技术领域
[0001] 本
发明涉及一种
电子器件，具体涉及一种基于多孔性弹性
薄膜为绝缘层的电容式
压力传感器及其制备方法，属于电子技术领域。
背景技术
[0002] 电容式压力传感器利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器，其特点是结构简单，功率小，动态响应快。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器，其最常见的形式是由两个平行
电极组成、极间夹以绝缘薄膜的电容器。当薄膜感受压力而
变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量
电路即可输出与
电压成一定关系的电
信号，该
电信号的灵敏度大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的
张力和薄膜到固定电极的距离成反比。
[0003] 随着可穿戴设备的发展，对作为其重要组成部件的压力传感器提出了更高的要求，包括可弯曲性，高灵敏度，快速响应以及与人体的兼容性。为满足这些要求，采用与人体兼容的弹性绝缘材料作为电容器的绝缘层。然而，单纯的采用弹性薄膜作为绝缘层材料其弹性性能有限，不能得到高的灵敏度。因此，如何增加绝缘层的弹性性能已成为一个重要的研究方向。目前的技术是采用微结构的
硅片为模板，在
硅片上形成薄膜后再剥离的方法得到表面具有微结构的弹性绝缘层，从而提高传感器的灵敏性。但这种方法存在以下弊端：(1)模板的使用增加了工艺的成本；(2)薄膜表面形成的微结构极容易形变被
压实，只能在微小的压力范围内有较高的灵敏度。同时，如何保证薄膜表面的微结构在与电极贴合以及器件与电路集成时不被压缩也将成为一个难题。因此，如何增加这些弹性材料的形变能力在增强电容式压力传感器的灵敏性以及增加高灵敏性的压力范围具有重要的意义。
发明内容
[0004] 本发明的目的是，提供一种电容式压力传感器及其制备方法，解决电容式压力传感器中弹性绝缘层受压力作用时形变量小的问题，增大弹性绝缘层受压力作用时的形变，从而提高电容式压力传感器的敏感性。
[0005] 本发明是通过以下技术方案实现的：
[0006] 一种电容式压力传感器，由绝缘层和两片包含电极的衬底组成，所述绝缘层位于两层电极之间，其特征在于，所述绝缘层为多孔性弹性薄膜。
[0007] 按照本发明所提供的电容式压力传感器，其特征在于，所述多孔弹性薄膜为
聚合物泡沫塑料或是由热
固化弹性材料和发泡材料混合后经加热固化后形成。
[0008] 按照本发明所提供的电容式压力传感器，其特征在于，所述聚合物泡沫塑料包括氯丁
橡胶(CR)、丁腈橡胶(NBR)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯-
醋酸乙烯(EVA)、化学交联聚乙烯(XPE)和
氨基
树脂(Melamine)。
[0009] 按照本发明所提供的电容式压力传感器，其特征在于，所述热固化弹性材料包括聚二甲基硅
氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)和铂催化硅胶(Ecoflex)。
[0010] 按照本发明所提供的电容式压力传感器，其特征在于，所述发泡材料包括偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、
甲苯磺酰肼、氧化双(苯磺酷)肋、
碳酸氢钠、碳酸氢铵。
[0011] 按照本发明所提供的电容式压力传感器，其特征在于，所述热固化弹性材料和发泡材料混合比例在10:1-10:3之间。
[0012] 按照本发明所提供的电容式压力传感器，其特征在于，所述电极包括
石墨烯、石墨、
炭黑、单壁和多壁碳
纳米管、金属、金属氧化物、金属
纳米线、金属及金属氧化物纳米颗粒，所述金属包括金、
银、
铜、
铝和镍，所述金属氧化物包括氧化铟
锡(ITO)和氟掺杂锡氧化物(FTO)。
[0013] 按照本发明所提供的电容式压力传感器，其特征在于，所述衬底包括玻璃、聚对苯二
甲酸乙二醇酯(PET)、聚
萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚氨基甲酸酯(PU)。
[0014] 本发明的另一技术方案如下：
[0015] 一种电容式压力传感器的制备方法，其包括以下步骤：
[0016] 1)利用
乙醇溶液、丙
酮溶液和去离子
水对衬底进行超声清洗，清洗后干燥，采用氧
等离子体或紫外光/臭氧处理该衬底表面；
[0017] 2)采用
真空蒸
镀、
磁控溅射、
旋涂、
喷涂、
刮涂或凹版印刷的方式在衬底上制备电极；
[0018] 3)将两片包含电极的衬底贴合到作为绝缘层的多孔性弹性薄膜的上下两侧，得到所需的电容式压力传感器；其中,多孔性弹性薄膜为聚合物泡沫塑料或是由热固化弹性材料和发泡材料混合后经加热固化后形成，电极和多孔性弹性薄膜相
接触，衬底在最外侧。
