CN110926660B

CN110926660B - 用于同时测量弯曲应变和压力的传感器

Info

Publication number: CN110926660B
Application number: CN201811098684.8A
Authority: CN
Inventors: 潘曹峰; 鲍容容; 付胜
Original assignee: Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems
Current assignee: Beijing Institute of Nanoenergy and Nanosystems
Priority date: 2018-09-19
Filing date: 2018-09-19
Publication date: 2021-07-16
Anticipated expiration: 2038-09-19
Also published as: CN110926660A

Abstract

本发明公开了一种用于同时测量弯曲应变和压力的传感器，所述传感器包括从下到上依次设置的第一支撑层、金属薄膜层、介质层、第二支撑层以及电极层；所述金属薄膜层嵌置在所述第一支撑层与所述介质层之间，用于感应弯曲应变，所述电极层与所述金属薄膜层平行地设置，用于与所述金属薄膜层形成电容式压力传感器。根据本发明的传感器能够同时检测压力和弯曲应变，其制作过程无毒且无需掩膜，节省成本。

Description

用于同时测量弯曲应变和压力的传感器

技术领域

本发明涉及压力以及弯曲应变测量领域，具体涉及一种用于测量弯曲应变和压力的传感器。

背景技术

随着人机交互领域的快速发展，电子皮肤得到极大关注。电子皮肤通过模拟人体皮肤，将外部刺激转换为电信号来检测温度、应变、湿度和压力，而且由于电子皮肤需要实现单点并行多功能检测的功能，即能够同时检测多种刺激，需要能够同时检测刺激的传感器。

现有技术中，关于该类传感器的制作方法，存在以下缺点：

(1)分层结构导致传感器结构复杂，生产过程中难以对齐；

(2)采用光刻以及真空沉积等复杂的制造工艺，造成材料浪费；

(3)难以商业化。

因此，有必要提出一种新的结构简单、环保且能够同时检测多种刺激的传感器。

发明内容

有鉴于此，为了克服上述问题的至少一个方面，本发明的实施例提供了一种用于同时测量弯曲应变和压力的传感器，所述传感器包括从下到上依次设置的第一支撑层、金属薄膜层、介质层、第二支撑层以及电极层，所述金属薄膜层嵌置在所述第一支撑层与所述介质层之间，用于感应弯曲应变，所述电极层与所述金属薄膜层平行地设置，用于与所述金属薄膜层形成电容式压力传感器。

进一步地，所述金属薄膜层通过喷墨打印、磁控溅射或者热蒸镀形成于所述第一支撑层上。

进一步地，所述电极层通过喷墨打印、磁控溅射或者热蒸镀形成于所述第二支撑层上。

进一步地，所述金属薄膜层包括成“工”字型设置的金属薄膜层第一部分、金属薄膜层第二部分和金属薄膜层第三部分，所述金属薄膜层第二部分位于所述金属薄膜层第一部分和金属薄膜层第三部分之间。

进一步地，所述金属薄膜层第一部分的宽度等于所述金属薄膜层第三部分的宽度，且所述金属薄膜层第二部分的宽度小于所述金属薄膜层第一部分的宽度和/或所述金属薄膜层第三部分的宽度。

进一步地，所述电极层包括电极层第一部分和从所述电极层第一部分的一侧向远离所述电极层第一部分的方向延伸的电极层第二部分，所述电极层第二部分的尺寸小于所述电极层第一部分的尺寸。

进一步地，所述电极层第一部分的宽度等于所述金属薄膜层第二部分的宽度，且所述电极层第一部分与所述金属薄膜层第二部分在竖直方向上对齐设置。

进一步地，所述第一支撑层和/或第二支撑层采用聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺制成。

进一步地，所述第一支撑层和/或第二支撑层采用经过甘油浸泡的纸制成。

进一步地，所述介质层采用硅胶制成。

进一步地，所述传感器还包括设置在所述电极层上方和/或所述第一支撑层下方的封装层。

进一步地，所述封装层采用硅胶制成。

与现有技术相比，本发明具有以下优点之一：

1、本发明提供的传感器能够同时检测压力和弯曲应变；

2、利用喷墨打印、磁控溅射或者热蒸镀的方式将金属薄膜层形成于第一支撑层上以及将电极层形成于第二支撑层上，制作过程无毒且无需掩膜，节省成本。

附图说明

通过下文中参照附图对本发明所作的描述，本发明的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本发明有全面的理解。

