CN111829699A - 电阻式压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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何可
张道书
徐国良
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陈明
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Abstract

本发明公开了一种电阻式压力传感器及其制备方法，所述电阻式压力传感器包括相对设置的第一电极层和第二电极层以及设置在第一电极层和第二电极层之间的层间介质层；所述第一电极层和第二电极层分别为导电纤维布，所述层间介质层中设置有通孔，所述通孔的一端连通至所述第一电极层，所述通孔的另一端连通至所述第二电极层。所述电阻式压力传感器具有高灵敏度、大的测量范围和能耗低的特性，能够满足在压力传感器的应用领域中日益增长的需求；另外，该压力传感器的结构简单、其制备工艺难度低，易于大规模生产。

Description

电阻式压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种电阻式压力传感器及其制备方法。
背景技术
目前，压力传感器被广泛应用于可穿戴设备和其他电子产品中，如家用电器、机器人、医疗设备、安全装置、环境监测设备等。随着可穿戴设备种类的增多、健康数据监测及远程医疗等行业的出现，在实际应用中对压力传感器的要求越来越高，高灵敏度、大的测量范围、柔性等特点已经成为未来压力传感器发展的趋势。
根据信号转换机理，压力传感器主要分为电阻式压力传感器、电容式压力传感器和压电式压力传感器。其中电阻式压力传感器的基本工作原理是将被测压力的变化转变为传感器的电阻值的变化。电阻式压力传感器由于具有器件结构简单、电阻信号稳定易测、较高的灵敏度等优点备受关注。常用的电阻式压力传感器是基于弹性体的导电复合材料，由于成本低、可拉伸性、灵活性和易于制造而受到欢迎。然而，这些基于弹性体的压力传感器是不稳定的，无法测量广泛的压力范围。传感器的性能受到弹性体力学性能的限制，传感器的传感响应往往比较缓慢和滞后。
发明内容
有鉴于此，本发明提供了一种具有高灵敏度和大的测量范围的电阻式压力传感器及其制备方法，以满足在压力传感器的应用领域中日益增长的需求。
为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：
一种电阻式压力传感器，其包括相对设置的第一电极层和第二电极层以及设置在第一电极层和第二电极层之间的层间介质层；所述第一电极层和第二电极层分别为导电纤维布，所述层间介质层中设置有通孔，所述通孔的一端连通至所述第一电极层，所述通孔的另一端连通至所述第二电极层。
优选地，所述导电纤维布包括纤维布基体以及掺杂于纤维布基体中的纳米导电材料，所述纤维布基体为聚酰亚胺纤维布或碳布，所述纳米导电材料为碳纳米管、石墨烯或金属纳米颗粒。
优选地，所述层间介质层的材料为聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。
优选地，所述层间介质层中设置有多个所述通孔，多个所述通孔在所述层间介质层中呈阵列排布。
优选地，所述层间介质层的厚度为60μm～80μm。
优选地，所述通孔的直径为2mm～3mm。
本发明的另一方面是提供一种如上所述的电阻式压力传感器的制备方法，其包括：
提供导电纤维布，制备形成为第一电极层和第二电极层；
制备形成具有通孔的层间介质层，所述通孔连通所述层间介质层的相对的第一表面和第二表面；
将所述第一电极层连接到所述层间介质层的第一表面，将所述第二电极层连接到所述层间介质层的第二表面，获得所述电阻式压力传感器。
具体地，所述导电纤维布包括纤维布基体以及掺杂于纤维布基体中的纳米导电材料，其制备方法包括：配制包含有纳米导电材料的分散液，将所述纤维布基体浸入到所述分散液中使得所述纳米导电材料附着于所述纤维布基体上。
