【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及电容式压力传感器领域，具体涉及一种接触主导场增强的柔性电容式压力传感器及制备方法。
技术介绍
1、柔性电容压力传感器是一类具有力学柔顺性、可共型贴附于非规则表面的新型电子器件，可将压力信号转化为可探测的电容变化量来实现对压力信号的探测。与其他类型的传感器相比，柔性电容式压力传感器具有功耗低、兼具动态和静态压力响应能力等特点，可为人机交互、神经假肢、仿生机器人以及先进健康医疗电子等新兴领域提供核心电子器件支撑。然而，现有的典型柔性电容式传感器存在传感灵敏度相对较低、传感范围相对较窄、响应的线性度不高等问题。
2、为解决上述问题，现有的对柔性电容式传感器改进的设计方案包括微结构化电介质和微结构化电极。具体地，微结构化电介质设计方案是将两个柔性平行板电极之间的弹性体介电层(如聚二甲基硅氧烷，pdms)微结构化，通常在其表面构造单一尺度的微金字塔结构，但是一方面单一尺度微结构化介电层设计在较大压力下容易响应饱和，响应不线性；另一方面弹性体介电层厚度相对较厚，这导致电场及电容的变化量相对较小，使传感器灵敏度不高、传感范围相对较小。此外，单一材料制作的弹性体介电层通常介电常数较低，这也一定程度限制了传感器的灵敏度。
3、微结构电极设计方案通常是将单一微结构化弹性体电极表面蒸镀一层金属或者在单一微结构化弹性体表面涂覆网状纳米导电层(如碳纳米管，cnt)，将其作为可压缩的导电电极。但是，一方面单一尺度的微金字塔结构其响应易于饱和，压力与电极和介电层接触面积的变化的线性关系不强；另一方面，关于电极的设计，仅在
技术实现思路
1、本专利技术解决现有柔性电容器式传感器在传感灵敏度相对较低、传感范围相对较窄、响应的线性度不高、力学稳定性较差的问题，提供一种基于接触主导场增强的柔性电容式压力传感器，不仅能提高传感器的灵敏度，还能扩大传感范围、提高线性响应度以及力学稳定性。
2、本专利技术要保护的技术方案如下：
3、本专利技术提供一种接触主导场增强的柔性电容式压力传感器，包括弹性体复合电极、复合介电层和平面电极，其特征在于所述弹性体复合电极由弹性体电极和金属电极复合而成，所述弹性体电极为由聚二甲基硅氧烷和碳纳米管复合材料制备而成的弹性体，所述弹性体电极朝向复合介电层的外表面形成多尺度微结构，所述金属电极为蒸镀在弹性体电极具有多尺度微结构的外表面的金属层，所述复合介电层由无机金属氧化物介电层和有机介电层形成上下层结构复合而成。
4、优选地，所述聚二甲基硅氧烷和碳纳米复合材料的制备方法为：将聚二甲基硅氧烷与正己烷溶液混合，将碳纳米管通过水浴超声分散于异丙醇中，最后将两种溶液混合。
5、优选地，所述聚二甲基硅氧烷与己烷溶液的比例为1:5-1:10，碳纳米管和异丙醇的比例为的比例为1：200，聚二甲基硅氧烷和碳纳米管比例为100:1-100:5。
6、优选地，所述多尺度微结构为弹性体电极与复合介电层接触的表面形成的若干个不规则的立体结构或若干个大小不相同的微金字塔结构。
7、优选地，所述金属电极是将钛金合金或者铬金合金通过电子束或热蒸镀的方式蒸镀在弹性体电极具有所述多尺度微结构的的外表面上得到的，所述钛或铬的厚度为5nm，金的厚度为50nm。
