CN102749158B - 一种自供电压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种自供电压力传感器，包括第一感应电极、第二感应电极和居间薄膜，第一感应电极包括一侧表面设置有导电薄膜的第一高分子聚合物绝缘层；第二感应电极包括一侧表面设置有导电薄膜的第二高分子聚合物绝缘层，另一侧表面固定有居间薄膜，居间薄膜的非固定面设有微纳凹凸结构；第二感应电极上居间薄膜微纳凹凸结构的表面与第一电极未设置导电薄膜的表面正对贴合而相互固定连接；所述第一感应电极上的导电薄膜与第二感应电极上的导电薄膜均为感应信号输出极。本发明提供了一种利用摩擦起电原理而巧妙制成的自供电压力传感器，它具有高灵敏度、制备简单且低成本，使用稳定性好、响应速度快等特点。

Description

一种自供电压力传感器

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，尤其是涉及一种灵敏度高的自供电压力传感器。

背景技术

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。而我们通常使用的压力传感器主要是利用压电效应制造而成的，这样的传感器也称为压电传感器。2006年，美国佐治亚理工学院王中林教授研究组首次成功实现了利用氧化锌纳米线将机械能转化成电能的压电式纳米发电机。随后，以压电效应为基础，基于不同材料和结构的各种纳米发电机被相继研制出来。以及利用氧化锌纳米线的压电效应，将其制成压力传感器具有高灵敏度。申请号为201010597243.X的中国发明专利文献公开了一种高压电响应氧化锌柔性压力传感器及其制备方法，属于压电材料技术领域。该传感器中，上电极、氧化锌掺杂层、下电极和柔性基底依次自上而下相叠而成，上电极厚度为50～100纳米，氧化锌掺杂层的厚度为80～120纳米，下电极的厚度为40～80纳米，柔性基底的厚度为0.05～0.1毫米。该专利申请公开利用氧化锌纳米线压电效应高灵敏度的压力传感器，但是氧化锌纳米线薄膜生产存在生产工艺复杂，可控性弱，使用寿命短等问题。

发明内容

本发明为解决现有技术中存在的问题而提供了一种制作简单、灵敏度高的自供电压力传感器。

本发明提供了一种自供电压力传感器，包括第一感应电极、第二感应电极和居间薄膜，所述第一感应电极包括一侧表面设置有导电薄膜的第一高分子聚合物绝缘层；所述第二感应电极包括一侧表面设置有导电薄膜的第二高分子聚合物绝缘层；所述居间薄膜为第三高分子聚合物绝缘层，且其一侧表面设有微纳凹凸结构；所述居间薄膜未设置微纳凹凸结构的表面固定在未设置导电薄膜的第二高分子聚合物绝缘层的表面上，与第二感应电极形成一体；在所述第二感应电极上，居间薄膜微纳凹凸结构的表面与第一感应电极未设置导电薄膜的表面正对贴合而相互固定连接；所述第一感应电极上的导电薄膜和第二感应电极上的导电薄膜均为感应信号输出极。

本发明所述第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层、第三高分子聚合物绝缘层材质能够相同，也能够不同。如果三层高分子聚合物绝缘层的材质都相同，会导致摩擦起电的电荷量很小，使传感器灵敏度降低。因而，第一高分子聚合物绝缘层与第二高分子聚合物绝缘层相同，并与第三高分子聚合物绝缘层材质不同，能够保证灵敏度，减少材料种类，并使本发明的制作更加方便。

当在特殊领域应用时，需要将本发明的自供电压力传感器制作成全透明时，所述第一高分子聚合物绝缘层、所述第二高分子聚合物绝缘层和第三高分子聚合物绝缘层均为透明材料。所述第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层和第三高分子聚合物绝缘层的材质分别选自透明高聚物聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）、聚二甲基硅氧烷（PDMS）、聚苯乙烯(PS)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)、聚碳酸酯(PC)和液晶高分子聚合物（LCP）中的一种。所述导电薄膜为铟锡氧化物（ITO）、石墨烯电极和银纳米线膜中的一种。采用上述优选材料后，这时整个器件是一个全透明柔性装置。

所述第一感应电极、第二感应电极和居间薄膜为柔性平板结构，用于通过使所述第一感应电极、第二感应电极和居间薄膜任意弯曲、变形，造成所述第一感应电极和第二感应电极输出感应电信号。柔性平板结构能够扩大自供电压力传感器的应用环境，比如表面不规则物体的压力测量，随意弯曲能够制成便于携带的传感器。

