CN112284580A - 一种基于机械超材料结构的压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种基于机械超材料结构的压力传感器，包括：基板、以及设置在基板上的压力感应单元、至少一个热驱动单元、应变感应单元、锚点组以及引线组，应变感应单元包括机械超材料结构和应变敏感薄膜，其中，压力感应单元通过引线组、锚点组与至少一个热驱动单元电连接形成电流通路，并且，在电流通路中的电流发生变化时，热驱动单元能够产生单一方向的应变，机械超材料结构与各热驱动单元连接，以将单一方向的应变转换为多方向的应变，应变敏感薄膜与机械超材料结构电连接，以根据多方向的应变输出电阻值，通过检测电阻值，实现对压力的测量，进而提高了压力传感器对压力的灵敏度。

Description

一种基于机械超材料结构的压力传感器

技术领域

本发明属于压力传感器技术领域，具体涉及一种基于机械超材料结构的压力传感器。

背景技术

压力传感器是目前应用最广泛的一种传感器，在各种工业自控环境中起到不可替代的作用。在近年来兴起的可穿戴电子系统中，压力检测技术贯穿电子皮肤、腕部脉搏波监测及机器手触感反馈等前沿领域。根据传感机理的不同，压力传感器可分为三类，分别是压电传感器、压电容传感器以及压阻传感器。在器件小型化的发展趋势下，应用MEMS技术的压力传感器相较于传统压力传感器具有体积小、精度高、功耗小、易集成、动态响应性能优异等诸多优势。同时，MEMS压力传感器作为物联网的必要组成部分随着信息化社会的发展，也必将得到进一步推广和应用，然而，目前的压力传感器体积较大，灵敏度和分辨率较低，测量误差大等缺点。因此，在这样的形势下，很有必要开展新型MEMS压力传感器方面的研究。

发明内容

本发明旨在至少解决现有技术中存在的技术问题之一，提供一种基于机械超材料结构的压力传感器。

本发明提供一种基于机械超材料结构的压力传感器，所述压力传感器包括：基板、以及设置在所述基板上的压力感应单元、至少一个热驱动单元、应变感应单元、锚点组以及引线组，所述应变感应单元包括机械超材料结构和应变敏感薄膜；其中，

所述压力感应单元通过所述引线组、所述锚点组与所述至少一个热驱动单元电连接形成电流通路，并且，在所述电流通路中的电流发生变化时，所述热驱动单元能够产生单一方向的应变；

