江南官方体育app采用封装液体作为电介质的柔性电容式传感器

　　需要柔性和高灵敏度电容式传感器来检测曲面上的压力分布和/或触觉信息，因此，已经开发了各种基于聚合物的柔性MEMS传感器，通过使用固体介电材料增加传感器的电容，同时降低柔韧性，可以实现高灵敏度，使用空气作为电介质，以保持灵活性，牺牲传感器灵敏度。

　　在本文中，我们展示了灵活且高灵敏度的电容式传感器阵列，该阵列将高介电液体封装为电介质，去离子水和的相对介电常数分别约为80和47，当用作电介质时，可以增加传感器的电容，同时保持传感器的灵活性，电极图案化在柔性聚合物基板上。

　　电极之间的液体储液器设计为具有泄漏路径，尽管封装的液体不可压缩，但仍允许传感器变形，所提出的传感器经过微加工，并成功证明其灵敏度是使用空气作为电介质的传感器的五倍。

　　我们提出了一种基于聚合物的电容式传感器，该传感器使用去离子（DI）水和作为电介质，当对设备施加压力时，电极的电容增加，去离子水是液体，具有约80.4的高相对介电常数，即所提出的传感器具有高灵敏度，可以定义为电容变化与施加压力的比率，同时保持其灵活性。

　　还具有高相对电介质，如47，是一种非挥发性液体，有助于器件的长期稳定性，我们使用PDMS（聚二甲基硅氧烷）作为该设备的结构材料，由于金属电极和电线与PDMS层的附着力较差，因此我们使用聚酰亚胺薄膜作为中间层。

　　我们设计了一个逃生储液罐，当对传感器施加压力时，允许不可压缩的液体（如去离子水和）从电极之间的空腔中移动，进而允许柔性传感器变形以改变电容，我们对所提出的传感器进行了微加工，并通过实验证明了其高灵敏度和灵活性。

　　该器件由六层组成，如图所示，凸块层（L1）由PDMS制成，凸块高度为300μm，直径为1mm，以提高传感器的空间分辨率，1毫米的空间分辨率与人类触觉的分辨率相当，顶部和底部电极层（L2 和 L5）包含沉积在聚酰亚胺薄膜上的 18 μm 厚度的铜电极。

　　3 x 3对直径为1 mm，间隙为500 μm的圆形电极设计为与L1的凸块对齐，大间隙导致低电容，因此器件的灵敏度低，而小间隙导致腔室塌陷的可能性很高，因为柔性聚合物结构可能会限制可检测的压力范围，由于L9和L2上的5个电极不是机械隔离的，因此区分任意形状的分辨率由凸块几何形状决定，金属线μm。

　　由于铜和PDMS之间的附着力较差，特别是存在变形，如我们在下面的第3.1节中所讨论的那样，因此使用厚度为25μm的光敏聚酰亚胺作为中间层，以增强附着力而不会失去柔韧性，当传感器承受大负载并且L3和L15接触时，形成厚度为3μm的绝缘层（L5），以确保电极之间的电气隔离，

　　为了验证所提传感器的工作原理，使用商用有限元求解器（ANSYS ED 9.0）对凸块层的变形进行了仿真，将单元类型定义为大变形材料，并使用衬板弹性变形模式进行分析，使用ANSYS设计建模器构建模型膜，仿真中使用的材料属性为杨氏模量为3.5 MPa，泊松比为0.499 MPa。

　　在所有方向上都是固定的，将压力施加到安装在中心电极上的凸块上，如图所示，当将2 kPa的压力施加到凸块上时，液体被推入逃生储液罐，这反过来又使上层变形为半椭圆形，如图所示，当在凸块上施加 200 kPa 时，计算出输送的流体体积为 7.71 × 10?6毫米3.这对应于逃生储层上层的位移102μm，电阻压力计算为70 Pa，仅为施加压力的0.035%，可以忽略不计。

　　所提出的柔性电容式传感器主要由PDMS组成，而电极则在凸块和底层上图案化，当铜直接在PDMS上气相沉积时，由于沉积过程中涉及的热量，观察到沉积层中的裂纹和不均匀性，我们使用厚度为25μm的光敏聚酰亚胺薄膜和18μm厚的铜层（MC18-25-00FRM，新日铁化学株式会社）在不损失传感器柔韧性的情况下对电极进行图案化，感光聚酰亚胺是一种负型光敏树脂，当照射波长为200nm~400nm的紫外光时会变硬，它在固化过程后保持其柔韧性，铜线μm，铜层和聚酰亚胺层之间的粘合力足够强，使它们变形而不会出现任何断裂。

　　单独制造六层，然后粘合在一起，该程序可有效微细加工三维结构，电极和布线通过光刻工艺在聚酰亚胺薄膜上制造和图案化。

　　对于上电极层和下电极层，用六甲基二硅氮烷（OAP，东京大贺工业株式会社）使表面疏水后，在铜层上旋涂正性光刻胶（AZ7320，Microchem Corp.），光刻胶是在曝光后在显影溶液（AZ400K，Microchem Corp.）中开发的，铜层由氯化铁（FeCl3）（H-1000A，Sunhayato株式会社）。

　　为了形成间隔层和凸块层，使用光刻图案负光刻胶（SU-8 2075，Microchem Corp.）作为模具，凸块和垫片的高度分别设计为300μm和500μm，SU-8 2000 系列的粘度非常高，其最大可调厚度小于 300 μm。

　　由PDMS制成的厚度为15μm的绝缘层直接旋涂在上电极上，为了形成底层，PDMS在玻璃基板上用氟碳聚合物旋涂，这减弱了PDMS对基板的附着力并促进剥离过程，将非晶氟碳化合物CYTOP型B（旭硝子株式会社）和CYTOP型A依次在玻璃基板上旋涂和固化，CYTOP B型用于增强CYTOP A型与玻璃基板之间的附着力，用激光显微镜（VK-9700，基恩士有限公司）测量膜的厚度。

　　将制造的六层粘合在一起，如图4所示，PDMS层在通过等离子蚀刻机（SEDE-P，Meiwafosis Co.，Ltd.）进行氧等离子处理后粘合到聚酰亚胺薄膜上，如图（a，b）所示，为了在不注入气泡的情况下封装液体，使用BiLT（液体键合技术）粘合上电极层和间隔层。

　　UV固化树脂（3164 ThreeBond紫外光固化树脂，Threebond公司）用作胶水，首先，将紫外光固化树脂旋涂在玻璃基板上，通过将间隔层冲压在树脂上，将其转移到间隔层的粘合表面上，电极层和间隔层在液体中结合，同时暴露在紫外线下，由于粘合是在液体中进行的，因此没有观察到气泡的注入和由自身重量引起的柔性基板变形，包封过程在室温和大气压下进行。

　　制造的器件如图（a）所示，内部装有液体的传感器非常灵活，可以承受较大的变形而不会发生断裂，如图（b）所示，完成的电容式触觉传感器使用如图6所示的实验设置进行了测试，使用分辨率为7746 aF的市售数字电容转换器（AD4，ADI公司）来测量电容。

　　将尖锐的尖端（尖端直径为100μm）连接到分辨率为001μm的z轴载物台（PAT-2，Shigma Kohki Co.，Ltd.），它按下传感器，同时通过分辨率为50 mN的数字测力计,记录尖端的位移和施加的压力，所有仪器都布置在防静电垫。