[0019] 按照本发明所提供的电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述由热固化弹性材料和发泡材料混合后经加热固化后形成的多孔性弹性薄膜的制备方法包括以下步骤：
[0020] 1)分别称取热固化弹性材料和发泡材料并将两者混合均匀，混合比例为10:1-10:3；
[0021] 2)将PET薄膜放置于平整的
底板上，PET薄膜两侧设置高度一致的
垫片，将均匀混合的热固化弹性材料和发泡材料倒于PET薄膜上；
[0022] 3)将另一张PET薄膜
覆盖到混合的热固化弹性材料和发泡材料上，用玻璃棒或金属棒在PET薄膜表面滚动或推动，使材料均匀分布于两层PET薄膜中；
[0023] 4)用表面平整的盖板覆盖在顶上的PET薄膜之上，固定底板和盖板之间的相对
位置和高度，然后将其整体转移至加热台上加热，加热过程中发泡材料产生气体同时伴随热固化弹性材料固化，形成多孔结构。
[0024] 5)热固化弹性材料完全固化后，去除底板、盖板和两张PET薄膜，得到所需的多孔性弹性薄膜。
[0025] 本发明的有益效果在于：多孔性弹性薄膜为电容绝缘层，由于薄膜中孔洞的存在，使在薄膜受压力作用时具有更大的厚度形变量，使电容器的电容值变化量增大，使传感器对压力的敏感性增加，同时由于需施加大的压力才能使多孔性弹性薄膜被压实，增加了压力传感器高敏感性的压力范围；薄膜所采用的材料价格低，加工工艺简单，降低了压力传感器的成本。
附图说明
[0026] 图1是本发明的电容式压力传感器的结构示意图。
[0027] 图2是本发明
实施例2的电容式压力传感器对压力的响应。
[0028] 其中，1衬底，2电极，3绝缘层。
具体实施方式
[0029] 下面结合附图对本发明的实施例作详细说明，该实施例以本发明技术方案为前提给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下述的实施例。
[0030] 如图1所示，本发明所述的电容式压力传感器，由绝缘层3和两片包含电极2的衬底1组成；所述电极2位于透明的衬底1之上，且位于所述绝缘层3的上下两侧，所述绝缘层3位于两层电极2之间，该绝缘层3为多孔性弹性薄膜。
[0031] 所述多孔弹性薄膜为聚合物泡沫塑料，该聚合物泡沫塑料包括氯丁橡胶(CR)、丁腈橡胶(NBR)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯-醋酸乙烯(EVA)、化学交联聚乙烯(XPE)和氨基树脂(Melamine)。
[0032] 所述多孔弹性薄膜或者由热固化弹性材料和发泡材料混合后经加热固化后形成。所述热固化弹性材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)和铂催化硅胶(Ecoflex)。所述发泡材料包括偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、甲苯磺酰肼、氧化双(苯磺酷)肋、
碳酸氢钠、碳酸氢铵。所述热固化弹性材料与发泡材料的混合比例在10:1-10:3之间。
[0033] 所述电极2包括
石墨烯、石墨、炭黑、单壁和多壁
碳纳米管、金属、金属氧化物、金属纳米线、金属及金属氧化物纳米颗粒，所述金属包括金、银、铜、铝和镍，所述金属氧化物包括氧化铟锡(ITO)和氟掺杂锡氧化物(FTO)。
[0034] 所述衬底1包括玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚氨基甲酸酯(PU)。
[0035] 本发明所述的电容式压力传感器的制备方法包括以下步骤：
[0036] 1)利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对衬底1进行超声清洗，清洗后干燥，采用氧等离子体或紫外光/臭氧处理该衬底1表面。
[0037] 2)采用真空蒸镀、磁控溅射、旋涂、喷涂、刮涂或凹版印刷的方式在衬底1上制备电极2。
[0038] 3)将两片包含电极2的衬底1贴合到作为绝缘层3的多孔性弹性薄膜的上下两侧，得到所需的电容式压力传感器；其中电极2和多孔性弹性薄膜相接触，衬底1在最外侧。
[0039] 所述由热固化弹性材料和发泡材料混合后经加热固化后形成的多孔性弹性薄膜的制备方法包括以下步骤：
[0040] 1)分别称取热固化弹性材料和发泡材料并将两者混合均匀，混合比例为10:1-10:3；
[0041] 2)将PET薄膜放置于平整的底板上，PET薄膜两侧设置高度一致的垫片，将均匀混合的热固化弹性材料和发泡材料倒于PET薄膜上；
[0042] 3)将另一张PET薄膜覆盖到混合的热固化弹性材料和发泡材料上，用玻璃棒或金属棒在PET薄膜表面滚动或推动，使材料均匀分布于两层PET薄膜中；
[0043] 4)用表面平整的盖板覆盖在顶上的PET薄膜之上，固定底板和盖板之间的相对位置和高度，然后将其整体转移至加热台上加热，加热过程中发泡材料产生气体同时伴随热固化弹性材料固化，形成多孔结构；