具体地，所述制备形成具有通孔的层间介质层包括：制备形成层间介质薄膜层，应用激光刻划工艺在所述层间介质薄膜层制备形成所述通孔。
具体地，所述第一电极层和第二电极层与层间介质层的连接方法具体是：将所述第一电极层、层间介质层和第二电极层依次对准层叠，施加压力使所述层间介质层与两个的第一电极层和第二电极层相互键合。
本发明提供的电阻式压力传感器及其制备方法具有如下的有益效果：
(1)、第一电极层和第二电极层是由层间介质层相互间隔，在器件不工作时(未施加压力时的工作状态)，第一电极层和第二电极层不相互电接触，具有近似于零待机功率损耗的特性，耗能小。
(2)、第一电极层和第二电极层的表面均是具有大量的由纳米导电材料(例如碳纳米管)包覆的纤维体，在受到外部压力时，这些导电纤维体通过层间介质层中的通孔实现纤维-纤维之间的电接触，电接触变化是从点接触到面接触的变化过程，因此使得所述电阻式压力传感器具有高灵敏度和大的测量范围的特性，能够满足在压力传感器的应用领域中日益增长的需求。
(3)、该电阻式压力传感器的结构简单、其制备工艺难度低，易于大规模生产。
附图说明
图1是本发明实施例的电阻式压力传感器的剖面结构示意图；
图2是本发明实施例中的层间介质层的平面结构示意图；
图3是本实施例制备得到的掺杂有碳纳米管的聚酰亚胺纤维布的SEM图；
图4是本实施例中的压力传感器的电性测试曲线图；
图5是本实施例中的压力传感器的循环稳定性测试曲线图；
图6是本实施例中的压力传感器在不同压力负载下的循环稳定性测试曲线图；
图7是本实施例中的压力传感器在不同压力负载下的电流对电压的响应曲线图。
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，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
本发明实施例首先提供了一种电阻式压力传感器，如图1所示，所述电阻式压力传感器包括第一电极层10、第二电极层20和层间介质层30，所述第一电极层10和所述第二电极层20相对设置，所述层间介质层30设置于所述第一电极层10和所述第二电极层20之间。
其中，所述第一电极层10和所述第二电极层20分别为导电纤维布，所述导电纤维布具体是包括纤维布基体以及掺杂于纤维布基体中的纳米导电材料，所述纤维布基体具有大量的纤维体，纳米导电材料包覆所述纤维体。
在本实施例中，所述导电纤维布为掺杂有碳纳米管的聚酰亚胺纤维布，即，所述导电纤维布的纤维布基体为聚酰亚胺纤维布，纳米导电材料为碳纳米管。
需要说明的是，在另外的一些实施例中：纤维布基体还可以选择为碳布，所述纳米导电材料还可以选择为石墨烯或金属纳米颗粒，例如银纳米颗粒或金纳米颗粒。
其中，如图1和图2所示，所述层间介质层30中设置有通孔31，所述通孔31的一端连通至所述第一电极层10，所述通孔30的另一端连通至所述第二电极层20。所述通孔30形成为所述第一电极层10和所述第二电极层20的电接触通道。
在本实施例中，参阅图2，所述层间介质层30中设置有多个所述通孔31，多个所述通孔31在所述层间介质层30中呈阵列排布，所述通孔31的横截面为圆形，所述通孔31的直径为2.5mm；所述层间介质层30的材料选择为聚酰亚胺，其厚度设置为70μm。
需要说明的是，在另外的一些实施例中：所述层间介质层30的材料还可以选择为其他具有一定弹性的绝缘材料，例如聚二甲基硅氧烷；所述层间介质层30的厚度可以选择在60μm～80μm的范围内；所述通孔31也可以设置为具有其他的横截面形状，例如是方形、三角形或者不规则的形状，其直径可以选择在2mm～3mm的范围内。
