[发明专利]一种多功能平面电容式柔性传感器及其制备方法

说明书

本发明属于柔性传感器相关技术领域，其公开了一种多功能平面电容式柔性传感器及其制备方法，所述柔性传感器包括自上而下层叠设置的封装层、电极层、基底层及屏蔽层；所述电极层包括至少两个间隔设置的电极，且至少两个该电极相互嵌套设置；所述柔性传感器通过机械形变来测量压应变及拉应变，同时基于电容的边缘效应实现对外部导体的接近感应。本发明对柔性传感器的结构进行了研究及设计，使得所述柔性传感器可以同时实现压应力、拉应力及接近感应的多功能测量，且制备简单，成本较低。

技术领域

本发明属于柔性传感器相关技术领域，更具体地，涉及一种多功能平面电容式柔性传感器及其制备方法。

背景技术

随着功能材料的革新和制造工艺的进步，柔性电子器件因其具有机械柔韧性、可拉伸性、便携性、设备可扩展性以及生物相容性等诸多性能成为现代电子系统发展的新型研究方向，并为从仿生设备到软体机器人等各个领域内电子设备的研发提供了巨大的价值。在诸多柔性电子器件的实际应用过程中，柔性传感器均占据着极其重要的地位。在诸多不同类型的柔性传感器中，电容式柔性传感器具有结构简单、信号易采集、温度稳定性好、易于集成等优点，应用较为广泛。

电容式柔性传感器兼具柔性与传感两大主要功能，目前的柔性电容式传感器常见为平行板式，该传感器通常由两块平行极板组成，其中上极板的下表面与下极板的上表面之间常使用诸如PDMS预聚体、Ecoflex、水凝胶等高分子介电材料隔开。当外界压力作用于极板表面时，会挤压极板之间的介电材料并减小平行极板之间的间隙，从而使得极间电容发生相应的变化。

但是，在平行板式柔性电容式传感器的设计及制备方面仍旧存在功能单一、结构设计欠佳、灵敏度骤降、制备工艺复杂、制备成本昂贵等问题，因此，发展一种新型结构式、制备工艺低廉、柔性多功能的电容式传感器具有非常重要的意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种多功能平面电容式柔性传感器及其制备方法，本发明对柔性传感器的结构进行了研究及设计，使得所述柔性传感器可以同时实现压应力、拉应力及接近感应的多功能测量，且制备简单，成本较低。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种多功能平面电容式柔性传感器，所述柔性传感器包括自上而下层叠设置的封装层、电极层、基底层及屏蔽层；所述电极层包括至少两个间隔设置的电极，且至少两个该电极相互嵌套设置；

所述柔性传感器通过机械形变来测量压应变及拉应变，同时基于电容的边缘效应实现对外部导体的接近感应。

进一步地，相邻电极之间形成有电极间隔；所述封装层朝向所述电极层的表面形成有凸起，所述凸起收容于所述电极间隔内。

进一步地，所述凸起的形状及位置分别与所述电极间隔的形状及位置相对应。

进一步地，所述电极层为回字型、早字型、圆盘型、矩形螺旋型、圆形叉指型或者矩形叉指型。

进一步地，所述电极层为矩形叉指型，其包括左叉指电极及右叉指电极，所述左叉指电极与所述右叉指电极之间形成的电极间距是一致的。

进一步地，所述电极层的材料为石墨烯；所述屏蔽层的材料为镓铟合金与PDMS预聚体的混合体；所述基底层的材料为PDMS预聚体；所述封装层的材料为PDMS预聚体。

进一步地，所述柔性传感器的总长度为20mm，所述屏蔽层的厚度为0.1mm，所述基底层的厚度为0.3mm～0.5mm，所述电极层的厚度为0.1mm～0.2mm，所述电极的长度为9mm，所述电极的宽度为1mm，所述封装层的厚度为0.5mm。

进一步地，外部导体位于所述封装层上方时，所述外部导体作为所述柔性传感器的第三个电极耦合进入所述柔性传感器原有的空间电场，继而直接改变所述柔性传感器周围的电场或者周围环境的相对介电系数而引起所述柔性传感器的极间电容的变化，通过测量极间电容的变化来反映外界环境的变化。