一种柔性电容压力传感装置制造方法
【专利摘要】一种柔性电容压力传感装置，在水平横向配置的若干条带状上极板下方，水平纵向配置若干条带状下极板，对应上、下极板的每个交叉区域：在上极板上表面中心处黏接压力作用区域；在上极板下表面中心区域镀置一层镀银层作为上部电极；在上部电极下方，对应交叉区域的大小配置一层绝缘保护层；在下极板上表面中心区域镀置一层镀银层作为下部电极；在下部电极两侧配置两根垫条。每个交叉区域形成一个电容传感器，多个电容传感器形成一个电容传感阵列，多个电容传感阵列形成大面积柔性电容压力传感装置。该电容传感器弹性好，可充分贴合非平面物体，能够保证电容传感器的感知灵敏性以及受压回复性，并可针对各种受力面进行大面积测量。
【专利说明】一种柔性电容压力传感装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及电容传感器领域，尤其涉及一种柔性的、能够基于电容变化感测压力变化的电容压力传感装置。
【背景技术】
[0002]电容传感器是把被测量转换为电容量变化的一种参量型传感器。电容传感器广泛应用于压力、液位、位移等指标的检测。常见的电容传感器可分为变面积变化式、变介电常数变化式、变间隙变化式三类。其中，变间隙变化式一般用来测量微小的线位移或由于力、振动等引起的极距变化。这种能够测量压力变化的电容传感器称为电容压力传感器。传统的电容压力传感器采用硬质材料，变形�。槊舳鹊停薹ǜ兄瞧矫嫖锾逅┘拥娜饔昧Γ⑶沂芰蟛灰谆馗矗菀姿鸹担虼耍惹行枰谷嵝缘缛菅沽Υ凶爸玫难蟹�。
[0003]目前，已知的柔性电容压力传感装置主要有两种:
[0004]一种是运用硅基的微电机械系统(MEMS)开发的触觉电容传感器。这种电容传感器由一片状柔性复合薄膜感知外部压力，施压后可引起片状柔性薄膜和底座之间电容发生变化。该种电容传感器由于采用半导体精度制作工艺，灵敏性好，空间分辨率高，单元串扰性低。但电容传感器不够柔软，很难感知非平面物体所施加的三维作用力，且尺寸有限，很难组成大面积的阵列。
[0005]另一种方法是使用可压缩的绝缘泡沫作为介质材料夹在两个柔性电极之间，在外力作用下，电极被压缩引起电容发生改变。虽然这种电容传感器制作工艺简单，柔性面积大，但由于可压缩泡沫存在一定的压缩滞后性，受压回复性差，使得电容传感器的感知灵敏度降低，且由于电极材料的介电常数不够高，造成电容传感器之间绝缘性较差，电容传感器间容易串扰。
[0006]因此，开发一种本身足够柔软、可感知非平面物体所施加的三维作用力、受压回复性好、感知灵敏度高、并能组成大面积阵列、电容传感器之间不易串扰的柔性电容压力传感装置是非常有必要的。
【发明内容】
[0007]本发明所要解决的技术问题在于提供一种柔性电容压力传感装置，该电容传感装置能够很好克服上述两种柔性电容压力传感装置的缺陷，并且结构简单，原材料相对低廉，易于制造和推广。
[0008]本发明是通过以下技术方案实现的:
[0009]一种柔性电容压力传感装置，其特征在于:
[0010]水平横向配置若干条带状上极板，垂直于上极板在其下方水平纵向配置若干条带状下极板，所有上极板位于同一层面内，所有下极板位于另一层面内，两层面之间留有空隙，所有上、下极板的厚度和宽度相同，相邻上极板之间、相邻下极板之间的距离与极板宽度相同，上、下极板在同一水平面上的投影形成若干个正方形的交叉区域；
[0011]对应上、下极板的每个交叉区域，在上极板上表面中心处黏接承压板，形成压力作用区域，每个压力作用区域位于所在的交叉区域内侧；
