CN106092385A - 电容型压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种电容型压力传感器及其制备方法。所述电容型压力传感器包括：第一基底和第二基底；设于第一基底上的第一电极层和设于第二基底上的第二电极层，第一电极层和第二电极层位于第一基底和第二基底之间；设于第一电极层和第二电极层之间的介电层；第一电极层包括多个设于第一基底和介电层之间的凸起。所述制备方法包括：形成包括多个凸起的第一电极层；在第一电极层上形成第一基底；形成第二基底；在第二基底上布设第二电极层；在第二电极层上布设介电层；将第一电极层和第一基底的组合布设于介电层上以使第一电极层位于第一基底和介电层之间。本发明大幅度提高了电容型压力传感器的灵敏度，有效缩短了压力传感器的响应时间。

Description

电容型压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于压力传感器领域，具体地讲，涉及一种电容型压力传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，随着柔性电子学的发展，具有超轻、超薄、超柔性的便携式、可穿戴式柔性电子器件受到国内外研究人员的广泛关注，逐渐成为目前最重要的前沿研究领域。基于柔性聚合物基底的压力传感器能够通过电学信号实时反映应变/压力的变化，并且可以任意弯曲、拉伸、压缩或者移动并保持良好的传感性能，因此在在柔性显示、可穿戴式监测设备、植入式医疗康复监测以及仿生机器人等领域有广泛的应用。但传统的电容响应型压力传感器灵敏度较低、响应时间长，这严重限制了电容响应型柔性压力传感器的应用。

因此，现有技术还有待于改进和发展。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种高灵敏度的电容型压力传感器及其制备方法。

本发明提供了一种电容型压力传感器，所述电容型压力传感器包括：第一基底和第二基底；设于所述第一基底上的第一电极层和设于所述第二基底上的第二电极层，所述第一电极层和所述第二电极层位于所述第一基底和所述第二基底之间；设于所述第一电极层和所述第二电极层之间的介电层；所述第一电极层包括多个设于所述第一基底和所述介电层之间的凸起。

进一步地，所述凸起包括连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介电层的尖部；所述尖部在平行于所述第一基底方向上的横截面积小于所述延伸部在平行于所述第一基底方向上的横截面积。

进一步地，所述延伸部相互连接。

进一步地，所述凸起呈拱形状。

进一步地，所述多个凸起在平行于所述第一基底的方向上依次排列。

进一步地，每一凸起呈长条形。

进一步地，相邻的凸起之间设有空隙。

进一步地，所述第一基底平行于所述第二基底。

本发明还提供了一种电容型压力传感器的制备方法，用于制备上述的电容型压力传感器，所述电容型压力传感器的制备方法包括：

形成包括多个凸起的第一电极层；

在所述第一电极层上形成第一基底；

形成第二基底；

在所述第二基底上布设第二电极层；

在所述第二电极层上布设介电层；

将第一电极层和第一基底的组合布设于所述介电层上以使所述第一电极层位于所述第一基底和所述介电层之间。

本发明的有益效果：本发明的电容型压力传感器的第一电极层包括多个凸起，在单位压力下，第一电极层更加容易发生形变而改变第一电极层与第二电极层之间的距离以使电容型压力传感器在单位压力下的电容变化量更大，从而大幅度提高了电容型压力传感器的灵敏度，有效缩短了响应时间。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是本发明的电容型压力传感器的较佳实施方式的结构示意图；

图2是本发明的电容型压力传感器的较佳实施方式对连续压力响应的曲线图；

图3是本发明的电容型压力传感器的较佳实施方式在循环施加及释放恒定压力时，相对电容与压力的变化曲线图；

图4是本发明的电容型压力传感器的制备方法的较佳实施方式的流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。相同的标号在整个说明书和附图中可用来表示相同的元件。

在附图中，为了清楚起见，夸大了层和区域的厚度。相同的标号在整个说明书和附图中可用来表示相同的元件。

根据电容型压力传感器的信号响应机理：电容

其中，ε_r用于表示介电层的介电常数，A用于表示两电极板的有效正对面积，d用于表示两极板间的距离。当电容型压力传感器受到压力的作用时，至少一个变量会发生改变，从而导致传感器电容发生变化，进而通过检测电容的变化来反映压力的大小。

参照图1，本发明的实施例提供的电容型压力传感器包括：第一基底11和第二基底12；设于所述第一基底11上的第一电极层15和设于所述第二基底12上的第二电极层16，所述第一电极层15和所述第二电极层16位于所述第一基底11和所述第二基底12之间；设于所述第一电极层15和所述第二电极层16之间的介电层17；所述第一电极层15包括多个设于所述第一基底11和所述介电层17之间的凸起13。所述凸起13之间设有间隙14，间隙14里填充有气体。所述气体可以为普通的空气，也可以为其它的惰性气体。但本发明并不限制于此。

