CN110285896A - 一种基于接触面积的线性响应电容型压力传感器 - Google Patents

一种基于接触面积的线性响应电容型压力传感器 Download PDF

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Abstract

一种压力感测装置，包括微结构材料、附着于所述结构表面的电极、介质或导电材料；附着于所述介质或导电材料一面的电极以及支撑材料；所述附着于所述结构表面的电极接触所述介质或导电材料之一的非电极面的表面产生相应接触面积；所述结构、所述附着于所述结构表面的电极、所述介质或导电材料、所述附着于所述介质或导电材料一面的电极，以及所述支撑材料一起配置和布置以通过以下步骤提供对压力的线性电指示；响应于所述结构的弹性压缩或膨胀而影响所述相应的接触面积的变化，以及基于所述相应的接触面积的变化提供所述附着于所述结构表面的电极与所述附着于所述介质或导电材料一面的电极之间的电容值的变化。

Description

一种基于接触面积的线性响应电容型压力传感器
技术领域
本发明涉及一种构建线性电学响应的压力传感器的通用方法及实施装置。
背景技术
压力感测具有多种应用，并且在各种应用中基于各种方法设计的压力传感器，包括传统的非柔性压力传感器与新型的柔性压力传感器，已经在灵敏度、检测极限、集成度、稳定性、重复性等性能指标上得到持续改进。
然而，以应用中所期望的压力感测的准确度及灵活度对于现有的实现方法而言一直充满挑战。例如，某些装置受到装置内压力响应材料的表观杨氏模量与泊松比的制约，导致其灵敏度较差、小压力无法检测，以及电学响应与所感测压力之间的数值关系呈现非线性关系。其中，尤其是所述非线性关系会导致压力感测在不同压力区域内灵敏度不一致，根据电学响应反推所受压力误差较大，以及后端电路设计复杂等问题。对于多种应用来说，这些问题及其他问题，特别是力电响应的非线性问题，已经对压力感测的持续改进提出挑战。
压力传感器-CN201610107791.7涉及一种或多种反应性气体被引入到内和外电容式电极之间的一个或多个特定区域处的电容式压力计，从而正和负弯曲的导致误差的测量影响被抵消或最小化。此外，保护结构可用于电容式压力计的电极结构。
压力检测装置-CN201680082741.6，其能够针对输入面高精度地一起检测垂直方向的应力和剪切应力。第一电极图案(Ty)和第二电极图案(Tx)在多个第三电极(Rx)中的在Y方向上相邻的第三电极(Rx)彼此之间延伸，从而在俯视图中仅与相邻的第三电极(Rx)接触。
压力传感器-CN201480067523.6，包括可根据压力变形的测量隔膜(2)和以压密方式相互连接并且形成测量腔(5)的配合体(3)，在测量腔(5)中提供参考压力，其中压力可以施加到测量隔膜(2)的外侧，其中压力传感器(1)具有电容变送器。.
201811477172.2变电容压力传感器，包括双层柔性电路板、多层陶瓷电容器、软性导电垫片；所述多层陶瓷电容器与软性导电垫片接近配置，所述多层陶瓷电容器与软性导电垫片之间设有带通孔或缺口的双层柔性电路板，所述多层陶瓷电容器设置于通孔或缺口上方。
CN201810147597:一种电容式压力检测方法，用于侦测施加在显示屏上的按压力，设置具有电极的第一基材和第二基材，将第一基材和第二基材正面相对地贴合在一起，使各自所设置电极之间形成间隙，该间隙与第一基材和第二基材外的空气连通；第一基材和第二基材中至少一个用作压力检测。
但仍未着力解决力电响应的非线性问题。
发明内容
本发明目的是，提出一种构建线性电学响应的压力传感器的通用方法及实施装置，实现压力传感器对压力的线性电指示，其中电指示是指电容。
