CN112033582A

CN112033582A - 具有微结构的柔性压力传感器

Info

Publication number: CN112033582A
Application number: CN202010929587.XA
Authority: CN
Inventors: 李鑫; 陈明; 王宗朋; 刘奥星; 徐国良; 王忠国; 贾美玲; 杨春雷
Original assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Current assignee: Shenzhen Institute of Advanced Technology of CAS
Priority date: 2020-09-07
Filing date: 2020-09-07
Publication date: 2020-12-04
Anticipated expiration: 2040-09-07
Also published as: CN112033582B

Abstract

本发明公开了一种具有微结构的柔性压力传感器，包括朝向彼此且间隔设置的上基板与下基板以及位于二者之间的绝缘的微结构阵列，所述微结构阵列包括若干阵列地设于所述上基板的内表面的微结构，所述微结构朝向下基板延伸，用于在受压过程中与下基板接触而发生形变；所述微结构包括设置在上基板的内表面的第一部分和连接于第一部分自由端的第二部分，所述第一部分为棱台，第二部分的端面为与所述第一部分相切的柱面，且所述第二部分的弹性模量小于所述第一部分的弹性模量。本发明的微结构被设计为具有相互连接的第一部分和第二部分，这两部分具有不同的形状构造和弹性模量，使得微结构兼具高灵敏度和宽线性响应范围，拓宽了压力传感器的应用范围。

Description

具有微结构的柔性压力传感器

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种具有微结构的柔性压力传感器。

背景技术

压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器，其广泛应用于各种工业自控环境，涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。

近年来，由于柔性传感器的生物相容性好，且兼具可穿戴性、实时监测、非侵入式等一系列优点，柔性压力传感器的开发逐渐成为研究热点，其可以将细微的机械信息转化为电响应，在人机交互、电子皮肤、智能穿戴和仿生器件等领域有着广阔的应用前景。

灵敏度和线性响应范围是用来衡量压力传感器性能的两个最重要的指标，在传统的压力传感器中，这两个指标往往无法兼备。如何在提高压力传感器灵敏度的同时又不减少其宽的线性响应范围是目前压力传感器设计的难点之一。

发明内容

鉴于现有技术存在的不足，本发明提供了一种具有微结构的柔性压力传感器，可以解决传统压力传感器中存在的高灵敏度和宽线性响应范围无法兼顾的问题，保证传感器具有良好的性能。

为了实现上述的目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种具有微结构的柔性压力传感器，包括朝向彼此且间隔设置的上基板与下基板以及位于二者之间的绝缘的微结构阵列，所述微结构阵列包括若干阵列地设于所述上基板的内表面的微结构，所述微结构朝向所述下基板延伸，用于在受压过程中与所述下基板接触而发生形变；所述微结构包括设置在所述上基板的内表面的第一部分和连接于所述第一部分自由端的第二部分，所述第一部分为棱台，所述第二部分的端面为与所述第一部分相切的柱面，且所述第二部分的弹性模量小于所述第一部分的弹性模量。

作为其中一种实施方式，所述第一部分的朝向所述上基板的一端的端面面积大于朝向所述下基板的一端的端面面积。

作为其中一种实施方式，所述第一部分为正棱台；所述第二部分的柱面与所述第一部分的两个相对的侧面相切，所述第二部分的两个侧面与所述第一部分的另两个侧面分别共面。

作为其中一种实施方式，所述第一部分为四棱台，所述第二部分为半圆柱体。

作为其中一种实施方式，所述第一部分的侧面与所述上基板的夹角为70°～80°。

作为其中一种实施方式，所述第二部分的半径R为10.5μm，所述微结构的高度H为20.02μm。

作为其中一种实施方式，所述下基板的材料选自不锈钢材料、玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯。

作为其中一种实施方式，所述第二部分的弹性模量E₂为(1.5～10)MPa，所述第一部分的弹性模量E₁为(10～30)MPa。

作为其中一种实施方式，所述第一部分、所述第二部分的材料均选自聚二甲基硅氧烷、橡胶。

作为其中一种实施方式，所述第二部分为聚二甲基硅氧烷材料，所述第一部分为三元乙丙橡胶材料。

本发明的柔性压力传感器中的微结构被设计为具有相互连接的第一部分和第二部分，这两部分具有不同的形状构造和弹性模量，端面为柱面的第二部分具有更小的弹性模量而具有更大的可压缩性，能在受压过程中与下基板保持较大的接触面积，棱台状的第一部分与第二部分的柱面相切，使得二者形成有机的受力整体，为微结构提供了更强的抗形变能力，使得微结构兼具高灵敏度和宽线性响应范围，拓宽了压力传感器的应用范围，使得压力传感器可适用于人造皮肤、仿真机器人、脉搏探测等领域。