[0044] 5)热固化弹性材料完全固化后，去除底板、盖板和两张PET薄膜，得到所需的多孔性弹性薄膜。
[0045] 以下通过具体实施例说明所述电容式压力传感器的制备方法。
[0046] 实施例1
[0047] 本实施例采用由热固化弹性材料和发泡材料混合后经加热固化后形成的多孔弹性薄膜。所述热固化弹性材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，所述发泡材料为偶氮二异丁腈。所述热固化弹性材料与发泡材料的混合比例为10:1。所述多孔性弹性薄膜的制备方法如上所述。
[0048] 通过下列具体步骤完成所述电容式压力传感器的制备：
[0049] (1)利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)的柔性透明衬底1进行清洗，清洗后用干燥氮气吹干，并采用氧等离子体或紫外光/臭氧处理衬底表面；
[0050] (2)采用旋涂的方式在衬底1上制备银纳米线电极；
[0051] (3)将两片包含银纳米线电极的PET衬底贴合到多孔性弹性薄膜上下两侧，得到所需的电容式压力传感器。其中银纳米线电极和多孔性弹性薄膜接触，PET衬底在最外侧。
[0052] 实施例2
[0053] 本实施例采用由热固化弹性材料和发泡材料混合后经加热固化后形成的多孔弹性薄膜。所述热固化弹性材料为聚氨酯(PU)，所述发泡材料为甲苯磺酰肼。所述热固化弹性材料与发泡材料的混合比例为10:2。所述多孔性弹性薄膜的制备方法如上所述。
[0054] 通过下列具体步骤完成所述电容式压力传感器的制备：
[0055] (1)利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)的柔性透明衬底1进行清洗，清洗后用干燥氮气吹干，并采用氧等离子体或紫外光/臭氧处理衬底表面；
[0056] (2)采用旋涂的方式在衬底上制备
单壁碳纳米管电极；
[0057] (3)将两片包含单壁碳纳米管电极的PEN衬底贴合到多孔性弹性薄膜上下两侧，得到所需的电容式压力传感器。其中单壁碳纳米管电极和多孔性弹性薄膜接触，PEN衬底在最外侧。
[0058] 图2为实施例2的电容式压力传感器对压力的响应。
[0059] 实施例3
[0060] 本实施例采用由热固化弹性材料和发泡材料混合后经加热固化后形成的多孔弹性薄膜。所述热固化弹性材料为铂催化硅胶(Ecoflex)，所述发泡材料为碳酸氢钠。所述热固化弹性材料与发泡材料的混合比例为10:3。所述多孔性弹性薄膜的制备方法如上所述。
[0061] 通过下列具体步骤完成所述电容式压力传感器的制备：
[0062] (1)利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对聚酰亚胺(PI)的柔性透明衬底1进行清洗，清洗后用干燥氮气吹干，并采用氧等离子体或紫外光/臭氧处理衬底表面；
[0063] (2)采用旋涂的方式在衬底1上制备石墨电极；
[0064] (3)将两片包含石墨电极的PI衬底贴合到多孔性弹性薄膜上下两侧，得到所需的电容式压力传感器。其中石墨电极和多孔性弹性薄膜接触，PI衬底在最外侧。
[0065] 实施例4
[0066] 本实施例采用聚合物泡沫塑料作为多孔弹性薄膜，该聚合物泡沫塑料为聚乙烯(PE)。
[0067] 通过下列具体步骤完成所述电容式压力传感器的制备：
[0068] (1)利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对聚二甲基硅氧烷(PDMS)的柔性透明衬底1进行清洗，清洗后用干燥氮气吹干，并采用氧等离子体或紫外光/臭氧处理衬底表面；
[0069] (2)采用旋涂的方式在衬底1上制备金电极；
[0070] (3)将两片包含金电极的聚二甲基硅氧烷(PDMS)衬底贴合到聚乙烯(PE)泡沫塑料上下两侧，得到所需的电容式压力传感器。其中金电极和聚乙烯(PE)多孔性弹性薄膜接触，聚二甲基硅氧烷(PDMS)衬底在最外侧。
[0071] 实施例5
[0072] 本实施例采用聚合物泡沫塑料作为多孔弹性薄膜，该聚合物泡沫塑料为氨基树脂(Melamine)。
[0073] 通过下列具体步骤完成所述电容式压力传感器的制备：
[0074] (1)利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对聚氨基甲酸酯(PU)的柔性透明衬底1进行清洗，清洗后用干燥氮气吹干，并采用氧等离子体或紫外光/臭氧处理衬底表面；
[0075] (2)采用旋涂的方式在衬底1上制备氧化铟锡(ITO)电极；
[0076] (3)将两片包含氧化铟锡(ITO)电极的聚氨基甲酸酯(PU)衬底贴合到氨基树脂(Melamine)泡沫塑料上下两侧，得到所需的电容式压力传感器。其中氧化铟锡(ITO)电极和氨基树脂(Melamine)多孔性弹性薄膜接触，聚氨基甲酸酯(PU)衬底在最外侧。
