CN103411710A - 一种压力传感器、电子皮肤和触屏设备 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种压力传感器、电子皮肤和触屏设备。一种压力传感器，设置在衬底上的若干个传感单元，按照阵列排列，传感单元采用具有两个摩擦层的静电纳米发电机，当外力施加在传感器上时，感受到外力的传感单元的两个摩擦层表面之间的距离被改变，相应的两个电极层对外输出的电信号也被改变，将所有传感单元的电极层通过导线引出传感器可以实现压力（应变）的定位和压力场测绘等功能。相应的，本发明还提供基于压力传感器的电子皮肤、触屏设备和安全报警设备，无需电源供电，能够自驱动的进行压力感应。

Description

一种压力传感器、电子皮肤和触屏设备

技术领域

本发明涉及压力传感器领域，特别是一种以静电纳米发电机为传感单元的阵列式压力传感器，以及应用该压力传感器的电子皮肤、触屏设备和安全报警系统。

背景技术

“无线传感器网络”这个概念的提出和发展对于当今社会的进步和发展具有重要意义。各种不同形式的传感器，包括生物、化学、气体、压力、温度等等，都可以作为传感器网络的基础元件。但是，传统的传感器器件都需要外接一个直流电源（如电池）用于驱动这个器件，这样就给整个系统增加了很大的负担和成本，比如更换电池的成本和电池本身对系统重量的增加。

发明内容

本发明的目的在于提供一种自驱动的阵列式压力传感器，能够通过可测得的传感单元的输出电压和电流的情况来对器件表面的压力情况进行测绘。

为了实现上述目的，本发明提供一种压力传感器，包括：

衬底；

设置在所述衬底上的若干个传感单元，若干个所述传感单元在所述衬底上按照设定图形排列形成阵列；所述传感单元包括第一摩擦层、第一摩擦层上表面接触设置的第一电极层、第二摩擦层以及第二摩擦层下表面接触设置的第二电极层，其中，所述第二电极层与所述衬底固定设置，所述第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面面对面设置；当外力使所述第一摩擦层下表面与第二摩擦层上表面的距离不同时，所述第一电极层与第二电极层之间能够在外电路产生不同的电信号。

优选的，施加所述外力前，所述第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面能够接触后分离，使所述第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面带有等量的相反电荷。

优选的，所述传感单元中，第一摩擦层与第二摩擦层的材料表面吸引电子能力不同。

优选的，每个所述传感单元的第一电极层和第二电极层分别通过导线引出所述传感器。

优选的，包括上电极网络和下电极网络，其中，上电极网络包括互相不连通的多条上电极条，下电极网络包括互相不连通的多条下电极条；若干个所述传感单元的第二电极层通过多条下电极条连接成多个串联电路，第一电极层通过多条上电极条连接成多个串联电路，并且第二电极层连接在同一条下电极条的传感单元的第一电极层连接在不同的上电极条上。

优选的，所述上电极网络或下电极网络的电极条为导电胶带。

优选的，所述传感单元的第一摩擦层下表面为拱形，第二摩擦层的上表面为平面；或者，第一摩擦层下表面为平面，第二摩擦层的上表面为拱形；

所述第一摩擦层的边缘与第二摩擦层的边缘直接连接。

优选的，所述传感单元的尺寸在厘米至毫米级。

优选的，所述传感单元中，弹性连接件使所述第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面面对面设置，并且在静止状态下使第一摩擦层下表面与第二摩擦层上表面保持一定距离；所述弹性连接件在受到外力作用时可以被压缩而撤去外力时恢复，从而使第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面互相接触和分离。

优选的，所述弹性连接件采用弹性材料或弹性结构件。

优选的，所述传感单元的尺寸在微米至亚微米级。

优选的，所述弹性材料为光刻胶。

优选的，所述传感单元中，第一摩擦层与第二摩擦层采用绝缘材料。

优选的，所述绝缘材料选择高分子材料：聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，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、再生纤维海绵薄膜、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、酚醛树脂薄膜、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、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯。

优选的，所述第一摩擦层或第二摩擦层的绝缘材料被导电材料替代。

优选的，所述传感单元中，第一摩擦层和/或第二摩擦层优选为薄膜。

优选的，M×N个所述传感单元在所述衬底上按照M行N列的阵列排列。

优选的，所述衬底为柔性材料或刚性材料。

相应的，本发明还提供一种电子皮肤，包括上述所述的压力传感器，其中，压力传感器中每个传感单元的第一摩擦层、第二摩擦层、第一电极层、第二电极层均采用柔性材料。

优选的，所述电子皮肤中，所述第一摩擦层和第二摩擦层分别采用聚对二甲基硅氧烷薄膜和铝箔。

相应的，本发明还提供一种触屏设备，包括上述所述的压力传感器，其中，压力传感器中每个传感单元的第一摩擦层、第二摩擦层、第一电极层、第二电极层均采用透光材料。

优选的，所述触屏设备的传感单元中，第一摩擦层采用聚对苯二甲酸二乙酯、第二摩擦层采用聚对二甲基硅氧烷，第一电极层和第二电极层均采用氧化铟锡。

相应的，本发明还提供一种安全报警设备，包括上述所述的压力传感器和报警装置，其中，报警装置用于当压力传感器受到外力作用时接收所述传感单元产生的电信号，并产生报警信号。