附图说明

图1为本发明实施例的柔性压力传感器的结构示意图；

图2为本发明实施例的柔性压力传感器的微结构的主视图；

图3为本发明实施例的柔性压力传感器的微结构的仰视图；

图4为本发明实施例的柔性压力传感器的微结构与下基板的接触状态示意图；

图5为单个微结构分别选用不同的材料时，运用ANSYS有限元分析软件获得的在外界压力作用下接触面积随压强变化的模拟结果对比图；

图6为单个微结构分别采用不同的形状时，运用ANSYS有限元分析软件获得的在外界压力作用下接触面积随压强变化的模拟结果对比图；

图中标号说明如下：

10-上基板；20-下基板；30-微结构阵列；300-微结构；301-第一部分；302-第二部分。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

参阅图1，为本发明实施例的柔性压力传感器的结构示意图。本实施例的柔性压力传感器主要包括上基板10、下基板20和微结构阵列30，其中的上基板10与下基板20朝向彼此且间隔设置，微结构阵列30为绝缘的介电层，位于上基板10与下基板20之间。微结构阵列30包括若干阵列地设于上基板10的内表面的微结构300，每个微结构300均朝向下基板20延伸，用于在受压过程中与下基板20接触而发生形变。上基板10与下基板20的内表面均形成有电极，当受压时，绝缘的微结构阵列30会发生一定的形变，使得上基板10与下基板20之间的间距发生变化，柔性压力传感器随着该间距的变化而输出相对应的电容值。当上基板10、下基板20的电极为柔性电极时，压力传感器可以广泛适用于人造皮肤、电子配件、智能家居、汽车家具、安防门禁、仿生机器人、健康检测等行业。

如图2所示，每个微结构300包括设置在上基板10的内表面的第一部分301和连接于第一部分301自由端的第二部分302，第一部分301为棱台，第二部分302的端面为与第一部分301相切的柱面，且第二部分302的弹性模量小于第一部分301的弹性模量，第二部分302相比第一部分301在压力作用下更容易发生弹性形变，端面为柱面的第二部分302具有更小的弹性模量而具有更大的可压缩性，能在受压过程中与下基板20保持较大的接触面积。而第一部分301由于具有与第二部分302相切的表面，可以与第二部分302形成一个完整的受力体，即在压力传感器受压变形过程中，微结构300的上下两部分始终以一个整体受力而发生形变，不单单是两部分的单独形变，可以为微结构提供了更强的抗形变能力，因此可以使得微结构兼具高灵敏度和宽线性响应范围。

由于在电容式结构的柔性压力传感器中，器件的传感特性依赖于中间的介质层的等效电容值。对于没有微结构的介电层来说，若忽略材料形变对介电常数带来的微量影响，电容的改变仅仅依赖于介质层厚度的改变。这类器件由于介电层厚度变化有限，导致电容值的变化也有限，紧密填充的实心体材料具有相当高的弹性模量，导致柔性压力传感器通常具有非常低的压力传感灵敏度。

本实施例中，当中间的介电层具有阵列的微结构300后，从力学角度来说，在低压力负载状态下，只有微结构300的端部与下基板20的柔性电极面接触。压力作用被集中到微结构300的第二部分302而被放大，而第二部分302本身也因其形状结构和材料特性而易于形变。因此，该微结构300明显改变了压力传感器在外界微弱压力下的形变能力。在同一压强变化下，改善后的压力传感器的电容变化更大，则代表灵敏度更高。

从电学角度来说，具有微结构300后，上下柔性电极之间的填充物不再仅仅是介质材料，还有介质材料之间的空气介质，而空气介质相对于介质材料具有较低的介电常数，当压力逐渐加载，微结构300的形变逐渐增大，微结构300之间的空气逐渐排出，从整体上看，介质材料在整个压力传感器中的面积占比逐渐加大，空气占比逐渐减低，从而提高了整个器件的电容值。电容的变化除了依赖于介质层的厚度外，还依赖于介质材料的占比，因此，本实施例的压力传感器由于具有微结构阵列30，具有更大的电容变化幅度，灵敏度更高。

