CN104949777A - 压力传感器 - Google Patents

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Abstract

公开了一种压力传感器，该压力传感器可以实现与之前相比的更大电容改变和装置的小型化。压力传感器包括层构造，在该层构造中，电介质层由一对电极层和一对绝缘基板按顺序夹住，并且该压力传感器基于电极之间的电容值而检测压力，该电容值根据一对电极层和电介质层中的至少一个的偏转量而变化，并且其中，在压力传感器的每侧，电极层和电介质层中的至少一个在面向另一层的表面上具有凹部和凸部，并且电极层和电介质层通过凹部和凸部中的至少凸部而彼此接触。

Description

压力传感器
技术领域
本发明涉及一种与之前相比可以实现更大电容改变和装置的小型化的压力传感器。
背景技术
在作为压力传感器的一种类型的表面压力传感器中，采用各种层构造。专利文献1公开了一种用于通过获得伴随压力检测部中的电容器元件的压力的电容改变来测量压力的电容型力传感器，其中，电容器元件通过层叠多个电极以及在电极的一侧与电极的另一侧之间层叠不同数量的电极来形成，其中通过在相对电极之间插入弹性根据压力而改变的弹性电介质来层叠多个电极。
引用列表
[专利文献1]日本专利申请早期公开(JP-A)第H7-55615号
发明内容
技术问题
在专利文献1中所公开的使用多个电介质层的构造被认为具有如下问题：由于构造的复杂增加了成本，以及在垂直于表面压力的方向上的尺寸改变在电介质体之间不同，因此电介质层具有翘曲，这导致产生输出波动。
本发明是鉴于需要压力传感器的更简单构造的当前情形而做出的，并且本发明的目的是提供一种与之前相比可以实现更大电容改变和装置的小型化的压力传感器。
问题的解决方案
本发明的压力传感器包括层构造，在该层构造中，电介质层由一对电极层和一对绝缘基板按顺序夹住，并且该压力传感器基于电极之间的电容值而检测压力，该电容值根据一对电极层和电介质层中的至少一个的偏转量而变化，以及
其中，在压力传感器的每侧，电极层和电介质层中的至少一个在面向另一层的表面上具有凹部和凸部，并且电极层和电介质层通过凹部和凸部中的至少凸部而彼此接触。
在本发明的压力传感器中，在压力传感器的每侧，两个或更多个凹部和两个或更多个凸部可设置在电极层的面向电介质层的表面上，以使得电极层的整个表面具有凹凸形状，以及
电极层和电介质层可通过凹部和凸部中的至少凸部而彼此接触。
在本发明的压力传感器中，两个或更多个凹部和两个或更多个凸部可设置在电介质层的两个表面上，以使得两个表面整体具有凹凸形状，以及
电极层和电介质层可通过凹部和凸部中的至少凸部而彼此接触。
在本发明的压力传感器中，在压力传感器的每侧，彼此相邻的电介质层和电极层可被一体化；电极层整体可具有波纹形状，该波纹形状具有两个或更多个凹部和两个或更多个凸部；以及电极层和电介质层可通过凹部和凸部中的至少凸部而彼此接触。
本发明的有利效果
根据本发明，在压力相对低的阶段，由于凹部和凸部的存在，空隙形成在电极层与电介质层之间，以使得可以基于电极层和电介质层的接触面积的改变而检测压力。另一方面，在压力相对高的阶段，空隙消失，从而基于电介质层厚度的改变而检测压力。因此，由于本发明的压力传感器具有用于在多个阶段检测压力的模式，因此该压力传感器可以实现主要在低压力时的大电容改变和检测部的小型化。
附图说明
图1是示出本发明的压力传感器的典型示例的图，并且也是示意性地示出该压力传感器在其层堆叠方向上的横截面的图。
图2(a)是示出相对低的压力沿着压力传感器的层堆叠方向被施加到本发明的压力传感器的典型示例的状态的示意截面图。
图2(b)是示出相对高的压力沿着压力传感器的层堆叠方向被施加到本发明的压力传感器的典型示例的状态的示意截面图。
图2(c)是示出施加到压力传感器的压力与电容改变之间的关系的图。
图3是本发明的第一实施例的示意截面图。
图4是本发明的第二实施例的示意截面图。
图5是本发明的第三实施例的示意截面图。
具体实施方式
本发明的压力传感器包括层构造，在该层构造中，电介质层由一对电极层和一对绝缘基板按顺序夹住，并且该压力传感器基于电极之间的电容值而检测压力，该电容值根据一对电极层和电介质层中的至少一个的偏转量而变化，以及
