(19)中华人民共和国国家知识产权局
(12)发明专利申请
(10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201810639272.4
(22)申请日 2018.06.20
(71)申请人 北方工业大学
地址 100000 北京市石景山区晋元庄路5号
北方工业大学
(72)发明人 谭晓兰 赵全亮 刘扬 何广平
狄杰建
(74)专利代理机构 北京高沃律师事务所 11569
代理人 王戈
(51)Int.Cl.
G01L 1/16(2006.01)
G01L 9/08(2006.01)
H01L 41/187(2006.01)
B82Y 30/00(2011.01)
(54)发明名称柔性压电式压力传感器及其制备方法(57)摘要本发明公开了柔性压电式压力传感器及其制备方法。该制备方法包括：配置前驱体溶液，基于静电纺丝工艺制备锆钛酸铅压电陶瓷纳米纤维；以柔性基底层为基底，以氧化铟锡为原材料，基于磁控溅射工艺、紫外光刻工艺及湿法腐蚀工艺在柔性基底层的一面上制备叉指电极层；令纳米纤维的一面与叉指电极层的矩形叉指表面接触，在纳米纤维的另一面上制作掩蔽层，连接电极引线及叉指电极层的焊盘，制得柔性压电式压力传感器。本发明的 柔性压电式压力传感器及制备方法，通过采用叉指电极层及锆钛酸铅压电陶瓷纳米纤维层制备压力传感器，提高了柔性压电
式压力传感器的灵敏度。权利要求书2页 说明书6页 附图3页CN 108827502 A 2018.11.16
C N 108827502
A
1.一种柔性压电式压力传感器，其特征在于，包括：
所述柔性压电式压力传感器自下到上依次为柔性基底层、叉指电极层、锆钛酸铅压电陶瓷纳米纤维层及掩蔽层；
所述叉指电极层包括矩形叉指、叉指连接线及焊盘；
所述矩形叉指的一端通过所述叉指连接线连接所述焊盘；
所述锆钛酸铅压电陶瓷纳米纤维层固定于所述叉指电极层上，所述锆钛酸铅压电陶瓷纳米纤维层覆盖所述矩形叉指。
2.根据权利要求1所述的柔性压电式压力传感器，其特征在于，所述柔性基底层的材料为聚对苯二甲酸乙二醇酯，所述柔性基底层的厚度为0.175毫米。
3.根据权利要求1所述的柔性压电式压力传感器，其特征在于，所述叉指电极层的材料为氧化铟锡，所述叉指电极层的厚度为0.2微米～2微米；所述叉指电极层厚度均匀；
所述矩形叉指的叉指宽度为5毫米，相邻的矩形叉指之间的间隙距离为5毫米，所述矩形叉指的对数为5～20对。
4.根据权利要求1所述的柔性压电式压力传感器，其特征在于，所述柔性压电式压力传感器还包括二氧化硅层；
所述二氧化硅层位于所述柔性基底层与所述叉指电极层之间。
5.根据权利要求1所述的柔性压电式压力传感器，其特征在于，所述柔性压电式压力传感器还包括电极引线；
所述电极引线的一端和所述焊盘连接；所述电极引线的另一端自由伸出，用于连接导线。
6.一种柔性压电式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括：
配置前驱体溶液；
基于静电纺丝工艺制备锆钛酸铅压电陶瓷纳米纤维；
以柔性基底层为基底，以氧化铟锡为原材料，基于磁控溅射工艺、紫外光刻工艺及湿法腐蚀工艺在所述柔性基底层的一面上制备叉指电极层，得到第一半成品；
将所述锆钛酸铅纳米纤维放置于所述第一半成品的具有叉指电极层的一面上，令所述锆钛酸铅纳米纤维的一面与所述第一半成品的具有叉指电极层的一面接触；
以固化剂和液态聚二甲基硅氧烷为原材料，基于旋涂工艺在所述锆钛酸铅纳米纤维的另一面上制备掩蔽层，得到第二半成品；
连接电极引线和所述第二半成品的叉指电极层中的焊盘，得到所述柔性压电式压力传感器。
7.根据权利要求6所述的柔性压电式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述配置前驱体溶液，具体包括：
按离子摩尔比Pb:Zr:Ti＝1.1:0.52:0.48称取乙酸铅、硝酸锆及钛酸四丁酯；按体积比4.6：4.3:1称取聚乙烯吡咯烷酮溶液、乙二醇甲醚和冰醋酸；
将所述硝酸锆溶于所述乙二醇甲醚溶液中，充分搅拌至溶液澄清，得到第一混合液；
使用滴管在所述第一混合液中加入3滴乙酰丙酮，得到第二混合液；
将所述钛酸四丁酯加入所述第二混合液中，充分搅拌至溶液澄清，得到第三混合液；