优选的，所述安全报警设备还包括储能装置和转换开关，其中，

所述报警装置和储能装置均通过所述转换开关连接在所述压力传感器上，所述转换开关控制所述压力传感器与报警装置或者储能装置连通；

所述储能装置用于储存压力传感器在受到外力作用时所述传感单元产生的电能。

与现有技术相比，本发明提供的传感器网络具有下列优点：

1、本发明的压力传感器中，采用静电纳米发电机作为传感单元，形成阵列式传感器。静电纳米发电机可以将外界施加的机械能转变为电能，无需为传感单元提供外接电源，本发明是一种自驱动的压力传感器器件，这样一方面可以使器件的尺寸小型化、便于携带和操作；另一方面，也节省了需要经常更换电池或其他电源的成本，有利于实现绿色化和多功能化的传感器网络。

2、在压力传感器中接入储能装置，使压力传感器可以有“工作模式”和“待机模式”：在工作模式下，可以通过分析作为传感单元的静电纳米发电机的输出电压和电流来得到器件表面所承受的压力的信息；而在“待机模式”下，传感单元阵列可以用于收集不同频率的外力震动产生的机械能，并将其转化为电能，用储能装置例如电容器或者电池储存起来，用于为传感器的测量设备供电。因为这种压力传感器本身是主动式的传感方式，这样就能实现整个传感器系统的自驱动工作。这种压力传感器可以应用在安全监测、医学监测等领域。

3、压力传感器中的传感单元的尺寸可以到的毫米至厘米极，通过半导体工艺制备的传感单元的尺寸甚至可以到的微米或亚微米级，能够实现高分辨的压力感应。另外，通过设置网络式电极，传感器还具有反应灵敏、分辨率高等特点。

4、通过传感单元中各部分材料的选择，可以将本发明的阵列式压力传感器应用在柔性电子学、电子皮肤、医学监测、人机互动等多方面。

附图说明

通过附图所示，本发明的上述及其它目的、特征和优势将更加清晰。在全部附图中相同的附图标记指示相同的部分。并未刻意按实际尺寸等比例缩放绘制附图，重点在于示出本发明的主旨。

图1为本发明的压力传感器的截面结构示意图；

图2为本发明的压力传感器的俯视结构示意图；

图3为包括电极网络的压力传感器的结构示意图；

图4为一种压力传感器制备过程示意图；

图5为图4中制备完成的压力传感器俯视结构示意图；

图6为本发明的安全报警装置的结构示意图。

具体实施方式

下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

其次，本发明结合示意图进行详细描述，在详述本发明实施例时，为便于说明，所述示意图只是示例，其在此不应限制本发明保护的范围。

现有的传感器器件都需要外接一个直流电源（如电池）用于驱动器件工作，给整个传感系统增加了很大的负担和成本。近年来，基于纳米发电机的自驱动压力传感器的出现，很大程度上为这个问题提出了一个可能的解决方案。这种自驱动压力传感器的原理是，当纳米发电机接收到一个加载的压力信号时，由于接触起电效应产生的输出电压或输出电流与所加载的压力呈正相关的关系。因此，通过分析输出电压或电流的变化即可得到加载压力的信息。在本发明中，基于这个基本原理发展出自驱动的阵列式压力传感器，在日常生活中，如无线触屏技术、人造电子皮肤、重症监护、安全防护等多个领域均有重要用途。

实施例一：

本发明提供的自驱动压力传感器的典型结构参见图1和2，图1为压力传感器的截面结构示意图，图2为压力传感器的俯视示意图，压力传感器包括：衬底401、设置在衬底401上的M×N个传感器单元A1、A2、……，M×N个传感器单元在衬底401上按照M行N列的阵列排列（图2中只示意性的显示了4行4列的阵列），其中，每个传感单元包括第一摩擦层101、第一摩擦层101上表面接触设置的第一电极层102、第二摩擦层201以及第二摩擦层下表面接触设置的第二电极层202（如图1所示），其中，第二电极层202与衬底401固定设置，在传感单元中设置弹性连接件301能够使第一摩擦层101的下表面与第二摩擦层201的上表面面对面设置并且能够接触和分离；当第一摩擦层101下表面与第二摩擦层201上表面的距离不同时，在第一电极层102与第二电极层202之间能够在外电路产生不同的电信号。当压力施加在本发明的传感器上时，感受到所述压力的所述传感单元的第一摩擦层下表面与第二摩擦层上表面的距离被改变，通过第一电极层与第二电极层对电路输出相应的电信号。这里所述的M行N列的阵列中，M和N为大于1的自然数，例如10行10列的阵列。

