高稳定性的柔性电容式压力传感器、其延时标定方法及压力检测方法与流程

本发明属于柔性技术与压力传感，特别涉及高稳定性的柔性电容式压力传感器、其延时标定方法及压力检测方法。

背景技术：

1、近年来随着柔性电子技术的发展，柔性体的压力分布检测成为各国研究热点之一，目前各种类型的柔性压力传感器被开发出来，例如电容式、压阻式、压电式等,其原理是在压力作用下导电材料或者导电结构的电阻、电容或电流等电学参数发生变化，通过这些电学参数的变化检测压力的大小。检测稳定性是衡量柔性压力传感器的关键性能，具有高稳定性的柔性压力传感器在柔性电子技术中具有广阔的应用前景，例如可应用于智能服装、智能家居、智能机器人、生物仿真等领域。

2、柔性电容式压力传感器是一种常用的柔性压力传感器，包括柔性顶电极、柔性底电极以及位于二者之间具有导电绝缘性的柔性介电材料，具有结构简单、功耗低以及稳定性良好等显著优势。目前市场上已经实现高精度压力监测商业化的公司中，加拿大xsensor和德国novel两家公司采用电容式方案。xsensor公司的lx系列压力阵列传感器的工作温度为10-45度，可提供准确的压力分布数据，为座椅设计提供全面的人体压力分布数据。其优点在于检测精度高(±5％)，最小检测精度为0.1psi，可以测量较低的负载压力。novel公司的pliance系统集成了1024个传感器，采样频率高达100hz，压力范围为1-127n/cm2，检测精度为±5％，滞后小于3％，可作静态测量，也可用于记录动态数据。

3、柔性电容式压力传感器中，柔性介电材料是影响其检测稳定性的关键因素之一，目前，柔性电容式压力传感器中的柔性介电材料主要采用具有弹性的有机高分子材料，例如聚氨酯海绵、三元乙丙橡胶(epdm)等。但是，大部分有机高分子材料经长时间、大负载作用后易产生不可逆的永久变形和硬度(弹性模量)变化，严重影响压力检测值的准确性，例如，采用聚氨酯海绵作为柔性介电材料时，经过长时间负载作用和/或大负载作用下，海绵结构发生不可逆变化，硬度也发生变化，当卸除负载后，其结构不能完全恢复，导致再次施加负载时形变量发生变化，严重影响检测值稳定性。为了提高检测值稳定性，经常需要对传感器进行重新标定。为了提高检测稳定性，通常采用模量较高的高分子材料，在负载作用下形变量较小，但是随之带来的是检测灵敏度、最小检测量程以及检测精度的降低。因此，通常采取介电材料表面微结构化或者导电掺杂的方提高检测灵敏度。例如，中国科学院半导体所沈国震课题组成功研制一种基于银纳米线/pdms复合电介质层材料的柔性透明电容式压力传感器，灵敏度达到0.831kpa-1。中国科学院苏州纳米技术及纳米仿生研究所张珽研究员课题组利用荷叶表面存在的天然微结构作为仿生模板，利用微结构扩张同时实现极距减小、接触面积增加及介电常数改变等多参数的协同变化，获得灵敏度为0.815kpa-1、响应时间为38ms及响应范围为0-50n的柔性电容式传感器，并且能够实现对触压、扭曲及拉伸等不同力学量的选择性响应。韩国成均馆大学yong-hoon kim课题组报道了一种由高介电常数的离子凝胶膜(ig膜)与导电织物组成的电容式离子电子(cit)压力传感器阵列，具备高达308nf/kpa的灵敏度。

4、另外，具有弹性的有机高分子材料基本属于粘弹性体，粘弹性体存在蠕变特性，即，施加一定应力时，除了瞬时应变以外还会产生一个随时间而变化的可逆形变，导致压力检测值随着时间变化而变化，进一步影响检测值稳定性。

5、因此，通过柔性介电层材料的选择和结构设计，提高柔性电容式压力传感器的稳定性，并保证其灵敏度、检测量程，并实现大面积制备是柔性压力传感器制备的关键。

技术实现思路

1、针对上述技术现状，本发明旨在提供一种高稳定性的柔性电容式压力传感器。

2、为了实现该技术目的，本发明人经过大量材料研究与实验后发现采用发泡硅橡胶作为柔性电容式压力传感器的柔性介电材料能够提高柔性电容式压力传感器的检测值稳定性，得到具有高稳定性的柔性电容式压力传感器。

