一种高灵敏度电容式柔性压力传感器及其制备方法

本申请属于柔性传感，尤其涉及一种高灵敏度电容式柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术：

1、可穿戴设备在人机界面、软体机器人、健康监测和电子皮肤等领域具有广阔的应用前景。随着对可穿戴设备的需求不断增加，高性能柔性压力传感器引起了广泛的关注。柔性电容式压力传感器在智能可穿戴电子设备领域具有广阔的应用前景，但制造高灵敏度的电容式传感器仍是一个巨大的挑战。

2、目前，通过提高介电常数或改变介电层的几何结构来提高电容式传感器的灵敏度，例如：制造具有多孔或泡沫状介质层或者在介电层/电极层中引入微观结构而不是传统的扁平层用来降低弹性模量，以提高传感器的灵敏度。但是，微观结构通常需要复杂且耗时的制造工艺，例如：光刻或化学蚀刻，不适合大规模生产和应用；增加介电常数也是实现高初始电容和大电容变化的理想方法，然而增加介电层的介电常数可能会增加其厚度，这不利于其小型化和集成化。

3、因此，如何制备一种工艺简单，能大规模生产，可微型化的高灵敏度的电容式柔性压力传感器成为了亟需要解决的问题。

技术实现思路

1、本申请提供了一种高灵敏度电容式柔性压力传感器及其制备方法，用于解决电容式柔性压力传感器灵敏度低的问题，具有快速制备、大规模微型化生产的优势。

2、为实现上述目的，本申请实施例采用的技术方案如下：

3、第一方面，本申请实施例提供了一种高灵敏度电容式柔性压力传感器，包括：含有第一高分子材料的基底层和在所述基底层上通过粘合连接的叉指电极层，所述叉指电极层为金属材料，所述叉指电极层的上部为敏感层，所述敏感层包括通过mxene和第二高分子材料形成的复合薄膜，所述高灵敏度电容式柔性压力传感器的最外侧为封装层。

4、在一种可能的实现方式中，所述金属材料的厚度为200nm-2μm；所述含有第一高分子材料的基底层厚度为100-500μm。

5、在一种可能的实现方式中，所述叉指电极层上包括叉指电极图案，所述叉指电极图案的线宽为10-50μm，线间距为20-50μm。

6、优选的，所述叉指电极图案中，叉指电极的对数包括但不限于：6对、12对、24对、36对、48对，96对中的任意一种。

7、在一种可能的实现方式中，所述敏感层的厚度为200-500μm，所述封装层的厚度为50-100μm。

8、优选的，所述封装层用透明胶带封装。

9、优选的，所述高灵敏度电容式柔性压力传感器的灵敏度超过1kpa-1。

10、在一种可能的实现方式中，所述第一高分子材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺中的一种或多种；所述叉指电极层的金属材料包括铜；所述第二高分子材料包括：聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。

11、第二方面，本发明实施例提供了一种高灵敏度电容式柔性压力传感器的制备方法，所述方法包括：激光烧蚀所述基底层上通过粘合连接的金属材料，得到所述叉指电极层；基于mxene和第二高分子材料通过真空抽滤形成所述复合薄膜；基于所述复合薄膜通过真空干燥得到敏感层；将所述基底层、所述基底层上通过粘合连接的叉指电极层和所述敏感层通过透明胶带封装得到所述高灵敏度电容式柔性压力传感器。

12、在一种可能的实现方式中，所述通过激光烧蚀所述基底层上通过粘合连接的金属材料，得到所述叉指电极层之前，所述方法包括：基于作图软件设计叉指电极图案；所述激光烧蚀所述基底层上通过粘合连接的金属材料，得到所述叉指电极层包括：基于所述作图软件设计叉指电极图案和所述金属材料，通过纳秒紫外激光烧蚀得到所述叉指电极层。