压力传感器中，每一个传感器单元均是一个静电纳米发电机，第一摩擦层101与第二摩擦层201的材料表面吸引电子能力不同。作为传感单元的静电纳米发电机的工作原理为：由于压力作用，当两种表面吸引电子能力不同的材料相互接触时，由于接触起电效应，其中一种材料（吸引电子能力弱）的表面剩余正电荷，而另一种材料（吸引电子能力强）的表面剩余负电荷。当第一摩擦层101与第二摩擦层201两种材料的表面仍处于接触状态时，由于正负电荷紧密接触，产生的有效偶极矩几乎为零，这样第一电极层102和第二电极层202之间不会产生电势差（也即开路电压为零）。当外加压力撤销，由于弹性连接件301的回复作用会使第一摩擦层101与第二摩擦层201相互分离，第一摩擦层101的下表面与第二摩擦层201的上表面带有等量的相反电荷，由于静电荷的分离产生的偶极矩会使第一电极层102和第二电极层202之间形成电势差（也即一定大小的开路电压）。如果将传感单元的第一电极层102和第二电极层202通过导线引出压力传感器（如图2中所示），可以将传感单元与外电路的负载相互连接，这个电势差可以驱动外电路中的电子定向流动，形成电流。基于上述的静电纳米发动机的工作原理，这种静电纳米发电机的开路电压与如上所述的两个带电表面的分离距离成正比，即

V_OC=σ·d/ε

其中，V_OC为静电纳米发电机的开路电压，σ为带电表面的电荷密度，d为两个带电表面的分离距离，ε为空气的介电常数。这样，所测得的开路电压与两个平面的分离距离呈线性关系；而另一方面，由于弹性分离层的作用，可以测得所述分离距离与加载压力的大小也呈现线性关系（压力越大，分离距离越小）。这样，所测得的静电纳米发电机的开路电压的大小与施加在传感单元的压力呈正相关的关系，因此可以用静电纳米发电机（即传感单元）的开路电压的大小直接进行静态压力的测量。

另一方面，对于短路电流的测量，因为电流是单位时间内定向移动的电荷量，即

i=dQ/dt

所以短路电流的大小不仅与两个电极之间转移的电荷量有关，也和电荷转移的速率有直接关系。这样，通过分析静电纳米发电机输出电流的大小，可以得到关于加载压力的动态信息。

因此，压力传感器的传感单元的第一电极层与第二电极层通过导线与多通道的电压或电流测量系统相连接，通过测得静电纳米发电机阵列的输出电压或者输出电流的分布，即可得知传感器表面的压力（应变）分布的信息。

需要说明的是，传感单元的上述工作原理需要在施加所述外力前，第一摩擦层101的下表面与第二摩擦层201的上表面能够接触后分离，使第一摩擦层101的下表面与第二摩擦层201的上表面带有等量的相反电荷，之后进行施加外力的压力传感。在实际中，作为第一摩擦层与第二摩擦层的材料表面本身即可带有一定电荷，因此，可以不需要先将第一摩擦层与第二摩擦层进行接触后再分离，只要外力改变了第一摩擦层下表面与第二摩擦层上表面之间的距离，在第一电极层与第二电极层之间的电信号即被改变，因此，也可以实现压力的感应，其工作原理与上述相同。如果施加外力前，第一摩擦层101的下表面与第二摩擦层201的上表面进行接触后分离，使第一摩擦层101的下表面与第二摩擦层201的上表面带有等量的相反电荷，再进行压力探测，多次施加所述外力获得的探测结果比较稳定。

本发明所述的压力传感器，由于传感单元的第一摩擦层下表面与第二摩擦层上表面接触后，第一电极层与第二电极层之间的电信号不能随着外力的增加而变化，因此，施加在压力传感器上外力的压力范围优选为0.5KPa至几个KPa。

绝缘体材料，例如常规的高分子聚合物都具有摩擦电特性，均可以作为制备本发明中传感单元的第一摩擦层101和第二摩擦层201的材料，此处列举一些常用的高分子聚合物材料：聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，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、再生纤维海绵薄膜、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、酚醛树脂薄膜、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、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯。限于篇幅的原因，并不能对所有可能的材料进行穷举，此处仅列出几种具体的聚合物材料从人们参考，但是显然这些具体的材料并不能成为本发明保护范围的限制性因素，因为在发明的启示下，本领域的技术人员根据这些材料所具有的摩擦电特性很容易选择其他类似的材料。

相对于绝缘体，半导体和金属均具有容易失去电子的特性，因此，半导体和金属也可以代替绝缘体材料作为制备第一摩擦层102或第二摩擦层202的原料。常用的半导体包括：硅、锗；第Ⅲ和第Ⅴ族化合物，例如砷化镓、磷化镓等；第Ⅱ和第Ⅵ族化合物，例如硫化镉、硫化锌等；以及由Ⅲ-Ⅴ族化合物和Ⅱ-Ⅵ族化合物组成的固溶体，例如镓铝砷、镓砷磷等。除上述晶态半导体外，还有非晶态的玻璃半导体、有机半导体等。非导电性氧化物、半导体氧化物和复杂氧化物也具有摩擦电特性，能够在摩擦过程形成表面电荷，因此也可以用来作为本发明的摩擦层，例如锰、铬、铁、铜的氧化物，还包括氧化硅、氧化锰、氧化铬、氧化铁、氧化铜、氧化锌、BiO₂和Y₂O₃；常用的金属包括金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒，合金选自金、银、铂、铝、镍、铜、钛、铬或硒形成的合金、不锈钢、铍铜合金。当然，还可以使用其他具有导电特性的材料充当容易失去电子的摩擦层材料，例如铟锡氧化物ITO。

