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一種柔性電容壓力傳感裝置制造方法
【專利摘要】一種柔性電容壓力傳感裝置，在水平橫向配置的若干條帶狀上極板下方，水平縱向配置若干條帶狀下極板，對應(yīng)上、下極板的每個交叉區(qū)域：在上極板上表面中心處黏接壓力作用區(qū)域；在上極板下表面中心區(qū)域鍍置一層鍍銀層作為上部電極；在上部電極下方，對應(yīng)交叉區(qū)域的大小配置一層絕緣保護層；在下極板上表面中心區(qū)域鍍置一層鍍銀層作為下部電極；在下部電極兩側(cè)配置兩根墊條。每個交叉區(qū)域形成一個電容傳感器，多個電容傳感器形成一個電容傳感陣列，多個電容傳感陣列形成大面積柔性電容壓力傳感裝置。該電容傳感器彈性好，可充分貼合非平面物體，能夠保證電容傳感器的感知靈敏性以及受壓回復(fù)性，并可針對各種受力面進行大面積測量。
【專利說明】一種柔性電容壓力傳感裝置

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及電容傳感器領(lǐng)域，尤其涉及一種柔性的、能夠基于電容變化感測壓力變化的電容壓力傳感裝置。

【背景技術(shù)】
[0002]電容傳感器是把被測量轉(zhuǎn)換為電容量變化的一種參量型傳感器。電容傳感器廣泛應(yīng)用于壓力、液位、位移等指標的檢測。常見的電容傳感器可分為變面積變化式、變介電常數(shù)變化式、變間隙變化式三類。其中，變間隙變化式一般用來測量微小的線位移或由于力、振動等引起的極距變化。這種能夠測量壓力變化的電容傳感器稱為電容壓力傳感器。傳統(tǒng)的電容壓力傳感器采用硬質(zhì)材料，變形小，靈敏度低，無法感知非平面物體所施加的三維作用力，并且受力后不易回復(fù)，容易損壞，因此，迫切需要開展柔性電容壓力傳感裝置的研發(fā)。
[0003]目前，已知的柔性電容壓力傳感裝置主要有兩種:
[0004]一種是運用硅基的微電機械系統(tǒng)(MEMS)開發(fā)的觸覺電容傳感器。這種電容傳感器由一片狀柔性復(fù)合薄膜感知外部壓力，施壓后可引起片狀柔性薄膜和底座之間電容發(fā)生變化。該種電容傳感器由于采用半導(dǎo)體精度制作工藝，靈敏性好，空間分辨率高，單元串擾性低。但電容傳感器不夠柔軟，很難感知非平面物體所施加的三維作用力，且尺寸有限，很難組成大面積的陣列。
[0005]另一種方法是使用可壓縮的絕緣泡沫作為介質(zhì)材料夾在兩個柔性電極之間，在外力作用下，電極被壓縮引起電容發(fā)生改變。雖然這種電容傳感器制作工藝簡單，柔性面積大，但由于可壓縮泡沫存在一定的壓縮滯后性，受壓回復(fù)性差，使得電容傳感器的感知靈敏度降低，且由于電極材料的介電常數(shù)不夠高，造成電容傳感器之間絕緣性較差，電容傳感器間容易串擾。
[0006]因此，開發(fā)一種本身足夠柔軟、可感知非平面物體所施加的三維作用力、受壓回復(fù)性好、感知靈敏度高、并能組成大面積陣列、電容傳感器之間不易串擾的柔性電容壓力傳感裝置是非常有必要的。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0007]本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題在于提供一種柔性電容壓力傳感裝置，該電容傳感裝置能夠很好克服上述兩種柔性電容壓力傳感裝置的缺陷，并且結(jié)構(gòu)簡單，原材料相對低廉，易于制造和推廣。
[0008]本發(fā)明是通過以下技術(shù)方案實現(xiàn)的:
[0009]一種柔性電容壓力傳感裝置，其特征在于:
[0010]水平橫向配置若干條帶狀上極板，垂直于上極板在其下方水平縱向配置若干條帶狀下極板，所有上極板位于同一層面內(nèi)，所有下極板位于另一層面內(nèi)，兩層面之間留有空隙，所有上、下極板的厚度和寬度相同，相鄰上極板之間、相鄰下極板之間的距離與極板寬度相同，上、下極板在同一水平面上的投影形成若干個正方形的交叉區(qū)域；