8、优选地，所述无机金属氧化物材料为氧化铝或氧化钇及其他不导电的无机金属氧化物材料，所述有机材料为聚对二甲苯或聚酰亚胺及其他可热沉积或旋涂的薄膜有机材料。
9、本专利技术还提供一种接触主导场增强的柔性电容式压力传感器的制备方法，步骤如下：
10、s1:使用聚二甲基硅氧烷和和碳纳米管的混合溶液制备弹性体电极，使弹性体电极朝向复合介电层的外表面形成多尺度微结构，在弹性体电极具有所述多尺度微结构的外表面通过电子束或热蒸镀钛金合金或者铬金合金得到金属电极，所述所述钛或铬的厚度为5nm，金的厚度为50nm，最终得到由弹性体电极和金属电极复合而成的弹性体复合电极。
11、s2:在低阻硅片上热沉积或旋涂1-3μm厚度的柔性衬底材料，在柔性衬底材料上蒸镀平面电极，在平面电极上沉积无机金属氧化物介电层和有机介电层，再通过电化学刻蚀的方法将低阻硅片与柔性衬底剥离，得到具有柔性衬底的与平面电极相连的复合介电层。
12、s3：将具有柔性衬底的平面电极、s1中得到的弹性体复合电极与s2中得到的具有柔性衬底的与平面电极相连的复合介电层按顺序自上而下贴合组装，得到接触主导场增强的柔性电容式压力传感器。
13、优选地，所述形成多尺度微结构的方法是指将聚二甲基硅氧烷和和碳纳米管混合溶液滴涂到疏水衬底上，抽真空后加热固化，混合溶液在固化过程中，表面自然形成的不规则的微结构；或是通过光刻方法刻蚀硅片，得到具有若干个大小各不相同微金字塔结构的模具，将模具疏水处理后，把聚二甲基硅氧烷和和碳纳米管混合溶液倒入模具中并抽真空，加热固化后再将模具剥离，使弹性体电极朝向复合介电层接触的外表面形成若干个大小不同的微金字塔结构。
14、优选地，所述沉积无机金属氧化物介电层和有机介电层是指采用原子沉积法沉积约5nm-20nm厚度的无机金属氧化物介电层；或是使用蒸镀或热氧化的方法在平面电极表面得到5nm-20nm厚度的无机金属氧化物介电层，再通过热沉积或者旋涂的方法得到厚度小于1μm的有机介电层。
15、优选地，所述有机介电层的厚度为100-200nm。
16、本专利技术的有益效果如下：
17、本专利技术提供了接触主导场增强的柔性电容式压力传感器，包括弹性体复合电极、复合介电层和平面电极，其特征在于所述弹性体复合电极由弹性体电极和金属电极复合而成，所述弹性体电极为由聚二甲基硅氧烷(pdms)和碳纳米管(cnt)复合材料制备而成的弹性体，所述弹性体电极朝向复合介电层的外表面形成多尺度微结构，所述金属电极为蒸镀在弹性体电极具有多尺度微结构外表面的金属层；所述复合介电层由无机金属氧化物介电质和有机介电层形成上下层结构复合而成。由于弹性体复合电极是由聚二甲基硅氧烷(pdms)和碳纳米管(cnt)两种材料的液体进行混合制备而成的弹性体，同时弹性体电极具有多尺度微结构的外表面又蒸镀有金属电极，因此碳纳米管在弹性体电极中形成高力学稳定性的纳米导电网络，可避免由于弹性体电极和金属电极力学不匹配导致的在较大应力或应变下单一金属电极断裂而引起的灵敏度下降；同时，蒸镀在弹性体电极具有多尺度微结构外表面的金属层电极则可有效提高单一纳米网状结构的有效导电面积。
18、弹性体电极朝向复合介电层的外表面形成的多尺度微结构，一方面在弹性体复合电极与复合介电层之间引入了更多的间隙，本文档来自技高网...