通过实验发现，当第一摩擦层101与第二摩擦层201材料的得电子能力相差越大时，静电纳米发电机的第一电极层102与第二电极层202之间输出的电信号越强。所以，可以根据实际需要，选择合适的材料来制备第一摩擦层101和第二摩擦层201以获得更好的输出效果。特别的，第一摩擦层101或第二摩擦层201的材料选择弹性材料，可以增加受到外力作用时的接触面积。还可以对第一摩擦层101的下表面和/或第二摩擦层201的上表面进行物理改性，使其全部或部分表面具有微米或亚微米量级的微结构或者纳米材料的点缀或涂层，以增强第一摩擦层101与第二摩擦层201之间的接触面积。所述微结构可以选自纳米线、纳米管、纳米颗粒、纳米沟槽、微米沟槽、纳米锥、微米锥、纳米球和微米球状结构。优选为在第一摩擦层101的下表面、第二摩擦层201的上表面包括上述微、纳米结构形成的阵列。

本发明中，优选的，传感单元的第一摩擦层和第二摩擦层均采用高分子材料，其中一种表面容易得电子，另一种表面容易失电子。正常状态下，两种材料因为弹性连接件的作用相互分离；在外力作用下，两种高分子层相互接触，在界面处发生电子转移，两种材料的表面就有了剩余正电荷和剩余负电荷；当外力撤销，两种材料再次分离的时候，可以在外电路形成输出电流和开路电压。具体的，第一摩擦层101采用表面容易得电子的绝缘材料，如聚对二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯等材料，而第二摩擦层201采用表面容易失电子的绝缘材料，如尼龙等材料。

如果传感单元的一个摩擦层材料采用绝缘材料，另一摩擦层的绝缘材料采用导电材料替代，则采用导电材料的摩擦层可以代替与其接触设置的电极层，进一步简化传感单元的结构，提高了材料的利用效率并节约成本。优选的，第一摩擦层采用高分子材料，如聚对二甲基硅氧烷、聚四氟乙烯等材料；第二摩擦层采用金属材料，如铜、铝等金属材料。这样结构的传感单元，第二摩擦层同时充当第二电极层，只需要在第一摩擦层的上表面设置第一电极层即可。

压力传感单元中，第一摩擦层101和/或第二摩擦层201的厚度无特别要求，本发明优选摩擦层为薄膜，厚度为10nm-5mm，优选10nm-1mm，更优选100nm-500μm。

压力传感单元中，第一电极层102或第二电极层202的材料可以选择常用的电极材料，例如金属、合金、导电氧化物或有机物导体等，具体电极材料的选择不作为限定本发明保护范围的因素。实际中，本领域的技术人员可以根据各摩擦层材料的选择，确定相应电极层材料以及制备方法的选择，以确保电极层与相应的摩擦层（例如第一电极层101和第一摩擦层201）的良好电接触。具体电极层材料的选择不作为限定本发明保护范围的条件。第二电极层201与衬底401之间的固定，可以材料粘贴固定的方式，也可以采用在衬底401的表面制备电极层的方式进行设置。

传感单元中，弹性连接件301可以采用弹性材料或者弹性结构，弹性连接件301的作用为使第一摩擦层101的下表面与第二摩擦层201的上表面面对面设置，并且在静止状态下使第一摩擦层101下表面与第二摩擦层201上表面保持一定距离；弹性连接件301在受到外力作用时可以被压缩而撤去外力时恢复从而使第一摩擦层101的下表面与第二摩擦层201的上表面互相接触和分离。因此弹性连接件301可以连接在第一摩擦层101与第二摩擦层201之间，也可以连接在第一电极层与第二电极层之间，具体的，弹性连接件301可以连接在第一摩擦层101的下表面与第二摩擦层201的上表面。弹性连接件301与其他部件（摩擦层或电极层）的连接方式可以为粘贴或者夹持等多种方式，因此，其具体连接位置和连接方式不应成为限制本发明保护范围的因素。优选的，弹性连接件301采用弹性的有机物材料，例如光刻胶SU8等弹性有机物材料，可以在摩擦层的表面通过光刻的方法制备弹性连接件301。

本发明的压力传感器中，若干个传感单元按照设定的图形形成阵列，除了图2所示的M行N列的矩形阵列外，还可以根据实际的探测需要，将若干个传感单元按照需要的图形设置，例如圆形、菱形、长方形等。

每个传感单元的第一电极层和第二电极层需要通过导线引出压力传感器，以便进行压力测试，对于包括若干个传感单元的压力传感器，若干个传感单元的两个电极层可以采用图2中所示的方式，每个传感单元的第一电极层和第二电极层分别通过导线连接后引出传感器，可以直接与多通道测试设备连接，当传感器受到压力作用时，不同的传感单元感受到的压力不同，从而导致其的第一摩擦层与第二摩擦层之间的距离不同，相应的，第一电极层与第二电极层之间的电压或电流也不相同，因此，根据多通道测试设备检测到的信号与传感单元的对应关系，可以绘制压力分布图。图2所示传感单元电极层的连出方式中，每个传感单元的两个电极层通过导线引出，相邻传感单元之间互不影响，因此，采用这种传感单元的电极层引出方式，具有传感单元反应灵敏的优点。但是，由于每个传感单元需要引出两个连接线，使得传感器的结构比较复杂，相邻传感单元之间的距离较大，会影响传感器的分辨率。

