CN108663142A - 压力传感器等电压接线法及压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种压力传感器等电压式接线法及压力传感器，所述等电压接线法包括：提供压力传感器，所述压力传感器包括压敏电阻结构以及第一电极，所述压敏电阻结构具有第一表面和与第一表面相背对的第二表面，所述压敏电阻结构的第一表面与所述第一电极电性接触，所述第二表面包括电极连接面，所述电极连接面为一连续的面状区域或间隔分布的多个不同的面状区域；设置面状良导体，并使所述面状良导体与所述电极连接面电性结合，所述良导体的导电率大于所述压敏电阻结构的导电率，使得在将所述面状良导体表面的任意一个以上位置与电源电连接时，所述电极连接面基本处于等电压的状态。所述压力传感器的等电压式接线方法，方法简单，可广泛应用。
Description
技术领域
本发明涉及一种电子器件电极的接线方法，特别涉及一种压力传感器等电压接线法及压力传感器，属于电子器件技术领域。
背景技术
随着智能领域的长足发展，柔性可穿戴设备吸引了人们大量的注意力。而压力传感器作为可穿戴设备的核心器件之一，自然是研究热点。针对压力传感器的研究，主要涉及器件本身的可感知压力的区域，线性度，以及灵敏度。尤其是灵敏度，往往被看作是压力传感器的核心指标，来考核某一新传感器的性能。所以，很多研究都致力于改变器件的结构，或者寄希望于在器件的特定部位修饰相关的材料来提升器件的灵敏度，各种方法都取得一定的进展。
一般来说，参阅图1所示，压电阻式压力传感器包括上、下两层，可分别称为顶层和底层，其中微结构及其以上为顶层，微结构以下为底层。为了提高器件的灵敏度，主要采用包括改变接触脚的结构(柱形，倒金字塔形等)，以及在接触脚上修饰有机导电材料。不管如何改变，整个器件的电阻R都可由下式表述为：
R＝Rcon+Rbu1k (1)
Rcon代表接触电阻，确定的器件下，其值主要就外界施加的压力决定，这也是压电阻式压力传感器的原理之所在。Rbu1k代表体相电阻，主要是指由构成器件顶层部分的导电材料所引起的电阻，该部分电阻主要由器件顶层部分材料导电属性(接触脚上修饰材料的属性)决定，同时该部分电阻往往还受导线接触点的位置影响，当器件某一接触脚离导线接触点足够远时，则由该距离决定的体电阻分量便不可忽略。同时由于接触脚的均匀分布属性，这种体电阻分量普遍存在并且会累加起来，进而导致整个体电阻Rbulk变成很大的量。在特定的压力区间，当器件的电阻是一个非常大的值时，器件对由压力引起的电阻变化的反应就会不够灵敏，甚至出现无法分辨的情形。这样就导致了，器件对压力的测试范围减小，并且灵敏度减弱的现象。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种压力传感器等电压式接线法及压力传感器，以克服现有技术的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种压力传感器等电压式接线法，其包括：
提供压力传感器，所述压力传感器包括压敏电阻结构以及第一电极，所述压敏电阻结构具有第一表面和与第一表面相背对的第二表面，所述压敏电阻结构的第一表面与所述第一电极电性接触，所述第二表面包括电极连接面，所述电极连接面为一连续的面状区域或间隔分布的多个不同的面状区域；
设置面状良导体，并使所述面状良导体与所述电极连接面电性结合，所述良导体的导电率大于所述压敏电阻结构的导电率，使得在将所述面状良导体表面的任意一个以上位置与电源电连接时，所述电极连接面基本处于等电压的状态。
本发明实施例还提供了一种压力传感器，其包括压敏电阻结构以及第一电极，所述压敏电阻结构具有第一表面和与第一表面相背对的第二表面，所述压敏电阻结构的第一表面与所述第一电极电性接触，所述第二表面包括电极连接面，所述电极连接面为一连续的面状区域或间隔分布的多个不同的面状区域，所述电极连接面还电性结合有面状良导体，所述面状良导体的导电率大于所述压敏电阻结构的导电率，且在将所述面状良导体表面的任意一个以上位置与电源电连接时，所述电极连接面基本处于等电压的状态。