[0011]對應(yīng)上、下極板的每個交叉區(qū)域，在上極板上表面中心處黏接承壓板，形成壓力作用區(qū)域，每個壓力作用區(qū)域位于所在的交叉區(qū)域內(nèi)側(cè)；
[0012]在上極板下表面中心處、沿上極板的長度方向鍍置一層和壓力作用區(qū)域同寬、和上極板同長的鍍銀層，形成上部電極；
[0013]在上部電極下方，對應(yīng)每個交叉區(qū)域配置絕緣保護層，絕緣保護層緊貼上部電極、黏接在上極板下表面上；
[0014]在下極板上表面中心處、沿下極板的長度方向鍍置一層和壓力作用區(qū)域同寬、和下極板同長的鍍銀層，形成下部電極；
[0015]在下部電極兩側(cè)，對應(yīng)每個交叉區(qū)域，沿下部電極的長度方向配置墊條，墊條兩端及外側(cè)均與交叉區(qū)域外緣平齊，內(nèi)側(cè)緊貼下部電極，墊條下表面黏接在下極板上表面上、上表面黏接在絕緣保護層下表面上；
[0016]墊條厚度大于下部電極厚度，墊條、下部電極和絕緣保護層之間圍成一個兩端均與外界連通的空氣介質(zhì)層；
[0017]上、下部電極通過配置在上、下極板兩端的外接線路連接至外部信號采集系統(tǒng)；
[0018]所述壓力作用區(qū)域，上極板，絕緣保護層，墊條和下極板均為一層電絕緣柔性聚合物膜；
[0019]所述壓力作用區(qū)域，上極板，絕緣保護層，墊條和下極板之間黏接使用的是干燥后黏接界面不會硬化的黏合劑；
[0020]上、下極板的每個交叉區(qū)域形成一個電容傳感器，若干個電容傳感器形成一個電容傳感陣列，若干個電容傳感陣列形成所述的柔性電容壓力傳感裝置。電絕緣柔性聚合物膜可以是PDMS膜，PDMS (polydimethylsiloxane)即聚二甲基硅氧烷，固態(tài)的PDMS為一種硅膠，無毒，疏水性和防水性好，惰性物質(zhì)，且為非易燃性、透明體。PDMS膜的制備簡便且快速，材料成本低，且其透光性良好、生物相容性佳、易與多種材質(zhì)室溫接合、以及因低楊氏模量而導(dǎo)致的結(jié)構(gòu)高彈性等。
[0021]正是基于PDMS材料的上述特性，本發(fā)明柔性電容壓力傳感裝置的主體材料如果選取固體的PDMS柔性膜，該膜介電常數(shù)高，能夠減少電容器之間的串擾性，且本身柔軟、彈性好、易變形，能夠充分保證電容器的感知靈敏度。并且，整個電容傳感器彈性好，可充分貼合非平面物體，受壓時能有效地感知其所施加的三維作用力而產(chǎn)生形變，能夠保證電容傳感器的感知靈敏性以及受壓回復(fù)性。
[0022]此外，聚氨酯等其他具有類似物理化學(xué)性能的彈性電絕緣材料也可以作為電絕緣柔性聚合物膜的主體材料，電絕緣柔性聚合物膜的柔韌、電絕緣等特性，可以使本發(fā)明柔性電容壓力傳感裝置很好地應(yīng)用于機器人觸覺皮膚，智能醫(yī)療監(jiān)測服，軍事信號監(jiān)控等領(lǐng)域。
[0023]采用化學(xué)鍍銀法鍍置的電容傳感器上、下部電極，能夠確保上、下部電極的導(dǎo)電性及柔性優(yōu)良。
[0024]絕緣保護層對整個電容傳感器起保護作用，防止作用壓力過大時，上下極板直接接觸而造成短路。
[0025]兩根墊條用于隔離上、下部電極，墊條之間的空氣介質(zhì)層使得極板在受力情況下變形阻力減小，更容易變形，提高了電容傳感器的靈敏度；加之墊條彈性好，易變形，也能夠增加電容傳感器的感知靈敏性以及去除外力后的回復(fù)性。
[0026]進一步的，壓力作用區(qū)域，上極板，絕緣保護層，墊條和下極板的電絕緣柔性聚合物膜均采用旋涂法制成。旋涂法是用勻膠機進行涂覆的，前期準備好合適的柔性膜溶膠，然后在勻膠機上根據(jù)需要設(shè)定一定的轉(zhuǎn)速和時間進行旋涂即可。旋涂法制成的電絕緣柔性聚合物膜能充分保證膜體各部分的厚度均勻。