为了克服上述缺点，可以采用网络式电极的方式将传感单元的两个电极层引出传感器，参见图3，以压力传感器中若干个传感单元形成M行N列的阵列为例，包括下电极网络和上电极网络，下电极网络包括M条下电极条501，每个下电极条501将同一行传感单元的第二电极层串联连接在一起后引出传感器；同样，上电极网络包括N条下电极条502，每个下电极条502将同一列传感单元的第一电极层串联连接在一起后引出传感器。传感器的上下电极网络通过导线与多通道的电压或电流测量系统相连接，通过测得静电纳米发电机阵列的输出电压或者输出电流的分布，即可得知传感器表面的压力（应变）分布的信息。这样的电极层连接方式，每个传感单元的第一电极层和第二电极层分别通过一个上电极条和一个下电极条引出传感器，将上电极网络和下电极网络（即所有的上电极条和下电极条）连接至多通道测试设备，根据上、下电极条的输出信号，可以唯一地获得相应传感单元的受力信息，即可对传感器受到的压力进行检测。上述是若干个传感单元按照M行N列的规则阵列排列时上电极网络和下电极网络的情况，优选为多条上电极条平行排列，多条下电极条平行排列；更优选为上电极条与下电极条互相垂直排列。对于压力传感器的若干个传感单元为不规则阵列排列的情况，也可以采用这种连接方式，传感器包括上电极网络和下电极网络，其中，上电极网络包括互相不连通的多条上电极条，下电极网络包括互相不连通的多条下电极条；若干个传感单元的第二电极层通过多条下电极条连接成多个串联电路，第一电极层通过多条上电极条连接成多个串联电路，并且第二电极层连接在同一条下电极条的传感单元的第一电极层连接在不同的上电极条上。通过检测多条上电极条与下电极条的电信号，可以获得每个传感单元在受到压力作用时的第一电极层与第二电极层之间的电信号。本发明中，所述传感器单元通过网格式电极连接形成阵列式结构，可以实现压力（应变）的定位和压力场测绘（pressure mapping）等功能。

压力传感器中采用图3所示的电极网络式连接方式，传感单元的尺寸和密度是可以调整的，甚至可以通过微刻蚀技术加工尺寸很小的传感单元的阵列，用于微纳尺度的压力（应变）监测，以提高其分辨率。这种技术的实现，将在柔性电子学、电子皮肤、医学监测、人机互动等多方面具有重要的应用价值。

上电极网络或下电极网络的电极条可以为导电胶带，可以是导电的铜胶带或者碳胶带，也可以是其他具有良好吸附性和导电性的条带阵列；上电极网络或下电极网络同时还可以将传感单元与衬底固定。当传感器单元的尺寸到达微纳米级别的时候，可以用光刻蚀或者电子束刻蚀等微加工手段制备上电极网络或下电极网络的电极条，这种方法制备的上电极网络或下电极网络的电极条可以为金属等导电材料，不局限在导电胶带。

压力传感器中的衬底只是作为传感器的支撑材料，对材料的选择无特殊要求，优选为绝缘衬底，可以是刚性材料，如二氧化硅、氧化铝、氧化锆等陶瓷基底或玻璃基底，由于陶瓷刚性基底在压力下变形很小，因而对微小压力（应变）的检测更加灵敏和准确。压力传感器的衬底也可以是柔性材料，如聚对二甲基硅氧烷（PDMS）、聚酰亚胺（Kapton）、聚对苯二甲酸二乙酯（PET）等有机物，采用柔性衬底使得压力传感器的适用范围更加广泛，可以很好的与柔性电子学器件、人造皮肤等技术相融合。本发明中传感单元设置在衬底上，通过第二电极层与衬底固定设置来实现，这里并不限定第二电极层直接固定在衬底上，也可以在衬底与第二电极层之间包括其他器件或结构，只需要满足第二电极层与衬底之间位置固定即可，保证第二电极层与衬底之间的距离不会在外力作用下改变。

本发明的压力传感器中，还可以包括储能元件，传感器可以有“工作模式”和“待机模式”：在工作模式下，可以通过分析传感单元的输出电压和电流来得到传感器表面所承受的压力的信息；而在“待机模式”下，传感单元形成的阵列可以用于收集不同频率的外力或震动产生的机械能，并将其转化为电能，用储能元件（如电容器或者电池）储存起来，用于为传感器的测量设备供电。因为这种压力传感器本身是主动式的传感方式，这样就能实现整个传感器系统的自驱动工作。具体的，储能元件连接在所述传感单元的第一电极层与第二电极层之间，并且，可以通过开关来控制传感单元处于“工作模式”或“待机模式”。