将所述乙酸铅溶于所述冰醋酸中，充分搅拌至溶液澄清，得到第四混合液；
将所述第四混合液逐滴加入所述第三混合液中，边滴边搅拌至溶液澄清，得到第五混合液；
在搅拌2小时后的第五混合液中加入所述聚乙烯吡咯烷酮，得到第六混合液；在所述第六混合液中，所述乙酸铅、所述硝酸锆和所述钛酸四丁酯的浓度之和为0.4mol/L；
对所述第六混合液搅拌12个小时，通过超声波对所述第六混合液作用1小时，得到所述前驱体溶液。
8.根据权利要求7所述的柔性压电式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述基于静电纺丝工艺制备锆钛酸铅压电陶瓷纳米纤维，具体包括：
设定静电纺丝机的接收板的接收距离为6厘米，所述静电纺丝机的注射器推进速度为0.5毫升/小时，所述静电纺丝机的滚筒的转速为40弧度/秒；
将所述前驱体溶液注入所述静电纺丝机，纺制纳米纤维；
对制备的纳米纤维在60摄氏度下恒温干燥10小时；
对制备的纳米纤维在400摄氏度下热处理0.5小时；
对制备的纳米纤维以5摄氏度/分钟的升温速度自60摄氏度升温至400摄氏度，并在400摄氏度下保温0.5小时；
对制备的纳米纤维以5摄氏度/分钟的升温速度自400摄氏度升温至550摄氏度，并在550摄氏度下保温2小时；
对制备的纳米纤维自然冷却到室温，得到所述锆钛酸铅压电陶瓷纳米纤维。
9.根据权利要求6所述的柔性压电式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述以柔性基底层为基底，以氧化铟锡为原材料，基于磁控溅射工艺、紫外光刻工艺及湿法腐蚀工艺在所述柔性基底层的一面上制备叉指电极层，得到第一半成品，具体包括：擦洗厚度为0.175毫米的聚对苯二甲酸乙二醇酯基底；
将擦洗后的聚对苯二甲酸乙二醇酯基底放入酒精蒸汽中干燥；
以固体二氧化硅为靶材，基于磁控溅射工艺在干燥后的聚对苯二甲酸乙二醇酯基底的一面上溅射沉淀一层厚度为10纳米～40纳米的二氧化硅层，得到第三半成品；所述二氧化硅层厚度均匀；
以固体氧化铟锡为靶材，基于磁控溅射工艺在所述第三半成品的二氧化硅层的一面上溅射沉淀一层厚度为0.2微米～2微米的氧化铟锡层，得到第四半成品；
在所述第四半成品的氧化铟锡层的一面上旋涂光刻胶，采用紫外光刻工艺及湿法腐蚀工艺制备叉指电极，得到所述第一半成品。
10.根据权利要求6所述的柔性压电式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述以固化剂和液态聚二甲基硅氧烷为原材料，基于旋涂工艺在所述锆钛酸铅纳米纤维的另一面上制备掩蔽层，得到第二半成品，具体包括：
以体积比为1:10的固化剂和液态聚二甲基硅氧烷制备旋涂液；
将所述旋涂液通过滴管涂抹于所述第一半成品的锆钛酸铅纳米纤维的另一面上，得到第五半成品；
以1000转每分钟的转速对所述第五半成品旋涂处理30秒，得到第六半成品；
对所述第六半成品在60摄氏度下恒温干燥2小时，得到所述第二半成品。
柔性压电式压力传感器及其制备方法
技术领域
[0001]本发明涉及压力传感器领域，尤其涉及一种柔性压电式压力传感器及其制备方法。
背景技术
[0002]随着智能可穿戴产品的迅速发展，对柔性压力传感器的灵敏度要求也越来越高。专利CN106959176A中公开的一种柔性压力传感器，在制作多尺度电极时，是通过涂布机将金纳米棒溶液涂布到聚二甲基硅氧烷上以获得金纳米棒膜，由于制备的金纳米棒膜上的电极为无规则排列方式，且无法控制电极之间的间距，因此采用金纳米棒膜制备出的压力传感器的灵敏度提升幅度较小。
[0003]发明容
[0004]本发明的目的是提供一种柔性压电式压力传感器及其制备方法，以解决现有技术中柔性压电式压力传感器灵敏度低的问题。
[0005]一种柔性压电式压力传感器，包括：所述柔性压电式压力传感器自下到上依次为柔性基底层、叉指电极层、锆钛酸铅压电陶瓷纳米纤维层及掩蔽层；
[0006]所述叉指电极层包括矩形叉指、叉指连接线及焊盘；
[0007]所述矩形叉指的一端通过所述叉指连接线连接所述焊盘；
[0008]所述锆钛酸铅压电陶瓷纳米纤维层固定于所述叉指电极层上，所述锆钛酸铅压电陶瓷纳米纤维层覆盖所述矩形叉指。