[0027]再進一步，所述上、下極板的長X寬為IlmmX 1mm，厚度為0.9mm ;所述壓力作用區(qū)域的長X寬為0.6mmX0.6mm,厚度為0.1mm ;所述上、下部電極的長X寬為llmmX0.6mm,厚度為0.0lmm ;所述絕緣保護層的長X寬為ImmX Imm,厚度為0.1mm ;所述墊條的長X寬為1_X0.2_，厚度為0.1mm0這種微型尺寸的電容傳感器可以感知微小的力，從而提高整個傳感裝置的靈敏度，并且可采用微電機械系統(tǒng)(MEMS)進行加工制作，制造方便。
[0028]再進一步，根據(jù)不同的極板尺寸，電容傳感陣列大小也不盡相同。一種電容傳感陣列的布置方式為:上、下極板的數(shù)量均為4條,一個電容傳感陣列包含4X4個電容傳感器。
[0029]再進一步，所述相鄰電容傳感陣列之間通過相應(yīng)上極板與上極板之間、下極板與下極板之間的端部黏接為一體，形成大面積的柔性電容壓力傳感裝置。考慮到相鄰電容傳感陣列之間黏接時的損耗，上、下極板兩端均留有一定的余量。
[0030]再進一步，所述的黏合劑為型號HR-323T的PDMS專用硅膠膠粘劑或信力XL-623聚氨酯專用膠水，前者適用于PDMS膜的黏合，后者適用于聚氨酯膜的黏合，這是因為兩者的分子結(jié)構(gòu)分別與PDMS膜、聚氨酯膜的分子結(jié)構(gòu)相似，因此兩種黏合劑不僅黏合強度高，確保了每層電絕緣柔性聚合物膜之間充分地黏合，而且干燥后黏接界面不會硬化，防止影響整個電容傳感器的柔性。
[0031]本發(fā)明的有益效果在于:
[0032]1.電容傳感器整體使用PDMS柔性膜或者聚氨酯柔性膜等電絕緣柔性聚合物膜作為結(jié)構(gòu)材料，整個電容傳感器的彈性好，受壓時能有效地感知外力并產(chǎn)生形變，大大提高電容傳感器壽命和使用可靠性。
[0033]2.多個電容傳感陣列能夠組成不同形狀、不同面積的電容傳感器分布，可以實現(xiàn)電容傳感器的大面積測量。
[0034]3.電容傳感器上、下極板均為一層電絕緣柔性聚合物膜，采用化學(xué)鍍銀法分別在上極板的下表面和下極板的上表面正中區(qū)域鍍銀，作為電容傳感器的上、下部電極，上、下部電極導(dǎo)電性及柔性優(yōu)良。
[0035]4.電容傳感器中的絕緣保護層對電容傳感器起保護作用，能夠防止作用壓力過大時，上下極板直接接觸而造成短路。
[0036]5.電絕緣柔性聚合物膜墊條用于隔離上下電極，中間的空氣介質(zhì)層使得極板在受力情況下變形阻力減小，更容易變形，提高了電容傳感器靈敏度；加之墊條彈性好，易變形，也能夠增加電容傳感器的感知靈敏性以及去除外力后的回復(fù)性。
[0037]6.經(jīng)實驗證明，該電容傳感器可測量40mN范圍內(nèi)的壓力，靈敏度為3%/mN，與普通電容傳感器相比，可測壓力范圍擴大，靈敏度提高。

【專利附圖】

【附圖說明】
[0038]圖1為電容傳感器的縱剖結(jié)構(gòu)示意圖
[0039]圖2為一個電容傳感陣列的俯視圖
[0040]圖3為電容與極板間距離關(guān)系圖[0041 ] 圖4為電容與所施壓力關(guān)系圖
[0042]圖1?4中:1為壓力作用區(qū)域，2為上極板，3為絕緣保護層，4為墊條，5為下極板，6為上部電極，7為下部電極，8為空氣介質(zhì)層。

【具體實施方式】
[0043]下面結(jié)合附圖對本發(fā)明作進一步說明。
[0044]如圖1所示，壓力作用區(qū)域1、上極板2、絕緣保護層3、墊條4和下極板5共5部分所用主要材料均為柔性PDMS膜，各部分尺寸不同，通過HR-323TPDMS專用硅膠膠粘劑黏合成一整體。該PDMS膜采用旋涂法制成，厚度均勻，該膜介電常數(shù)高，能夠減少電容器之間的串擾性，且本身柔軟、彈性好、易變形，能夠增加電容器的感知靈敏度。
[0045]如圖2所示，上極板2和下極板5分別沿橫向和縱向在兩個不同的水平層面上延伸，上極板2和下極板5的十字交叉區(qū)域即為電容傳感器所在位置。