所述居间薄膜表面的微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构。所述居间薄膜表面的微纳凹凸结构为有规则的凹凸结构，凹凸结构为条纹状、立方体型、四棱锥型或圆柱形中的一种。所述微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构；微纳凹凸优选为纳米级的凹凸，大小为50nm-300nm，纳米凹凸能够使摩擦接触面积增大，从而提高摩擦起电效率，提高压力传感器的灵敏度。

当本发明提供的压力传感器不需要特别制作成全透明时，并保证使所述第一高分子聚合物绝缘层与所述第三高分子聚合物绝缘层材质不同前提下，所述第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层和第三高分子聚合物绝缘层分别为选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维海绵薄膜、再生海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜中的一种。

当然，无需将本发明制成全透明时，所述导电薄膜为金属薄膜，所述金属薄膜能够是任何一种导电的材料，如导电高分子、不锈刚等；优选为金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡或上述金属的合金中一种，厚度优选为50nm-200nm。所述导电薄膜能够通过真空溅射法或蒸镀法镀于绝缘层表面。

所述第一感应电极与第二感应电极的外侧边缘通过胶带连接。所述第一感应电极与第二感应电极的外侧边缘能够通过胶带等方式连接。

本发明提供的压力传感器利用摩擦电电势的充电泵效应，这是一种利用摩擦起电原理而巧妙制成的压力传感器。由于压力传感器是基于摩擦发电的原理，在使用过程中，它能够省去外加电源而自供电，是一种自发电驱动的装置，具有灵敏度高，稳定性好，响应速度快等优点。而且以双层结构为基础，采用居间薄膜表面的微纳凹凸结构使摩擦感应电荷产生更加容易，从而进一步提高了压力传感器的灵敏度。整个器件的制造工艺不需要昂贵的原材料和先进的制造设备，这将有利于它大规模工业生产和实际应用。最后，该装置以柔性聚合物片为基础，易加工，器件的使用寿命长，并且容易和其它加工工艺集成。

附图说明

图1为本发明自供电压力传感器的结构示意图。

图2为本发明自供电压力传感器一实施例的制作过程示意图。

图3为本发明自供电压力传感器一实施例的三种居间薄膜表面微纳凹凸结构示意图。

图4为本发明自供电压力传感器一实施例的羽毛掉落感应测试结果图。

图5为本发明自供电压力传感器一实施例的响应速度测试结果图。

图中：1-导电薄膜，2-第一高分子聚合物绝缘层，3-居间薄膜，4-第二高分子聚合物绝缘层。

具体实施方式

下面，结合附图对本发明的具体实施方式做进一步说明。

附图1所示是一个以高分子聚合物为基础的全透明的自供电压力传感器典型结构。自供电压力传感器就像一个由两种不同聚合物片组成的三明治结构，两个聚合物片相互堆叠在一起，中间夹一个居间薄膜3。如附图1所示，聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）作为第一高分子聚合物绝缘层2，并在其一侧表面镀有铟锡氧化物（ITO）导电薄膜1，由该绝缘层2和导电薄膜1这两层形成第一感应电极。另一感应电极也是以聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）作为第二高分子聚合物绝缘层4，并在其一侧表面镀有铟锡氧化物（ITO）导电薄膜1；不同的是第二高分子聚合物绝缘层4上粘贴有居间薄膜3，居间薄膜3为聚二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜，居间薄膜上形成有规则的四棱锥型的微纳凹凸结构，由ITO薄膜、PET及PDMS薄膜共同形成第二感应电极。第一感应电极的ITO和第二感应电极的ITO作为感应信号输出电极外接有测量表（未图示）。当自供电压力传感器上受到压力或发生弯曲时，PDMS与第一感应电极的PET摩擦感应出电荷，感应电荷形成内电势，进一步在导电薄膜ITO上分别感应出电荷，连通外电路即可输出感应信号。

说明书附图2提供了附图1所示的全透明自供电压力传感器的制作方法。按照图2a至图2f的顺序进行上述全透明发电机的制作。首先制作图形化的硅模板（图2a），4英寸（100）晶向的硅片采用光刻的方法在表面做出规则的图形。做好图形的硅片通过湿刻的工艺进行各向异性刻蚀，能够刻出凹形的四棱锥阵列结构，通过干刻的工艺进行各向同性刻蚀能够刻出凹形的立方体阵列结构。刻好之后的模板使用丙酮和异丙醇清洗干净，然后所有的模板都在三甲基氯硅烷（Sigma Aldrich公司）的气氛环境中进行表面硅烷化的处理，处理好硅模板以备用。制作具有微结构表面的PDMS膜，首先将PDMS前躯体和固化剂（Sylgard184,TowCorning）以10:1的质量比混合。然后将混合物涂覆于硅模板表面，经过真空脱气过程后，以旋转涂覆的方式将硅片表面多余的混合物去掉，形成一层薄薄的PDMS液体膜。将整个模板在85摄氏度的环境中固化1小时，之后一层均匀的具有特定微结构阵列的PDMS膜就能够从模板上剥离。然后，将该膜固定在一片干净的镀有铟锡氧化物（ITO）导电层的聚对苯二甲酸乙二醇酯（PET）绝缘层一侧，固定的方法是用一层薄的未固化的PDMS层做为粘结层。经过固化后，PDMS膜就牢牢地固定于PET的绝缘层上。然后，再将另一镀有ITO的PET膜覆盖在PDMS层上，就形成一个类似三明治结构的器件。器件的顶部和底部都有透明的导电ITO电极。器件的两个短侧边缘用普通透明胶带粘合保证PET层和PDMS层在界面处有足够的接触面积。然后用银浆将两根铜导线从上下分别固定于两片ITO电极上，至此整个柔性透明自供电压力传感器制备完成。将传感器的有效尺寸统一固定在4.5cm×1.2cm,整个器件的厚度大约是460μm。

