【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及传感器，具体来说，涉及一种基于三维结构电极的离子电容式压力传感器及其制备方法。
技术介绍
1、如图1所示为现有离子电容式压力传感器的原理结构示意图，由两个 pi-au 电极、开孔聚氨酯海绵（pu）-il 复合泡沫组成。通过将开孔聚氨酯海绵（pu）-il 泡沫夹在两个 pi-au 电极之间制成。如图2给出了压力传感器传感机制，离电式柔性压力传感器利用电极和离子电解质之间的纳米级界面上产生的双电层（edl）电容来实现压力传感。从图中可以看出，内部充满离子的多孔结构-电极界面上分布着大量的正负离子对。外部压力作用下，电极与多孔结构之间的接触面积增加，在接触界面处积累更多的电荷。传感器的电容因为更多电荷的积累而增加，因此，电容信号可以反映接触面积和施加到设备上的压力。图3给出了离子电容式压力传感器在114 kpa压力范围内的灵敏度。由图可知，在5kpa—10kpa压力范围内达到最大灵敏度9280kpa−1。但当压力超过10kpa之后，传感器的灵敏度和线性度急剧下降，即在中高压范围内离子电容式压力传感器的传感性能亟待提高。
2、灵敏度（s）是压力传感器最基本的性能参数，它指的是外部载荷与传感器输出电容的比值，反应了电容式压力传感器对外力信号的响应精度。
3、对于电容式压力传感器，其灵敏度一般表示为：
4、
5、其中，𝐶0—施加载荷前的初始电容（pf）∆𝐶—施加载荷前后的电容变化（pf）𝑃—载荷（kpa）
6、根据经典的 edl模型，界面 edl的感应电容可以表
7、
8、式中，uac—单位电容密度（μf/cm2）𝐴—离子层与电极层的接触面积（cm2）
9、在离-电式电容压力传感器中，器件的电极层与传感层在初始阶段就会发生部分接触的现象，这一般称之为初始接触面积 𝐴0，它会产生初始电容值 𝐶0。而从传感器灵敏度公式 𝑆= 𝛿(∆𝐶𝐶0⁄ )/𝛿𝑃可知，低的 𝐶0即低的 𝐴0对获取高灵敏度器件是有益的。于是在本领域内，人们常常更关心的是接触面积的变化量与初始接触面积的比值，即 ∆𝐴/𝐴0。在不考虑封装工艺引起的偏差下，其中的 𝐴0仍然只与器件传感层的结构相关，因此为了方便理解，有研究人员直接将器件受力变形过程中电极层与传感层界面处的接触面积的变化率简单的表达为：
10、式中，𝜓——一个仅依赖于材料的表面形貌特征几何参数
11、p——外部载荷（kpa）
12、𝐸——弹性体的杨氏模量（kpa）
13、因此，对于特定的表面结构（即 𝜓是常数），要想获取高灵敏度的压力传感器，传感器柔性架构需要较小的弹性模量𝐸及电极与离子层之间尽可能少的初始接触面积𝐴0，接触面积变化量△𝐴也是影响传感器件对力信号的感应能力重要参数。
14、目前，常规的柔性电容压力传感器还存在着一些问题，例如采用平板二维电极结构限制了电极与介电离子层之间形成的离子双电层电容结构的数量，从而限制了离子双电层电容式传感装置的灵敏度和量程范围，在5kpa—10kpa压力范围内已经达到最大灵敏度。但当压力超过10kpa之后，传感器的灵敏度和线性度急剧下降，这极大的限制了柔性电容压力传感器的应用范围。即在中高压范围内离子电容式压力传感器的传感性能亟待提高。
技术实现思路
1、鉴于现有技术的不足，本专利技术提供一种基于三维结构电极的离子电容式压力传感器及其制备方法。本专利技术将电极设置为三维结构，配合在基板上设置开孔结构，当受到压力使电极和基板接触时，通过增加电极与介电离子层之间形成的离子双电层电容数量，提高了电容信号的振幅，从而提高了电容式压力传感器的灵敏度。
2、本专利技术采用的技术手段如下：
3、一种基于三维结构电极的离子电容式压力传感器，包括由上至下依次设置的第一电极、弹性微结构以及第二电极；
4、所述第一电极和第二电极均为三维柔性电极，所述三维柔性电极由导电纤维采用非紧致的方式交织堆叠形成，所述导电纤维在三维柔性电极内部构建了一个位于具有三维结构的导电路径；
5、所述弹性微结构采用聚氨酯海绵，所述弹性微结构的上、下表面上以非均匀的方式分布有能够容纳部分导电纤维深入的孔隙，孔隙间互相交织连通，所述弹性微结构表面吸附有离子浓度为15%的1-丁基-3-甲基咪唑碘盐与饱和nacl的混合溶液。
6、进一步地，所述离子电容式压力传感器还包括设置在第一电极上方的第一封装层和设置在第二电极下方的第二封装层。