为了使电容型压力传感器在单位压力下的电容变化量更大，从而提高电容型压力传感器的灵敏度，本发明的实施例提供了一端较尖一端较粗的凸起13形成的第一电极层15，以使压力传感器在按压的过程中，第一电极层15的形变更加明显，以达到第一电极层15和第二电极层16之间产生的电容变化量更大的目的。所述凸起13具体包括金属纳米线和聚合物。当所述金属纳米线为银纳米线、铜纳米线、镍纳米线、铂纳米线时，所述金属纳米线的直径为10～200nm，长度1～50μm；当所述金属纳米线为银纳米线和铜纳米线时，所述金属纳米线直径为40～80nm，长度2～10μm。本实施例中的金属纳米线具体为银纳米线，所述银纳米线的直径优选为60纳米，长度优选为1～2微米。但本发明并不限制于此。

每个凸起13在垂直于所述第一基底11方向上的横截面的宽度可以为1～50微米，高度可以为0.5～25微米。优选地，当所述凸起13在垂直于所述第一基底11方向上的横截面的宽度为2～10微米，深度为0.7～4.5微米时，凸起13在受压时发生的形变更大，此时该电容型压力传感器的灵敏度更高。在本实施例中，所述凸起13的宽度具体为2微米，高度具体为0.7微米。本发明的实施例的凸起13大小并不限制于此，在具体应用中，可以根据实际情况调节第一电极层15的凸起13的大小以及凸起13中金属纳米线的含量，来调控压力传感器的灵敏度，从而获得符合要求的压力传感器。

所述凸起13包括连接所述第一基底11的延伸部131、以及自所述延伸部131延伸而朝向所述介电层17的尖部132；所述尖部132在平行于所述第一基底11方向上的横截面积小于所述延伸部131在平行于所述第一基底11方向上的横截面积。优选地，所述凸起13在平行于所述第一基底11的方向上的横截面积自所述第一基底11朝向所述介电层17的方向逐渐减小。

另外，所述延伸部131相互连接。所述多个凸起13在平行于所述第一基底11的第一方向上依次排列。为了使压力传感器在受压的过程中受力更加均匀，每一凸起13呈拱形状，且每一凸起13呈长条形，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，以形成连续的波浪式结构。

作为本发明的另一实施例，第一电极层的多个凸起13也可以呈点阵式排布，每个凸起13相互独立排布，每个凸起13的底部133互不相连。另外，所述凸起13可以呈锥体状(包括圆锥和棱锥体等)，也可以呈拱形状(包括半球体、圆台状等)，本发明的凸起13的形状并不限制于此。

作为本发明的又一实施例，介电层17的多个凸起13呈阵列式排布，所述凸起13可以为长条的拱形状的凸起13。

所述第二电极层16包括铺设于所述第二基底12上的金属纳米线。所述金属纳米线可为银纳米线、铜纳米线、镍纳米线、铂纳米线等。同样地，所述第二电极层16采用的金属纳米线的直径可以为10～100纳米，长度10～50微米。优选地，采用的金属纳米线的直径为40～80纳米，长度2～10微米时，可以获得更好的技术效果。本实施例中的金属纳米线具体为银纳米线，所述银纳米线的直径优选为60纳米，长度优选为1～2微米。

为了提高介电层17的柔韧性，从而提高压力传感器的灵敏度，所述介电层17由聚偏氟乙烯(PVDF)形成。其中，聚偏氟乙烯(PVDF)的厚度为10微米。但本发明并不限制于此，介电层17也可以由PDMS、聚乙烯吡咯烷酮(PVP)、聚氨酯(PU)等具有较高介电常数的柔性聚合物。

为了获得廉价易得、柔韧性更好、与人体有更好的相容是性的第一基底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(英文简称为PDMS，下文统一使用简称PDMS)制成。所述第一基底11和第二基底12的厚度为100～500微米。优选地，本实施例的第一基底11和第二基底12的厚度均为300微米。

本发明的实施例提供的电容响应型柔性压力传感器可以贴附在衣物及皮肤上，用于脉搏、血压、呼吸频率等生理体征检测，也可以用于人体运动状况检测。

参照图2和图3，C₀是电容型压力传感器无负载时的电容值，C是测试时电容型压力传感器的电容值)。

由图2可知，由本发明的实施例提供的电容型压力传感器具有较高的响应灵敏度(灵敏度是指单位压力下响应信号的相对变化量，计算公式为S＝(C-C₀)/C₀/压力)、较低的压力检出限(压力检出限是指传感器所能检测到的最小压力值)、较大的量程以及较高的工作稳定性。从图2中相对电容对压力的响应曲线可以看出该压力传感器在压力达到75kPa时，其相对电容变化(C-C₀)/C₀仍然比较明显(由于检测设备的限制，75kPa以后的相对电容响应值无法检测)，这说明该压力传感器的量程至少为75kPa，并且从图2可以看出所述压力传感器的最低检出限低于0.4kPa。另外，在拥有如此高量程的情况下，该压力传感器依然保持了较高的灵敏度，当传感器受到的压力低于13kPa时，通过计算可得出灵敏度S＝0.47±0.08kPa-1，当传感器受到的压力为13～75kPa时，通过计算可得出灵敏度S＝0.13±0.04kPa-1。