所述机械超材料结构与各所述热驱动单元连接，以将所述单一方向的应变转换为多方向的应变；

所述应变敏感薄膜与所述机械超材料结构电连接，以根据所述多方向的应变输出电阻值，通过检测所述电阻值，实现对压力的测量。

可选的，所述机械超材料结构包括：

第一超材料框架，所述第一超材料框架围设在所述应变敏感薄膜外侧，且所述第一超材料框架通过所述引线组与所述应变敏感薄膜电连接；

至少一个第二超材料框架，所述第二超材料框架自所述第一超材料框架向对应的所述热驱动单元延伸并与该热驱动单元相连。

可选的，所述第一超材料框架包括第一变形部和第一连接部，所述第二超材料框架包括第二变形部和第二连接部；其中，

所述第一变形部与所述第一连接部相连，并与所述应变敏感薄膜电连接；

所述第二变形部与所述第二连接部相连，并与对应的所述热驱动单元相连，所述第二连接部还与所述第一变形部相连。

可选的，在沿所述第一变形部的长度方向上，所述第一变形部与所述应变敏感薄膜之间的距离先增大后减小；以及，

在沿所述第二变形部的长度方向上，所述第二变形部与所述应变敏感薄膜之间的距离先减小后增大。

可选的，所述第一变形部和所述第二变形部均呈折线状，且所述第一变形部和所述第二变形部的折线尖端相对设置。

可选的，所述压力传感器包括多个热驱动单元；其中，

所述多个热驱动单元分布在所述机械超材料结构的不同侧，并且，每个所述热驱动单元通过所述锚点组、所述引线组与其余所述热驱动单元并联电连接。

可选的，在所述机械超材料结构包括第一超材料框架和第二超材料框架时，所述机械超材料结构包括两个第二超材料框架，所述压力传感器包括两个热驱动单元；其中，

所述两个第二超材料框架对称分布在所述应变敏感薄膜的两侧，所述两个热驱动单元对称分布在所述机械超材料结构的两侧，每个所述热驱动单元均与对应的所述第二超材料框架相连。

可选的，所述热驱动单元包括热驱动梁和绝缘驱动件；其中，

所述热驱动梁的边缘区域通过所述引线组、所述锚点组与所述压力感应单元电连接形成所述电流通路；

所述绝缘驱动件的第一端与所述热驱动梁的中央区域相连，所述绝缘驱动件的第二端与所述机械超材料结构相连。

可选的，所述热驱动梁包括相对间隔设置的第一子热驱动梁和第二子热驱动梁，所述热驱动单元还包括连接件；其中，

所述第一子热驱动梁和所述第二子热驱动梁的第一端分别通过所述引线组、所述锚点组与所述压力感应单元电连接形成所述电流通路；

所述连接件分别与所述第一子热驱动梁、所述第二子热驱动梁的第二端相连，并且，所述连接件还与所述绝缘驱动件的第一端相连。

可选的，所述第一子热驱动梁、所述连接件以及所述第二子热驱动梁呈V形结构。

本发明提供一种基于机械超材料结构的压力传感器，包括：基板、以及设置在基板上的压力感应单元、至少一个热驱动单元、应变感应单元、锚点组以及引线组，应变感应单元包括机械超材料结构和应变敏感薄膜，其中，压力感应单元通过引线组、锚点组与至少一个热驱动单元电连接形成电流通路，并且，在电流通路中的电流发生变化时，热驱动单元能够产生单一方向的应变，机械超材料结构与各热驱动单元连接，以将单一方向的应变转换为多方向的应变，应变敏感薄膜与机械超材料结构电连接，以根据多方向的应变输出电阻值，通过检测电阻值，实现对压力的测量。本发明的压力传感器将压力的变化通过电热效应转化为热驱动单元的应变，实现了信号输入过程的力-电-热转化和信号输出过程的热-力-电转化。其次，本发明的机械超材料结构将热驱动单元中热驱动梁因温度变化产生的单方向应变转化为多方向应变传递到应变敏感薄膜，由此本发明的压力传感器具有更高的灵敏度。

附图说明

图1为本发明一实施例的基于机械超材料结构的压力传感器的结构示意图；

图2为本发明图1中基于机械超材料结构的压力传感器的A-A′剖面图。

具体实施方式

为使本领域技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细描述。显然，所描述的实施例是本发明的一部分实施例，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，都属于本发明保护范围。

如图1和图2所示，本发明提供一种基于机械超材料结构的压力传感器100，该压力传感器100包括：基板110、以及设置在基板110上的压力感应单元120、至少一个热驱动单元(130/140)、应变感应单元、锚点组以及引线组，应变感应单元包括机械超材料结构150和应变敏感薄膜160；其中，压力感应单元通过引线组、锚点组与至少一个热驱动单元电连接形成电流通路，并且，在电流通路中的电流发生变化时，热驱动单元能够产生单一方向的应变；机械超材料结构150与各热驱动单元连接，以将单一方向的应变转换为多方向的应变。另外，应变敏感薄膜160与机械超材料结构150电连接，以根据多方向的应变输出电阻值，通过检测电阻值，实现对压力的测量。