附图2中，提供了三种PDMS图形阵列制作过程，包括条纹状（图2c）、立方体型（图2d）和四棱锥型（图2e）。这三种微纳凹凸结构的表面显微图如附图3a-c所示，每个PDMS的阵列单元大小被限制为约10微米。具有更小尺度单元的图形阵列同样能够被制备出来，其尺度小到5微米，而且具有同样的高质量特征，图3a-3c中的插图表示45°倾斜高放大率图像，各图中分别示了5微米和100微米的标尺大小。高分辨的SEM照片表明，所有的阵列单元都是非常均匀和有规则的，说明这是制备大尺度均匀塑性微结构的一个很有效的方法。更重要的是，每个四棱锥单元都有一个完整几何结构的锐利尖端，这将有利于其在压力感应过程中增加摩擦面积和提高压力传感器的灵敏度。此外，制备好的PDMS薄膜具有很好的伸缩性和透明性。

在三种不同类型的器件中，由四棱锥结构PDMS膜所构成的自供电压力传感器的响应灵敏度最高。此外，还测量了当一片轻微的羽毛落下时（20毫克，约0.4帕的接触压力），压力传感器的响应情况。如说明书附图4所示，传感器显示出两种相反的电压信号峰，分别表明羽毛接触和脱离的过程。在具体过程中，当羽毛落在传感器上时，它会有两个过程：最初与传感器的接触以及重心完全落在传感器上。压力传感器的峰值信号能够清楚地显示出在羽毛下落过程中的这两个不同的细节。以上的结果表明，本发明的自供电压力传感器可用于测量现实生活中细微的压力变化及它的高灵敏度。

本发明的压力传感器是基于自发电输出的自供电装置，省去外加电源，制备和使用更加简单，且对压力的感应更灵敏。其次，本发明的传感器对压力的响应是峰值信号，而不是一个基态曲线。因此，它的响应速度特别快，在快速开关过程中不会出现信号迟滞的现象。为了说明这一点，本发明以时间分辨的响应为对象测量了当施加不同频率的作用力时自供电压力传感器的响应情况如说明书附图5a-5c所示。利用一个线性电机马达来施加不同频率的轻微的压力，频率分别为1Hz，5Hz和10Hz。结果表明，即使应用频率增加到10Hz，自供电压力传感器依然具有清晰的分辨率，输出的电压信号没有明显降低，这说明本发明的自供电压力传感器具有快速响应的特点和很好的确定性。

本具体实施例中，将柔性、高电能输出及透明性等特性统一集聚在单个自供电压力传感器中。解决了自供电压力传感器在某些特定领域的应用问题，但是发明并不限定于特别制成透明的限制。

另一个具体实施方式，也是如附图1所示结构，不同的是第一高分子聚合物绝缘层采用一个矩形的（4.5cm×1.2cm）聚酰亚胺薄膜（厚度125μm，杜邦500HN，Kapton），一侧表面通过溅射涂膜的方法镀有合金金属薄膜1（厚度100nm，Au），两层形成第一感应电极；另一感应电极也为矩形的（4.5cm×1.2cm）聚酰亚胺薄膜（厚度125μm，杜邦500HN，Kapton）作为第二高分子聚合物绝缘层4，并在其一侧表面通过溅射涂膜的方法镀有合金金属薄膜1（厚度100nm，Au），居间薄膜3为聚甲基丙烯酸甲酯（厚度50μm，PMMA），居间薄膜上有规则的四棱锥型的微纳凹凸结构，由合金薄膜、Kapton及PMMA薄膜共同形成第二感应电极。第一感应电极的合金薄膜和第二感应电极的合金薄膜作为电流和电压的输出电极与测量表相连接。

