CN1735795A - 包括具有微结构表面的弹性传感器层的压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种包括传感层(12、14)的压力传感器，传感层由弹性电阻材料制成且涂覆于未显示的聚合物薄膜上。(22)代表用粘接剂涂布的分隔体。一个传感层(14)配备有微结构表面，该微结构表面在有效区(16)内包含球形结构(20)。在结构膨胀R为50微米处压缩路径量达10微米。结构(20)与某些表面粗糙度相比是大的。本发明的压力传感器通过注射成型、蚀刻、压纹、或通过电子束技术或激光束技术的方法生产。所公开的是其诸变体，它们的运转各不相同。

Description

包括具有微结构表面的弹性传感器层的压力传感器

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，特别地涉及一种基于微机械的压力传感器。

背景技术

用压力传感器探测施加于表面上的力或压强的应用领域近年来显著增长。对于大多数这些应用，压力传感器的主要需求是压力传感器可以以适当的成本制造。因此，箔型压力传感器特别地得到广泛传播。

该类型的压力传感器制造经济且其应用多样，其在例如US-A4314227中得到描述。在该文件描述的箔型压力传感器配备有两个支撑板，通过分隔物保持一定的分开距离。这些支撑板的至少一个在构造上是弹性的，使得当力施加于传感器上时，弹性的支撑板可以被压向另一支撑板上，由弹性的支撑板的回复力与之相对。在承载箔之一上，以彼此一定的距离设置两个电极结构，而且在另一支撑板上，设置半导体材料层，该半导体材料层在外部力的作用下压于两个电极结构上。

半导体材料显示出特别的结构，使得半导体层的表面显示出具有许多突起的随机分布的接触点的一定程度的粗糙度。当压力开始施加于传感器元件时，首先使两个支撑板碰到一起直至在电极结构和半导体层之间形成第一接触。在该开启点之下，传感器的电阻是无限大的。当压力增加时，半导体层进一步被压于电极结构上，增加电极结构和半导体层之间的接触面积。当此发生时，半导体层与电极结构的电接触的接触点的数量同时增加，使得半导体层和电极结构之间的表面电阻减小。该减小的表面电阻可以被测量且作为施加于传感器上的压力的测量值。如果施加于传感器上的压力缓解，支撑板的弹性回复力导致半导体层和电极结构之间的距离增加，且因此接触点的数量减小。

这样的压力传感器的单元机理可以以膜模型描述。膜的翘曲正比于施加在膜上的压力，且膜的翘曲还取决于膜的弹性物理性能、材料强度和张力。在开启点以上，所造成的电阻本质上是接触表面的压力相关的半径的函数。由于此，压力传感器的电降应函数强烈地响应特定的单元结构的变化，例如，由于湿度和温度的变化的原因引起膜变形的情况下，压力传感器的电响应函数经受显著的变化。由此，这样的压力传感器特别对于在比较低的压力下需要精确的开启点的领域是不适当的。实际上，即使单元结构上的非常小的变化，例如，通过膜的变形，也会导致开启点的与所需的反应阈值相同量级的偏移。另外，半导体层中的接触点的分布的随机变化导致难于在其反应阈值以上检验传感器的行为。

发明内容

因此本发明的任务是提出一种改进的压力传感器元件。

该任务通过依据权利要求1的压力传感器来依据本发明实现。该压力传感器包括具有第一传感层的第一承载箔和具有第二传感层的第二承载箔，第一和第二承载箔以这样一种相互关系设置使得第一和第二传感层形成相互接触表面。设置第一和第二传感层使得两个传感器的端部接触之间的电阻依赖于两个传感层之间的接触面积的范围。依据本发明，在传感器的有效区的区域中，至少第二传感层包括具有由弹性材料形成的预定结构的微结构表面，其中，第二传感层的结构与第一传感层接触且结合第一传感层形成接触区，且其中，在施加于压力传感器的压力的影响下该结构被压缩，从而增加接触区域的范围。

在该传感器中，在施加于传感器的力的影响下弹性地压缩第二传感层中由弹性材料形成的预定结构。由于该结构的因此的变形，这些结构和传感层之间的接触面积增加。如果施加于压力传感器的力缓解，弹性结构的回复力导致因压缩而产生的变形反转，使得这些结构和第一传感层之间的接触面积再一次减小。