7、进一步地，所述第一电极和第二电极包括基底和导电纤维，所述基底为开孔聚氨酯发泡海绵，所述导电纤维通过在基底上经过 pvd 导电化处理和电沉积金属加厚处理制备，所述金属种类为镍和铜。
8、进一步地，所述介电离子层开孔聚氨酯海绵-离子溶液复合泡沫中聚氨酯海绵：离子溶液的质量比为1:10。
9、本专利技术还公开了一种如上述基于三维结构电极的离子电容式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
10、采用去离子水清洗聚氨酯海绵，并置于离心机中除去多余水分后裁剪成所需尺寸；
11、配置30ml饱和nacl溶液；
12、采用稀释方程法，用饱和nacl溶液对离子浓度99%的1-丁基-3-甲基咪唑碘盐的离子液体进行稀释，最终得到离子液体浓度为15%的混合离子溶液；
13、将裁剪出的聚氨酯海绵放入混合离子溶液充分浸泡，同时加载离子，从而获得弹性微结构；
14、将弹性微结构夹在两个三维柔性电极之间，用0.05mmtpu薄膜整体包裹后，通过热封机对开口四周进行热压密封从而获得传感器在传感器的上下两侧使用铜线作为测试电极引出接入性能测试系统。较现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
15、1、本专利技术传感器采用的三维结构内部构建有三维的导电网络。这些网络由微观至宏观尺度的导电纤维交织而成，形成一个位于不同平面的连续的导电路径，具有大比表面积和高孔隙率的立体结构特点，相比与平板电极，在相同外部压力下，三维结构内部的导电纤维架构在与介电离子层接触可以形成位于不同平面的双电层（edl）电容，显著提高电极与介电离子层之间形成的离子双电层（edl）电容数量，在宏观上产生了μf/cm2级的超高电容，远高于普遍处于nf/cm2级的传统的基于平板电极的离子电容式的压力触觉传感器，可有效抵抗环境电容噪声的干扰(pf/cm2量级)，具有高灵敏度、高信噪比的优势。
16、2、本专利技术在提高电容信号的振幅同时，提高了压力传感器的灵敏度，使该传感装置在大压力范围内兼具超高灵敏度。
17、3、本专利技术在三维结构柔性多孔电极与高孔隙率的开孔聚氨酯海绵，海绵与离子液体相结合的可压缩软介质作为介电离子层，其高匹配的弹性模量，解决了传统的厚度控制电容传感器软介质难压缩，机械形变差，因厚度变化受限及平板二维电极结构限制，导致灵敏度在低压范围（0-10kpa）灵敏度急剧本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种基于三维结构电极的离子电容式压力传感器，其特征在于，包括由上至下依次设置的第一电极、弹性微结构以及第二电极；
2.根据权利要求1所述的一种基于三维结构电极的离子电容式压力传感器，其特征在于，所述离子电容式压力传感器还包括设置在第一电极上方的第一封装层和设置在第二电极下方的第二封装层。
3. 根据权利要求1所述的一种基于三维结构电极的离子电容式压力传感器，其特征在于，所述第一电极和第二电极包括基底和导电纤维，所述基底为开孔聚氨酯发泡海绵，所述导电纤维通过在基底上经过 PVD 导电化处理和电沉积金属加厚处理制备，所述金属种类为镍和铜。
4.根据权利要求3所述的一种基于三维结构电极的离子电容式压力传感器，其特征在于，所述介电离子层开孔聚氨酯海绵-离子溶液复合泡沫中聚氨酯海绵：离子溶液的质量比为1:10。
5.一种如权利要求1所述基于三维结构电极的离子电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
【技术特征摘要】
1.一种基于三维结构电极的离子电容式压力传感器，其特征在于，包括由上至下依次设置的第一电极、弹性微结构以及第二电极；
2.根据权利要求1所述的一种基于三维结构电极的离子电容式压力传感器，其特征在于，所述离子电容式压力传感器还包括设置在第一电极上方的第一封装层和设置在第二电极下方的第二封装层。
3. 根据权利要求1所述的一种基于三维结构电极的离子电容式压力传感器，其特征在于，所述第一电极和第二电极包括基底和...
【专利技术属性】
技术研发人员：张君彦，王浩然，商睿哲，曹真浩，宋永欣，张均东，
申请(专利权)人：大连海事大学，
类型：发明
国别省市：
还没有人留言评论。发表了对其他浏览者有用的留言会获得科技券。