因此，本发明提供了一种利用摩擦起电原理而巧妙制成的自供电压力传感器，它具有高灵敏度、制备简单且低成本，使用稳定性好、响应速度快等特点。

本发明并不限于上述实施方式，在不背离本发明的实质内容的情况下，本领域技术人员可以想到的任何变形、改进、替换均落入本发明的范围。

Claims (14)

1.一种自供电压力传感器，其特征在于，包括第一感应电极、第二感应电极和居间薄膜，

所述第一感应电极包括一侧表面设置有导电薄膜的第一高分子聚合物绝缘层；

所述第二感应电极包括一侧表面设置有导电薄膜的第二高分子聚合物绝缘层；

所述居间薄膜为第三高分子聚合物绝缘层，且其一侧表面设有微纳凹凸结构；

所述居间薄膜未设置微纳凹凸结构的表面固定在未设置导电薄膜的第二高分子聚合物绝缘层的表面上，与所述第二感应电极形成一体；

所述第二感应电极上居间薄膜微纳凹凸结构的表面与所述第一感应电极未设置导电薄膜的表面正对贴合而相互固定连接；

所述第一感应电极上的导电薄膜和第二感应电极上的导电薄膜均为感应信号输出极。

2.根据权利要求1所述的自供电压力传感器，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层、所述第二高分子聚合物绝缘层、所述第三高分子聚合物绝缘层的材质不同。

3.根据权利要求1所述的自供电压力传感器，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层与所述第二高分子聚合物绝缘层的材质相同，且与所述第三高分子聚合物绝缘层的材质不同。

4.根据权利要求1所述的自供电压力传感器，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层与所述第三高分子聚合物绝缘层的材质不同。

5.根据权利要求4所述的自供电压力传感器，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层、所述第二高分子聚合物绝缘层和所述第三高分子聚合物绝缘层均为透明材料。

6.根据权利要求5所述的自供电压力传感器，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层、第二高分子聚合物绝缘层和第三高分子聚合物绝缘层的材质分别选自透明高聚物聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯和液晶高分子聚合物中的一种。

7.根据权利要求5或6所述的自供电压力传感器，其特征在于，所述导电薄膜为铟锡氧化物、石墨烯电极和银纳米线膜中的一种。

8.根据权利要求1所述的自供电压力传感器，其特征在于，所述第一感应电极、第二感应电极和居间薄膜为柔性平板结构，通过使所述第一感应电极、第二感应电极和居间薄膜任意弯曲、变形，造成所述第一感应电极和第二感应电极输出感应信号。

9.根据权利要求1所述的自供电压力传感器，其特征在于，所述居间薄膜表面的微纳凹凸结构为纳米级至微米级的凹凸结构。

10.根据权利要求9所述的自供电压力传感器，其特征在于，所述居间薄膜表面的微纳凹凸结构为有规则的凹凸结构，凹凸结构为条纹状、立方体型、四棱锥型和圆柱形中的一种。

11.根据权利要求2所述的自供电压力传感器，其特征在于，所述高分子聚合物绝缘层为选自聚酰亚胺薄膜、苯胺甲醛树脂薄膜、聚甲醛薄膜、乙基纤维素薄膜、聚酰胺薄膜、三聚氰胺甲醛薄膜、聚乙二醇丁二酸酯薄膜、纤维素薄膜、纤维素乙酸酯薄膜、聚己二酸乙二醇酯薄膜、聚邻苯二甲酸二烯丙酯薄膜、纤维海绵薄膜、再生海绵薄膜、聚氨酯弹性体薄膜、苯乙烯丙烯共聚物薄膜、苯乙烯丁二烯共聚物薄膜、人造纤维薄膜、聚甲基薄膜，甲基丙烯酸酯薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚乙烯醇薄膜、聚酯薄膜、聚异丁烯薄膜、聚氨酯柔性海绵薄膜、聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜、聚乙烯醇缩丁醛薄膜、甲醛苯酚薄膜、氯丁橡胶薄膜、丁二烯丙烯共聚物薄膜、天然橡胶薄膜、聚丙烯腈薄膜、丙烯腈氯乙烯薄膜和聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜中的一种。

12.根据权利要求1所述的自供电压力传感器，其特征在于，所述第一感应电极与第二感应电极的外侧边缘通过胶带连接。

13.根据权利要求1所述的自供电压力传感器，其特征在于，所述第一高分子聚合物绝缘层上的导电薄膜与第二高分子聚合物绝缘层上的导电薄膜分别通过真空溅射法或蒸镀法镀于各自的绝缘层表面上。

14.根据权利要求1所述的自供电压力传感器，其特征在于，所述导电薄膜为金属薄膜，其材质为选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬、锡及上述金属的合金中的一种。

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