图1为本发明实施例提供的传感器的剖视图；

图2(a)为本发明实施例提供的传感器的金属薄膜层形状示意图；

图2(b)为本发明实施例提供的传感器的电极层的形状示意图；

图2(c)为金属薄膜层和电极层位置关系示意图；

图3为利用电子显微镜扫描传感器截面得到的照片；

图4为利用电子显微镜扫描采用纸制成的第二支撑层的表面得到的照片；

图5为利用电子显微镜扫描的当银颗粒覆盖到第二支撑层后得到的照片；

图6为图5的高分辨扫描电子显微镜照片；

图7为利用电子显微镜扫描的当第二支撑层覆盖有银颗粒后的截面所得到的照片；

图8A为在传感器施加不同的应变时，相对电阻(ΔR/R₀)的变化示意图，其中内部插图为施加应变时的照片；

图8B为在传感器施加不同的压力时，相对电容(ΔC/C₀)的变化示意图，其中内部的插图为局部放大图；

图9A为本发明实施例提供的传感器在应变逐渐增大和应变逐渐减小时的相对电阻变化的比较示意图；

图9B为本发明实施例提供的传感器在压力逐渐增大和压力逐渐减小时的相对电容变化的比较示意图；

图10A为本发明实施例提供的传感器在应变为0.93％下的响应时间示意图，其中内部插图为局部放大图；

图10B为本发明实施例提供的传感器在一定压力下的响应时间示意图；

图11A为本发明实施例提供的传感器在应变分别为0.76％和1.07％的情况下，弯曲4500次的相对电阻变化情况；

图11B为本发明实施例提供的传感器在202.8KPa的压力下，按压5700次相对电容的变化情况；

图12为在将传感器放置在手上面并抓握不同曲率半径的物体时，实验测得的结果和实际结果的比较示意图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本发明的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本发明的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

除非另外定义，本发明使用的技术术语或者科学术语应当为本发明所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。

下面结合附图，对本发明的一些实施方式做详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互结合。

如图1所示，本发明实施例提供了一种能够同时测量弯曲应变和压力的传感器100，其可以包括从下到上依次设置的第一支撑层1、金属薄膜层2、介质层3、第二支撑层4以及电极层5。其中，金属薄膜层2嵌置在第一支撑层1与介质层3之间，用于感应弯曲应变，电极层5与金属薄膜层2平行地设置，用于与金属薄膜层2形成电容式压力传感器。可以通过喷墨打印、磁控溅射或者热蒸镀的方式将金属薄膜层2形成于第一支撑层1上，以及也可以通过喷墨打印、磁控溅射或者热蒸镀将电极层5形成于第二支撑层4上。

图1示出的第一支撑层1厚度可以是100μm-150μm，优选是 125μm，并且可以采用柔性介质材料制成，例如可以是聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(Capton) 或者纸。优选采用表面亲水的PEN制成。这是由于喷墨打印所采用的墨水的溶剂主要是醚类，当采用表面亲水的PEN制成第一支撑层1 时，可以将墨水打印在PEN上。

当利用喷墨打印形成金属薄膜层2时，可以是将工业生产的银墨水打印到第一支撑层1上，这样金属薄膜层2即为银颗粒堆积而成。当然，也可以使用包含其他金属颗粒的墨水。

具体的，如图2(a)所示，金属薄膜层2可以包括金属薄膜层第一部分21、金属薄膜层第二部分22和金属薄膜层第三部分23。在本实施例中，可以通过金属薄膜层第一部分21和金属薄膜层第三部分23引出导线，并通过金属薄膜层第二部分22感应压力应变。金属薄膜层第二部分22位于金属薄膜层第一部分21和金属薄膜层第三部分23之间，且金属薄膜层第一部分21和金属薄膜层第三部分23大小形状相同，即金属薄膜层第一部分21的宽度等于金属薄膜层第三部分23的宽度。而且金属薄膜层第二部分22的宽度小于金属薄膜层第一部分21的宽度和/或金属薄膜层第三部分23的宽度。这样，金属薄膜层第一部分21、金属薄膜层第二部分22和金属薄膜层第三部分23可以形成“工”字形的形状。在本实施例中，金属薄膜层第一部分21和金属薄膜层第三部分23的长度和宽度可以分别为7mm和 2mm，金属薄膜层第二部分22的长度和宽度可以分别为10mm和 3mm。当然，在其他实施例中，可以根据实际情况减小或增加金属薄膜层第一部分21、金属薄膜层第二部分22和金属薄膜层第三部分23的长度和/或宽度，以满足实际需求。

在本实施例中，金属薄膜层2可以用于测试弯曲应变。当对传感器100施加弯曲时，金属薄膜层2的表面会产生裂纹，从而其整体的电阻会增大，从而利用电阻相对变化反应对其施加的弯曲度。