本实施例提供的压力传感器采用力-电转换电路将压力变化转换为电流变化，同时利用热驱动单元结构实现电热效应驱动该热驱动单元中的热驱动梁发生位移，再基于机械超材料结构将热驱动梁产生的单方向应变转换为应变敏感薄膜在多个方向的应变，进而提高了压力传感器对压力的灵敏度。该压力传感器结构简单，整个传感器可兼容微电子加工工艺，结构尺寸的精度可以达到较高水平，体积大幅缩小，有利于实现传感器的小型化。

需要说明的是，本实施例的锚点组包括有8个锚点，分别为第一锚点171、第二锚点172、第三锚点173、第四锚点174、第五锚点175、第六锚点176、第七锚点177、第八锚点178，上述各锚点均采用压焊锚点。以及，引线组包括有7条电学连接线，分别为第一电学连接线181、第二电学连接线182、第三电学连接线183、第四电学连接线184、第五电学连接线185、第六电学连接线186、第七电学连接线187。

具体地，如图1和图2所示，本实施例的压力感应单元120包括压敏电阻121和压力感应薄膜122，该压敏电阻121位于压力感应薄膜122的中间位置，并且，压敏电阻121的一端通过第一电学连接线181与第一锚点171连接，压敏电阻121的另一端通过第二电学连接线182依次与热驱动单元(130/140)的一端连接，而热驱动单元(130/140)的另一端通过第三电学连接线183与第二锚点172连接，形成电学通路。

需要说明的是，本实施例的第一锚点、压敏电阻、压力感应薄膜以及第一电学连接线，第二电学连接线均形成于基板上。也就是说，通过锚点与电学连接线将压力感应单元固定在基板上。

进一步的，如图1所示，本实施的机械超材料结构150包括：第一超材料框架与至少一个第二超材料框架，第一超材料框架围设在应变敏感薄膜160外侧，且第一超材料框架的两侧分别通过第四电学连接线184和第五电学连接线185与应变敏感薄膜160电连接；第二超材料框架自第一超材料框架向对应的热驱动单元延伸并与该热驱动单元相连。也就是说，机械超材料结构在水平方向上具有至少两个超材料框架，并且，该框架不仅可以横向形变，还可以在纵向也发生形变，以使得热驱动单元发生位移时，驱动该机械超材料结构发生多方向的形变。

可选的，如图1所示，在一些实施例中，第一超材料框架包括第一变形部151a和第一连接部151b，第二超材料框架包括第二变形部152a和第二连接部152b。其中，第一变形部151a与第一连接部151b相连，并通过第四电学连接线184和第五电学连接线185与应变敏感薄膜160电连接，第二变形部152a与第二连接部152b相连，并与对应的热驱动单元相连，第二连接部152b还与第一变形部151a相连。而应变敏感薄膜160的其他两端还分别通过第六电学连接线186、第七电学连接线187与第七锚点177、第八锚点178连接，以将电阻值输出至外部检测设备，例如，万用表。也就是说，本实施例的机械超材料结构在水平方向上具有变形部，这样，热驱动单元发生位移时，该变形部随之发生拉伸形变，而在纵向上的连接部，将各变形部连接起来，随着变形部的形变也相应的发生形变，以使得该机械超材料结构在纵向上也相应的发生拉伸变形，进而将单一方向的应变转换为多方向的应变，导致应变敏感薄膜的电阻值发生变化，通过应变敏感薄膜的电阻值发生变化，实现对压力的测量。

需要说明的是，为了使得机械超材料结构的连接部随着变形部同步变化，如图1所示，本实施例的第一连接部151b由三部分组成，具体的，包括自两个第一变形部151a的端部分别向背离应变敏感薄膜160的一侧延伸的两个子第一连接部，以及连接两个子第一连接部的另外一个子第一连接部，这样，通过上述三部分配合的第一连接部可使得机械超材料结构整体向外膨胀或向内压缩发生形变。