3、发泡硅橡胶是一种以硅橡胶为基体，经过发泡工艺制成的多孔高分子材料，结合了硅橡胶与发泡材料的优点，不仅质轻、绝缘性良好、压缩率高，而且具有回弹性高、抗压缩形变和抗蠕变性能优良、永久变形低、重复疲劳低等优点，因此，当柔性电容式压力传感器的柔性介电材料为发泡硅橡胶时，与海绵、橡胶等材料作为柔性介电材料相比，一方面能够显著降低经长时间、大负载作用后产生不可逆的永久变形和硬度变化对检测值稳定性的影响，另一方面能够显著降低因蠕变特性对检测值稳定性的影响。并且，发泡硅橡胶耐高低温，因此使用温度广，可在-55℃至200℃范围稳定使用。

4、即，本发明提供的技术方案是：一种高稳定性的柔性电容式压力传感器，包括第一柔性导电层、第二柔性导电层，以及夹在第一柔性导电层与第二柔性导电层之间的柔性介电层；柔性介电层材料是发泡硅橡胶。

5、所述发泡硅橡胶的基体不限，包括聚二甲基硅氧烷聚合物(pdms)等。

6、所述发泡硅橡胶的制备方法不限，包括化学发泡与物理发泡等，例如采用硅氢加成发泡、超临界co2发泡等。

7、为了兼顾高检测灵敏度与高检测量程，本发明人还从柔性介电层的如下方面进行深入研究探索。

8、(一)柔性介电层的厚度与发泡硅橡胶的硬度

9、对于柔性电容式压力传感器，其电容与介电常数和厚度的关系为：εr为柔性介电层的相对介电常数，ε0为真空介电常数，s为传感单元面积，d为第一柔性导电层与第二柔性导电层之间的距离，即柔性介电层的初始厚度。在压力值f作用下柔性介电层的厚度发生变化，引起柔性电容式压力传感器的电容值发生变化。当柔性介电层的厚度变化率较小时，电容式压力传感器的灵敏度与柔性介电层的厚度以及发泡硅橡胶的硬度(弹性模量)有关，柔性介电层材料一定，即，弹性模量相同时，柔性介电层的初始厚度越小，电容式传感器的灵敏度越高；柔性介电层的厚度相同时，柔性介电层材料的弹性模量越低灵敏度越高。

10、(二)发泡硅橡胶的泡孔结构

11、一般情况下，如图1所示，发泡硅橡胶经发泡工艺在内部(即柔性介电层的上表面1与下表面2之间)形成的泡孔呈闭孔结构3，称这种发泡硅橡胶为闭孔发泡硅橡胶。当施加负载压力时，由于闭孔无法排出内部空气，闭孔发泡硅橡胶的变形量小，有利于提高传感器的压力检测量程；但是另一方面，变形量小会导致电容变化量小，从而会降低传感器的检测灵敏度。

12、为了提高传感器的压力检测灵敏度，本发明人经过大量实验探索后发现，将发泡硅橡胶中的闭孔结构开孔化，即，如图3、4所示，使闭孔结构3变为开孔结构4，当相同的压力作用在开孔结构时，变形量显著提高，从而能够提高压力检测灵敏度。

13、进一步地，为了兼顾高检测量程与高检测灵敏度，优选只对发泡硅橡胶中的部分闭孔结构开孔化而形成开孔结构，即，发泡硅橡胶中不仅存在开孔结构，而且存在闭孔结构。

14、发泡硅橡胶中的闭孔结构开孔化方法不限，包括物理方法或者化学方法。

15、作为一种实现方式，采用切割工艺，使发泡硅橡胶内部包含的若干闭孔结构中至少部分闭孔结构成为开孔结构。例如，图2所示，沿垂直于柔性介电层厚度方向对柔性介电层进行切割，形成切割线5，切割后的柔性介电层如图3所示。进一步地，可以通过调整切割线5至柔性介电层上表面或下表面的距离调整开孔化程度。

16、作为另一种实现方式，采用激光打孔工艺，如图4所示，利用激光束照射发泡硅橡胶，使其内部至少部分闭孔结构被击穿形成开孔结构。通过控制激光束的波长、脉冲宽度、功率、光束发散角、聚焦状态等中的一种或者几种控制开孔化程度。作为优选，采用光束照射发泡硅橡胶，使其中闭孔结构被照亮而能够被定位，从而能够针对需要开孔化的闭孔结构进行激光打孔使其成为开孔结构。