[0009]可选的，所述柔性基底层的材料为厚度为0.175毫米的聚对苯二甲酸乙二醇酯。[0010]可选的，所述叉指电极层的材料为厚度为0.2微米～2微米氧化铟锡；所述叉指电极层厚度均匀；
[0011]所述矩形叉指的叉指宽度为5毫米，相邻的矩形叉指之间的间隙距离为5毫米，所述矩形叉指的对数为5～20对。
[0012]可选的，所述柔性压电式压力传感器还包括二氧化硅层；
[0013]所述二氧化硅层位于所述柔性基底层与所述叉指电极层之间。
[0014]可选的，所述柔性压电式压力传感器还包括电极引线；
[0015]所述电极引线的一端和所述焊盘连接；所述电极引线的另一端自由伸出，用于连接导线。
[0016]一种柔性压电式压力传感器的制备方法，所述方法包括：
[0017]配置前驱体溶液，基于静电纺丝工艺制备锆钛酸铅压电陶瓷纳米纤维；
[0018]以柔性基底层为基底，以氧化铟锡为原材料，基于磁控溅射工艺、紫外光刻工艺及湿法腐蚀工艺在所述柔性基底层的一面上制备叉指电极层，得到第一半成品；
[0019]将所述锆钛酸铅纳米纤维放置于所述第一半成品的具有叉指电极层的一面上，令所述锆钛酸铅纳米纤维的一面与所述第一半成品的具有叉指电极层的一面接触；[0020]以固化剂和液态聚二甲基硅氧烷为原材料，基于旋涂工艺在所述锆钛酸铅纳米纤
维的另一面上制备掩蔽层，得到第二半成品；
[0021]连接电极引线和所述第二半成品的叉指电极层中的焊盘，得到所述柔性压电式压力传感器
[0022]可选的，所述配置前驱体溶液，具体包括：
[0023]按离子摩尔比Pb:Zr:Ti＝1.1:0.52:0.48称取乙酸铅、硝酸锆及钛酸四丁酯；按体积比4.6：4.3:1称取聚乙烯吡咯烷酮溶液、乙二醇甲醚和冰醋酸；
[0024]将所述硝酸锆溶于所述乙二醇甲醚溶液中，充分搅拌至溶液澄清，得到第一混合液；
[0025]使用滴管在所述第一混合液中加入3滴乙酰丙酮，得到第二混合液；
[0026]将所述钛酸四丁酯加入所述第二混合液中，充分搅拌至溶液澄清，得到第三混合液；
[0027]将所述乙酸铅溶于所述冰醋酸中，充分搅拌至溶液澄清，得到第四混合液；[0028]将所述第四混合液逐滴加入所述第三混合液中，边滴边搅拌至溶液澄清，得到第五混合液；
[0029]在搅拌2小时后的第五混合液中加入所述聚乙烯吡咯烷酮，得到第六混合液；在所述第六混合液中，所述乙酸铅、所述硝酸锆和所述钛酸四丁酯的浓度之和为0.4mol/L；[0030]对所述第六混合液搅拌12个小时，通过超声波对所述第六混合液作用1小时，得到所述前驱体溶液。
[0031]可选的，所述基于静电纺丝工艺制备锆钛酸铅压电陶瓷纳米纤维，具体包括：[0032]设定静电纺丝机的接收板的接收距离为6厘米，所述静电纺丝机的注射器推进速度为0.5毫升/小时，所述静电纺丝机的滚筒的转速为40弧度/秒；
[0033]将所述前驱体溶液注入所述静电纺丝机，纺制纳米纤维；
[0034]对制备的纳米纤维在60摄氏度下恒温干燥10小时；
[0035]对制备的纳米纤维在400摄氏度下热处理0.5小时；
[0036]对制备的纳米纤维以5摄氏度/分钟的升温速度自60摄氏度升温至400摄氏度，并在400摄氏度下保温0.5小时；
[0037]对制备的纳米纤维以5摄氏度/分钟的升温速度自400摄氏度升温至550摄氏度，并在550摄氏度下保温2小时；
[0038]对制备的纳米纤维自然冷却到室温，得到所述锆钛酸铅压电陶瓷纳米纤维。[0039]可选的，所述以柔性基底层为基底，以氧化铟锡为原材料，基于磁控溅射工艺、紫外光刻工艺及湿法腐蚀工艺在所述柔性基底层的一面上制备叉指电极层，得到第一半成品，具体包括：
[0040]擦洗厚度为0.175毫米的聚对苯二甲酸乙二醇酯基底；
[0041]将擦洗后的聚对苯二甲酸乙二醇酯基底放入酒精蒸汽中干燥；
[0042]以固体二氧化硅为靶材，基于磁控溅射工艺在干燥后的聚对苯二甲酸乙二醇酯基底的一面上溅射沉淀一层厚度为10纳米～40纳米的二氧化硅层，得到第三半成品；所述二氧化硅层厚度均匀；
[0043]以固体氧化铟锡为靶材，基于磁控溅射工艺在所述第三半成品的二氧化硅层的一面上溅射沉淀一层厚度为0.2微米～2微米的氧化铟锡层，得到第四半成品；
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