【技术实现步骤摘要】
本专利技术属于柔性电子领域，涉及一种小特征尺寸高灵敏度柔性电容式接近传感器及其制备方法。
技术介绍
1、随着近年来科学技术的快速发展，高灵敏度的接近传感器在柔性电子领域具有很重要的应用价值，可将柔性接近传感器附着在机器人或机械臂上来帮助机器感知物体，可以从接近到触觉进行准确预测，对机器感知外界环境和与之交互具有重要意义。在人机交互过程中，可以通过非接触的方式来实施操作，避免了生硬的直接接触过程和病毒传播问题。基于不同的感知原理，研究者们开发出电阻式、电容式、电感式、光电式等多种接近传感器。电容式接近传感器具有灵敏度高，易于形成阵列，结构简单，温度稳定性好，响应速度快的优点，对光线、噪音、待测物体颜色表面纹理等不敏感，具有很好的稳定性。然而，传统的电容式接近传感器体积大，需要光刻、磁控溅射、喷墨打印等复杂工艺和昂贵设备、生产成本高、精度低、缺乏灵活性等缺点严重限制了其在可穿戴电子皮肤领域的应用。
2、传统的平行板结构的电容式接近传感器是由上圆形银纳米线薄膜电极和中间的电介质构成，由于电容式接近传感原理完全依赖于接近导体和器件边缘电场的耦合，而传统平行板电极的边缘电场只能从电极侧面溢出，导致接近物体与传感器的耦合较少，其灵敏度较低，可测量距离较短。另外，传统电容式接近传感器的制造也存在着工艺复杂、成本高、非柔性等问题。
技术实现思路
1、本专利技术的目的之一在于针对上述技术存在的缺点，提供一种小特征尺寸高灵敏度柔性电容式接近传感器，解决了传统电容式接近传感器体积大、精度低、
2、为实现上述目的，本专利技术采用了以下技术方案：一种小特征尺寸高灵敏度柔性电容式接近传感器，结构上包括依次层叠的上封装绝缘层、环形银纳米线薄膜电极、柔性电介质层、圆形银纳米线薄膜电极和下封装绝缘层；所述环形银纳米线薄膜电极的厚度为15-60nm，外圆直径为2.5-10mm，环形宽度为0.03-1mm，环形边缘处向外设置有一个延伸段；所述圆形银纳米线薄膜电极的直径为2.5-10mm，厚度为15-60nm，边缘处向外设置有一个延伸段；所述环形银纳米线薄膜电极和圆形银纳米线薄膜电极的中心相对应，且环形银纳米线薄膜电极的外圆直径与圆形银纳米线薄膜电极的直径相同。
3、作为小特征尺寸高灵敏度柔性电容式接近传感器进一步的改进：
4、优选的，所述柔性电介质层的厚度为0.05-0.125mm。
5、优选的，所述柔性电介质层的材质为聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺和玻璃中的一种。
6、优选的，所述上封装绝缘层和下封装绝缘层的厚度为15-100μm，材质为聚对苯二甲酸乙二酯。
7、优选的，所述环形银纳米线薄膜电极的外圆直径为2.5mm，环形宽度为0.03mm，厚度为20nm；所述圆形银纳米线薄膜电极的直径为2.5mm，厚度为20nm。
8、本专利技术的目的之二是提供一种上述小特征尺寸高灵敏度柔性电容式接近传感器的制备方法，包括如下步骤：
9、(1)取浓度为0.5-20mg/ml的银纳米线墨水，添加纤维素至纤维素浓度为0.5-10mg/ml，制得银纳米线-纤维素墨水；
10、(2)通过成膜工艺，将银纳米线-纤维素墨水在柔性电介质的一面上制膜并干燥，制得银纳米线薄膜，然后在薄膜表面涂覆光刻胶并干燥；
11、将涂覆光刻胶并干燥的薄膜与图案化菲林片进行复合，图案化菲林片上未打印黑色墨水的部分为环形且边缘处向外设置有一个延伸段，然后进行曝光处理，用水冲去除未曝光部分的银纳米线薄膜，得到环形银纳米线薄膜电极；
12、(3)参照步骤(2)，在柔性电介质的另一面制得银纳米线薄膜，涂覆光刻胶并干燥后，与图案化菲林片进行复合，图案化菲林片上未打印黑色墨水的部分为圆形且边缘处向外设置有一个延伸段，然后进行曝光处理，用水冲去除未曝光部分的银纳米线薄膜，得到圆形银纳米线薄膜电极，圆形银纳米线薄膜电极的中心与环形银纳米线薄膜电极的中心相对应；
13、(4)在环形银纳米线薄膜电极和圆形银纳米线薄膜电极的表面分别贴覆绝缘薄膜，作为上封装绝缘层和下封装绝缘层，即制得小特征尺寸高灵敏度柔性电容式接近传感器。
14、作为小特征尺寸高灵敏度柔性电容式接近传感器制备方法的进一步改进：
15、优选的，银纳米线墨水中银纳米线的直径为20-100nm，长度与直径比值为500-1500。
16、优选的，步骤(2)和(3)的成膜工艺为棒涂，涂布速度为10-200mm/s，干燥温度为40-80℃。
17、优选的，步骤(2)和(3)涂布光刻胶的设备为使用四面制备器，涂布速度为10-200mm/s，干燥温度为40-80℃。
18、优选的，步骤(2)和(3)中的光刻胶为水溶性光敏聚合物。
19、本专利技术相比现有技术的有益效果在于：
20、(1)本专利技术采用简单的水溶性光敏聚合物以及水冲洗刻蚀的方法制备图案化电极，无需复杂工艺和昂贵设备，并且不涉及有毒和酸碱刻蚀剂，具有环境友好的特点，使用菲林片和普通喷墨打印机制作掩模版，操作简便，经济高效，可以实现任意个性化电极图案和尺寸。