本发明的技术方案是：基于接触面积的线性响应电容型压力传感器，包括结构材料、附着于所述结构表面的电极、介质或导电材料；附着于所述介质或导电材料一面的电极以及支撑材料；所述附着于所述结构表面的电极接触所述介质或导电材料之一的非电极面的表面产生相应接触面积；所述结构、所述附着于所述结构表面的电极、所述介质或导电材料、所述附着于所述介质或导电材料一面的电极，以及所述支撑材料一起配置和布置以通过以下步骤提供对压力的线性电指示；响应于所述结构的弹性压缩或膨胀而影响所述相应的接触面积的变化，以及基于所述相应的接触面积的变化提供所述附着于所述结构表面的电极与所述附着于所述介质或导电材料一面的电极之间的电容值的变化；所述介质或导电材料在所述附着于结构表面的电极与所述附着于所述介质或导电材料一面的电极之间，所述结构材料附着于所述支撑材料，所述附着于所述介质或导电材料一面的电极贴合着另一支撑材料，并且被配置和布置为响应于施加至所述支撑材料之一表面的、引起所述结构压缩或膨胀的压力变化来影响所述相应的接触面积的变化；所述结构材料被配置和布置为：响应于所述结构的弹性压缩或膨胀而影响的所述相应接触面积的变化同施加至所述支撑材料之一表面的压力的变化在数值上呈线性关系。
其中所述结构被配置和布置为：通过受力方向上弹性压缩，垂直于受力的平面内弹性膨胀来响应于压力的增加，并经由弹性形变，通过增加所述附着于所述结构表面的电极与所述介质或导电材料的接触面积来提供电容的增加；以及通过受力方向上弹性膨胀，垂直于受力的平面内弹性收缩来响应于压力的减少，并经由弹性形变，通过减少所述附着于所述结构表面的电极与所述介质或导电材料的接触面积来提供电容的减少。
其中所述结构被配置和布置为：响应于所述结构的弹性压缩或膨胀而影响的所述相应接触面积的变化同响应于所述接触面积变化而影响的所述附着于所述结构表面的电极与所述附着于所述介质或导电材料一面的电极之间的电容值的变化在数值上呈线性关系。
呈圆锥体周期性阵列或楔形体周期性阵列或N棱锥体周期性阵列所述的体结构；所述圆锥体或楔形体或N棱锥体的特征尺寸小于1毫米，大于100纳米；所述N棱锥体中的N是不小于3的整数；所述结构以体对称轴垂直于所述支撑材料，并且尖端指向所述介质或导电材料来进行配置和布置。
所述的附着于所述结构表面的电极以及附着于介质或导电材料一面的电极，是在所述结构表面通过磁控溅射或热蒸镀或其他成膜方式形成的金属薄膜电极或其他导电性良好且柔性良好的薄膜电极或复合薄膜电极，如金、银、铂、铝、铜、钛/金、钛/铜、氧化铟锡、氧化铟锌等；其中电极薄膜与所述结构表面具有良好附着性。
所述的介质或导电材料，所述介质材料为厚度小于1微米的超薄介电薄膜或离子导体薄膜；所述导电材料为电阻率较大的导电薄膜或导电网络或周期性分布或分散的微型导电颗粒或周期性分布的微型导电电阻元形成的阵列或其他满足实现权利要求5所述线性关系的导电材料。
所述的支撑材料，以柔性薄膜形态呈现，且易于与所述压力感测装置其他部分统一配置和布置。结构的构成材料，可发生可逆性弹性形变的弹性体材料，且易于加工为所述结构，如橡胶等。
所述的压力感测装置被配置和布置为：
以所述支撑材料任一面未受到压力模式操作，其中所述附着于所述结构表面的电极与所述介质或导电材料间存在第一量接触面积，所述第一量接触面积在所述附着于所述结构表面的电极与附着于所述介质或导电材料一面的电极之间提供第一量电容，以及以所述支撑材料任一面受到压力模式，其中所述附着于所述结构表面的电极与所述介质或导电材料间存在第二量接触面积，所述第二量接触面积大于所述第一量接触面积，并且在所述附着于所述结构表面的电极与附着于所述介质或导电材料一面的电极之间提供高于第一量电容的第二量电容。
所述的压力感测装置，其中所述两电极间的电容的变化包括所述结构形变和电极间间距变化所提供的电容的变化。所述的压力的线性电指示，是指所述压力感测装置的所述支撑材料的一面受到的压力变化同所述两电极间的电容的变化在数值上呈线性关系。