图3为该压力传感器在循环施加及释放3kPa的恒定压力时，相对电容的响应情况。从图3可以看出在加压过程中，相对电容的响应值几乎保持不变，且撤去压力后，相对电容值迅速恢复为0，并几乎保持不变，这说明该压力传感器具有较高的响应稳定性，进一步的测试发现，该传感器在3kPa的固定压力下，进行高达1500次的加压-释放循环后，其相对电容对压力的响应值依然保持不变，这说明该压力传感器具有较高的工作稳定性。

具体地，本发明的实施例可以通过调节第一电极层15的凸起13大小及金属纳米线的含量、介电层17的材料和厚度来调控压力传感器的灵敏度、最低检出限、量程等性能，从而获得符合各种使用环境和要求的压力传感器。

为了获得制备工艺简单，适用于大规模工业化生产的电容型压力传感器，参照图1和图4，本发明的实施例还提供了一种该压力传感器的制备方法，具体包括以下步骤：

在步骤210中，形成包括多个凸起13的第一电极层15。具体地，先通过光蚀刻法在硅片表面刻蚀出沟槽最大宽度为2微米，深度为0.7微米的呈拱形的用于形成所述凸起13的模板；然后在所述模板上浇筑银纳米线的乙醇分散液，在真空环境下烘干。再在所述浇筑有银纳米线的模板上旋涂质量比为10:1的PDMS和固化剂的混合物，在70℃下固化30min，得到表层含有银纳米线的第一电极层15。

在步骤220中，通过调整旋涂速率和时间PDMS和固化剂的混合物的厚度控制为300μm以在所述第一电极层15上形成第一基底11，然后在边缘用银胶粘贴铜箔作为引出电极。

在步骤230中，形成第二基底12。具体地，在洁净的玻璃上旋涂质量比为10:1的PDMS和固化剂的混合物，在70℃下固化30min分别得到平整的第二基底12，通过调整旋涂速率和时间将第二基底12的厚度控制为300微米。本发明的第一基底11和第二基底12厚度并不限制于此，所述第一基底11和第二基底12的厚度可以为100～500微米。

在步骤250中，在所述第二基底12上布设第二电极层16。具体地，在所述第二基底12上浇筑银纳米线的乙醇分散液，烘干溶剂后，在边缘用银胶粘贴铜箔作为引出电极，以在第二基底12上形成第二电极层16。

在步骤250中，在所述第二电极层16上布设介电层17。具体地，在第二电极层16上旋涂PVDF的N,N-二甲基甲酰胺溶液并烘干，通过调整旋涂速率和时间将PVDF膜的厚度控制为10微米，以在第二电极层16上形成介电层17。

在步骤260中，将第一电极层15和第一基底11的组合布设于所述介电层17上以使所述第一电极层15位于所述第一基底11和所述介电层17之间。

综上所述，本发明大幅度提高了电容型压力传感器的灵敏度，有效缩短了传感器的响应时间，并且该传感器结构简单稳定，容易组装及整体封装，适用于大规模工业化生产。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims (9)

1.一种电容型压力传感器，其特征在于，所述电容型压力传感器包括：

第一基底和第二基底；

设于所述第一基底上的第一电极层和设于所述第二基底上的第二电极层，所述第一电极层和所述第二电极层位于所述第一基底和所述第二基底之间；

设于所述第一电极层和所述第二电极层之间的介电层；所述第一电极层包括多个设于所述第一基底和所述介电层之间的凸起。

2.根据权利要求1所述的电容型压力传感器，其特征在于，所述凸起包括连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介电层的尖部；所述尖部在平行于所述第一基底方向上的横截面积小于所述延伸部在平行于所述第一基底方向上的横截面积。

3.根据权利要求2所述的电容型压力传感器，其特征在于，所述延伸部相互连接。

4.根据权利要求3所述的电容型压力传感器，其特征在于，所述凸起呈拱形状。

5.根据权利要求1至4任一项所述的电容型压力传感器，其特征在于，所述多个凸起在平行于所述第一基底的方向上依次排列。

6.根据权利要求1至4任一项所述的电容型压力传感器，其特征在于，每一凸起呈长条形。

7.根据权利要求1所述的电容型压力传感器，其特征在于，相邻的凸起之间设有空隙。

8.根据权利要求1所述的电容型压力传感器，其特征在于，所述第一基底平行于所述第二基底。

9.一种电容型压力传感器的制备方法，用于制备权利要求1至8任一项所述的电容型压力传感器，其特征在于，包括：

形成包括多个凸起的第一电极层；

在所述第一电极层上形成第一基底；

形成第二基底；

在所述第二基底上布设第二电极层；

在所述第二电极层上布设介电层；

将第一电极层和第一基底的组合布设于所述介电层上以使所述第一电极层位于所述第一基底和所述介电层之间。