[0012]在上极板下表面中心处、沿上极板的长度方向镀置一层和压力作用区域同宽、和上极板同长的镀银层，形成上部电极；
[0013]在上部电极下方，对应每个交叉区域配置绝缘保护层，绝缘保护层紧贴上部电极、黏接在上极板下表面上；
[0014]在下极板上表面中心处、沿下极板的长度方向镀置一层和压力作用区域同宽、和下极板同长的镀银层，形成下部电极；
[0015]在下部电极两侧，对应每个交叉区域，沿下部电极的长度方向配置垫条，垫条两端及外侧均与交叉区域外缘平齐，内侧紧贴下部电极，垫条下表面黏接在下极板上表面上、上表面黏接在绝缘保护层下表面上；
[0016]垫条厚度大于下部电极厚度，垫条、下部电极和绝缘保护层之间围成一个两端均与外界连通的空气介质层；
[0017]上、下部电极通过配置在上、下极板两端的外接线路连接至外部信号采集系统；
[0018]所述压力作用区域，上极板，绝缘保护层，垫条和下极板均为一层电绝缘柔性聚合物膜；
[0019]所述压力作用区域，上极板，绝缘保护层，垫条和下极板之间黏接使用的是干燥后黏接界面不会硬化的黏合剂；
[0020]上、下极板的每个交叉区域形成一个电容传感器，若干个电容传感器形成一个电容传感阵列，若干个电容传感阵列形成所述的柔性电容压力传感装置。电绝缘柔性聚合物膜可以是PDMS膜，PDMS (polydimethylsiloxane)即聚二甲基硅氧烷，固态的PDMS为一种硅胶，无毒，疏水性和防水性好，惰性物质，且为非易燃性、透明体。PDMS膜的制备简便且快速，材料成本低，且其透光性良好、生物相容性佳、易与多种材质室温接合、以及因低杨氏模量而导致的结构高弹性等。
[0021]正是基于PDMS材料的上述特性，本发明柔性电容压力传感装置的主体材料如果选取固体的PDMS柔性膜，该膜介电常数高，能够减少电容器之间的串扰性，且本身柔软、弹性好、易变形，能够充分保证电容器的感知灵敏度。并且，整个电容传感器弹性好，可充分贴合非平面物体，受压时能有效地感知其所施加的三维作用力而产生形变，能够保证电容传感器的感知灵敏性以及受压回复性。
[0022]此外，聚氨酯等其他具有类似物理化学性能的弹性电绝缘材料也可以作为电绝缘柔性聚合物膜的主体材料，电绝缘柔性聚合物膜的柔韧、电绝缘等特性，可以使本发明柔性电容压力传感装置很好地应用于机器人触觉皮肤，智能医疗监测服，军事信号监控等领域。
[0023]采用化学镀银法镀置的电容传感器上、下部电极，能够确保上、下部电极的导电性及柔性优良。
[0024]绝缘保护层对整个电容传感器起保护作用，防止作用压力过大时，上下极板直接接触而造成短路。
[0025]两根垫条用于隔离上、下部电极，垫条之间的空气介质层使得极板在受力情况下变形阻力减小，更容易变形，提高了电容传感器的灵敏度；加之垫条弹性好，易变形，也能够增加电容传感器的感知灵敏性以及去除外力后的回复性。
[0026]进一步的，压力作用区域，上极板，绝缘保护层，垫条和下极板的电绝缘柔性聚合物膜均采用旋涂法制成。旋涂法是用匀胶机进行涂覆的，前期准备好合适的柔性膜溶胶，然后在匀胶机上根据需要设定一定的转速和时间进行旋涂即可。旋涂法制成的电绝缘柔性聚合物膜能充分保证膜体各部分的厚度均匀。
[0027]再进一步，所述上、下极板的长X宽为IlmmX 1mm，厚度为0.9mm ;所述压力作用区域的长X宽为0.6mmX0.6mm,厚度为0.1mm ;所述上、下部电极的长X宽为llmmX0.6mm,厚度为0.0lmm ;所述绝缘保护层的长X宽为ImmX Imm,厚度为0.1mm ;所述垫条的长X宽为1_X0.2_，厚度为0.1mm0这种微型尺寸的电容传感器可以感知微小的力，从而提高整个传感装置的灵敏度，并且可采用微电机械系统(MEMS)进行加工制作，制造方便。
