退火处理后得到叉指银电极；3)制备介电层：使用pdms薄膜作为介电层封装叉指银电极；4)导线引出：在传感器电极边缘处滴加导电银浆，再引出导线，以制备符合使用要求的柔性电容式压力与接近传感器。6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤1)中所述基底改性具体为：用去离子水清洗pi表面，去除pi表面灰尘；再用异丙醇超声清洗pi薄膜10分钟，取出pi薄膜并用去离子水清洗表面残留异丙醇；将pi薄膜放置在60℃恒温干燥箱中干燥5分钟后取出备用。7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2)制备叉指银电极具体为：在墨水加入墨盒前，先经过0.22μm的滤网过滤，再静置6小时备用；喷墨印刷银纳米颗粒导电墨水时，打印机参数为：打印间隔20-40μm，基底温度为30-60℃，打印层数为5层；打印完成后对银电极进行退火处理，放置在真空恒温干燥箱中，退火温度为120℃-150℃，退火时间为30-60分钟。8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤2)中打印的叉指银电极至少为10个。9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤3)中pdms薄膜介电层，预聚物和固化剂比例为10：1，经过充分搅拌混合，再抽真空去除气泡，旋涂在叉指银电极上后开始固化，固化温度为70℃至90℃，时间为10分钟至15分钟。10.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于，步骤4)中滴加导电银浆后，在100℃的恒温干燥箱中退火1分钟后取出。

技术总结
本发明提供一种柔性电容式压力与接近传感器及其制备方法，包括以下步骤：柔性聚酰亚胺基底进行亲水改性；聚酰亚胺基底上采用喷墨印刷沉积制备叉指银电极；叉指银电极上旋涂PDMS薄膜并固化封装；叉指银电极边缘通过导电银浆焊接导线引出；本发明通过喷墨印刷技术在柔性基底上制备柔性电容式压力与接近传感器，无需使用光刻、蚀刻等繁琐工艺，制备工艺简单、节约原材料、精度高；当施加不同压力或接近传感器时，传感器电容将会发生变化，并且传感器灵敏度高、最小检测限低，可实现高灵敏电子皮肤传感。肤传感。肤传感。


技术研发人员：刘灏 黄瑞
受保护的技术使用者：西安交通大学
技术研发日：2023.04.21
技术公布日：2023/7/7