[0046]如圖1所示，在每個電容傳感器上，壓力作用區(qū)域I位于最上層，黏附于上極板2的上表面；上極板2下表面中心處的一定區(qū)域采用化學(xué)鍍銀法在其下表面鍍銀作為電容傳感器上部電極6，鍍銀區(qū)域沿上極板2長度方向配置，和壓力作用區(qū)域I同寬、和上極板2同長，上極板2黏附于絕緣保護層3之上；絕緣保護層3對整個電容傳感器起保護作用，防止作用壓力過大時，上部電極6和下部電極7直接接觸而造成短路；兩根墊條4沿下部電極7長度方向配置，其上、下表面分別黏附于絕緣保護層3下表面及下極板5的上表面；兩根墊條4、下部電極7和絕緣保護層3之間圍成一個兩端均與外界連通的空氣介質(zhì)層8 ;兩根墊條4之間的下極板5正中一定區(qū)域采用化學(xué)鍍銀法在其上表面鍍銀作為下部電極7，下部電極7沿下極板5長度方向配置，和壓力作用區(qū)域I同寬、和下極板5同長。
[0047]如圖2所示，4條水平平行排列的上極板2和4條垂直平行排列的下極板5互相十字交叉，交叉區(qū)域構(gòu)成4X4個電容傳感陣列,每個電容傳感器大小為ImmX 1mm。壓力作用區(qū)域I的PDMS膜大小為0.6mmX 0.6mm，厚度為0.1mm，表面柔軟、有彈性，可以感知非平面物體所施加的三維作用力，且感知靈敏度高。
[0048]上極板2長度為Ilmm,寬度為Imm,厚度為0.9mm,采用化學(xué)鍍銀法在其下表面鍍銀作為電容傳感器的上部電極6，該電極導(dǎo)電性及柔性優(yōu)良。
[0049]絕緣保護層3長度為1mm，寬度為1mm，厚度為0.1mm,它對整個電容器起保護作用，防止作用壓力過大時，上部電極6和下部電極7直接接觸而造成短路。
[0050]兩根墊條4的尺寸相同，長度為Imm,寬度為0.2mm,厚度為0.1mm,用于隔離上部電極6和下部電極7，中間為空氣介質(zhì)層8，空氣介質(zhì)層8使得上極板2在受力情況下變形阻力減小，更容易變形，因此提高了電容傳感器靈敏度；加之墊條彈性好，易變形，也能夠增加電容傳感器的感知靈敏性以及去除外力后的回復(fù)性。
[0051]下極板5長度為Ilmm,寬度為Imm,厚度為0.9mm,采用化學(xué)鍍銀法在其上表面鍍銀作為電容傳感器的下部電極7，該電極導(dǎo)電性及柔性優(yōu)良。
[0052]電容傳感器之間相距1mm，4X4個電容傳感器組成一個電容傳感陣列，多個電容傳感陣列可組成大面積的柔性電容壓力傳感裝置。
[0053]使用安捷倫LCR高精度測試儀對柔性電容壓力傳感裝置的電容進行測量，電容傳感器的初始電容為19.7pF，隨著壓力的施加，極板間距離變小，電容傳感器電容增大。不考慮邊緣效應(yīng)，電容器電容為:
^ sS
[0054]C=—
d
[0055]式中:C一電容量；S—極板面積；d—極板間距離；ε —極板間介質(zhì)的介電常數(shù)。當電容傳感器的ε和S為常數(shù)，初始極距為Cltl時，其初始電容量為Q。當電容器極板間距離由初始值Cltl縮小了 Λ d，電容量增大了 Λ C，則有:
C0il + ^
PCq V Oj
[0056]C = —-- =-=-:-—
<i0 - Δ<? I _ Δ?/ 「〕
d 1- 7
Μοd
\ uo J
[0057]由此公式可以得出:電容傳感器電容與極距變化間并非線性關(guān)系，如圖3所示。
[0058]通過施加壓力，使極板間距減小，電容發(fā)生非線性增加，當壓力增加到一定值時，由于絕緣保護層的存在，使電容傳感器的電容達到最大值，所施壓力與電容之間的關(guān)系曲線如圖4所示。
[0059]上述實施方法理解為僅用于說明本發(fā)明而不用于限制本發(fā)明的保護范圍。本領(lǐng)域技術(shù)人員可以對本發(fā)明所設(shè)置的電容傳感器與電容傳感陣列的結(jié)構(gòu)、尺寸及分布參數(shù)、選用的材料、測量的范圍等進行等效變化，但這些變化同樣屬于本發(fā)明權(quán)利要求所限定的范圍。
【權(quán)利要求】