[0028]再进一步，根据不同的极板尺寸，电容传感阵列大小也不尽相同。一种电容传感阵列的布置方式为:上、下极板的数量均为4条,一个电容传感阵列包含4X4个电容传感器。
[0029]再进一步，所述相邻电容传感阵列之间通过相应上极板与上极板之间、下极板与下极板之间的端部黏接为一体，形成大面积的柔性电容压力传感装置。考虑到相邻电容传感阵列之间黏接时的损耗，上、下极板两端均留有一定的余量。
[0030]再进一步，所述的黏合剂为型号HR-323T的PDMS专用硅胶胶粘剂或信力XL-623聚氨酯专用胶水，前者适用于PDMS膜的黏合，后者适用于聚氨酯膜的黏合，这是因为两者的分子结构分别与PDMS膜、聚氨酯膜的分子结构相似，因此两种黏合剂不仅黏合强度高，确保了每层电绝缘柔性聚合物膜之间充分地黏合，而且干燥后黏接界面不会硬化，防止影响整个电容传感器的柔性。
[0031]本发明的有益效果在于:
[0032]1.电容传感器整体使用PDMS柔性膜或者聚氨酯柔性膜等电绝缘柔性聚合物膜作为结构材料，整个电容传感器的弹性好，受压时能有效地感知外力并产生形变，大大提高电容传感器寿命和使用可靠性。
[0033]2.多个电容传感阵列能够组成不同形状、不同面积的电容传感器分布，可以实现电容传感器的大面积测量。
[0034]3.电容传感器上、下极板均为一层电绝缘柔性聚合物膜，采用化学镀银法分别在上极板的下表面和下极板的上表面正中区域镀银，作为电容传感器的上、下部电极，上、下部电极导电性及柔性优良。
[0035]4.电容传感器中的绝缘保护层对电容传感器起保护作用，能够防止作用压力过大时，上下极板直接接触而造成短路。
[0036]5.电绝缘柔性聚合物膜垫条用于隔离上下电极，中间的空气介质层使得极板在受力情况下变形阻力减�。菀妆湫危岣吡说缛荽衅髁槊舳龋患又嫣醯院茫妆湫危材芄辉黾拥缛荽衅鞯母兄槊粜砸约叭コ饬蟮幕馗葱�。
[0037]6.经实验证明，该电容传感器可测量40mN范围内的压力，灵敏度为3%/mN，与普通电容传感器相比，可测压力范围扩大，灵敏度提高。
【专利附图】
【附图说明】
[0038]图1为电容传感器的纵剖结构示意图
[0039]图2为一个电容传感阵列的俯视图
[0040]图3为电容与极板间距离关系图[0041 ] 图4为电容与所施压力关系图
[0042]图1?4中:1为压力作用区域，2为上极板，3为绝缘保护层，4为垫条，5为下极板，6为上部电极，7为下部电极，8为空气介质层。
【具体实施方式】
[0043]下面结合附图对本发明作进一步说明。
[0044]如图1所示，压力作用区域1、上极板2、绝缘保护层3、垫条4和下极板5共5部分所用主要材料均为柔性PDMS膜，各部分尺寸不同，通过HR-323TPDMS专用硅胶胶粘剂黏合成一整体。该PDMS膜采用旋涂法制成，厚度均匀，该膜介电常数高，能够减少电容器之间的串扰性，且本身柔软、弹性好、易变形，能够增加电容器的感知灵敏度。
[0045]如图2所示，上极板2和下极板5分别沿横向和纵向在两个不同的水平层面上延伸，上极板2和下极板5的十字交叉区域即为电容传感器所在位置。