与现有技术相比，本发明提供的压力传感器等电压式接线法能有效的降低器件本身电阻，最终实现传感器对压力灵敏度的大幅度提高。
附图说明
图1是现有的一种压电阻式压力传感器的结构示意图；
图2是本发明一实施例中一种具有良导体的压电阻式压力传感器的结构示意图；
图3是本发明一对比例中一种未沉积良导电层时压电阻式压力传感器的电阻实验值与灵敏度随压力变化的关系图；
图4是本发明一实施例中一种沉积金导电层时压电阻式压力传感器的电阻实验值与灵敏度随压力变化的关系图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例提供了一种压力传感器等电压式接线法，包括：
提供压力传感器，所述压力传感器包括压敏电阻结构以及第一电极，所述压敏电阻结构具有第一表面和与第一表面相背对的第二表面，所述压敏电阻结构的第一表面与所述第一电极电性接触，所述第二表面包括电极连接面，所述电极连接面为一连续的面状区域或间隔分布的多个不同的面状区域；
设置面状良导体，并使所述面状良导体与所述电极连接面电性结合，所述良导体的导电率大于所述压敏电阻结构的导电率，使得在将所述面状良导体表面的任意一个以上位置与电源电连接时，所述电极连接面基本处于等电压的状态。
其中“基本处于等电压的状态”是指：由于良导体本身存在的电压涨落，所以所述电极连接面无法达到等电压状态，但是所述电压涨落的变化非常小，因此，可以基本忽略良导体上的电压涨落，并可以将所述电极连接面视为处于等电压状态。
进一步的，所述的电极连接面应为在压力传感器(简称器件)顶层导电材料裸露外表面的最大面积，该面积可以为一个平面，也可以为选为连接在一起的多个不同平面。
在一些较为具体的实施方案中，所述面状良导体包括直接形成在所述电极连接面上的连续良导体材料层。
优选的，所述连续良导体材料层的材质选用具有高于所述压敏电阻结构的导电率的无机导电材料和/或有机导电材料。
所述压敏电阻结构第二表面整体均为电极连接面。
进一步的，所述电极连接面完全被所述连续良导体材料层覆盖。
在一些较为具体的实施方案中，所述连续良导体材料层为沉积于所述电极连接面上的连续金属层。
优选的，所述连续金属层的材质包括金、银、铝中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
在一些较为具体的实施方案中，所述连续良导体材料层包括由涂覆在所述电极连接面上具有导电属性的流体材料固化形成的连续良导体材料层或由金属材料通过蒸镀方式形成的连续良导体材料层。
在一些较为具体的实施方案中，所述连续良导体材料层的厚度在15nm以下，优选为5nm～10nm。
进一步的，所述电极连接面上被所述面状良导体于所覆盖的区域为有效导电面，所述有效导电面的面积小于或等于所述压敏电阻结构第二表面的整体面积。
进一步的，所述接线法还包括：将第二电极与面状良导体电性结合，并将所述第二电极通过导线与电源电连接。
优选的，所述第二电极由施加在所述面状良导体表面的液态导电胶固化形成；其中，通过选取液态导电胶连接良导体与导线，尽量避免使用固体导电胶带，以防在粘贴胶带时，由施压带来的对金属层的破坏。
优选的，所述液态导电胶包括导电银胶或钾铟合金，但不限于此。
进一步的，在沉积的金属层上，布置电极时，可选取任意位置；一旦位置选定，尽量避免采用剔除导电胶的方式改变位置，以防对金属导电层连续性的破坏。
进一步的，所述压敏电阻结构第二表面具有微结构。
优选的，所述微结构包括形成于所述压敏电阻结构第一表面的复数个凸起部。
优选的，所述凸起部包括柱形或倒金字塔形。
优选的，所述第一电极包括面状电极。
优选的，所述面状电极包括ITO层。
进一步的，所述压力传感器为接触电阻式压力传感器。
本发明实施例还提供了一种压力传感器，包括压敏电阻结构以及第一电极，所述压敏电阻结构具有第一表面和与第一表面相背对的第二表面，所述压敏电阻结构的第一表面与所述第一电极电性接触，所述第二表面包括电极连接面，所述电极连接面为一连续的面状区域或间隔分布的多个不同的面状区域，所述电极连接面还电性结合有面状良导体，所述面状良导体的导电率大于所述压敏电阻结构的导电率，且在将所述面状良导体表面的任意一个以上位置与电源电连接时，所述电极连接面基本处于等电压的状态。
