壓阻式壓力傳感器及其制備方法
【專(zhuān)利摘要】本發(fā)明提供了一種壓阻式壓力傳感器及其制備方法。所述壓阻式壓力傳感器包括：第一基底和第二基底；設(shè)于第一基底上的第一電極層和設(shè)于第二基底上的第二電極層，第一電極層和第二電極層位于第一基底和第二基底之間；第一電極層包括多個(gè)設(shè)于第一基底和第二電極層之間的凸起。所述制備方法包括：形成包括多個(gè)凸起的第一電極層；在第一電極層上形成第一基底；形成第二基底；在第二基底上布設(shè)第二電極層；將第一電極層和第一基底的組合布設(shè)于第二電極層上以使第一電極層位于第一基底和第二電極層之間。本發(fā)明大幅度提高了壓阻式壓力傳感器的靈敏度，有效縮短了壓力傳感器的響應(yīng)時(shí)間。
【專(zhuān)利說(shuō)明】
壓阻式壓力傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于壓力傳感器領(lǐng)域，具體地講，涉及一種壓阻式壓力傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]目前主流的電學(xué)響應(yīng)型壓力傳感器都是通過(guò)將器件在壓力作用下產(chǎn)生的形變轉(zhuǎn)化為傳感器電學(xué)性能參數(shù)的變化來(lái)實(shí)時(shí)響應(yīng)壓力的大小。其中，壓阻型壓力傳感器制備工藝簡(jiǎn)單、響應(yīng)穩(wěn)定性高、抗干擾能力強(qiáng)，成為當(dāng)前柔性壓力傳感器領(lǐng)域的研究熱點(diǎn)，但是這種壓力傳感器也存在靈敏度較低、遲滯現(xiàn)象比較嚴(yán)重的情況。例如韓國(guó)高麗大學(xué)JeongSook Ha課題組利用聚苯胺納米纖維膜和金包覆的PDMS微柱陣列組裝了一種壓阻式柔性壓力傳感器。這種柔性壓力傳感器的其靈敏度只有2.0kPa—、因此，如何制備出靈敏度高、響應(yīng)速度快的柔性壓力傳感器是目前學(xué)術(shù)和工業(yè)界的研究熱點(diǎn)。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問(wèn)題，本發(fā)明提供了一種靈敏度高、響應(yīng)速度快的壓阻式壓力傳感器及其制備方法。
[0004]本發(fā)明提供了一種壓阻式壓力傳感器，所述壓阻式壓力傳感器包括:第一基底和第二基底;設(shè)于所述第一基底上的第一電極層和設(shè)于所述第二基底上的第二電極層，所述第一電極層和所述第二電極層位于所述第一基底和所述第二基底之間;所述第一電極層包括多個(gè)設(shè)于所述第一基底和所述第二電極層之間的凸起。
[0005]進(jìn)一步地，所述凸起包括連接所述第一基底的延伸部、以及自所述延伸部延伸而朝向所述第二電極層的尖部;所述尖部在平行于所述第一基底方向上的橫截面積小于所述延伸部在平行于所述第一基底方向上的橫截面積。
[0006]進(jìn)一步地，所述延伸部相互連接。
[0007]進(jìn)一步地，所述凸起呈拱形狀。
[0008]進(jìn)一步地，所述多個(gè)凸起在平行于所述第一基底的方向上依次排列。
[0009]進(jìn)一步地，每一凸起呈長(zhǎng)條形。
[0010]進(jìn)一步地，相鄰的凸起之間設(shè)有空隙。
[0011]進(jìn)一步地，所述第一基底平行于所述第二基底。
[0012]本發(fā)明還提供了一種壓阻式壓力傳感器的制備方法，用于制備上述的壓阻式壓力傳感器，制備方法包括:
[0013]形成包括多個(gè)凸起的第一電極層；
[0014]在所述第一電極層上形成第一基底；
[0015]形成第二基底；
[0016]在所述第二基底上布設(shè)第二電極層；
[0017]將第一電極層和第一基底的組合布設(shè)于所述第二電極層上以使所述第一電極層位于所述第一基底和所述第二電極層之間。
[0018]本發(fā)明的有益效果:本發(fā)明的壓阻式壓力傳感器的第一電極層包括多個(gè)凸起，在單位壓力下，通過(guò)第一電極層和第二電極層接觸時(shí)發(fā)生形變以改變傳感器的電阻來(lái)響應(yīng)壓力的大小，由于在受壓時(shí)，具有多個(gè)凸起的第一電極層的形變非常明顯，因此這種電阻式壓力對(duì)壓力的響應(yīng)更加靈敏，從而有效縮短了傳感器的響應(yīng)時(shí)間。
【附圖說(shuō)明】
[0019]通過(guò)結(jié)合附圖進(jìn)行的以下描述，本發(fā)明的實(shí)施例的上述和其它方面、特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn)將變得更加清楚，附圖中:
[0020]圖1是本發(fā)明的壓阻式壓力傳感器的較佳實(shí)施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0021]圖2是本發(fā)明的壓阻式壓力傳感器的較佳實(shí)施方式對(duì)連續(xù)壓力響應(yīng)的曲線圖；
[0022]圖3是本發(fā)明的壓阻式壓力傳感器的制備方法的較佳實(shí)施方式的流程圖。
【具體實(shí)施方式】
[0023]以下，將參照附圖來(lái)詳細(xì)描述本發(fā)明的實(shí)施例。然而，可以以許多不同的形式來(lái)實(shí)施本發(fā)明，并且本發(fā)明不應(yīng)該被解釋為限制于這里闡述的具體實(shí)施例。相反，提供這些實(shí)施例是為了解釋本發(fā)明的原理及其實(shí)際應(yīng)用，從而本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明的各種實(shí)施例和適合于特定預(yù)期應(yīng)用的各種修改。相同的標(biāo)號(hào)在整個(gè)說(shuō)明書(shū)和附圖中可用來(lái)表示相同的元件。
[0024]在附圖中，為了清楚起見(jiàn)，夸大了層和區(qū)域的厚度。相同的標(biāo)號(hào)在整個(gè)說(shuō)明書(shū)和附圖中可用來(lái)表示相同的元件。
[0025]參照?qǐng)D1，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一種壓阻式壓力傳感器，包括:第一基底11和第二基底12;設(shè)于所述第一基底11上的第一電極層15和設(shè)于所述第二基底12上的第二電極層16，所述第一電極層15和所述第二電極層16位于所述第一基底11和所述第二基底12之間；所述第一電極層15包括多個(gè)設(shè)于所述第一基底11和所述第二電極層16之間的凸起13。所述凸起13之間設(shè)有間隙14，間隙14里填充有氣體。所述氣體可以為普通的空氣，也可以為其它的惰性氣體。但本發(fā)明并不限制于此。
[0026]為了使壓阻式壓力傳感器在單位壓力下的電容變化量更大，從而提高壓阻式壓力傳感器的靈敏度，本發(fā)明的實(shí)施例提供了一端較尖一端較粗的凸起13形成的第一電極層15，以使壓力傳感器在按壓的過(guò)程中，第一電極層15的形變更加明顯，以達(dá)到第一電極層15和第二電極層16之間產(chǎn)生的電容變化量更大的目的。所述凸起13包括聚合物及鋪設(shè)于所述聚合物表層的導(dǎo)電體。所述導(dǎo)電體具體為金屬納米線，所述金屬納米線可以為銀納米線、銅納米線、鎳納米線、鈾納米線時(shí)，所述金屬納米線的直徑為10?200納米，長(zhǎng)度I?50微米。但本發(fā)明并不限制于此。如圖2所示，白色線段是第一電極層中用于導(dǎo)電的銀納米線。
[0027]每個(gè)凸起13在垂直于所述第一基底11方向上的橫截面的寬度可以為I?100微米，高度可以為0.5?50微米。在本實(shí)施例中，所述凸起13的寬度具體為2微米，高度具體為I微米。本發(fā)明的實(shí)施例的凸起13大小并不限制于此，在具體應(yīng)用中，可以根據(jù)實(shí)際情況調(diào)節(jié)第一電極層15的凸起13的大小以及凸起13中金屬納米線的含量，來(lái)調(diào)控壓力傳感器的靈敏度，從而獲得符合要求的壓力傳感器。
[0028]所述凸起13包括連接所述第一基底11的延伸部131、以及自所述延伸部131延伸而朝向所述第二電極層16的尖部132;所述尖部132在平行于所述第一基底11方向上的橫截面積小于所述延伸部131在平行于所述第一基底11方向上的橫截面積。優(yōu)選地，所述凸起13在平行于所述第一基底11的方向上的橫截面積自所述第一基底11朝向所述第二電極層16的方向逐漸減小。
[0029]另外，所述延伸部131相互連接。所述多個(gè)凸起13在平行于所述第一基底11的第一方向上依次排列。為了使壓力傳感器在受壓的過(guò)程中受力更加均勻，每一凸起13呈拱形狀，且每一凸起13呈長(zhǎng)條形，每一凸起13沿平行所述第一基底11且垂直所述第一方向的第二方向上延伸，以形成連續(xù)的波浪式結(jié)構(gòu)。
[0030]作為本發(fā)明的另一實(shí)施例，第一電極層15的多個(gè)凸起13也可以呈點(diǎn)陣式排布，每個(gè)凸起13相互獨(dú)立排布，每個(gè)凸起13的底部133互不相連。另外，所述凸起13可以呈錐體狀(包括圓錐和棱錐體等)，也可以呈拱形狀(包括半球體、圓臺(tái)狀等)，本發(fā)明的凸起13的形狀并不限制于此。