以上实施例提供的电阻式压力传感器：(1)、第一电极层10和第二电极层20是由层间介质层30相互间隔，在器件不工作时(未施加压力时的工作状态)，第一电极层10和第二电极层20不相互电接触，具有近似于零待机功率损耗的特性，耗能小，因此本发明实施例提供的电阻式压力传感器具有能耗低的优点；(2)、第一电极层10和第二电极层20的表面均是具有大量的由纳米导电材料(例如碳纳米管)包覆的纤维体，在受到外部压力时，这些导电纤维体通过层间介质层30中的通孔实现纤维-纤维之间的电接触，电接触变化是从点接触到面接触的变化过程，因此使得所述电阻式压力传感器具有高灵敏度和大的测量范围的特性，能够满足在压力传感器的应用领域中日益增长的需求。
本实施例还提供了如上所述的电阻式压力传感器的制备方法，结合图1和图2，所述电阻式压力传感器的制备方法包括：
步骤一、提供导电纤维布，制备形成为第一电极层10和第二电极层20。
在本实施例中，所述导电纤维布为掺杂有碳纳米管的聚酰亚胺纤维布，即，所述导电纤维布的纤维布基体为聚酰亚胺纤维布，纳米导电材料为碳纳米管。其制备方法具体包括：称取碳纳米管加入到无水乙醇中超声分散，制备形成碳纳米管分散液；将聚酰亚胺纤维布浸入上述分散液中，放在磁力搅拌器上搅拌，使得碳纳米管附着于所述聚酰亚胺纤维布上，包覆聚酰亚胺纤维布的表面上的纤维体；将聚酰亚胺纤维布取出并干燥处理，制备获得所述导电纤维布。
需要说明的是，在另外的一些实施例中，当导电纤维布的纤维布基体选择为碳布，或者是纳米导电材料选择石墨烯或金属纳米颗粒时，对应的导电纤维布的制备工艺与如上所述的掺杂有碳纳米管的聚酰亚胺纤维布的制备工艺过程是相同的。
图3是本实施例制备得到的掺杂有碳纳米管的聚酰亚胺纤维布的SEM图。
步骤二、制备形成具有通孔31的层间介质层30，所述通孔31连通所述层间介质层30的相对的第一表面和第二表面。
在本实施例中，层间介质层30的材料选择为聚酰亚胺，其制备方法包括：制备形成厚度为70μm聚酰亚胺薄膜层，应用激光刻划工艺在所述聚酰亚胺薄膜层制备形成直径为2.5mm的阵列排布的圆形通孔31。
其中，激光刻划工艺中：激光为波长为532nm的脉冲激光，光斑直径为100μm～200μm，功率为40W/mm2～70W/mm2，扫描速度为15mm/s～180mm/s。光斑直径、功率以及扫描速度可以根据需要制备形成的通孔直径、数量以及排布间隔具体调整设置。
需要说明的是，在另外的一些实施例中，层间介质层30的材料还可以选择为其他具有一定弹性的绝缘材料，例如聚二甲基硅氧烷；所述层间介质层30的厚度可以选择在60μm～80μm的范围内；所述通孔31也可以设置为具有其他的横截面形状，例如是方形、三角形或者不规则的形状，其直径可以选择在2mm～3mm的范围内，其制备工艺过程与如上的聚酰亚胺层间介质层的制备是相同，仅需要根据实际情况对具体工艺参数进行相应调整。
步骤三、将所述第一电极层连接到所述层间介质层的第一表面，将所述第二电极层连接到所述层间介质层的第二表面，获得所述电阻式压力传感器。
在本实施例中，第一电极层和第二电极层与层间介质层的连接方法具体是：将所述第一电极层、层间介质层和第二电极层依次对准层叠，施加压力使所述层间介质层与两个的第一电极层和第二电极层相互键合结合。
图4至图7是以上实施例提供的压力传感器的一些测试特性图。
图4是所述压力传感器的电性测试曲线图，具体是压强与电流变化相对值的相关曲线图。具体地，给定大小为1V的恒压在压力传感器件的两端，通过控制施加压力的大小，最终测量出电流相对变化值对于压强的变化曲线，由该曲线斜率可得到该压力传感器件在低压量程内(0～0.1MPa)的灵敏度S1＝769.17MPa-1，具有很高的灵敏度；在较大压力的量程内(0.1～0.5MPa)的灵敏度S2＝59.37MPa-1，也是具有较高的灵敏度；在非常大的压力的量程内(0.5～3MPa)的灵敏度S3＝16.88MPa-1，也是具有较高的灵敏度。图4中插图表明了该压力传感器的测量阈值为120Pa。综合以上，所述压力传感器具备较高的灵敏度，且其量测范围是120Pa～3MPa，具有很大的测量范围。
图5是所述压力传感器的循环稳定性测试曲线图，具体是持续周期性给定一定压力(360kPa)后迅速释放得到超过1200次循环下电流对时间的响应曲线，其中工作电压为1V。从图中可以表明该传感器件具有很好的循环稳定性。