其中“基本处于等电压的状态”是指：由于良导体本身存在的电压涨落，所以所述电极连接面无法达到等电压状态，但是所述电压涨落的变化非常小，因此，可以基本忽略良导体上的电压涨落，并可以将所述电极连接面视为处于等电压状态。
进一步的，所述面状良导体包括直接形成在所述电极连接面上的连续良导体材料层。
优选的，所述连续良导体材料层的材质选用具有高于所述压敏电阻结构的导电率的无机导电材料和/或有机导电材料。
优选的，所述压敏电阻结构第二表面整体均为电极连接面。
进一步的，所述电极连接面完全被所述连续良导体材料层覆盖。
进一步的，所述连续良导体材料层为沉积于所述电极连接面上的连续金属层。
优选的，所述连续金属层的材质包括金、银、铝中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。
进一步的，所述连续良导体材料层包括由涂覆在所述电极连接面上具有导电属性的流体材料固化形成的连续良导体材料层或由金属材料通过蒸镀方式形成的连续良导体材料层。
在一些较为具体的实施方案中，所述连续良导体材料层的厚度在15nm以下，优选为5nm～10nm。
进一步的，所述电极连接面上被所述面状良导体于所覆盖的区域为有效导电面，所述有效导电面的面积大于或等于所述压敏电阻结构第二表面的整体面积。
进一步的，所述面状良导体与第二电极电性结合，所述第二电极通过导线与电源电连接。
优选的，所述第二电极由施加在所述面状良导体表面的液态导电胶固化形成。
优选的，所述液态导电胶包括导电银胶或钾铟合金，但不限于此。
进一步的，所述压敏电阻结构第一表面具有微结构。
优选的，所述微结构包括形成于所述压敏电阻结构第一表面的复数个凸起部。
优选的，所述凸起部包括柱形或倒金字塔形。
优选的，所述第一电极包括面状电极。
优选的，所述面状电极包括ITO层。
优选的，所述压力传感器为接触电阻式压力传感器。
本发明提供的压力传感器电极连接面等电压式的接线方法通过选定尽量大的区域作为顶电极连接面，采用高温-升华-沉积的方法，在这块区域上沉积厚度在15nm以下的良导体(可以是金，银，铝或有机导电材料)，之后在良导体表面任意位置用导电胶连接导线，接通电源，这样可以使得整个电极表面处于等电压的状态(忽略良导体上的电压涨落)，可有效抵消电极面上任意一点由于远离导线接触点而产生的电阻，进而降低整个导电层的电阻，进而实现整个器件总电阻的显著降低。
进一步的，所选择的位于器件顶层的电极连接面，应为在器件顶层导电复合材料裸露外表面的最大面积，该面积可以为一个平面，也可以为连接在一起的多个不同平面。
进一步的，采用高温-升华-沉积法沉积金属层时，应该选择性能稳定的金属镀膜仪器，以保证金属层的连续性。
进一步的，选择连续金属层作为良导体层时，其厚度不超过15nm，主要是考虑过薄的金属层连续性较差，而过厚的金属层，可能影响器件的机械属性，进而影响器件顶层导电层在压力下的应变属性。
进一步的，所选择的良导体材料，应主要选择金属导电材料，例如金，银，铝；若选择有机导电材料，必须保证该有机导电材料的电导率明显大于器件导电复合材料的电导率。
进一步的，沉积的良导体层应尽量完整的覆盖所选的电极连接面，这样可最大限度的扩大有限导电截面。
进一步的，所述电极材料优选导电银胶、钾铟合金等液态导电胶，以连接良导体导电层与导线，尽量避免使用固体导电胶带，以防在粘贴胶带时，由施压带来的对良导体层的破坏。
进一步的，在沉积的良导体层上布置电极时，可选取任意位置。一旦位置选定，尽量避免采用剔除导电胶的方式改变位置，以防对金属良导电层连续性的破坏。
本发明的原理在于，沉积良导体层可调控器件电极连接面上有效的导电截面面积。具体原理如下：
相比沉积在电极连接面上的良导体层，作为压力传感器顶层或者覆盖在微结构上的导电复合材料，其导电率要差很多。对无良导体层的器件而言，由于有机导电层的电导率较低，则电极连接面上的横向电阻将会很大，导致导电极连接面上有效的导电截面面积刚好是导电胶所覆盖的面积s。若在电极连接面上沉积良导体层，有效的导电截面面积为良导体层的面S。通过该方法可明显增大有效导电截面，进而降低整个器件的电阻，最终实现器件灵敏度的显著提升。