[0031]作為本發(fā)明的又一實(shí)施例，第一電極層15的多個(gè)凸起13呈陣列式排布，所述凸起13可以為長(zhǎng)條的拱形狀的凸起13。
[0032]所述第二電極層16包括鋪設(shè)于所述第二基底12上的金屬納米線。所述金屬納米線可以為銀納米線、銅納米線、鎳納米線、鈾納米線時(shí)，所述金屬納米線的直徑為10?200納米，長(zhǎng)度I?50微米。但本發(fā)明并不限制于此。
[0033]為了獲得廉價(jià)易得、柔韌性更好的第一基底11和第二基底12，所述第一基底11和第二基底12采用聚二甲基硅氧烷(英文簡(jiǎn)稱(chēng)為roMS，下文統(tǒng)一使用簡(jiǎn)稱(chēng)roMS)制成。所述第一基底11和第二基底12的厚度為200?400微米。優(yōu)選地，本實(shí)施例的第一基底11和第二基底12的厚度均為300微米。
[0034]參照?qǐng)D2，其中，AR = R-Rq用于表示相對(duì)電阻，Rq用于表示壓力傳感器無(wú)負(fù)載時(shí)的電阻值，R用于表示測(cè)試時(shí)壓力傳感器的電阻值。
[0035]圖2中的相對(duì)電阻AR/Rq對(duì)壓力的響應(yīng)曲線表明，這種壓阻式壓力傳感器具有較高的靈敏度、較低的檢出限以及較寬的量程。具體地，如圖2所示，在受到較小的壓力(小于500Pa)的情況下，壓力傳感器的靈敏度可達(dá)到-2.6±0.7kPa—S在受到加大的壓力(500-5800Pa)情況下，壓力傳感器的靈敏度也能達(dá)到-0.34±0.07kPa—1，并且在兩段響應(yīng)區(qū)間內(nèi)，響應(yīng)曲線均呈現(xiàn)了較好的線性關(guān)系。另外，從圖2的全量程范圍內(nèi)的性能測(cè)試可以看出，壓力傳感器的最低檢出限低于20Pa，而且它的量程可以達(dá)到5800Pa。
[0036]為了獲得制備工藝簡(jiǎn)單，適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的壓阻式壓力傳感器，一并參照?qǐng)D1和圖3，本發(fā)明的實(shí)施例還提供了一種該壓力傳感器的制備方法，所述制備方法具體包括以下步驟:
[0037]在步驟210中，形成包括多個(gè)凸起13的第一電極層15。具體地，先通過(guò)光蝕刻法在硅片表面刻蝕出溝槽寬度為2微米，深度為I微米的呈拱形的用于形成第一電極層15的凸起13的模板;然后在所述模板上澆筑銀納米線的乙醇分散液后，在真空環(huán)境下烘干;再在所述澆筑有銀納米線的模板上旋涂質(zhì)量比為1:1的P D M S和固化劑的混合物，在8 O °C下固化60min，得到表層含有銀納米線的第一電極層15。
[0038]在步驟220中，在所述第一電極層15上形成第一基底11。具體地，通過(guò)調(diào)整旋涂速率和時(shí)間PDMS和固化劑的混合物的厚度控制為300微米以在所述第一電極層15上形成第一基底11，然后在邊緣用銀膠粘貼銅箔作為引出電極。
[0039]在步驟230中，形成第二基底12。具體地，在潔凈的玻璃上旋涂質(zhì)量比為10:1的PDMS和固化劑的混合物，在80 °C下固化60min得到平整的第二基底12，通過(guò)調(diào)整旋涂速率和時(shí)間將第二基底12的厚度控制為300微米。
[0040]在步驟240中，在所述第二基底12上布設(shè)第二電極層16。具體地，在所述第二基底12上澆筑銀納米線的乙醇分散液，烘干溶劑后，在邊緣用銀膠粘貼銅箔作為引出電極，以在第二基底12上形成第二電極層16。
[0041]在步驟250中，將第一電極層15和第一基底11的組合布設(shè)于所述第二電極層16上以使所述第一電極層15位于所述第一基底11和所述第二電極層16之間。
[0042]綜上所述，本發(fā)明通過(guò)在受壓下第一電極層和第二電極層接觸時(shí)傳感器電阻的改變來(lái)響應(yīng)壓力的大小，由于在受壓時(shí)，具有多個(gè)凸起的第一電極層的形變非常明顯，因此這種電阻式壓力對(duì)壓力的響應(yīng)更加靈敏，從而有效縮短了傳感器的響應(yīng)時(shí)間，并且該傳感器的制備方法簡(jiǎn)單，適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)。