其中，在压力传感器的每侧，电极层和电介质层中的至少一个在面向另一层的表面上具有凹部和凸部，并且电极层和电介质层通过凹部和凸部中的至少凸部而彼此接触。
在本发明的压力传感器中，在压力传感器的每侧，两个或更多个凹部和两个或更多个凸部可设置在电极层的面向电介质层的表面上，以使得电极层的整个表面具有凹凸形状，以及
电极层和电介质层可通过凹部和凸部中的至少凸部而彼此接触。
在本发明的压力传感器中，两个或更多个凹部和两个或更多个凸部可设置在电介质层的两个表面上，以使得两个表面整体具有凹凸形状，以及
电极层和电介质层可通过凹部和凸部中的至少凸部而彼此接触。
在本发明的压力传感器中，在压力传感器的每侧，彼此相邻的电介质层和电极层可被一体化；电极层整体可具有波纹形状，该波纹形状具有两个或更多个凹部和两个或更多个凸部；以及电极层和电介质层可通过凹部和凸部中的至少凸部而彼此接触。
本发明的发明人发现，作为发明构思，可以不使用多个电介质体来实现以下构造，该构造：(1)包括电极层与电介质层之间的细微凹部和凸部；(2)通过使得细微凹部和凸部中的凹部主要为空隙，同时该构造被变形为在低压范围中使得空隙塌陷(collapse)，该构造由高压范围中的电介质层本身的弹性而变形。因此，发明人实现了本发明。如上所述，通过安装用于在多个阶段检测压力的模式，可以检测从低压到高压的范围中的压力，同时保持低压范围中的高分辨率。因而，可以使得主要在低压时的电容改变较大，并且检测部的小型化是可能的。
图1是示出本发明的压力传感器的典型示例的图，并且也是示意性地示出压力传感器在其层堆叠方向上的横截面的图。
如图1所示，本典型示例的压力传感器包括电介质层106、电极层(102，107)和绝缘基板(101，111)，其中，电介质层106由一对电极层(102，107)夹住，并且夹住体进一步由一对绝缘基板(101，111)夹住。在电极层102的面向电介质层106的表面上，多个凸部103和多个凹部104被设置为使得电极层102的整个表面具有凹凸形状。另外，与电极层102的表面类似地，在电极层107的面向电介质层106的表面上，设置了多个凸部108和多个凹部109，
在没有施加表面压力的状态下，电介质层106和电极层102通过每个凸部103的边缘附近而彼此接触，并且电介质层106和电极层107通过每个凸部108的边缘附近而彼此接触。这些接触部(112，113)和由接触部夹住的电介质层106形成电容器。电容器的电极面积由接触部宽度115来确定。
另外，空隙105形成在电介质层106与电极层的凹部104之间，并且空隙110形成在电介质层106与电极层的凹部109之间。空隙(105，110)中的每个的体积由凹凸部的高度116来确定。凹凸部的高度116由电极层厚度117与电介质层106的厚度之间的平衡来确定。
图2(a)是示出相对低的压力沿着压力传感器的层堆叠方向被施加到本发明的压力传感器的典型示例的状态的示意截面图。图2(a)中的箭头114指示施加表面压力的方向。
在沿着构成压力传感器的堆叠体的层堆叠方向施加压力的情况下，当压力相对低时，如图2(a)所示，维持大部分类似于图1所示构造的构造。此时，根据压力的幅度，电极层的凸部(103，108)与电介质层106咬合，或者电极层的凸部(103，108)中的每个的高度减小，以使得电介质层106和电极层102的接触部宽度115a增加，并且电介质层106和电极层107的接触部宽度115a增加。
如从表示平行板电容器的电容的以下公式(1)清楚的是，此时的电容器电容C随着电极面积S增加而增加。
C＝(εS)/d   公式(1)
其中，C表示电容器电容，ε表示电介质层的介电常数，S表示电极面积，并且d表示电极间隔。
图2(b)是示出相对高的压力沿着压力传感器的层堆叠方向被施加到本发明的压力传感器的典型示例的状态的示意截面图。图2(b)中的箭头114指示与图2(a)相同的内容。
在沿着构成压力传感器的堆叠体的层堆叠方向施加高于特定幅度的压力的情况下，电极层的凸部与电介质层的咬合以及凸部的高度减小达到限制，以使得如图2(b)所示，电介质层106和电极层102的接触部宽度115b充分增加，并且电介质层106和电极层107的接触部宽度115b充分增加，从而电介质层106和每个电极层(102，107)附着到彼此。即使在该状态施加更大的压力，接触部宽度115b也不再增加。相反，电介质层厚度118减小。如从以上公式(1)清楚的是，电容器电容C随着电极间隔d的减小而增加。