[0046]如图1所示，在每个电容传感器上，压力作用区域I位于最上层，黏附于上极板2的上表面；上极板2下表面中心处的一定区域采用化学镀银法在其下表面镀银作为电容传感器上部电极6，镀银区域沿上极板2长度方向配置，和压力作用区域I同宽、和上极板2同长，上极板2黏附于绝缘保护层3之上；绝缘保护层3对整个电容传感器起保护作用，防止作用压力过大时，上部电极6和下部电极7直接接触而造成短路；两根垫条4沿下部电极7长度方向配置，其上、下表面分别黏附于绝缘保护层3下表面及下极板5的上表面；两根垫条4、下部电极7和绝缘保护层3之间围成一个两端均与外界连通的空气介质层8 ;两根垫条4之间的下极板5正中一定区域采用化学镀银法在其上表面镀银作为下部电极7，下部电极7沿下极板5长度方向配置，和压力作用区域I同宽、和下极板5同长。
[0047]如图2所示，4条水平平行排列的上极板2和4条垂直平行排列的下极板5互相十字交叉，交叉区域构成4X4个电容传感阵列,每个电容传感器大小为ImmX 1mm。压力作用区域I的PDMS膜大小为0.6mmX 0.6mm，厚度为0.1mm，表面柔软、有弹性，可以感知非平面物体所施加的三维作用力，且感知灵敏度高。
[0048]上极板2长度为Ilmm,宽度为Imm,厚度为0.9mm,采用化学镀银法在其下表面镀银作为电容传感器的上部电极6，该电极导电性及柔性优良。
[0049]绝缘保护层3长度为1mm，宽度为1mm，厚度为0.1mm,它对整个电容器起保护作用，防止作用压力过大时，上部电极6和下部电极7直接接触而造成短路。
[0050]两根垫条4的尺寸相同，长度为Imm,宽度为0.2mm,厚度为0.1mm,用于隔离上部电极6和下部电极7，中间为空气介质层8，空气介质层8使得上极板2在受力情况下变形阻力减�。菀妆湫危虼颂岣吡说缛荽衅髁槊舳龋患又嫣醯院茫妆湫危材芄辉黾拥缛荽衅鞯母兄槊粜砸约叭コ饬蟮幕馗葱�。
[0051]下极板5长度为Ilmm,宽度为Imm,厚度为0.9mm,采用化学镀银法在其上表面镀银作为电容传感器的下部电极7，该电极导电性及柔性优良。
[0052]电容传感器之间相距1mm，4X4个电容传感器组成一个电容传感阵列，多个电容传感阵列可组成大面积的柔性电容压力传感装置。
[0053]使用安捷伦LCR高精度测试仪对柔性电容压力传感装置的电容进行测量，电容传感器的初始电容为19.7pF，随着压力的施加，极板间距离变�。缛荽衅鞯缛菰龃�。不考虑边缘效应，电容器电容为:
^ sS
[0054]C=—
d
[0055]式中:C一电容量；S—极板面积；d—极板间距离；ε —极板间介质的介电常数。当电容传感器的ε和S为常数，初始极距为Cltl时，其初始电容量为Q。当电容器极板间距离由初始值Cltl缩小了 Λ d，电容量增大了 Λ C，则有:
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:电容传感器电容与极距变化间并非线性关系，如图3所示。
[0058]通过施加压力，使极板间距减�。缛莘⑸窍咝栽黾樱毖沽υ黾拥揭欢ㄖ凳保捎诰当；げ愕拇嬖冢沟缛荽衅鞯牡缛荽锏阶畲笾担┭沽τ氲缛葜涞墓叵登呷缤�4所示。
[0059]上述实施方法理解为仅用于说明本发明而不用于限制本发明的保护范围。本领域技术人员可以对本发明所设置的电容传感器与电容传感阵列的结构、尺寸及分布参数、选用的材料、测量的范围等进行等效变化，但这些变化同样属于本发明权利要求所限定的范围。
【权利要求】