图1示出的介质层3的厚度可以为500μm到700μm，优选为 565μm。并且可以采用弹性材料制成，例如可以采用硅胶(Ecoflex) 制成。

图1示出的第二支撑层4的厚度可以为20μm到60μm，优选为 32μm，并且可以采用柔性介质材料制成，例如可以是聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(Capton) 或者纸(Paper)。在本实施例中，优选采用纸制成，而且为了使得在利用喷墨打印制作电极层5时，墨水在打印在纸上的时候不会向四周扩散，需要将纸在甘油中浸泡。这样，不仅可以有一定程度的渗透，按压时也不会影响其电学性能。

进一步地，由于纸本身的特性，传统的光刻加磁控溅射金属不适合在其表面制作电极，而用掩模溅射金属的方法又过于复杂，因此采用喷墨打印的方法在纸的表面形成电极层5。当利用喷墨打印形成电极层5时，可以是将工业生产的银墨水打印到第二支撑层4上，这样电极层5即为银颗粒堆积而成。当然，也可以使用包含其他金属颗粒的墨水。

具体的，如图2(b)所示，电极层5可以包括电极层第一部分 51和电极层第二部分52。在本实施例中，电极层第二部分52用于引出导线，而电极层第一部分51则可以和金属薄膜层第二部分22形成电容式压力传感器。电极层第二部分52可以从电极层第一部分51的一侧向远离电极层第一部分51的方向延伸，电极层第二部分52的尺寸小于电极层第一部分51的尺寸，即电极层第二部分52的长度和宽度均小于电极层第一部分51的长度和宽度。在本实施例中，电极层第一部分51可以为正方形，其边长可以是3mm。电极层第二部分52 可以是长方形，其长度和宽度可以分别为2mm和1mm。当然，在其他实施例中，可以根据实际情况减小或增加电极层第一部分51和电极层第二部分52的长度和/或宽度，以满足实际需求。

需要说明的是，电极层第一部分51的宽度与金属薄膜层第二部分22的宽度相等，电极层第一部分51的长度小于金属薄膜层第二部分22的长度，这样，可以使得当电极层第一部分51与金属薄膜层第二部分22在竖直方向上对齐设置时，电极层第一部分51的边缘不超过金属薄膜层第二部分22的边缘。这样使得电极层5和金属薄膜层 2上下对准以形成电容式压力传感器。设置金属薄膜层第二部分22 是为了在弯曲金属薄膜层第二部分22时，压力传感器的电容不会发生变化。例如，如图2(c)所示，电极层第一部分51位于金属薄膜层第二部分22的顶端，且电极层第一部分51的左右两端与金属薄膜层第二部分22对齐，上下两端不超过金属薄膜层第二部分22的边缘，即电极层第一部分51位于金属薄膜层第二部分22的范围内。

在进一步较佳实施例中，传感器100还可以包括设置在电极层5 上方和/或第一支撑层1下方的封装层6。封装层6可以起保护作用，使得电极层5不会暴露在空气中，影响使用寿命。

具体的，封装层可以采用硅胶(Ecoflex)制成，厚度可以是50μm 到150μm，优选为97μm。

下面结合图3-图12 说明本实施例提供的传感器的物理化学性质。

图3示出了利用电子显微镜扫描传感器截面得到的照片，该传感器的封装层采用Ecoflex制成，厚度大约为97μm，采用纸(Paper) 制成的第二支撑层的厚度为32μm，采用Ecoflex制成的介质层的厚度大约为565μm，采用Pen制成的第一支撑层的厚度为125μm。

图4示出了利用电子显微镜扫描采用纸制成的第二支撑层的表面得到的照片，可以看出纸的表面是纤维结构，而且其表面有许多微孔。

图5示出了利用电子显微镜扫描的当银颗粒覆盖到第二支撑层后得到的照片，可以看出，银颗粒完全覆盖到了纸的表面。

图6是图5的高分辨扫描电子显微镜照片，可以看出银颗粒的表面形貌，而且银颗粒的粒径分布均匀。

图7示出了利用电子显微镜扫描的当第二支撑层覆盖有银颗粒后的截面的照片，第二支撑层的上下两面均有银颗粒，说明银墨水渗透进了第二支撑层的内部。

图8A示出了在传感器施加不同的应变时，相对电阻(ΔR/R₀) 的变化示意图，其中内部插图为施加应变时的照片。从图中可以看出，当施加的应变增大时，其相对电阻也相应增大。

图8B示出了在传感器施加不同的压力时，相对电容(ΔC/C₀) 的变化示意图，其中内部的插图为局部放大图。从图中可以看出，当施加的压力增大时，其相对电容也相应增大。

