[发明专利]一种互锁微结构隔离调控的离子电容式传感器

说明书

本发明公开了一种互锁微结构隔离调控的离子电容式传感器及其制备方法，属于传感器领域。包括第一电极层、第二电极层及设置在第一电极层和第二电极层之间的介电层；所述介电层包括自下而上依次层叠的第一弹性层、支撑层和第二弹性层，两个弹性层均为以聚乙烯醇树脂和磷酸为原料配置的复合溶液制备得到的离子凝胶层，其上形成有微结构。该离子电容式传感器的介电层具有较低的初始电容、较好的稳定性、较快的恢复响应时间，且介电层中的支撑层高度可调，通过调节介电层中支撑的高度调节响应单元的初始灵敏度和压力响应量程。

技术领域

本发明属于传感器领域，具体涉及一种互锁微结构隔离调控的离子电容式传感器。

技术背景

随着科学技术的发展，人类对自然感官力量的研究逐渐深入并量化，传感技术尤其是与触觉有关的传感技术也得到了飞速发展，并广泛应用于工业、医疗和消费领域。近年来随着人机界面、仿生假肢等技术的进步，能够检测环境中机械作用力的电子皮肤成为了研究热点。柔性压力传感器是实现电子皮肤感知环境机械刺激的关键技术，由多个柔性压力传感器组成的矩阵，形成如同皮肤一样的触觉感知作用。在人机交互和机器人领域，柔性压力传感器能够为机器提供力学感知功能，例如机器人搬运、检测重物和人机交互的抓取操作控制等。这些领域需要传感器拥有较宽的压力传感量程和较高的压力响应灵敏度，因此对柔性压力传感器提出了更高的要求。柔性压力传感器包括电阻式、电容式、压电式和摩擦电式等。电容式压力传感器具有结构简单、体积小、动态响应好、灵敏度高等优点，而被广泛用于压力、液位、位移等各种检测中。

传统的电容式传感器通常由一对平行电极和设置在平行电极之间的介电层组成，介电层的介质现有的压缩性和粘弹性，严重影响传感器的灵敏度和响应速度。在传感器电极和介电层上制备微结构已经被证明是一种能够提高灵敏度和响应速度的有效方式。这些微结构包括微金字塔阵列，微圆柱阵列以及诸如树叶图案的仿生结构。虽然这些微结构给电容式压力传感器提供了一种新的性能提高方式，但是对于微米尺度甚至是纳米尺度微结构的加工仍然具有不少的挑战。离子型电容式传感器是起源于超级电容器原理，利用在活性介质层(含有大量阴阳离子的薄膜)与电极界面处形成双电层，以此提升传感器的电容响应。其响应大小取决于离子凝胶和电极接触面积，传感器初始接触面积小，电容小，随着压力增大，接触面积增大，电容也随之增大。如果无法有效调控离子凝胶和电极接触面积，对离子电容式传感器的初始电容和响应恢复速率都会有非常大的影响。

无论哪种类型的压力传感器，其最终目标是将力诱导的变形转化为所需的电信号。根据电容式压力传感机理，其传导过程可分为两个步骤：(1)外界压力对介质层的机械变形；(2)电容随机械变形的变化。相应的，一方面可以通过在介质层中引入微结构来改变和调节其压缩能力，另一方面通过调节介质材料对介质层受压的不同电容响应特性来提高传感性能。最近，微结构离子凝胶作为引入微结构、调节材料性能的策略，因为介质层的可压缩性和介质/电极界面之间的电双层(EDL)效应，已被证明可以显著提高柔性电容式压力传感器的传感性能，如灵敏度和范围。虽然在这些情况下，传感性能得到了提高，但由于各种材料和不同微结构的压力传感器数量众多，很难选择一个明确的设计方法来同时调节不同应用场景下的传感性能。例如，超低压力检测广泛应用于日常呼吸、脉搏等健康监测，而对足底压力监测等运动识别则没有必要。因此，如果有一个可定义的压力传感器，能够直接操纵结构关键参数，产生不同的传感性能，将在各种应用场景中带来方便和成本的降低。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种互锁微结构隔离调控的离子电容式传感器及其制备方法。该离子电容式传感器的介电层具有较低的初始电容、较好的稳定性、较快的恢复响应时间，且介电层中的支撑结构高度可调，通过调节介电层中支撑的高度间隙，能够调节响应单元的初始灵敏度和压力响应量程。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种互锁微结构隔离调控的离子电容式传感器，包括第一电极层、第二电极层及设置在第一电极层和第二电极层之间的介电层；