本发明的传感器中，对于第一摩擦层和/或第二摩擦层为弹性材料的情况，传感单元的第一摩擦层与第二摩擦层之间的连接也可以不采用弹性连接件的方式，例如形成一种拱形结构的传感单元。具体的，传感单元的第一摩擦层下表面为拱形，第二摩擦层的上表面为平面；或者，第一摩擦层下表面为平面，第二摩擦层的上表面为拱形；第一摩擦层的边缘与第二摩擦层的边缘直接连接。下面介绍制备这种压力传感器的方法，包括如下步骤：

1、取一方形平板（塑料或玻璃），在上面用镀膜设备（如电子束蒸镀或磁控溅射）加工一层完整的金属电极（如金、银、铜、铝等），获得金属平板；

2、利用传统工艺加工拱形结构的传感单元，具体步骤如下：

在聚酰亚胺衬底上采用等离子体增强化学气相沉积（PECVD）方法沉积一层二氧化硅薄膜，然后取出冷却，衬底会在热应力作用下变为拱形结构；

在拱形基底的内表面粘附一层有微纳米结构的PDMS绝缘层（作为传感单元的第一摩擦层--高分子层）；

在拱形衬底的外表面加工第一电极层；

将加工好的高分子层与铝的薄膜连接，构成拱形传感单元—静电摩擦发电机；再将第一电极层用导线引出；

3、将制备好的若干个拱形传感单元的铝薄膜层外侧用导电胶带或者银浆固定连接在步骤1镀好的金属平板上，形成传感单元的阵列，然后将金属平板的金属层用导线引出。

利用这种工艺制备的压力传感器的每个传感单元都是一个可以独立工作的静电纳米发电机，因为没有电极之间的互相干扰，所以其选择性更好，但是空间分辨率则受限于静电纳米发电机的加工方式，传感单元的尺寸只能做到厘米或者毫米级别。

下面介绍另外一种制备高分辨的压力传感器的方法，可以获得微纳米尺度的传感单元，制备流程参见图4，包括如下步骤：

1、用PECVD工艺在清洗干净的硅片衬底表面沉积一层二氧化硅绝缘层，厚度约三微米左右，见4（a）图；

2、用光刻蚀工艺在二氧化硅层的表面加工下电极网络。具体流程是：先用旋涂工艺在硅片表面旋涂一层光刻胶（PMMA），将光刻胶固化之后，用紫外曝光机（mask aligner）和设计好的Mask进行曝光。然后进行显影操作，刻蚀出预设图案之后，再利用镀膜设备（电子束蒸镀或磁控溅射）在刻出的图案上镀金属电极（如金、铝等）网络。然后用丙酮洗掉剩余的光刻胶，见4（b）图。

4、利用同样的办法，在下电极网络的对应位置沉积一层金属层（如铝、铜等），作为摩擦纳米发电机的第二电极层。

5、利用旋涂方法，在步骤4所得样品表面旋涂一层高分子弹性薄膜，并用反应离子刻蚀的方法（RIE）将其刻掉周围多余的部分，只保留每个传感单元周围的位置作为发电机的弹性层。该步骤所用的高分子薄膜材料要比较稳定，不能溶于丙酮，如SU8，见4（c）图。

6、在步骤5得到的结构上甩一层可溶性的光刻胶作为牺牲层，填充在弹性层的内部，见4（d）图。

7、在步骤6得到的样品表面用PECVD镀一层二氧化硅，作为传感单元的第一摩擦层，见4（e）图。

8、用丙酮洗掉牺牲层的光刻胶，这样就形成了金属层和二氧化硅层中间的间隙，边缘部分则由弹性的不可溶性光刻胶隔开，见4（f）图。

9、利用与步骤4相同的办法，加工每个传感单元的第一电极层，见4（g）图。

10、利用与步骤3相同的办法，加工整个传感器的上电极网络，见4（h）图。整个器件的俯视示意图如图5所示。

利用这种工艺和适当的设备，所加工的压力传感器中，每个传感单元的尺寸在微米甚至亚微米级别，传感单元之间的距离不受限制，因此压力传感器的空间分辨率可达到微米甚至亚微米级别。

本发明中所述的传感单元的尺寸是指传感单元在衬底表面的投影图形的尺寸，不涉及传感单元的厚度。

本发明的所有实施例中，传感单元的形状也即传感单元所占衬底表面的图形形状不做限定，根据实际应用需要，可以为正方形、六边形、圆形等任意形状。

实施例二：

本发明提供一种电子皮肤器件，所述电子皮肤包括实施例一中所述的压力传感器，其中，压力传感器中，每个传感单元的第一摩擦层、第二摩擦层、第一电极层、第二电极层均采用柔性材料。例如传感单元的有效部分由聚对二甲基硅氧烷（PDMS）薄膜和铝箔构成。因为PDMS是一种质地柔软而且生物相容性很好的高分子材料，由PDMS制成的传感器网络器件可以很好的附着于人体或者机器人的肌肉组织表面，而作为传感单元的静电纳米发电机在受到外力或挤压时，即可产生电信号输出，不需要额外提供电源，因此，本发明提供的电子皮肤是自驱动的人造电子皮肤。