一种压力感测方法，包括：形成的结构；附着于所述结构表面的电极；介质或导电材料；附着于所述介质或导电材料一面的电极；以及形成支撑材料；形成所述附着于所述结构表面的电极接触所述介质或导电材料之一的非电极面的表面产生相应接触面积；其中所述结构、所述附着于所述结构表面的电极、所述介质或导电材料、所述附着于所述介质或导电材料一面的电极，以及所述支撑材料一起配置和布置以通过以下步骤提供对压力的线性电指示，
响应于所述结构的弹性形变而影响所述相应的接触面积的变化，以及基于所述相应的接触面积的变化提供所述附着于所述结构表面的电极与所述附着于所述介质或导电材料一面的电极之间的电容值的变化。以弹性体材料构成，可在体对称轴方向上以尖端指向刚性平面并受到对称轴方向压力时所述结构与刚性平面之间的接触面积与所受压力在数值上呈线性关系。
其中形成的所述介质或导电材料：所述介质或导电材料为平面薄膜材料，其非电极面与弹性电极表面接触时，所述弹性电极与所述附着于介质或导电材料一面的电极之间形成的电容同所述弹性电极与所述介质或导电材料非电极面间的接触面积在数值上呈线性关系；形成的所述结构包括形成所述结构构成的阵列和不同尺寸的结构。
有益效果：实现压力传感器，特别是柔性压力传感器的高度线性电指示，并进一步通过调控所述结构、介质或导电材料来获得高灵敏度超低压力检测阈值。本公开的有益效果将通过以下附图及具体实施方式举例说明，但所述有益效果不限于以下附图及具体实施方法。
附图说明
图1.四棱锥形微结构的SEM照片；
图2.采用超薄介质层的线性电容型压力传感器的结构侧视示意图；
图3.采用超薄介质层的线性电容型压力传感器的电学等效示意图；
图4.采用超薄介质层的线性电容型压力传感器的压力-电容响应数据；
图5.采用离子导体介质层的线性电容型压力传感器的结构侧视示意图；
图6.采用离子导体介质层的线性电容型压力传感器的电学等效示意图；
图7.采用离子导体介质层的线性电容型压力传感器的压力-电容响应数据。
具体实施方式
参照附图，进一步阐述本公开在实际压力感测中获得对压力的线性电指示的具体实施方式。此处描述的具体实施例仅用于解释本发明，但不用于限定本发明。
本发明公开的具体实施例均采用弹性体构建上述多种结构之一的四棱锥结构作为示例，其构建方法具体为：
(1)采用N型掺杂的<100>氧化硅片，氧化硅片表面为厚度约为300-500纳米的热氧化层，将氧化硅片清洗并烘干；
(2)在氧化硅片表面旋涂或喷涂S1805型光刻胶或其他光刻精度不小于1微米的正性光刻胶，旋涂速度为3000-6000转/分钟，旋涂时间为30-90秒；置于温度为90-130℃的热台上烘烤40-80秒；
(3)所得样品通过光刻机进行有掩膜曝光，曝光时间2-10秒，随后进行显影10-30秒，得到边长为10-50微米，中心间距为15-150微米的正方形阵列图案或半径为5-25微米，中心间距为15-150微米的圆形阵列图案；
(4)所的样品置于90-130℃热台上烘烤2-10分钟；
(5)所得样品置于40％氟化铵溶液与40％氢氟酸溶液按体积5:1比例配置的腐蚀液中对氧化硅层进行腐蚀5-10分钟，得到步骤(3)中所述的氧化硅为掩膜的图案阵列；
(6)所得样品置于丙酮中进行清洗，吹干；
(7)温度为50-100℃的2％-25％的四甲基氢氧化铵溶液中进行腐蚀1-3小时，得到四棱锥形(金字塔形)凹图案阵列；
(8)所得样品置于步骤(5)所述的腐蚀液中腐蚀氧化硅掩膜5-10分钟，得到四棱锥形图案阵列的模板；
(9)所得样品经紫外臭氧处理0.5-2小时后置于0.1％-1％的十八烷基三氯硅烷/正庚烷溶液中进行疏水处理；或在所得样品表面旋涂脱模剂，并烘干；
(10)将聚二甲基硅氧烷预聚物(PDMS，常用型号为Sylgard 184，10:1)浇筑于模板上并置于水平平台上静置2小时，或将聚二甲基硅氧烷旋涂至模板上，随后真空去泡，再放入烘箱50-100℃固化1-4小时。
(11)将固化后的PDMS薄膜小心揭下，裁剪为合适大小，待用。
实施例1：采用超薄介质层构建线性电容型压力传感器