以下结合附图和实施例对本发明的技术方案作进一步的解释说明。
在本发明的一些典型的实施案例中，一种压力传感器电等电压式接线法具体包括，提供压电阻式压力传感器，所述压电阻式压力传感器包括底层的PET层1、IT0层2，以及上层的导电负荷材料3，首先在压电阻式压力传感器的复合导电材料3上表面选定尽量大的区域作为电极连接面4，假设其面积为S，之后采用高温-升华-沉积或旋涂的方法，在该块区域上沉积良导体层6，所述良导体层6的材料可以是金、银、铝或其他有机良导电材料，并且保证所述良导体层6尽可能全面的覆盖选定的区域，则良导体层6的面积也为S，之后在良导体层表面任意位置用导电胶粘贴的方法连接导线(假设导电胶所覆盖的面积为s)，其中所述导电胶作为电极5接通电源，完成电源对器件施加电压的工作。
例如，可以选择一种压电阻式压力传感器，该器件底层为PET层上旋涂一薄层ITO层；顶层为多壁碳管与PDMS的导电复合材料，其结构示意图如图1所示，导电复合材料顶面选作电极连接面。
在不沉积良导体层的情况下，选用导电银胶作为电极并连接导线接通电源，之后在固定电压为5V的情况下，从器件顶端施加一个逐级增大的压力，同时采用kethly4200测试了器件电流值的变化，最后通过电流电压间的关系，算出了器件电阻与压力之间的关系如图3所示，在压力达到200Pa以后，电阻就达到饱和值1.02E6Ω；以及器件灵敏度与压力之间关系如图3所示，灵敏度随压力的变化可分为两个区间，200Pa以下灵敏度为307KPa-1，可称为高灵敏度区域；200Pa以上灵敏度为2KPa-1。
同一器件，电极连接面采用高温-升华-沉积的方法沉积一层厚度为5nm，并且均匀连续的金膜，同样选用导电银胶作为电极并通过导线接通金膜与电源，依然采用kethly4200，在固定电压为0.5V的情况下测试器件电流与压力之间的关系，通过计算得到，器件电阻、灵敏度与压力之间的关系如图4所示，电阻在400Pa以后才达到饱和值2E5Ω，同样灵敏度随压力的变化可分为两个区间，400Pa以下灵敏度为1148kPa，可称为高灵敏度区域；400Pa以上灵敏度为5KPa-1。
对比同一个器件在沉积于未沉积金膜的情况下性能测试结果，可发现，沉积了金膜之后，器件的电阻下降了一个数量级。正是由于沉积金膜之后，导致了电阻的明显降低，进而在同等电压下，器件输出的电流明显增大，致使器件对压力高灵敏度区域扩大了一倍，并且在高灵敏度区域的灵敏度值几乎增大了一个数量级。
由此可见，通过在器件顶层电极连接面上沉积良导体层的方法，可非常有效的降低器件电阻，同时有效的提高器件对压力的灵敏度。
应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (20)
1.一种压力传感器等电压式接线法，其特征在于包括：
提供压力传感器，所述压力传感器包括压敏电阻结构以及第一电极，所述压敏电阻结构具有第一表面和与第一表面相背对的第二表面，所述压敏电阻结构的第一表面与所述第一电极电性接触，所述第二表面包括电极连接面，所述电极连接面为一连续的面状区域或间隔分布的多个不同的面状区域；
设置面状良导体，并使所述面状良导体与所述电极连接面电性结合，所述面状良导体的导电率大于所述压敏电阻结构的导电率，使得在将所述面状良导体表面的任意一个以上位置与电源电连接时，所述电极连接面基本处于等电压的状态。
2.根据权利要求1所述的压力传感器等电压式接线法，其特征在于：所述面状良导体包括直接形成在所述电极连接面上的连续良导体材料层；优选的，所述连续良导体材料层的材质选用具有高于所述压敏电阻结构的导电率的无机导电材料和/或有机导电材料；优选的，所述压敏电阻结构第二表面整体均为电极连接面。
3.根据权利要求2所述的压力传感器等电压式接线法，其特征在于：所述电极连接面完全被所述连续良导体材料层覆盖。
4.根据权利要求2所述的压力传感器等电压式接线法，其特征在于：所述连续良导体材料层为沉积于所述电极连接面上的连续金属层；优选的，所述连续金属层的材质包括金、银、铝中的任意一种或两种以上的组合。