图9A示出了应变逐渐增大和应变逐渐减小时的相对电阻变化的比较示意图。从图中可以看出，当应变按0.34％、0.48％、0.59％、0.67％、 0.76％、0.83％、0.90％逐渐增大时和应变按0.90％、0.83％、0.76％、 0.67％、0.59％、0.48％、0.34％逐渐减小时，相对电阻的变化基本相同。

图9B示出了压力逐渐增大和压力逐渐减小时的相对电容变化的比较示意图。从图中可以看出，当压力按8.56KPa、35.56KPa、66.67KPa、 156.67KPa、248.89KPa、367.78KPa、480KPa、571.11KPa、673.33KPa、 844.44KPa、1014.44KPa逐渐增大和压力按1014.44KPa、844.44KPa、 673.33KPa、571.11KPa、48KPa0、367.78KPa、248.89KPa、156.67KPa、66.67KPa、35.56KPa、8.56KPa逐渐减小时，相对电容变化基本相同。

图10A示出了传感器在应变为0.93％下的响应时间示意图，其中内部插图为局部放大图。从图中可以看出，传感器在应变为0.93％下的响应时间周期性变化。

图10B示出了传感器在一定压力下的响应时间示意图。从图中可以看出，传感器在一定压力下的会一直响应。

图11A示出了传感器应变分别为0.76％和1.07％的情况下，弯曲 4500次的相对电阻变化情况。从图中可以看出，传感器的相对电阻并未发生变化，性能较为稳定。

图11B示出了传感器在202.8KPa的压力下，按压5700次相对电容的变化情况，其中两副插图为刚开始时刻和快结束时刻的局部放大示意图。从图中可以看出，传感器的相对电容并未发生变化，性能较为稳定。

图12示出了在将传感器放置在手上面并抓握不同曲率半径的物体时，实验测得的结果和实际结果的比较示意图。从图中可以看出，实验测得的结果和实际结果相差不大，说明本实施例提供的传感器测量准确。

与现有技术相比，本发明实施例提供的传感器能够同时检测压力和弯曲应变，并且利用喷墨打印、磁控溅射或者热蒸镀的方式将金属薄膜层形成于第一支撑层上以及将电极层形成于第二支撑层上，制作过程无毒且无需掩膜，节约成本。

对于本发明的实施例，还需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明的实施例及实施例中的特征可以相互组合以得到新的实施例。

最后应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围。

Claims

1.一种用于同时测量弯曲应变和压力的传感器，所述传感器包括从下到上依次设置的第一支撑层、金属薄膜层、介质层、第二支撑层以及电极层，

其特征在于，所述金属薄膜层嵌置在所述第一支撑层与所述介质层之间，用于感应弯曲应变，所述电极层与所述金属薄膜层平行地设置，用于与所述金属薄膜层形成电容式压力传感器；

其中，所述金属薄膜层通过喷墨打印形成于所述第一支撑层上；

所述电极层通过喷墨打印形成于所述第二支撑层上；

其中，所述金属薄膜层包括成“工”字型设置的金属薄膜层第一部分、金属薄膜层第二部分和金属薄膜层第三部分，所述金属薄膜层第二部分位于所述金属薄膜层第一部分和金属薄膜层第三部分之间；

其中，所述金属薄膜层第一部分的宽度等于所述金属薄膜层第三部分的宽度，且所述金属薄膜层第二部分的宽度小于所述金属薄膜层第一部分的宽度和/或所述金属薄膜层第三部分的宽度。

2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述电极层包括电极层第一部分和从所述电极层第一部分的一侧向远离所述电极层第一部分的方向延伸的电极层第二部分，所述电极层第二部分的尺寸小于所述电极层第一部分的尺寸。

3.如权利要求2所述的传感器，其特征在于，所述电极层第一部分的宽度等于所述金属薄膜层第二部分的宽度，且所述电极层第一部分与所述金属薄膜层第二部分在竖直方向上对齐设置。

4.如权利要求1-3任一项所述的传感器，其特征在于，所述第一支撑层和/或第二支撑层采用聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺制成。

5.如权利要求1-3任一项所述的传感器，其特征在于，所述第一支撑层和/或所述第二支撑层采用经过甘油浸泡的纸制成。

6.如权利要求1-3任一项所述的传感器，其特征在于，所述介质层采用硅胶制成。

7.如权利要求1-3任一项所述的传感器，其特征在于，所述传感器还包括设置在所述电极层上方和/或所述第一支撑层下方的封装层。

8.如权利要求7所述的传感器，其特征在于，所述封装层采用硅胶制成。