如图2至图4所示，本实施例的第一部分301的朝向上基板10的一端(图2中的上端)的端面面积大于朝向下基板20的一端(图2中的下端)的端面面积，这样，第一部分301的尺寸自上而下逐渐变小。在上基板10被施加压力时，压力通过第一部分301传递至下方的第二部分302，从而压迫第二部分302与下基板20接触而发生形变，在压力逐渐增大的过程中，第二部分302与下基板20由最初的线性接触逐渐转变为面接触，且随形变量的增大而接触面积逐渐增大。

这里，第一部分301最好是正棱台，第二部分302的柱面与第一部分301的两个相对的侧面相切，第二部分302的两个侧面与第一部分301的另两个侧面分别共面，使得微结构300形成为对称结构，可以实现均匀受力和均匀形变。

作为其中一种较佳的实施方式，本实施例的附图示出的是第一部分301为四棱台，第二部分302为半圆柱体的情形。可以理解的是，在其他实施方式中，第一部分301也可以是其他的棱台，第二部分302也可以为小半圆柱、椭圆柱等构造，仍然可以比球状端面的构造具有更好的受力和回弹效果。

如图2所示，第一部分301的侧面与其顶面的夹角θ(也即与上基板10的夹角)的取值范围为70°～80°(包括端点)，优选为75°。第二部分302的半径R为10.5μm，第一部分301的底面宽度L＝2R＝21μm，微结构300的高度H为20.02μm。

第二部分302的弹性模量E₂为(1.5～10)MPa，第一部分301的弹性模量E₁为(10～30)MPa。第一部分301、第二部分302的材料均选自PDMS(Polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)、橡胶。

作为其中一种优选的实施方式，第二部分302为PDMS材料，PDMS由于其优异的弹性和生物相容性，有利于实现高灵敏度且非常适用于作为柔性压力传感器材料，第一部分301为EPDM(Ethylene Propylene Diene Monomer，三元乙丙橡胶)材料。

进一步优选地，本实施例的微结构300中，第二部分302采用弹性模量E₂＝2MPa、泊松比V₂＝0.499的PDMS材料，第一部分301采用弹性模量E₁＝10MPa，泊松比V₁＝0.48的EPDM材料。

上面列举的是第一部分301、第二部分302由不同的材料构成的情形，在其他实施方式中，第一部分301、第二部分302也可以采用材料相同、参数不同的材料构成，二者具有不同的弹性模量和泊松比。

另外，下基板20的材料可以选自不锈钢材料、玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯或其他材料，其规格(长×宽×高)为200μm×200μm×20μm，例如可以优选为弹性模量E₃＝2E+11Pa、泊松比V₃＝0.3的不锈钢材料。微结构300的顶部与上基板10贴合，与下基板20平行，以保证在压力传感器使用过程中具有良好的受力均匀性。

图5为单个微结构分别选用不同的材料时，运用ANSYS有限元分析软件获得的在外界压力作用下接触面积随压强变化的模拟结果对比图。其中对比了将微结构采用三种不同的材料时的模拟结果，三种情形的微结构形状完全相同，仅各部分的材料不同。第一种情形(曲线PDMS-EPDM)中，第一部分301、第二部分302按照本实施例的方法分别采用EPDM材料、PDMS材料制作；第二种情形(曲线PDMS)中，第一部分301、第二部分302均采用PDMS材料；第三种情形(曲线EPDM)中，第一部分301、第二部分302均采用EPDM材料。

由于接触面积与灵敏度成正比，模拟结果图中，压强随接触面积变化图像的斜率可以反应灵敏度的大小，斜率越大则代表灵敏度越高，斜率线性形越好则代表传感器线性范围越好。根据图5可以看出，即使微结构采用相同的形状，按照本实施例的组合材料的方式的第一种情形的斜率最大，即，其灵敏度更高，而且在200kpa范围内仍保持较好的线性。