5.根据权利要求2所述的压力传感器等电压式接线法，其特征在于：所述连续良导体材料层包括由涂覆在所述电极连接面上具有导电属性的流体材料固化形成的连续良导体材料层或由金属材料通过蒸镀方式形成的连续良导体材料层。
6.根据权利要求2-5中任一项所述的压力传感器等电压式接线法，其特征在于：所述连续良导体材料层的厚度在15nm以下，优选为5nm～10nm。
7.根据权利要求1所述的压力传感器等电压式接线法，其特征在于：所述电极连接面上被所述面状良导体所覆盖的区域为有效导电面，所述有效导电面的面积小于或等于所述压敏电阻结构第二表面的整体面积。
8.根据权利要求1所述的压力传感器等电压式接线法，其特征在于还包括：将第二电极与面状良导体电性结合，并将所述第二电极通过导线与电源电连接；优选的，所述第二电极由施加在所述面状良导体表面的液态导电胶固化形成；优选的，所述液态导电胶包括导电银胶或钾铟合金。
9.根据权利要求1所述的压力传感器等电压式接线法，其特征在于：所述压敏电阻结构第一表面具有微结构；优选的，所述微结构包括形成于所述压敏电阻结构第一表面的复数个凸起部；优选的，所述凸起部包括柱形或倒金字塔形；优选的，所述第一电极包括面状电极；优选的，所述面状电极包括ITO层。
10.根据权利要求1-5、7-9中任一项所述的压力传感器等电压式接线法，其特征在于：所述压力传感器为接触电阻式压力传感器。
11.一种压力传感器，包括压敏电阻结构以及第一电极，所述压敏电阻结构具有第一表面和与第一表面相背对的第二表面，所述压敏电阻结构的第一表面与所述第一电极电性接触，所述第二表面包括电极连接面，所述电极连接面为一连续的面状区域或间隔分布的多个不同的面状区域，其特征在于：所述电极连接面还电性结合有面状良导体，所述面状良导体的导电率大于所述压敏电阻结构的导电率，且在将所述面状良导体表面的任意一个以上位置与电源电连接时，所述电极连接面基本处于等电压的状态。
12.根据权利要求11所述的压力传感器，其特征在于：所述面状良导体包括直接形成在所述电极连接面上的连续良导体材料层；优选的，所述连续良导体材料层的材质选用具有高于所述压敏电阻结构的导电率的无机导电材料和/或有机导电材料；优选的，所述压敏电阻结构第二表面整体均为电极连接面。
13.根据权利要求12所述的压力传感器，其特征在于：所述电极连接面完全被所述连续良导体材料层覆盖。
14.根据权利要求12所述的压力传感器，其特征在于：所述连续良导体材料层为沉积于所述电极连接面上的连续金属层；优选的，所述连续金属层的材质包括金、银、铝中的任意一种或两种以上的组合。
15.根据权利要求12所述的压力传感器，其特征在于：所述连续良导体材料层包括由涂覆在所述电极连接面上具有导电属性的流体材料固化形成的连续良导体材料层或由金属材料通过蒸镀方式形成的连续良导体材料层。
16.根据权利要求12-15中任一项所述的压力传感器，其特征在于：所述连续良导体材料层的厚度在15nm以下，优选为5nm～10nm。
17.根据权利要求11所述的压力传感器，其特征在于：所述电极连接面上被所述面状良导体所覆盖的区域为有效导电面，所述有效导电面的面积大于或等于所述压敏电阻结构第二表面的整体面积。
18.根据权利要求11所述的压力传感器，其特征在于：所述面状良导体与第二电极电性结合，所述第二电极通过导线与电源电连接；优选的，所述第二电极由施加在所述面状良导体表面的液态导电胶固化形成；优选的，所述液态导电胶包括导电银胶或钾铟合金。
19.根据权利要求11所述的压力传感器，其特征在于：所述压敏电阻结构第一表面具有微结构；优选的，所述微结构包括形成于所述压敏电阻结构第一表面的复数个凸起部；优选的，所述凸起部包括柱形或倒金字塔形；优选的，所述第一电极包括面状电极；优选的，所述面状电极包括ITO层。
20.根据权利要求11-15、17-19中任一项所述的压力传感器，其特征在于：所述压力传感器为接触电阻式压力传感器。
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