17、另外，还可以采用化学方法进行闭孔结构开孔化，现有技术中公开的使发泡硅橡胶中的闭孔结构开孔化的方法可用于本发明。

18、(三)发泡硅橡胶的泡孔分布

19、如图1-4所示，柔性介电层内部存在若干泡孔，这些泡孔可能呈无规则分布，在柔性介电层厚度方向上可能存在多个泡孔。

20、本发明发现，如图5所示，在柔性介电层厚度方向上设计为单个泡孔，即，柔性介电层内部的泡孔呈单层排布时，与在柔性介电层厚度方向上存在多个泡孔相比，一方面降低了硅胶密度，提高了孔隙率，在相同的负载作用下厚度变化量增大，从而使电容变化量增大，灵敏度提高，另一方面泡孔呈单层排布时，泡孔排布规则，能够大大提高对传感器的稳定性、灵敏度以及检测量程的可控性，例如，可以通过控制泡孔密度、泡孔尺寸、上表面至泡孔的距离、下表面至泡孔的距离中的一种或者几种控制传感器的稳定性、灵敏度以及检测量程中的一种或者几种。

21、当柔性介电层内部的泡孔呈单层排布时，作为优选，柔性介电层的厚度控制在0.6mm-1.5mm，进一步优选为0.8mm-1.2mm。

22、作为优选，上表面至每个泡孔的距离为0.01mm-0.2mm。

23、作为优选，下表面至每个泡孔的距离为0.01mm-0.2mm。

24、作为优选，沿着柔性介电层的厚度方向，每个泡孔尺寸为0.4-1.0mm，更优选为0.5-0.8mm。

25、作为优选，沿着垂直柔性介电层厚度的方向，每个泡孔尺寸为0.2-1.0mm，更优选为0.4-0.8mm。

26、作为优选，在发泡硅橡胶的制作过程中，通过对发泡过程中的配方调整和/或温度控制得到所述单层排布的泡孔。

27、综合考虑(一)，本发明人经过大量实验探索后发现，选择邵氏硬度(测试标准为国标gb/t 531.1-2008测出的硬度值)为10-40shorea的发泡硅橡胶作为柔性介电层，并且将柔性介电层的厚度控制在0.6mm-2.0mm时能够在保证高检测稳定性的同时兼顾高检测量程与高检测灵敏度。

28、进一步地，综合考虑(一)与(二)，选择邵氏硬度为10-40shorea的发泡硅橡胶作为柔性介电层，将柔性介电层的厚度控制在0.6mm-2.0mm，并且使闭孔结构变为开孔结构，发泡硅橡胶在25％压缩形变条件下的应力能够达到30-62kpa，能够进一步提高检测灵敏度，当发泡硅橡胶中不仅存在开孔结构，而且存在闭孔结构时还能够兼顾高检测量程与高检测灵敏度。

29、进一步地，综合考虑(一)与(三)，选择邵氏硬度为10-40shorea的发泡硅橡胶作为柔性介电层，将柔性介电层的厚度控制在0.6mm-2.0mm，并且如图5所示，沿着柔性介电层厚度方向为单个泡孔，即，柔性介电层内部的泡孔呈单层排布时，不仅能够进一步提高检测灵敏度，而且有利于提高稳定性、检测灵敏度性以及检测量程的可控性。

30、更进一步地，综合考虑(一)、(二)与(三)，选择邵氏硬度为10-40shorea的发泡硅橡胶作为柔性介电层，将柔性介电层的厚度控制在0.6mm-2.0mm，柔性介电层内部的泡孔呈单层排布，并且，如图7、9、10、11所示，柔性介电层内部为开孔结构时能够更加进一步提高检测灵敏度，而且有利于提高检测稳定性、灵敏度以及检测量程的可控性。优选地，如图9、11所示，当发泡硅橡胶中不仅存在开孔结构，而且存在闭孔结构时能够兼顾高检测量程与高检测灵敏度。

31、本发明从柔性电容式压力传感器材料方面考虑，选择发泡硅橡胶作为柔性介电层材料，由于发泡硅橡胶压缩率高、回弹性高、抗压缩形变和抗蠕变性能优良、永久变形低、重复疲劳低，因此能够显著提高柔性电容式压力传感器的稳定性，解决现有的柔性介电层采用的有机高分子材料经长时间、大负载作用后易产生不可逆的永久变形和硬度变化而导致压力检测值不稳定的问题。并且，本发明深入考虑柔性介电层的厚度、发泡硅橡胶的硬度、发泡硅橡胶的泡孔结构以及泡孔分布，通过发泡硅橡胶的厚度与硬度的选择，泡孔的结构设计，以及泡孔的分布控制，不仅提高了高稳定性，还兼顾高检测量程与高检测灵敏度，并且提高了性能可控性，因此显著提高了柔性电容式压力传感器的综合性能，具有广阔的应用前景。