需要说明的是，本实施例中机械超材料结构的第一变形部、第二变形部以及第一连接部和第二连接部的形状不作具体限定，可以根据实际需要进行设置，应当理解的是，由于需要随着热驱动单元的位移而发生变形，因此，需要将其设置为具有一定的弹性伸缩功能的结构，例如，将变形部设置成弯曲状，或者折线状等，这样，在热驱动单元发生位移变化时，相应的，机械超材料结构的变形部和连接部均可以进行拉伸形变。

具体地，在一些实施例中，在静止状态下，机械超材料结构呈如下具体形状，如图1所示，在沿第一变形部151a的长度方向上，第一变形部151a与应变敏感薄膜160之间的距离先增大后减小；以及，在沿第二变形部152a的长度方向上，第二变形部152a与应变敏感薄膜160之间的距离先减小后增大。并且，第一变形部151a和第二变形部152a均呈折线状，且第一变形部151a和第二变形部152a的折线尖端相对设置，这样，以使得机械超材料结构具有更高的应变灵敏度。

进一步的，为了提高压力检测灵敏度，在另一些实施例中，压力传感器可包括多个热驱动单元；其中，多个热驱动单元分布在机械超材料结构的不同侧，并且，每个热驱动单元通过锚点组、引线组与其余热驱动单元并联电连接。

需要说明的是，对于热驱动单元的个数不作具体限定，可以根据实际需要进行设定，例如，可以在机械超材料结构的任一侧设置一个，也可以在其两侧各设置一个。

示例性的，如图1所示，机械超材料结构150包括两个第二超材料框架，两个第二超材料框架对称分布在应变敏感薄膜160的两侧，相对应的，本实施例的压力传感器100包括两个热驱动单元(130/140)，这两个热驱动单元对称分布在机械超材料结构150的两侧，每个热驱动单元均与对应的第二超材料框架相连。例如，其中一个热驱动单元130设置在机械超材料结构150的左侧，另一个热驱动单元140设置在机械超材料结构150的右侧，这样，两侧的热驱动单元同时发生形变，以同时拉伸机械超材料结构发生形变，进一步提高灵敏度。

可选的，如图1和图2所示，在一些实施例中，其中一个热驱动单元130包括热驱动梁、绝缘驱动件133以及连接件134，而该热驱动梁又包括相对间隔设置的第一子热驱动梁131和第二子热驱动梁132。其中，热驱动梁的边缘区域通过引线组、锚点组与压力感应单元电连接形成电流通路，具体的，第一子热驱动梁131和第二子热驱动梁132的第一端分别通过第三锚点173、第四锚点174以及第二电学连接线182、第三电学连接线183与压力感应单元120电连接，以及，第三电学连接线183还与第二锚点172连接，以形成电流通路。另外，上述两个热驱动梁中央区域的连接件134分别与第一子热驱动梁131、第二子热驱动梁132的第二端相连，并且，连接件134还与绝缘驱动件133的第一端相连，绝缘驱动件133的第二端与机械超材料结构150相连，具体的，该绝缘驱动件133的第二端与对应一侧的第二变形部152a连接。

应当理解的是，如图1和图2所示，另外一个热驱动单元140也同样包括热驱动梁、绝缘驱动件143以及连接件144，而该热驱动梁也同样包括相对间隔设置的第一子热驱动梁141和第二子热驱动梁142。其中，热驱动梁的边缘区域通过引线组、锚点组与压力感应单元电连接形成电流通路，具体的，第一子热驱动梁141和第二子热驱动梁142的第一端分别通过第五锚点175、第六锚点176以及第二电学连接线182、第三电学连接线183与压力感应单元120电连接，以及，第三电学连接线183还与第二锚点172连接，以形成电流通路。另外，上述两个热驱动梁中央区域的连接件144分别与第一子热驱动梁141、第二子热驱动梁142的第二端相连，并且，连接件144还与绝缘驱动件143的第一端相连，绝缘驱动件143的第二端与机械超材料结构150相连，具体的，该绝缘驱动件143的第二端与对应一侧的第二变形部152a连接。