参照附图2设计采用超薄介质层来构建线性电容型压力传感器，其制备步骤为：
(1)将前述所得PDMS薄膜具有金字塔结构的一面溅射厚度为20-100纳米的金属电极，如金、铂、铝、铜等；
(2)采用PET/ITO薄膜表面生长一层厚度约为250纳米的派瑞林N(Parylene N)薄膜作为介质层；
(3)将步骤(1)(2)所得样品参照附图2结构进行组装。
参照附图3的电路等效图解释了采用超薄派瑞林薄膜作为介质层构建的电容型压力传感器的工作原理，其中所述传感器的总电容为C＝C0+C1，而由于介质层厚度超薄，根据平行板电容器的电容计算公式可知C1远大于C0，从而C0相对于C1可忽略；另一方面C1的变化随金字塔形表面同派瑞林薄膜的接触面积变化而变化，其中C1的变化同所述接触面积的变化在数值上呈线性关系，所述接触面积的变化同传感器所受压力的变化在数值上呈线性关系。附图4展示了本实施例1的具体实施效果。
实施例2：采用离子导体介质层构建线性电容型压力传感器
参照附图5设计采用离子导体作为介质层来构建线性电容型压力传感器，其制备步骤为：
(1)将前述所得PDMS薄膜具有金字塔结构的一面溅射厚度为20-100纳米的金属电极，如金、铂、铝、铜等；
(2)采用厚度为50-500微米的Nafion薄膜作为介质层，并在其中一面溅射厚度为20-100纳米的金属电极，如金、铂、铝、铜等；
(3)将步骤(1)(2)所得样品参照附图5结构进行组装。
参照附图6的电路等效图解释了采用离子导体Nafion薄膜作为介质层构建的电容型压力传感器的工作原理，其中所述传感器的总电容为而由于C1、C2为双电层电容，其电容值远大于C0；另一方面C1的变化随金字塔形表面同Nafion薄膜的接触面积的变化而变化，其中C1的变化同所述接触面积的变化在数值上呈线性关系，所述接触面积的变化同传感器所受的压力的变化在数值上呈线性关系；C2电容的大小取决于构成C2电容的电极面积大小，而前述接触面积远小于构成C2电容的电极面积，因此C1远小于C2，C的变化同C1的变化呈线性关系。附图7展示了本实施例2的具体实施效果。

Claims (10)

1.一种压力感测装置，其特征是，包括微结构材料、附着于所述结构表面的电极、介质或导电材料；附着于所述介质或导电材料一面的电极以及支撑材料；所述附着于所述结构表面的电极接触所述介质或导电材料之一的非电极面的表面产生相应接触面积；所述结构、所述附着于所述结构表面的电极、所述介质或导电材料、所述附着于所述介质或导电材料一面的电极，以及所述支撑材料一起配置和布置以通过以下步骤提供对压力的线性电指示；响应于所述结构的弹性压缩或膨胀而影响所述相应的接触面积的变化，以及基于所述相应的接触面积的变化提供所述附着于所述结构表面的电极与所述附着于所述介质或导电材料一面的电极之间的电容值的变化；所述介质或导电材料在所述附着于结构表面的电极与所述附着于所述介质或导电材料一面的电极之间，所述结构材料附着于所述支撑材料，所述附着于所述介质或导电材料一面的电极贴合着另一支撑材料，并且被配置和布置为响应于施加至所述支撑材料之一表面的、引起所述结构压缩或膨胀的压力变化来影响所述相应的接触面积的变化；所述结构材料被配置和布置为：响应于所述结构的弹性压缩或膨胀而影响的所述相应接触面积的变化同施加至所述支撑材料之一表面的压力的变化在数值上呈线性关系。
2.如权利要求1所述的压力感测装置，其特征是，其中所述结构被配置和布置为：通过受力方向上弹性压缩，垂直于受力的平面内弹性膨胀来响应于压力的增加，并经由弹性形变，通过增加所述附着于所述结构表面的电极与所述介质或导电材料的接触面积来提供电容的增加；以及通过受力方向上弹性膨胀，垂直于受力的平面内弹性收缩来响应于压力的减少，并经由弹性形变，通过减少所述附着于所述结构表面的电极与所述介质或导电材料的接触面积来提供电容的减少；