图6为单个微结构分别采用不同的形状时，运用ANSYS有限元分析软件获得的在外界压力作用下接触面积随压强变化的模拟结果对比图。其中对比了将微结构采用四种不同的形状时的模拟结果，四种情形的微结构材料完全相同(均采用PDMS材料，E＝2.0MPa)，仅形状不同。第一种情形(金字塔形)中，微结构为金字塔形(即棱台形)，相当于仅具有本实施例的第一部分301；第二种情形(半球形)中，微结构为半球形；第三种情形(半圆柱形)中，微结构为半圆柱形，相当于仅具有本实施例的第二部分302；第四种情形中，微结构为本实施例同时具有第一部分301和第二部分302的情形。从图6中可以看出，即使采用同样的材料，采用本实施例的微结构形状的斜率更大，线性形更好。

在其他实施方式中，为了进一步改善灵敏度，还可以通过在微结构300中添加导电的颗粒，即，通过在介电层中掺杂导电颗粒来提高介电性能。例如，可以在EPDM材料或PDMS材料中掺杂导电颗粒，如金属材料、碳材料的至少一种，碳材料可以选自碳纳米管、石墨、碳黑、碳纤维，金属材料可以选自金属纳米颗粒、金属纳米线等。通过此种方式可以有效提高介电性能，从而进一步提高柔性传感器的灵敏度。

综上所述，本发明的柔性压力传感器中的微结构被设计为具有相互连接的第一部分和第二部分，这两部分具有不同的形状构造和弹性模量，端面为柱面的第二部分具有更小的弹性模量而具有更大的可压缩性，能在受压过程中与下基板保持较大的接触面积，棱台状的第一部分与第二部分的柱面相切，使得二者形成有机的受力整体，为微结构提供了更强的抗形变能力，使得微结构兼具高灵敏度和宽线性响应范围，拓宽了压力传感器的应用范围，使得压力传感器可适用于人造皮肤、仿真机器人、脉搏探测等领域。另外，通过将第一部分与第二部分分别采用EPDM材料、PDMS材料制作，可以形成性能最佳的微结构，既能实现极高的灵敏度，又能保证宽线性响应范围。

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

1.一种具有微结构的柔性压力传感器，其特征在于，包括朝向彼此且间隔设置的上基板(10)与下基板(20)以及位于二者之间的绝缘的微结构阵列(30)，所述微结构阵列(30)包括若干阵列地设于所述上基板(10)的内表面的微结构(300)，所述微结构(300)朝向所述下基板(20)延伸，用于在受压过程中与所述下基板(20)接触而发生形变；所述微结构(300)包括设置在所述上基板(10)的内表面的第一部分(301)和连接于所述第一部分(301)自由端的第二部分(302)，所述第一部分(301)为棱台，所述第二部分(302)的端面为与所述第一部分(301)相切的柱面，且所述第二部分(302)的弹性模量小于所述第一部分(301)的弹性模量。

2.根据权利要求1所述的具有微结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述第一部分(301)的朝向所述上基板(10)的一端的端面面积大于朝向所述下基板(20)的一端的端面面积。

3.根据权利要求2所述的具有微结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述第一部分(301)为正棱台；所述第二部分(302)的柱面与所述第一部分(301)的两个相对的侧面相切，所述第二部分(302)的两个侧面与所述第一部分(301)的另两个侧面分别共面。

4.根据权利要求3所述的具有微结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述第一部分(301)为四棱台，所述第二部分(302)为半圆柱体。

5.根据权利要求4所述的具有微结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述第一部分(301)的侧面与所述上基板(10)的夹角(θ)为70°～80°。

6.根据权利要求4所述的具有微结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述第二部分(302)的半径R为10.5μm，所述微结构(300)的高度H为20.02μm。

7.根据权利要求4所述的具有微结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述下基板(20)的材料选自不锈钢材料、玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯。

8.根据权利要求1～7任一所述的具有微结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述第二部分(302)的弹性模量E₂为(1.5～10)MPa，所述第一部分(301)的弹性模量E₁为(10～30)MPa。

9.根据权利要求8所述的具有微结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述第一部分(301)、所述第二部分(302)的材料均选自聚二甲基硅氧烷、橡胶。

10.根据权利要求9所述的具有微结构的柔性压力传感器，其特征在于，所述第二部分(302)为聚二甲基硅氧烷材料，所述第一部分(301)为三元乙丙橡胶材料。