需要说明的是，上述第一子热驱动梁、连接件以及第二子热驱动梁呈V形结构，也就是说，热驱动梁呈V形驱动梁。

进一步需要说明的是，本实施例的机械超材料结构、应变敏感薄膜以及两侧的热驱动单元中的连接件和绝缘驱动件悬空设置于基板上方。具体的，两个热驱动单元中的连接件分别通过第一子驱动梁和第二子驱动梁支撑悬空设置于基板上方，这两个第一子驱动梁和第二子驱动梁的另一端分别与锚点连接，也就是说，两个热驱动梁的其中一端分别与两个锚点连接，以使得热驱动梁悬空设置在基板上，两个热驱动梁的另外一端均与连接件连接，该连接件的另一端又与绝缘驱动件的第一端连接，绝缘驱动件的第二端与机械超材料结构相连，而机械超材料结构和应变敏感薄膜通过电学连接线悬空连接起来，这样，以使得机械超材料结构、应变敏感薄膜以及两侧热驱动单元均悬空设置于基板上方。

根据上述压力传感器的具体结构，一并结合图1和图2，其工作原理如下：在第一锚点171和第二锚点172之间加载恒定电压，当外部环境压力发生变化时，压力感应薄膜122发生应变，使位于其中间的压敏电阻121发生形变导致的电阻值发生变化，并且，由第一锚点至第六锚点(171～176)，第一电学连接线181、压敏电阻121、第二电学连接线182、热驱动V形梁(131/132/141/142)，V形梁的连接件(134/144)、第三电学连接线183组成的电流通路，这样，由于压敏电阻121的电阻值发生变化，电流通路的电流值也随之发生变化，这将导致热驱动V形梁(131/132/141/142)的驱动电流的改变，使得热驱动V形梁(131/132/141/142)在电热效应作用下发生形变，从而使V形梁连接件(134/144)产生位移，再通过绝缘驱动杆(133/143)将V形梁连接件(134/144)的位移传递至机械超材料结构150，这样，机械超材料结构150对V形热驱动梁因电热效应产生的位移进行放大，同时将单一方向的位移转换为多个方向的应变，并通过第四电学连接线184和第五电学连接线185传递到应变敏感薄膜160多方向的应变输入，应变敏感薄膜160将应变输入转换为电阻值变化，通过检测应变敏感薄膜160的电阻值变化，实现对压力的测量。

需要说明的是，本实施例的压力传感器结构突破了传统检测原理的思维限制，寻找到了基于机械超材料结构检测的实现方法，灵敏度和分辨率都有较大的提升，具体地，本实施例基于机械超材料形成的压力传感器与其他压力传感器的区别如下：本实施例采用力-电转换电路将压力变化转换为电流变化，同时利用热驱动V形梁结构实现电热效应驱动V形梁连接件的位移。另外，本实施例采用机械超材料结构将热驱动V形梁产生的单方向应变转换为应变敏感薄膜在多个方向的应变。

本发明提供一种基于机械超材料结构的压力传感器，相对于现有技术来说，具有以下有益效果：第一、该压力传感器将压力的变化通过电热效应转化为热驱动V形梁的应变，实现了信号输入过程的力-电-热转化和信号输出过程的热-力-电转化。第二、机械超材料结构将热驱动V形梁因温度变化产生的单方向应变转化为多方向应变传递到应变敏感薄膜，压力传感器具有更高的灵敏度。第三、该压力传感器结构简单、体积小，且检测机理简单可靠，在对压力的测量过程中具有灵敏度高、测量误差小、线性度好、测量范围大的优势，可以满足高可靠、微型化和低功耗的应用需求。第四、该压力传感器的制作无需特殊的材料并且与传统MEMS加工工艺兼容，解决在材料、工艺、可靠性、可重复性和生产成本等诸多方面的问题，从而为实现基于机械超材料结构的压力传感器在集成电路中的产业化应用提供了支持和保证。