响应于所述结构的弹性压缩或膨胀而影响的所述相应接触面积的变化同响应于所述接触面积变化而影响的所述附着于所述结构表面的电极与所述附着于所述介质或导电材料一面的电极之间的电容值的变化在数值上呈线性关系。
3.如权利要求1-2之一所述的压力感测装置，其特征是：呈圆锥体周期性阵列或楔形体周期性阵列或N棱锥体周期性阵列或其他体结构；所述圆锥体或楔形体或N棱锥体的尺寸小于1毫米，大于100纳米；所述N棱锥体中的N为不小于3的整数；所述结构以体对称轴垂直于所述支撑材料，并且尖端指向所述介质或导电材料来进行配置和布置。
4.如权利要求1-2之一所述的压力感测装置，其特征是：所述的附着于所述结构表面的电极以及附着于介质或导电材料一面的电极，在所述结构表面通过磁控溅射或热蒸镀或其他成膜方式形成的金属薄膜电极或其他导电性良好且柔性良好的薄膜电极或复合薄膜电极，如金、银、铂、铝、铜、钛/金、钛/铜、氧化铟锡、氧化铟锌等；其中电极薄膜与所述结构表面具有良好附着性。
5.如权利要求1-2之一所述的压力感测装置，其特征是：所述介质材料为厚度小于1微米的超薄介电薄膜或离子导体薄膜；所述导电材料为电阻率较大的导电薄膜或导电网络或周期性分布或分散的微型导电颗粒或周期性分布的微型导电电阻元形成的阵列或其他满足实现权利要求5所述线性关系的导电材料。
6.如权利要求1-2之一所述的压力感测装置，其特征是：以柔性薄膜形态呈现，且易于与权利要求1所述压力感测装置其他部分统一配置和布置。结构的构成材料，其特征为：可发生可逆性弹性形变的弹性体材料，且易于加工为权利要求8所述结构，如橡胶等。
7.如权利要求1-2之一所述的压力感测装置，其特征是：所述的压力感测装置被配置和布置为：
以所述支撑材料任一面未受到压力模式操作，其中所述附着于所述结构表面的电极与所述介质或导电材料间存在第一量接触面积，所述第一量接触面积在所述附着于所述结构表面的电极与附着于所述介质或导电材料一面的电极之间提供第一量电容，以及
以所述支撑材料任一面受到压力模式，其中所述附着于所述结构表面的电极与所述介质或导电材料间存在第二量接触面积，所述第二量接触面积大于所述第一量接触面积，并且在所述附着于所述结构表面的电极与附着于所述介质或导电材料一面的电极之间提供高于第一量电容的第二量电容。
8.如权利要求1-2之一所述的压力感测装置，其特征是：所述的压力感测装置，其中所述两电极间的电容的变化包括所述结构形变和电极间间距变化所提供的电容的变化。所述的压力的线性电指示，是指所述压力感测装置的所述支撑材料的一面受到的压力变化同所述两电极间的电容的变化在数值上呈线性关系。
9.一种压力感测方法，其特征包括：形成的结构；附着于所述结构表面的电极；介质或导电材料；附着于所述介质或导电材料一面的电极；以及形成支撑材料；形成所述附着于所述结构表面的电极接触所述介质或导电材料之一的非电极面的表面产生相应接触面积；其中所述结构、所述附着于所述结构表面的电极、所述介质或导电材料、所述附着于所述介质或导电材料一面的电极，以及所述支撑材料一起配置和布置以通过以下步骤提供对压力的线性电指示，
响应于所述结构的弹性形变而影响所述相应的接触面积的变化，以及基于所述相应的接触面积的变化提供所述附着于所述结构表面的电极与所述附着于所述介质或导电材料一面的电极之间的电容值的变化。以弹性体材料构成，可在体对称轴方向上以尖端指向刚性平面并受到对称轴方向压力时所述结构与刚性平面之间的接触面积与所受压力在数值上呈线性关系。
10.如权利要求9所述的方法，其中形成的所述介质或导电材料其特征在于：所述介质或导电材料为平面薄膜材料，其非电极面与弹性电极表面接触时，所述弹性电极与所述附着于介质或导电材料一面的电极之间形成的电容同所述弹性电极与所述介质或导电材料非电极面间的接触面积在数值上呈线性关系；形成的所述结构包括形成所述结构构成的阵列和不同尺寸的结构。
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