【技术保护点】
1.一种接触主导场增强的柔性电容式压力传感器，包括弹性体复合电极、复合介电层和平面电极，其特征在于所述弹性体复合电极由弹性体电极和金属电极复合而成，所述弹性体电极为由聚二甲基硅氧烷和碳纳米管复合材料制备而成的弹性体，所述弹性体电极朝向复合介电层的外表面形成多尺度微结构，所述金属电极为蒸镀在弹性体电极具有多尺度微结构的外表面的金属层，所述复合介电层由无机金属氧化物介电层和有机介电层形成上下层结构复合而成。
2.根据权利要求1所述的弹性体电极，其特征在于所述聚二甲基硅氧烷和碳纳米复合材料的制备方法为：将聚二甲基硅氧烷与正己烷溶液混合，将碳纳米管通过水浴超声分散于异丙醇中，最后将两种溶液混合。
3.根据权利要求2所述的弹性体电极，其特征在于所述聚二甲基硅氧烷与正己烷溶液的比例为1:5-1:10，碳纳米管和异丙醇的比例为的比例为1：200，聚二甲基硅氧烷和碳纳米管比例为100:1-100:5。
4.根据权利要求1所述的多尺度微结构，其特征在于所述多尺度微结构为弹性体电极与复合介电层接触的表面形成的若干个不规则的立体结构或若干个大小不相同的微金字塔结构。
5.根据权利要求1所述的金属电极，其特征在于所述金属电极是将钛金合金或者铬金合金通过电子束或热蒸镀的方式蒸镀在弹性体电极具有所述多尺度微结构的外表面上得到，所述钛或铬的厚度为5nm，金的厚度为50nm。
6.根据权利要求1所述的复合介电层，其特征在于所述无机金属氧化物材料为氧化铝或氧化钇及其他不导电的无机金属氧化物材料，所述有机材料为聚对二甲苯或聚酰亚胺及其他可热沉积或旋涂的薄膜有机材料。
7.一种接触主导场增强的柔性电容式压力传感器的制备方法，步骤如下：
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于所述形成多尺度微结构的方法是指将聚二甲基硅氧烷和和碳纳米管混合溶液滴涂到疏水衬底上，抽真空后加热固化，混合溶液在固化过程中，表面自然形成的不规则的微结构；或是通过光刻方法刻蚀硅片，得到具有若干个大小各不相同微金字塔结构的模具，将模具疏水处理后，把聚二甲基硅氧烷和和碳纳米管混合溶液倒入模具中并抽真空，加热固化后再将模具剥离，使弹性体电极朝向复合介电层接触的外表面形成若干个大小不同的微金字塔结构。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于所述沉积无机金属氧化物介电层和有机介电层是指采用原子沉积法沉积约5nm-20nm厚度的无机金属氧化物介电层；或使用蒸镀或热氧化的方法在平面电极表面得到5nm-20nm厚度的无机金属氧化物介电层，再通过热沉积或者旋涂的方法得到厚度小于1μm的有机介电层。
10.根据权利要求9所述的制备方法，其特征在于所述有机介电层的厚度为100-200nm。
...【技术特征摘要】
1.一种接触主导场增强的柔性电容式压力传感器，包括弹性体复合电极、复合介电层和平面电极，其特征在于所述弹性体复合电极由弹性体电极和金属电极复合而成，所述弹性体电极为由聚二甲基硅氧烷和碳纳米管复合材料制备而成的弹性体，所述弹性体电极朝向复合介电层的外表面形成多尺度微结构，所述金属电极为蒸镀在弹性体电极具有多尺度微结构的外表面的金属层，所述复合介电层由无机金属氧化物介电层和有机介电层形成上下层结构复合而成。
2.根据权利要求1所述的弹性体电极，其特征在于所述聚二甲基硅氧烷和碳纳米复合材料的制备方法为：将聚二甲基硅氧烷与正己烷溶液混合，将碳纳米管通过水浴超声分散于异丙醇中，最后将两种溶液混合。
3.根据权利要求2所述的弹性体电极，其特征在于所述聚二甲基硅氧烷与正己烷溶液的比例为1:5-1:10，碳纳米管和异丙醇的比例为的比例为1：200，聚二甲基硅氧烷和碳纳米管比例为100:1-100:5。
4.根据权利要求1所述的多尺度微结构，其特征在于所述多尺度微结构为弹性体电极与复合介电层接触的表面形成的若干个不规则的立体结构或若干个大小不相同的微金字塔结构。
5.根据权利要求1所述的金属电极，其特征在于所述金属电极是将钛金合金或者铬金合金通过电子束或热蒸镀的方式蒸镀在弹性体电极具有所述多尺度微结构的外表面上得到，所述钛或铬的厚度...
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