可以理解的是，以上实施方式仅仅是为了说明本发明的原理而采用的示例性实施方式，然而本发明并不局限于此。对于本领域内的普通技术人员而言，在不脱离本发明的精神和实质的情况下，可以做出各种变型和改进，这些变型和改进也视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种基于机械超材料结构的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器包括：基板、以及设置在所述基板上的压力感应单元、至少一个热驱动单元、应变感应单元、锚点组以及引线组，所述应变感应单元包括机械超材料结构和应变敏感薄膜；其中，

所述压力感应单元通过所述引线组、所述锚点组与所述至少一个热驱动单元电连接形成电流通路，并且，在所述电流通路中的电流发生变化时，所述热驱动单元能够产生单一方向的应变；

所述机械超材料结构与各所述热驱动单元连接，以将所述单一方向的应变转换为多方向的应变；

所述应变敏感薄膜与所述机械超材料结构电连接，以根据所述多方向的应变输出电阻值，通过检测所述电阻值，实现对压力的测量。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述机械超材料结构包括：

第一超材料框架，所述第一超材料框架围设在所述应变敏感薄膜外侧，且所述第一超材料框架通过所述引线组与所述应变敏感薄膜电连接；

至少一个第二超材料框架，所述第二超材料框架自所述第一超材料框架向对应的所述热驱动单元延伸并与该热驱动单元相连。

3.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述第一超材料框架包括第一变形部和第一连接部，所述第二超材料框架包括第二变形部和第二连接部；其中，

所述第一变形部与所述第一连接部相连，并与所述应变敏感薄膜电连接；

所述第二变形部与所述第二连接部相连，并与对应的所述热驱动单元相连，所述第二连接部还与所述第一变形部相连。

4.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，

在沿所述第一变形部的长度方向上，所述第一变形部与所述应变敏感薄膜之间的距离先增大后减小；以及，

在沿所述第二变形部的长度方向上，所述第二变形部与所述应变敏感薄膜之间的距离先减小后增大。

5.根据权利要求4所述的压力传感器，其特征在于，所述第一变形部和所述第二变形部均呈折线状，且所述第一变形部和所述第二变形部的折线尖端相对设置。

6.根据权利要求1至5任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述压力传感器包括多个热驱动单元；其中，

所述多个热驱动单元分布在所述机械超材料结构的不同侧，并且，每个所述热驱动单元通过所述锚点组、所述引线组与其余所述热驱动单元并联电连接。

7.根据权利要求6所述的压力传感器，其特征在于，在所述机械超材料结构包括第一超材料框架和第二超材料框架时，所述机械超材料结构包括两个第二超材料框架，所述压力传感器包括两个热驱动单元；其中，

所述两个第二超材料框架对称分布在所述应变敏感薄膜的两侧，所述两个热驱动单元对称分布在所述机械超材料结构的两侧，每个所述热驱动单元均与对应的所述第二超材料框架相连。

8.根据权利要求1至5任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述热驱动单元包括热驱动梁和绝缘驱动件；其中，

所述热驱动梁的边缘区域通过所述引线组、所述锚点组与所述压力感应单元电连接形成所述电流通路；

所述绝缘驱动件的第一端与所述热驱动梁的中央区域相连，所述绝缘驱动件的第二端与所述机械超材料结构相连。

9.根据权利要求8所述的压力传感器，其特征在于，所述热驱动梁包括相对间隔设置的第一子热驱动梁和第二子热驱动梁，所述热驱动单元还包括连接件；其中，

所述第一子热驱动梁和所述第二子热驱动梁的第一端分别通过所述引线组、所述锚点组与所述压力感应单元电连接形成所述电流通路；

所述连接件分别与所述第一子热驱动梁、所述第二子热驱动梁的第二端相连，并且，所述连接件还与所述绝缘驱动件的第一端相连。

10.根据权利要求9所述的压力传感器，其特征在于，所述第一子热驱动梁、所述连接件以及所述第二子热驱动梁呈V形结构。

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