CN106092390A - 压阻式压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种压阻式压力传感器及其制备方法。所述压阻式压力传感器包括：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；第一电极层包括多个设于第一基底和第二电极层之间的凸起。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；将第一电极层和第一基底的组合布设于第二电极层上以使第一电极层位于第一基底和第二电极层之间。本发明大幅度提高了压阻式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

压阻式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，涉及一种压阻式压力传感器及其制备方法。

背景技术

目前主流的电学响应型压力传感器都是通过将器件在压力作用下产生的形变转化为传感器电学性能参数的变化来实时响应压力的大小。其中，压阻型压力传感器制备工艺简单、响应稳定性高、抗干扰能力强，成为当前柔性压力传感器领域的研究热点，但是这种压力传感器也存在灵敏度较低、迟滞现象比较严重的情况。例如韩国高丽大学JeongSook Ha课题组利用聚苯胺纳米纤维膜和金包覆的PDMS微柱阵列组装了一种压阻式柔性压力传感器。这种柔性压力传感器的其灵敏度只有2.0kPa^-1。因此，如何制备出灵敏度高、响应速度快的柔性压力传感器是目前学术和工业界的研究热点。

发明内容

为了解决上述现有技术中存在的问题，本发明提供了一种灵敏度高、响应速度快的压阻式压力传感器及其制备方法。

本发明提供了一种压阻式压力传感器，所述压阻式压力传感器包括：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；所述第一电极层包括多个设于所述第一基底和所述第二电极层之间的凸起。

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第二电极层的尖部；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压阻式压力传感器的制备方法，用于制备上述的压阻式压力传感器，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；

将第一电极层和第一基底的组合布设于所述第二电极层上以使所述第一电极层位于所述第一基底和所述第二电极层之间。

本发明的有益效果：本发明的压阻式压力传感器的第一电极层包括多个凸起，在单位压力下，通过第一电极层和第二电极层接触时发生形变以改变传感器的电阻来响应压力的大小，由于在受压时，具有多个凸起的第一电极层的形变非常明显，因此这种电阻式压力对压力的响应更加灵敏，从而有效缩短了传感器的响应时间。

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是本发明的压阻式压力传感器的较佳实施方式的结构示意图；

图2是本发明的压阻式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是本发明的压阻式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。

参照图1，本发明的实施例提供了一种压阻式压力传感器，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；所述第一电极层15包括多个设于所述第一基底11和所述第二电极层16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。

为了使压阻式压力传感器在单位压力下的电容变化量更大，从而提高压阻式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包括聚合物及铺设于所述聚合物表层的导电体。所述导电体具体为金属纳米线，所述金属纳米线可以为银纳米线、铜纳米线、镍纳米线、铂纳米线时，所述金属纳米线的直径为10～200纳米，长度1～50微米。但本发明并不限制于此。如图2所示，白色线段是第一电极层中用于导电的银纳米线。

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1～100微米，高度可以为0.5～50微米。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1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延伸而朝向所述第二电极层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朝向所述第二电极层16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15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，第一电极层15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。所述金属纳米线可以为银纳米线、铜纳米线、镍纳米线、铂纳米线时，所述金属纳米线的直径为10～200纳米，长度1～50微米。但本发明并不限制于此。

为了获得廉价易得、柔韧性更好的第一基底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200～400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。

参照图2，其中，ΔR＝R-R₀用于表示相对电阻，R₀用于表示压力传感器无负载时的电阻值，R用于表示测试时压力传感器的电阻值。

图2中的相对电阻ΔR/R₀对压力的响应曲线表明，这种压阻式压力传感器具有较高的灵敏度、较低的检出限以及较宽的量程。具体地，如图2所示，在受到较小的压力(小于500Pa)的情况下，压力传感器的灵敏度可达到-2.6±0.7kPa^-1，在受到加大的压力(500-5800Pa)情况下，压力传感器的灵敏度也能达到-0.34±0.07kPa^-1，并且在两段响应区间内，响应曲线均呈现了较好的线性关系。另外，从图2的全量程范围内的性能测试可以看出，压力传感器的最低检出限低于20Pa，而且它的量程可以达到5800Pa。

为了获得制备工艺简单，适用于大规模工业化生产的压阻式压力传感器，一并参照图1和图3，本发明的实施例还提供了一种该压力传感器的制备方法，所述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宽度为2微米，深度为1微米的呈拱形的用于形成第一电极层15的凸起13的模板；然后在所述模板上浇筑银纳米线的乙醇分散液后，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80℃下固化60min，得到表层含有银纳米线的第一电极层15。

在步骤220中，在所述第一电极层15上形成第一基底11。具体地，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300微米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80℃下固化60min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。

在步骤240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，将第一电极层15和第一基底11的组合布设于所述第二电极层16上以使所述第一电极层15位于所述第一基底11和所述第二电极层16之间。

综上所述，本发明通过在受压下第一电极层和第二电极层接触时传感器电阻的改变来响应压力的大小，由于在受压时，具有多个凸起的第一电极层的形变非常明显，因此这种电阻式压力对压力的响应更加灵敏，从而有效缩短了传感器的响应时间，并且该传感器的制备方法简单，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)

1.一种压阻式压力传感器，其特征在于，所述压阻式压力传感器包括：

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；所述第一电极层包括多个设于所述第一基底和所述第二电极层之间的凸起。

2.根据权利要求1所述的压阻式压力传感器，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第二电极层的尖部；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所述的压阻式压力传感器，其特征在于，所述延伸部相互连接。

4.根据权利要求3所述的压阻式压力传感器，其特征在于，所述凸起呈拱形状。

5.根据权利要求1至4任一项所述的压阻式压力传感器，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任一项所述的压阻式压力传感器，其特征在于，每一凸起呈长条形。

7.根据权利要求1所述的压阻式压力传感器，其特征在于，相邻的凸起之间设有空隙。

8.根据权利要求1所述的压阻式压力传感器，其特征在于，所述第一基底平行于所述第二基底。

9.一种压阻式压力传感器的制备方法，用于制备权利要求1至8任一项所述的压阻式压力传感器，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；

将第一电极层和第一基底的组合布设于所述第二电极层上以使所述第一电极层位于所述第一基底和所述第二电极层之间。