1.一種柔性電容壓力傳感裝置，其特征在于: 水平橫向配置若干條帶狀上極板(2)，垂直于上極板(2)在其下方水平縱向配置若干條帶狀下極板(5)，所有上極板(2)位于同一層面內(nèi)，所有下極板(5)位于另一層面內(nèi)，兩層面之間留有空隙，所有上、下極板(2，5)的厚度和寬度相同，相鄰上極板(2)之間、相鄰下極板(5)之間的距離與極板寬度相同，上、下極板(2，5)在同一水平面上的投影形成若干個正方形的交叉區(qū)域； 對應(yīng)上、下極板(2，5)的每個交叉區(qū)域，在上極板(2)上表面中心處黏接承壓板，形成壓力作用區(qū)域(1)，每個壓力作用區(qū)域(1)位于所在的交叉區(qū)域內(nèi)側(cè)； 在上極板(2)下表面中心處、沿上極板(2)的長度方向鍍置一層和壓力作用區(qū)域(1)同寬、和上極板(2)同長的鍍銀層，形成上部電極(6)； 在上部電極(6)下方，對應(yīng)每個交叉區(qū)域配置絕緣保護層(3)，絕緣保護層(3)緊貼上部電極￠)、黏接在上極板(2)下表面上； 在下極板(5)上表面中心處、沿下極板(5)的長度方向鍍置一層和壓力作用區(qū)域(1)同寬、和下極板(5)同長的鍍銀層，形成下部電極(7)； 在下部電極(7)兩側(cè)，對應(yīng)每個交叉區(qū)域，沿下部電極(7)的長度方向配置墊條(4)，墊條⑷兩端及外側(cè)均與交叉區(qū)域外緣平齊，內(nèi)側(cè)緊貼下部電極(7)，墊條(4)下表面黏接在下極板(5)上表面上、上表面黏接在絕緣保護層(3)下表面上； 墊條⑷厚度大于下部電極(7)厚度，墊條(4)、下部電極(7)和絕緣保護層(3)之間圍成一個兩端均與外界連通的空氣介質(zhì)層(8)； 上、下部電極(6，7)通過配置在上、下極板(2，5)兩端的外接線路連接至外部信號采集系統(tǒng)； 所述壓力作用區(qū)域(1)，上極板(2)，絕緣保護層(3)，墊條(4)和下極板(5)均為一層電絕緣柔性聚合物膜； 所述壓力作用區(qū)域(1)，上極板(2)，絕緣保護層(3)，墊條(4)和下極板(5)之間黏接使用的是干燥后黏接界面不會硬化的黏合劑； 上、下極板(2，5)的每個交叉區(qū)域形成一個電容傳感器，若干個電容傳感器形成一個電容傳感陣列，若干個電容傳感陣列形成所述的柔性電容壓力傳感裝置。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性電容壓力傳感裝置，其特征在于:所述電絕緣柔性聚合物膜為PDMS膜或聚氨酯膜。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性電容壓力傳感裝置，其特征在于:所述電絕緣柔性聚合物膜采用旋涂法制成。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性電容壓力傳感裝置，其特征在于: 所述上、下極板(2, 5)的長X寬為llmmX 1mm,厚度為0.9mm ； 所述壓力作用區(qū)域(1)的長X寬為0.6mmX0.6mm,厚度為0.1mm ； 所述上、下部電極(6,7)的長X寬為llmmX0.6mm,厚度為0.01mm ； 所述絕緣保護層⑶的長X寬為lmmXlmm，厚度為0.1mm ； 所述墊條⑷的長X寬為lmmX0.2mm,厚度為0.1mm。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的柔性電容壓力傳感裝置，其特征在于:所述上、下極板(2，5)的數(shù)量均為4根，一個電容傳感陣列包含4X4個電容傳感器。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的柔性電容壓力傳感裝置，其特征在于:所述相鄰電容傳感陣列之間通過相應(yīng)上極板(2)與上極板(2)之間、下極板(5)與下極板(5)之間的端部黏接為一體、形成面狀的柔性電容壓力傳感裝置。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的柔性電容壓力傳感裝置，其特征在于:所述黏合劑為型號HR-323T的PDMS專用硅膠膠粘劑或信力XL-623聚氨酯專用膠水。
【文檔編號】G01L9/12GK104266788SQ201410449033
【公開日】2015年1月7日 申請日期:2014年9月4日 優(yōu)先權(quán)日:2014年9月4日
【發(fā)明者】劉茜, 馬艷麗 申請人:上海工程技術(shù)大學(xué)