图6是所述压力传感器在不同压力负载(分别是0.1MPa、0.2MPa、0.5MPa和1MPa)下的循环稳定性测试曲线图，其中工作电压为1V。具体是持续周期性给定一定压力后迅速释放得到的多次循环下电流相对变化值对时间响应曲线，从图中可以表明该传感器件具有很好的循环稳定性。
图7是所述压力传感器在给定的压力负载(分别是0MPa、0.005MPa、0.1MPa、0.5MPa、1.0MPa和1.5MPa)下，电流对电压的响应曲线图。从图中可以获知，对于不同的给定的压力负载，电流能够呈线性地响应于工作电压的变化而变化，因此，该传感器件在不同的工作电压下也具有良好的工作稳定性。
综上所述，如上实施例提供的压力传感器，其具有高灵敏度、大的测量范围和能耗低的特性，能够满足在压力传感器的应用领域中日益增长的需求；另外，该压力传感器的结构简单、其制备工艺难度低，易于大规模生产。
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。
以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种电阻式压力传感器，其特征在于，包括相对设置的第一电极层和第二电极层以及设置在第一电极层和第二电极层之间的层间介质层；所述第一电极层和第二电极层分别为导电纤维布，所述层间介质层中设置有通孔，所述通孔的一端连通至所述第一电极层，所述通孔的另一端连通至所述第二电极层。
2.根据权利要求1所述的电阻式压力传感器，其特征在于，所述导电纤维布包括纤维布基体以及掺杂于纤维布基体中的纳米导电材料，所述纤维布基体为聚酰亚胺纤维布或碳布，所述纳米导电材料为碳纳米管、石墨烯或金属纳米颗粒。
3.根据权利要求1所述的电阻式压力传感器，其特征在于，所述层间介质层的材料为聚酰亚胺或聚二甲基硅氧烷。
4.根据权利要求1所述的电阻式压力传感器，其特征在于，所述层间介质层中设置有多个所述通孔，多个所述通孔在所述层间介质层中呈阵列排布。
5.根据权利要求1-4任一所述的电阻式压力传感器，其特征在于，所述层间介质层的厚度为60μm～80μm。
6.根据权利要求5所述的电阻式压力传感器，其特征在于，所述通孔的直径为2mm～3mm。
7.一种如权利要求1-6任一所述的电阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：
提供导电纤维布，制备形成为第一电极层和第二电极层；
制备形成具有通孔的层间介质层，所述通孔连通所述层间介质层的相对的第一表面和第二表面；
将所述第一电极层连接到所述层间介质层的第一表面，将所述第二电极层连接到所述层间介质层的第二表面，获得所述电阻式压力传感器。
8.根据权利要求7所述的电阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述导电纤维布包括纤维布基体以及掺杂于纤维布基体中的纳米导电材料，其制备方法包括：配制包含有纳米导电材料的分散液，将所述纤维布基体浸入到所述分散液中使得所述纳米导电材料附着于所述纤维布基体上。
9.根据权利要求7所述的电阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述制备形成具有通孔的层间介质层包括：制备形成层间介质薄膜层，应用激光刻划工艺在所述层间介质薄膜层制备形成所述通孔。
10.根据权利要求7所述的电阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述第一电极层和第二电极层与层间介质层的连接方法具体是：将所述第一电极层、层间介质层和第二电极层依次对准层叠，施加压力使所述层间介质层与两个的第一电极层和第二电极层相互键合。
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