32、另外，本发明还从柔性介电层的蠕变特性考虑，旨在保持传感器形状结构的前提下，解决柔性介电层蠕变中随时间变化的可逆形变部分导致的传感器压力检测值不稳定问题，从而进一步提高本发明柔性电容式压力传感器的检测稳定性。为此，本发明人还提供一种柔性电容式压力传感器的标定方法，引入时间参数，称为延时标定，具体包括如下步骤：

33、对柔性电容式压力传感器施加压力，压力值分别为标定的基准压力值，记作p1、p2……pk，k是大于或者等于1的整数，并且在各基准压力值下加载一定时间t，检测在基准压力值为px的压力加载下，柔性电容式压力传感器输出的电容值c基准压力与加载时间t的变化曲线，称为延时标定曲线，记作c基准压力(px，t)，0≤t≤t，x分别为1、2、3……k。

34、该柔性电容式压力传感器用于实际负载作用下的压力检测时，检测方法中也引入压力加载时间，称为动态检测方法，包括如下步骤：

35、(1)实时检测该柔性电容式压力传感器在加载时间为ty时输出的电容值cty；

36、(2)以加载时间与电容值作为对比参数，将cty与延时标定曲线进行比对，得到一组接近的标定电容值c基准压力；

37、即，首先比对加载时间，得到与ty最接近的时间为tm，则从所述延时标定曲线中选择tm时刻的标定电容值c基准压力(px，tm)；然后比对电容值，将cty与c基准压力(px，tm)进行比对，得到cty位于c基准压力(pz，tm)与c基准压力(pz+1，tm)之间，即接近的一组标定电容值为基准压力pz、pz+1下的标定电容值c基准压力(pz，tm)与c基准压力(pz+1，tm)，z＝1、2、3……或k-1；

38、(3)利用线性插值方法，对cty与c基准压力(pz，tm)、c基准压力(pz+1，tm)进行插值计算，得到在加载时间ty范围内负载的压力值f(t)，0≤t≤ty。

39、压力施加装置不限，可以是专利文献cn101281073a中公开的包括工作平台和压力头测试部件的定位传动部件；也可以是包括气泵、充气阀、密封腔体的装置，将柔性电容式压力传感器置于密封腔体中，利用气泵向密封腔体充气，通过充气阀调节腔体内的气体压力，例如专利文献cn201610077262.7中公开的标定装置等；还可以是气囊装置，例如cn106525332 a中公开的气囊装置。

40、所述的加载时间ty可以以输出的电容值作为参考，如果失去负载作用，输出的电容值恢复初始值，负载加载时间ty则恢复零值，至负载再次施加时重新计时。

41、所述步骤(3)中，线性插值方法可以以加载时间ty和输出的电容值cty作为双变量进行双线性插值，也可以选取与加载时间ty最接近的标定值进行线性插值。所述的加载时间ty并不限制于标定的时间t之内。当ty＞t时，可采用外插方法或者使用t时刻的标定值。

42、以上所述是单个压力传感器的延时标定与动态压力检测过程。当若干个所述柔性电容式压力传感器阵列排布形成压力阵列传感器时，对该压力阵列传感器整体加压，通过微电脑控制和行列扫描方式，计算得到各压力传感器的压力数据，通过上述方法对各压力传感器进行延时标定与动态压力检测。因此，本发明的延时标定与动态压力检测方法也可应用于压力阵列传感器。作为一种实现方式，所述第一柔性导电层由m条互相平行的导电条带组成，并且相邻导电条带之间存在间距；第二柔性导电层由n条互相平行的导电条带组成，并且相邻导电条带之间存在间距，m≥1，n≥1；第一柔性导电层的导电条带与第二柔性导电层的导电条带形成m×n个交叉，每个交叉通过所述柔性介电层形成交叉连接，每个交叉连接即为一个传感单元，整体形成m×n压力阵列传感器。

43、与现有技术相比，本发明提供的延时标定方法具有如下有益效果：

44、(1)针对柔性电容式压力传感器，在输出标定中考虑了柔性电容式压力传感器的弹性蠕变，引入时间参数，有效解决了弹性蠕变导致的输出误差，进一步大大提高了传感器的检测稳定性；

45、(2)利用本发明的延时标定方法对柔性电容式压力传感器的输出标定后，在实际负载压力检测中也引入时间参数，检测负载加载一定时间输出的电容值，以加载时间与输出的电容值作为对比参数，与该传感器的延时标定比对，得到一组接近的标定值，然后利用线性插值方法得到实际负载的压力值。

46、(3)本发明的标定方法与动态检测方法简单易操作，在柔性电容式压力传感器的生产与使用中具有良好的应用前景。