21、(2)改变平行板电容的传统结构，采用上环下圆的电极结构增强了边缘电场，从而提高了接近传感灵敏度，通过对环形银纳米线薄膜电极特征尺寸的微小化和整体电极尺寸的小型化来进一步获得高灵敏度。并且该传感器可以区分导电物体和非导电物体的接近。最小传感器面积仅为4.9mm2，实现了电容式传感器的高精度、柔性化、小型化的简易制备，为更高密度和多功能的传感器阵列提供可能。
22、(3)以柔性电介质层作为电介质层，具有良好的机械柔韧性，能够适应于多次弯曲和曲面结构。以银纳米线薄膜作为电极层，由于银纳米线的小直径和大长径比，使传感器具有高透明度。
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1.一种小特征尺寸高灵敏度柔性电容式接近传感器，其特征在于，结构上包括依次层叠的上封装绝缘层、环形银纳米线薄膜电极、柔性电介质层、圆形银纳米线薄膜电极和下封装绝缘层；所述环形银纳米线薄膜电极的厚度为15-60nm，外圆直径为2.5-10mm，环形宽度为0.03-1mm，环形边缘处向外设置有一个延伸段；所述圆形银纳米线薄膜电极的直径为2.5-10mm，厚度为15-60nm，边缘处向外设置有一个延伸段；所述环形银纳米线薄膜电极和圆形银纳米线薄膜电极的中心相对应，且环形银纳米线薄膜电极的外圆直径与圆形银纳米线薄膜电极的直径相同。
2.根据权利要求1所述的小特征尺寸高灵敏度柔性电容式接近传感器，其特征在于，所述柔性电介质层的厚度为0.05-0.125mm。
3.根据权利要求1或2所述的小特征尺寸高灵敏度柔性电容式接近传感器，其特征在于，所述柔性电介质层的材质为聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二酯即PET、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺和玻璃中的一种。
4.根据权利要求1所述的小特征尺寸高灵敏度柔性电容式接近传感器，其特征在于，所述上封装绝缘层和下封装绝缘
5.根据权利要求1所述的小特征尺寸高灵敏度柔性电容式接近传感器，其特征在于，所述环形银纳米线薄膜电极的外圆直径为2.5mm，环形宽度为0.03mm，厚度为20nm；所述圆形银纳米线薄膜电极的直径为2.5mm，厚度为20nm。
6.一种权利要求1-5任意一项所述的小特征尺寸高灵敏度柔性电容式接近传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
7.根据权利要求6所述的小特征尺寸高灵敏度柔性电容式接近传感器的制备方法，其特征在于，银纳米线墨水中银纳米线的直径为20-100nm，长度与直径比值为500-1500。
8.根据权利要求6所述的小特征尺寸高灵敏度柔性电容式接近传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)和(3)的成膜工艺为棒涂，涂布速度为10-200mm/s，干燥温度为40-80℃。
9.根据权利要求6所述的小特征尺寸高灵敏度柔性电容式接近传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)和(3)涂布光刻胶的设备为使用四面制备器，涂布速度为10-200mm/s，干燥温度为40-80℃。
10.根据权利要求6或9所述的小特征尺寸高灵敏度柔性电容式接近传感器的制备方法，其特征在于，步骤(2)和(3)中的光刻胶为水溶性光敏聚合物。
...【技术特征摘要】
1.一种小特征尺寸高灵敏度柔性电容式接近传感器，其特征在于，结构上包括依次层叠的上封装绝缘层、环形银纳米线薄膜电极、柔性电介质层、圆形银纳米线薄膜电极和下封装绝缘层；所述环形银纳米线薄膜电极的厚度为15-60nm，外圆直径为2.5-10mm，环形宽度为0.03-1mm，环形边缘处向外设置有一个延伸段；所述圆形银纳米线薄膜电极的直径为2.5-10mm，厚度为15-60nm，边缘处向外设置有一个延伸段；所述环形银纳米线薄膜电极和圆形银纳米线薄膜电极的中心相对应，且环形银纳米线薄膜电极的外圆直径与圆形银纳米线薄膜电极的直径相同。
2.根据权利要求1所述的小特征尺寸高灵敏度柔性电容式接近传感器，其特征在于，所述柔性电介质层的厚度为0.05-0.125mm。
3.根据权利要求1或2所述的小特征尺寸高灵敏度柔性电容式接近传感器，其特征在于，所述柔性电介质层的材质为聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二酯即pet、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺和玻璃中的一种。
4.根据权利要求1所述的小特征尺寸高灵敏度柔性电容式接近传感器，其特征在于，所述上封装绝缘层和下封装绝缘层的厚度为15-100μm，材质为聚对苯二甲酸乙二酯。
5.根据权利...
【专利技术属性】
技术研发人员：季书林，郭沛怡，
申请(专利权)人：中国科学院合肥物质科学研究院，
类型：发明
国别省市：
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