13、优选的，所述作图软件包括coreldraw。

14、在一种可能的实现方式中，所述纳秒紫外激光的功率为1.5-3w，移动速率为300-1000mm/s，频率为30-150khz，脉冲宽度为10-20μs。

15、在一种可能的实现方式中，所述mxene为mxene分散体，所述mxene分散体通过酸刻蚀方法制备。

16、第三方面，本发明实施例提供了一种可穿戴设备，包括如本发明第一方面实施例所述的高灵敏度电容式柔性压力传感器。

17、本申请实施例提供一种高灵敏度电容式柔性压力传感器，包括：含有第一高分子材料的基底层和在基底层上通过粘合连接的叉指电极层，叉指电极层为金属材料，叉指电极层的上部为敏感层，敏感层包括通过mxene和第二高分子材料形成的复合薄膜，高灵敏度电容式柔性压力传感器的最外侧为封装层。相比于现有技术中电容式柔性压力传感器灵敏度低，工艺复杂，小型化和集成化困难的问题，本申请所提供的电容式柔性压力传感器具有以下有益效果：

18、(1)灵敏度高：本申请通过选择合适的叉指电极对数的数量和选择合适的介电层，从而提高电容式传感器的具有灵敏度。本申请所述的柔性电容式压力传感器灵敏度超过1kpa-1。

19、(2)加工精度较高：本申请制备过程作图软件辅助设计，可以灵活的加工出超精细的微型可调电极对数的叉指电极图案，加工精度高，易于实现规模化生产。

20、(3)制备工艺简单：本申请是通过使用高分子材料与mxene分散体进行混合，然后再真空抽滤形成薄膜，提高了介质层的介电常数。

21、(4)与现有技术采用上下电极结构相比，本申请的共面叉指电极基底易于器件的集成化和微型化。

技术特征：

1.一种高灵敏度电容式柔性压力传感器，其特征在于，包括：含有第一高分子材料的基底层和在所述基底层上通过粘合连接的叉指电极层，所述叉指电极层为金属材料，所述叉指电极层的上部为敏感层，所述敏感层包括通过mxene和第二高分子材料形成的复合薄膜，所述高灵敏度电容式柔性压力传感器的最外侧为封装层。

2.根据权利要求1所述的高灵敏度电容式柔性压力传感器，其特征在于，所述金属材料的厚度为200nm-2μm；所述含有第一高分子材料的基底层厚度为100-500μm。

3.根据权利要求1所述的高灵敏度电容式柔性压力传感器，其特征在于，所述叉指电极层包括叉指电极图案，所述叉指电极图案的线宽为10-50μm，线间距为20-50μm。

4.根据权利要求1所述的高灵敏度电容式柔性压力传感器，其特征在于，所述敏感层的厚度为200-500μm，所述封装层的厚度为50-100μm。

5.根据权利要求1所述的高灵敏度电容式柔性压力传感器，其特征在于，所述第一高分子材料包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺中的一种或多种；所述叉指电极层的金属材料包括铜；所述第二高分子材料包括：聚乙烯醇、聚乙烯醇缩丁醛、聚乙烯吡咯烷酮中的一种或多种。

6.一种如权利要求1至5任一权利要求所述的高灵敏度电容式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：

7.根据权利要求6所述的高灵敏度电容式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述激光烧蚀所述基底层上通过粘合连接的金属材料，得到所述叉指电极层之前，所述方法包括：

8.根据权利要求7所述的高灵敏度电容式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述纳秒紫外激光的功率为1.5-3w，移动速率为300-1000mm/s，频率为30-150khz，脉冲宽度为10-20μs。

9.根据权利要求6所述的高灵敏度电容式柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述mxene为mxene分散体，所述mxene分散体通过酸刻蚀方法制备。

10.一种可穿戴设备，其特征在于，包括权利要求1至5任一权利要求所述的高灵敏度电容式柔性压力传感器。

技术总结本申请属于柔性传感技术领域，尤其涉及一种高灵敏度电容式柔性压力传感器及其制备方法，高灵敏度电容式柔性压力传感器包括：含有第一高分子材料的基底层和在基底层上通过粘合连接的叉指电极层，叉指电极层为金属材料，叉指电极层的上部为敏感层，敏感层包括通过MXene和第二高分子材料形成的复合薄膜，电容式柔性压力传感器的最外侧为封装层。相比于现有技术中，柔性压力传感器通过在介电层或电极层中引入微观结构提高灵敏度导致的制备工艺复杂且不利于其小型化和集成化的问题。本申请通过选择合适叉指电极对数的数量和选择合适的介电层，提高传感器的灵敏度；通过实现柔性基底电极和电路共面，实现传感器的集成化与微型化。技术研发人员：覃儒展,王顺,李伟,肖雨晴,沙涛受保护的技术使用者：仲恺农业工程学院技术研发日：技术公布日：2024/9/9