1.一种柔性电容压力传感装置，其特征在于: 水平横向配置若干条带状上极板(2)，垂直于上极板(2)在其下方水平纵向配置若干条带状下极板(5)，所有上极板(2)位于同一层面内，所有下极板(5)位于另一层面内，两层面之间留有空隙，所有上、下极板(2，5)的厚度和宽度相同，相邻上极板(2)之间、相邻下极板(5)之间的距离与极板宽度相同，上、下极板(2，5)在同一水平面上的投影形成若干个正方形的交叉区域； 对应上、下极板(2，5)的每个交叉区域，在上极板(2)上表面中心处黏接承压板，形成压力作用区域(1)，每个压力作用区域(1)位于所在的交叉区域内侧； 在上极板(2)下表面中心处、沿上极板(2)的长度方向镀置一层和压力作用区域(1)同宽、和上极板(2)同长的镀银层，形成上部电极(6)； 在上部电极(6)下方，对应每个交叉区域配置绝缘保护层(3)，绝缘保护层(3)紧贴上部电极￠)、黏接在上极板(2)下表面上； 在下极板(5)上表面中心处、沿下极板(5)的长度方向镀置一层和压力作用区域(1)同宽、和下极板(5)同长的镀银层，形成下部电极(7)； 在下部电极(7)两侧，对应每个交叉区域，沿下部电极(7)的长度方向配置垫条(4)，垫条⑷两端及外侧均与交叉区域外缘平齐，内侧紧贴下部电极(7)，垫条(4)下表面黏接在下极板(5)上表面上、上表面黏接在绝缘保护层(3)下表面上； 垫条⑷厚度大于下部电极(7)厚度，垫条(4)、下部电极(7)和绝缘保护层(3)之间围成一个两端均与外界连通的空气介质层(8)； 上、下部电极(6，7)通过配置在上、下极板(2，5)两端的外接线路连接至外部信号采集系统； 所述压力作用区域(1)，上极板(2)，绝缘保护层(3)，垫条(4)和下极板(5)均为一层电绝缘柔性聚合物膜； 所述压力作用区域(1)，上极板(2)，绝缘保护层(3)，垫条(4)和下极板(5)之间黏接使用的是干燥后黏接界面不会硬化的黏合剂； 上、下极板(2，5)的每个交叉区域形成一个电容传感器，若干个电容传感器形成一个电容传感阵列，若干个电容传感阵列形成所述的柔性电容压力传感装置。
2.根据权利要求1所述的柔性电容压力传感装置，其特征在于:所述电绝缘柔性聚合物膜为PDMS膜或聚氨酯膜。
3.根据权利要求1所述的柔性电容压力传感装置，其特征在于:所述电绝缘柔性聚合物膜采用旋涂法制成。
4.根据权利要求1所述的柔性电容压力传感装置，其特征在于: 所述上、下极板(2, 5)的长X宽为llmmX 1mm,厚度为0.9mm ； 所述压力作用区域(1)的长X宽为0.6mmX0.6mm,厚度为0.1mm ； 所述上、下部电极(6,7)的长X宽为llmmX0.6mm,厚度为0.01mm ； 所述绝缘保护层⑶的长X宽为lmmXlmm，厚度为0.1mm ； 所述垫条⑷的长X宽为lmmX0.2mm,厚度为0.1mm。
5.根据权利要求4所述的柔性电容压力传感装置，其特征在于:所述上、下极板(2，5)的数量均为4根，一个电容传感阵列包含4X4个电容传感器。
6.根据权利要求5所述的柔性电容压力传感装置，其特征在于:所述相邻电容传感阵列之间通过相应上极板(2)与上极板(2)之间、下极板(5)与下极板(5)之间的端部黏接为一体、形成面状的柔性电容压力传感装置。
7.根据权利要求1所述的柔性电容压力传感装置，其特征在于:所述黏合剂为型号HR-323T的PDMS专用硅胶胶粘剂或信力XL-623聚氨酯专用胶水。
【文档编号】G01L9/12GK104266788SQ201410449033
【公开日】2015年1月7日 申请日期:2014年9月4日 优先权日:2014年9月4日
【发明者】刘茜, 马艳丽 申请人:上海工程技术大学
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