具体的，压力传感器的传感单元中，第一摩擦层采用生物相容性的PDMS薄膜，第一电极层为沉积在PDMS薄膜表面的金薄膜，第二摩擦层（第二电极层）采用铝箔。在应用中，将PDMS与柔软的铝箔构成的若干个传感单元形成的阵列附着于人体或者机器人的肌肉组织表面。当电子皮肤的任何一个位点承受到一个外加压力时，在相应位置的传感单元会产生一个电流或者电压信号，可以直接用这个电压或者电流信号刺激相应位置的神经元，使得触觉刺激可以被大脑感知；另外，也可以用测量设备监测相应的电流信号，经过数据分析得到相应的压力的静态和动态信息，并通过反馈电路给予反应指令。后者尤其对于机器人的电子皮肤更为适用。

电子皮肤中，传感单元作为摩擦层的材料，可以选自具有生物相容性的柔性材料即可，并不限定为PDMS材料一种，也可以采用聚四氟乙烯、聚偏氟乙烯、聚氯乙烯、硅橡胶、聚酰亚胺、聚对苯二甲基二乙酯等材料。

实施例三：

本发明提出一种触屏设备，包括如实施例一中的压力传感器，其中，压力传感器中每个传感单元的第一摩擦层、第二摩擦层、第一电极层、第二电极层均采用透光材料。例如，采用表面镀有氧化铟锡（ITO）的聚对苯二甲酸二乙酯（PET）薄膜和聚对二甲基硅氧烷（PDMS）作为传感单元的有效部分，即第一摩擦层采用PET、第二摩擦层采用PDMS，第一电极层和第二电极层均采用ITO。由于这几种材料都是透明的，由这几种材料构成的触屏器件会有很好的透光性，不会影响触屏下方显示器的正常工作。

本发明提供的显示设备可以应用于电子计算机、手机以及其他通讯娱乐设备的显示器上。具体的，当人的手指（或其他任何部位）接触到压力传感器的任何一个位点时（伴随着对这个位点施加微小的压力），会产生相应传感单元的静电纳米发电机的开路电压的变化，或者产生一个电流信号。产生的信号通过计算机处理器的分析处理后，会对计算机或者手机发出指令，实现设定的操作。在实际应用中，可以利用光刻蚀或者电子束刻蚀技术，可以将这种纳米发电机阵列中每个单元的尺寸做到微米量级，实现高灵敏和高分辨的触屏器件。

实施例四：

本发明提供一种安全报警设备，参见图6，包括实施例一中的压力传感器10、储能装置20和报警装置30，其中，储能装置20用于储存压力传感器在受到外力作用时所述传感单元产生的电能，报警装置30用于当压力传感器10受到外力作用时接收传感单元产生的电信号，并产生报警信号。鉴于这样的结构，本发明的安全报警设备有两种工作模式：“发电-储电”模式和“传感”模式。优选的，本发明的安全报警设备还包括转换开关40，报警装置30和储能装置20均通过转换开关40连接在压力传感器10上，转换开关40控制压力传感器10与报警装置30或者储能装置20连通；用于控制两种工作模式之间的转换。

当然，本发明提供的安全报警装置也可以没有储能装置，仅包括压力传感器和报警装置，报警装置直接连接在压力传感器的传感单元上，当压力传感器受到外力作用时，传感单元产生的电信号使报警装置发出警报。

本发明的安全报警设备可以应用于家庭、公共场所、事业单位甚至军事机要场所。这种安全报警设备可以置于家庭住所或者机要房间的门窗或重要出入口附近的地毯下面。在并不需要安全防盗或者警戒的时候（例如家中时常有人出入的时候），可通过转换开关将设备调至“发电——储电”模式，这样，阵列式压力传感器中的传感单元（静电纳米发电机）可以收集来往的行人踩踏的机械能，并将其转化为电能，为储能装置例如电池充电；当需要安全防盗或者警戒的时候（例如深夜或者家中无人的时候），可以将设备调至“传感”模式，传感单元的阵列作为传感器使用，当有陌生人或者犯罪分子踩踏到传感器时，传感器产生的电流信号可以驱动报警装置发出报警信号，例如点亮发光二极管（LED），产生的电压信号也可以用于触发一个警报器报警，而警报器可以用发电--储电模式的充电电池驱动。这样，整个警报系统可以完全实现自驱动工作，达到安全防盗和警戒的效果。

安全报警设备在两种工作模式之间的转换则可通过开关人为控制，具有灵活、方便、绿色、节约能源等优势。

另外，这种安全报警设备也可以应用于医院中的重病监护，只是需要在病房或者其他场所的地毯下方铺设大面积的压力传感器。在正常情况下，病人在地毯上行走时，只有双脚与地面接触，传感器中可以有响应的传感单元较少，不会触发警报；如果发生异常情况，比如病人在地上突然摔倒，则会与地面发生较大冲击，而且身体会有大面积与地面接触，这样传感器中会突然有大量传感单元发出较大的响应信号。可以设置一定的警报阈值，当这种情况发生的时候即可触发警报。这样，一方面可以提高监护的及时和灵敏程度，避免悲剧的发生；另一方面也可以减少监护人员的使用，节约了监护成本。

以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本发明技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本发明技术方案做出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本发明技术方案保护的范围内。

Claims (24)