图2(c)是示出施加到压力传感器的压力与电容改变之间的关系的图。图2(c)也是电容改变δC(fF)在垂直轴上并且施加到压力传感器的压力P(MPa)在水平轴上的图。在图2(c)中，以“(a)”表示的压力范围(0至0.2MPa)对应于上述图2(a)所示的状态，并且以“(b)”表示的压力范围(超过0.2MPa)对应于上述图2(b)所示的状态。
图2(c)示出了由于电容根据压力范围(a)中的低压而较大地波动，因此相对于压力的电容改变的灵敏度高。其原因如下：(1)在图2(a)的状态下，在由于压力而使得电极层的凸部(103，108)与电介质层106咬合并且凸部(103，108)的高度减小的情况下，在整个电极层上接收的压力集中在凸部的边缘上；以及(2)由于压力波动导致的接触部宽度115a的增加率高。
另一方面，图2(c)示出了在施加压力的情况下，电容增加在压力范围(b)中相对缓和。这是由于在图2(b)的状态下应力不集中，以使得电容改变δC由电介质层的弹性模量来确定，从而在压力为大约1/100或更小的范围中电容改变δC相对于电介质层的弹性模量几乎为线性形式。如上所述，通过使得相对于压力的电容改变的灵敏度低于压力范围(a)中的灵敏度，可以使得检测部和整个装置小型化。
图2(a)所示的状态没有根据特定压力的阈值而突然改变为图2(b)所示的状态，而是连续地改变为图2(b)所示的状态。因此，电容改变δC的图是如图2(c)所示的缓和曲线。
在下文中，将按顺序具体说明构成本发明的压力传感器的电介质层、电极层和绝缘基板。
用于电介质层的电介质体没有特别限制，只要其是一般用于压力传感器的电绝缘物质即可。在本发明中，电介质体优选地是聚合物材料。优选地用于电介质层的聚合物材料的示例包括树脂(诸如聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯硫化物、聚乙烯、聚丙烯、聚酰亚胺和特氟纶(R)(产品名称))；弹性体和橡胶。特别地，通过将低模量材料用于电介质层，可以在宽压力范围中检测压力。
根据压力传感器的结构，电介质层的厚度优选地在大于或等于20nm且小于或等于40μm的范围中。尤其是在将凹部和凸部设置在电极层上的情况下，从防止短路的观点来看，电介质层的厚度优选地比电极层的凹部和凸部中的每个的深度厚两倍多。
电极层不特别限制，只要其是一般用于压力传感器的传导物质即可。用于电极层的传导物质的示例包括金属、含碳树脂和导电树脂。
根据压力传感器的结构，电极层的厚度优选地在大于或等于5nm且小于或等于200nm的范围中。尤其在将凹部和凸部设置在电极层上的情况下，包括电极层上的凸部的高度的电极层的厚度优选地在大于或等于5nm且小于或等于200nm的范围中。从增加低压范围中的灵敏度的观点来看，优选地尽可能薄地减小电极层的厚度，以使得电极层可能由于压力而弯曲。
在将凹部和凸部设置在电极层上的情况下，凸部的形状优选地为金字塔形状或圆锥形状，这是由于这样的形状容易形成。
本发明的压力传感器可以构造为使得任意凹部和凸部形成在电极层与电介质层之间，从而根据要施加的压力而改变电极层和电介质层的接触面积。例如，如上述图1和以下描述的图3所示，凹部和凸部可以设置在电极层的面向电极层与电介质层之间的表面上。如以下描述的图4所示，凹部和凸部可以设置在电介质层的两个表面上。如以下描述的图5所示，凹部和凸部可以设置在面向电极层与电介质层之间的、电介质层和绝缘基板的两个表面上。
在没有施加压力的初始压力传感器中，优选地，空隙利用凹部和凸部中的至少凹部而形成在电极层与电介质层之间。
从防止空气压力的波动的观点来看，空隙优选地为真空状态。然而，空隙不仅限于真空状态，并且可以连接到外部空气或基本压力源。另外，可以在其中填充预定材料。预定材料的介电常数优选地小于构成电介质层的电介质体的介电常数。
用于绝缘基板的绝缘体不特别限制，只要其是一般用于压力传感器的电绝缘物质即可。在本发明中，绝缘体优选地是聚合物材料。优选地用于绝缘基板的聚合物材料的示例包括被描述为电介质层的材料的聚合物材料。
根据压力传感器的结构，电介质层的厚度优选地在大于或等于2μm且小于或等于200μm的范围中。
在下文中，将参照附图说明本发明中的3种类型的实施例。