[0043]需要說(shuō)明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類(lèi)的關(guān)系術(shù)語(yǔ)僅僅用來(lái)將一個(gè)實(shí)體或者操作與另一個(gè)實(shí)體或操作區(qū)分開(kāi)來(lái)，而不一定要求或者暗示這些實(shí)體或操作之間存在任何這種實(shí)際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語(yǔ)“包括”、“包含”或者其任何其他變體意在涵蓋非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要素，而且還包括沒(méi)有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備所固有的要素。在沒(méi)有更多限制的情況下，由語(yǔ)句“包括一個(gè)……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的過(guò)程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。
[0044]雖然已經(jīng)參照特定實(shí)施例示出并描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解:在不脫離由權(quán)利要求及其等同物限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可在此進(jìn)行形式和細(xì)節(jié)上的各種變化。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種壓阻式壓力傳感器，其特征在于，所述壓阻式壓力傳感器包括: 第一基底和第二基底； 設(shè)于所述第一基底上的第一電極層和設(shè)于所述第二基底上的第二電極層，所述第一電極層和所述第二電極層位于所述第一基底和所述第二基底之間;所述第一電極層包括多個(gè)設(shè)于所述第一基底和所述第二電極層之間的凸起。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓阻式壓力傳感器，其特征在于，所述凸起包括連接所述第一基底的延伸部、以及自所述延伸部延伸而朝向所述第二電極層的尖部;所述尖部在平行于所述第一基底方向上的橫截面積小于所述延伸部在平行于所述第一基底方向上的橫截面積。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的壓阻式壓力傳感器，其特征在于，所述延伸部相互連接。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的壓阻式壓力傳感器，其特征在于，所述凸起呈拱形狀。5.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的壓阻式壓力傳感器，其特征在于，所述多個(gè)凸起在平行于所述第一基底的方向上依次排列。6.根據(jù)權(quán)利要求1至4任一項(xiàng)所述的壓阻式壓力傳感器，其特征在于，每一凸起呈長(zhǎng)條形。7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓阻式壓力傳感器，其特征在于，相鄰的凸起之間設(shè)有空隙。8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的壓阻式壓力傳感器，其特征在于，所述第一基底平行于所述第二基底。9.一種壓阻式壓力傳感器的制備方法，用于制備權(quán)利要求1至8任一項(xiàng)所述的壓阻式壓力傳感器，其特征在于，包括: 形成包括多個(gè)凸起的第一電極層； 在所述第一電極層上形成第一基底； 形成第二基底； 在所述第二基底上布設(shè)第二電極層； 將第一電極層和第一基底的組合布設(shè)于所述第二電極層上以使所述第一電極層位于所述第一基底和所述第二電極層之間。
【文檔編號(hào)】G01L1/22GK106092390SQ201610394186
【公開(kāi)日】2016年11月9日
【申請(qǐng)日】2016年6月6日 公開(kāi)號(hào)201610394186.2, CN 106092390 A, CN 106092390A, CN 201610394186, CN-A-106092390, CN106092390 A, CN106092390A, CN201610394186, CN201610394186.2
【發(fā)明人】朱朋莉, 帥行天, 李剛, 胡友根, 孫蓉
【申請(qǐng)人】中國(guó)科學(xué)院深圳先進(jìn)技術(shù)研究院