1.一种压力传感器，其特征在于，包括：

衬底；

设置在所述衬底上的若干个传感单元，若干个所述传感单元在所述衬底上按照设定图形排列形成阵列；所述传感单元包括第一摩擦层、第一摩擦层上表面接触设置的第一电极层、第二摩擦层以及第二摩擦层下表面接触设置的第二电极层，其中，所述第二电极层与所述衬底固定设置，所述第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面面对面设置；当外力使所述第一摩擦层下表面与第二摩擦层上表面的距离不同时，所述第一电极层与第二电极层之间能够在外电路产生不同的电信号。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，施加所述外力前，所述第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面能够接触后分离，使所述第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面带有等量的相反电荷。

3.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其特征在于，所述传感单元中，第一摩擦层与第二摩擦层的材料表面吸引电子能力不同。

4.根据权利要求1至3任一项所述的压力传感器，其特征在于，每个所述传感单元的第一电极层和第二电极层分别通过导线引出所述传感器。

5.根据权利要求1至3任一项所述的压力传感器，其特征在于，包括上电极网络和下电极网络，其中，上电极网络包括互相不连通的多条上电极条，下电极网络包括互相不连通的多条下电极条；若干个所述传感单元的第二电极层通过多条下电极条连接成多个串联电路，第一电极层通过多条上电极条连接成多个串联电路，并且第二电极层连接在同一条下电极条的传感单元的第一电极层连接在不同的上电极条上。

6.根据权利要求5所述的压力传感器，其特征在于，所述上电极网络或下电极网络的电极条为导电胶带。

7.根据权利要求1-6任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述传感单元的第一摩擦层下表面为拱形，第二摩擦层的上表面为平面；或者，第一摩擦层下表面为平面，第二摩擦层的上表面为拱形；

所述第一摩擦层的边缘与第二摩擦层的边缘直接连接。

8.根据权利要求1-7任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述传感单元的尺寸在厘米至毫米级。

9.根据权利要求2-6任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述传感单元中，弹性连接件使所述第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面面对面设置，并且在静止状态下使第一摩擦层下表面与第二摩擦层上表面保持一定距离；所述弹性连接件在受到外力作用时可以被压缩而撤去外力时恢复，从而使第一摩擦层的下表面与第二摩擦层的上表面互相接触和分离。

10.根据权利要求9所述的压力传感器，其特征在于，所述弹性连接件采用弹性材料或弹性结构件。

11.根据权利要求9或10所述的压力传感器，其特征在于，所述传感单元的尺寸在微米至亚微米级。

12.根据权利要求10或11所述的压力传感器，其特征在于，所述弹性材料为光刻胶。

13.根据权利要求1-12任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述传感单元中，第一摩擦层与第二摩擦层采用绝缘材料。

14.根据权利要求13所述的压力传感器，其特征在于，所述绝缘材料选择高分子材料：聚四氟乙烯，聚二甲基硅氧烷，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、再生纤维海绵薄膜、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、酚醛树脂薄膜、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、聚(偏氯乙烯-co-丙烯腈)薄膜或聚乙烯丙二酚碳酸盐薄膜，聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚碳酸酯或液晶高分子聚合物、聚氯丁二烯、聚丙烯腈、聚双苯酚碳酸酯、聚氯醚、聚偏二氯乙烯、聚乙烯、聚丙烯、聚氯乙烯。

15.根据权利要求13或14所述的压力传感器，其特征在于，所述第一摩擦层或第二摩擦层的绝缘材料被导电材料替代。

16.根据权利要求1-15任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述传感单元中，第一摩擦层和/或第二摩擦层优选为薄膜。

17.根据权利要求1-16任一项所述的压力传感器，其特征在于，M×N个所述传感单元在所述衬底上按照M行N列的阵列排列。

18.根据权利要求1-17任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述衬底为柔性材料或刚性材料。

19.一种电子皮肤，其特征在于，包括权利要求1-18任一项所述的压力传感器，其中，压力传感器中每个传感单元的第一摩擦层、第二摩擦层、第一电极层、第二电极层均采用柔性材料。

20.根据权利要求19所述的电子皮肤，其特征在于，所述第一摩擦层和第二摩擦层分别采用聚对二甲基硅氧烷薄膜和铝箔。

21.一种触屏设备，其特征在于，包括权利要求1-18任一项所述的压力传感器，其中，压力传感器中每个传感单元的第一摩擦层、第二摩擦层、第一电极层、第二电极层均采用透光材料。

22.根据权利要求21所述的触屏设备，其特征在于，所述传感单元中，第一摩擦层采用聚对苯二甲酸二乙酯、第二摩擦层采用聚对二甲基硅氧烷，第一电极层和第二电极层均采用氧化铟锡。

23.一种安全报警设备，其特征在于，包括权利要求1-18任一项所述的压力传感器和报警装置，其中，报警装置用于当压力传感器受到外力作用时接收所述传感单元产生的电信号，并产生报警信号。

24.根据权利要求23所述的安全报警设备，其特征在于，还包括储能装置和转换开关，其中，

所述报警装置和储能装置均通过所述转换开关连接在所述压力传感器上，所述转换开关控制所述压力传感器与报警装置或者储能装置连通；

所述储能装置用于储存压力传感器在受到外力作用时所述传感单元产生的电能。

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