图3是本发明的第一实施例的示意截面图。如图3所示，压力传感器的第一实施例包括电介质层306、电极层(302，307)和绝缘基板(301，311)，其中，电介质层306由一对电极层(302，307)夹住，并且夹住体进一步由一对绝缘基板(301，311)夹住。电介质层306、电极层(302，307)和绝缘基板(301，311)的材料和厚度如上所述。在电极层302的面向电介质层306的表面上，多个凸部303和多个凹部304被设置为使得电极层302的整个表面具有凹凸形状。另外，与电极层302的表面类似地，在电极层307的面向电介质层306的表面上，设置了多个凸部308和多个凹部309。
在没有施加表面压力的状态下，电介质层306和电极层302通过每个凸部303的边缘附近而彼此接触，并且电介质层306和电极层307通过每个凸部308的边缘附近而彼此接触。这些接触部(312，313)和由接触部夹住的电介质层306形成电容器。电容器的电极面积由接触部宽度315来确定。
另外，空隙305形成在电介质层306与电极层的凹部304之间，并且空隙310形成在电介质层306与电极层的凹部309之间。空隙(305，310)中的每个的体积由凹凸部的高度316来确定。电介质层厚度317比凹凸部的高度316厚两倍多。
第一实施例的制造示例如下。首先，在绝缘基板301的一个表面上形成电极层302，并且在绝缘基板311的一个表面上形成电极层307。接下来，由绝缘基板(301，311)夹住电介质层306，以使得形成有电极层(302，307)的绝缘基板(301，311)的表面面向内部。然后，通过接合表面318将绝缘基板301和电介质层306接合在一起，并且通过接合表面319将绝缘基板311和电介质层306接合在一起，从而获得本发明的压力传感器的第一实施例。用于接合绝缘基板和电介质层的方法的示例包括：尤其是在绝缘基板和电介质层的至少一个具有热塑性的情况下，利用粘合剂或热压进行接合。
图4是本发明的第二实施例的示意截面图。如图4所示，压力传感器的第二实施例包括电介质层406、电极层(402，407)和绝缘基板(401，411)，其中，电介质层406由一对电极层(402，407)夹住，并且夹住体进一步由一对绝缘基板(401，411)夹住。电介质层406、电极层(402，407)和绝缘基板(401，411)的材料和厚度如上所述。在电介质层406的两个表面上，多个凸部(403，408)和多个凹部(404，409)被设置成使得电介质层406的两个表面整体具有凹凸形状。
在没有施加表面压力的状态下，电介质层406和电极层402通过每个凸部403的边缘附近而彼此接触，并且电介质层406和电极层407通过每个凸部408的边缘附近而彼此接触。这些接触部(412，413)和由接触部夹住的电介质层406形成电容器。电容器的电极面积由接触部宽度来确定。
另外，空隙405形成在电介质层406与电介质层的凹部404之间，并且空隙410形成在电介质层406与电介质层的凹部409之间。
第二实施例的制造示例如下。首先，在绝缘基板401的一个表面上形成电极层402，并且在绝缘基板411的一个表面上形成电极层407。接下来，在电介质层406的两个表面上形成凹部和凸部。然后，由绝缘基板(401，411)夹住电介质层406，以使得形成有电极层(402，407)的绝缘基板(401，411)的表面面向内部，并且将电介质层406和绝缘基板(401，411)中的每个接合在一起，从而获得本发明的压力传感器的第二实施例。用于接合绝缘基板和电介质层的方法与上述第一实施例中的方法相同。
图5是本发明的第三实施例的示意截面图。如图5所示，压力传感器的第三实施例包括电介质层506、电极层(502，507)和绝缘基板(501，511)，其中，电介质层506由一对电极层(502，507)夹住，并且夹住体进一步由一对绝缘基板(501，511)夹住。电介质层506、电极层(502，507)和绝缘基板(501，511)的材料和厚度如上所述。绝缘基板501和和电极层502被一体化，并且绝缘基板511和电极层507被一体化。电极层502整体具有波纹形状以使得电极层502的整个表面具有凹凸形状，并且多个凸部503和多个凹部504设置在电极层502上。类似地，多个凸部508和多个凹部509设置在电极层507的表面上。
在没有施加表面压力的状态下，电介质层506和电极层502通过每个凸部503的边缘附近而彼此接触，并且电介质层506和电极层507通过每个凸部508的边缘附近而彼此接触。这些接触部(512，513)和由接触部夹住的电介质层506形成电容器。电容器的电极面积由接触部宽度来确定。
另外，空隙505形成在电介质层506与电介质层的凹部504之间，并且空隙510形成在电介质层506与电介质层的凹部509之间。
第三实施例的制造示例如下。首先，在绝缘基板(501，511)中的每个的一个表面上形成凹部和凸部，并且在形成有凹部和凸部的表面上形成电极层(502，507)。通过使得电极层(502，507)中的每个的厚度比形成有凹部和凸部的表面上的每个凸部的高度薄，将形成有凹部和凸部的表面上的凹凸形状转印到电极层(502，507)。接下来，由绝缘基板(501，511)夹住电介质层506以使得形成有电极层(502，507)的绝缘基板(501，511)的表面面向内部，并且将电介质层506和绝缘基板(501，511)中的每个接合在一起，从而获得本发明的压力传感器的第三实施例。用于接合绝缘基板和电介质层的方法与上述第一实施例中的方法相同。
第一至第三实施例中的每个具有相对于电介质层的对称结构。然而，在请求压力检测范围或制造处理时，压力传感器可以是通过采用在第一至第三实施例中的每个中的结构的每一侧或者将第一至第三实施例中的每个中的制造方法应用于结构的每一侧的非对称压力传感器。
另外，在第一至第三实施例中，空隙设置在电介质层与电极层之间；然而，根据需要，这些空隙可以填充有流体(气体和液体)。
附图标记列表
101，111：绝缘基板
102，107：电极层
103，108：电极层的凸部
104，109：电极层的凹部
105，110：空隙
106：电介质层
112，113：接触部
114：指示施加表面压力的方向的箭头
115：接触部宽度
115a：低压范围中的电极层和电介质层的接触部宽度
115b：高压范围中的电极层和电介质层的接触部宽度
116：凹凸部的高度
117：电极层的厚度
118：电介质层的厚度
301，311：绝缘基板
302，307：电极层
303，308：电极层的凸部
304，309：电极层的凹部
305，310：空隙
306：电介质层
312，313：接触部
315：接触部宽度
316：凹凸部的高度
317：电介质层的厚度
318，319：电介质层和绝缘基板的接合表面
401，411：绝缘基板
402，407：电极层
403，408：电介质层的凸部
404，409：电介质层的凹部
405，410：空隙
412，413：接触部
501，511：绝缘基板
502，507：电极层
503，508：电极层的凸部
504，509：电极层的凹部
505，510：空隙
506：电介质层
512，513：接触部

Claims (4)

1.一种压力传感器，所述压力传感器包括层构造，在所述层构造中，电介质层由一对电极层和一对绝缘基板按顺序夹住，并且所述压力传感器基于电极之间的电容值而检测压力，所述电容值根据所述一对电极层和所述电介质层中的至少一个的偏转量而变化，以及
其中，在所述压力传感器的每侧，所述电极层和所述电介质层中的至少一个在面向另一层的表面上具有凹部和凸部，并且所述电极层和所述电介质层通过所述凹部和所述凸部中的至少所述凸部而彼此接触。
2.根据权利要求1所述的压力传感器，
其中，在所述压力传感器的每侧，两个或更多个凹部和两个或更多个凸部设置在所述电极层的面向所述电介质层的表面上，以使得所述电极层的整个表面具有凹凸形状，以及
所述电极层和所述电介质层通过所述凹部和所述凸部中的至少所述凸部而彼此接触。
3.根据权利要求1所述的压力传感器，
其中，两个或更多个凹部和两个或更多个凸部设置在所述电介质层的两个表面上，以使得两个表面整体具有凹凸形状，以及
所述电极层和所述电介质层通过所述凹部和所述凸部中的至少所述凸部而彼此接触。
4.根据权利要求1所述的压力传感器，
其中，在所述压力传感器的每侧，彼此相邻的所述电介质层和所述电极层被一体化；所述电极层整体具有波纹形状，所述波纹形状具有两个或更多个凹部和两个或更多个凸部；以及所述电极层和所述电介质层通过所述凹部和所述凸部中的至少所述凸部而彼此接触。
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