与公知的箔型压力传感器相反，在该压力传感器中，其电行为和其弹性行为因此由第二传感层的微结构表面决定。所以该压力传感器的电阻行为在很大程度上与承载箔的机械性能无关。由于温度波动引起的在箔中发生的变形或箔机械特性的变化因此对传感器的响应函数没有显著的影响。因为压力传感器的回复力不再需要由承载箔提供，后者可以由较便宜的材料制造且具有比常规的箔型压力传感器减小的厚度。这导致显著的节省，特别对于箔型压力传感器，箔型压力传感器的应用要求使用比较昂贵的PI承载箔。

另外，依据本发明的压力传感器的电阻变化不是第一和第二传感层之间的接触点的数目的函数，而是在微结构表面上施加或引入其中的结构压缩导致的接触面积的增加的函数。通过微结构的清晰界定的构成，即，清晰界定的第二传感层的表面形貌，可以以确定的方式控制依据本发明的传感器的接触面积的压力相关的变化及其电特性。因此有效地防止了在压力下任何行为对粒子材料的随机分布的依赖。一般技术人员就此会理解，通过与通常的层材料的粗糙度比较，第二传感层中以确定方式引入的结构是大的。例如，该结构具有比典型粗糙度大至少一个数量级的范围。这保证了电行为确实由预定引入的结构引起，而不是由层的表面粗糙度产生的现象引起。该电行为和随机现象的清楚的分离使得可以重复地制造高度敏感的压力传感器。

应注意，在该传感器中，即使没有在传感器元件上施加外部力，第一和第二传感层也已经形成接触区。因此，该传感器元件，即使当没有负载时，也表现出有限的且因此可测量的电阻。因此，依据本发明的传感器在其电特性中不显示任何反应阈值，使得即使最小的力也会造成其电阻变化。另外，有限的电阻使得可以有效地检查压力传感器的导体，因为在任何时刻均可以测量有限的电阻。采用上述的箔型压力传感器，在卸载状态对导体的如此的检查简直是不可能的。

还应当观察到第一传感层优选地包括第一电阻材料，其也具有弹性性能。在该情况中，两层均在压力的影响下压缩，使得负载缓解时两个传感层的回复力导致回到初始结构。另外，第一传感层还可以显示出微结构的表面，使得第一传感层的结构和第二传感层的结构可以具有或者相似或者全异的形式和/或范围。

在压力传感器的优选的实施例中，第一传感层包括第一电阻材料，其可以在压力传感器的有效区的区域中涂布，例如，在承载箔的平层中。在这种意义下，电阻材料应当取意味着显示电导性但是其电阻率仍然显著高于诸如金属的导电材料的一种材料。采用这样一种电阻材料，易于产生依赖于接触面积的电阻特性而不会为传感层带来复杂的形式。

在本发明的优选实施例中，第二传感层的结构包括第二电阻材料。第二电阻材料优选地以这样一种方式与第一电阻材料匹配，使其获得两个传感层之间的面积电阻的可预测特性。应注意整个的第二传感层优选地由第二电阻材料制成。如此的实施例的特点是特别容易的组装并因此能经济地制造。但是依据压力传感器的应用，可以期望第二传感层应包括基层和设置于基层上的结构层，基层由具有特定机械和电性能的材料组成，而只有具有在其中形成的结构的结构层由第二电阻材料制成。

为了特别地保证压力传感器的动态特性，至少一个结构可以在至少一些部件中用导电材料，例如金属涂布。在如此的实施例中，即使作用在传感器上的小的变化也可以在压力传感器中产生电阻比较大的变化。一般技术人员会容易地理解，在这样的实施例中，所有的结构可以优选地用导电材料在某些区中涂布，其中依据电路设计，应保证个体结构的导电层通过绝缘区彼此分开。

在第二传感层的另一实施例中，第二传感层的结构包括绝缘材料，且至少一个结构在至少某些部件中用导电材料或第二电阻材料涂布。依据使用的材料，第二传感层的这样的实施例可以比所有结构都由电阻材料组成的实施例更加经济地制造。另外，依据应用的面积，这样的实施例可以显示相对于上述的实施例的机械或电学的优点。

应注意，依据压力传感器的实施例，第一和第二电阻材料可以是相同的。或者，第一和第二传感层可以由全异的电阻材料组成。在该情况中，第二电阻材料可以例如具有比第一电阻材料更低的电阻。特别地在上述的实施例中，第二传感层的结构包括绝缘材料且在某些部件中用第二电阻材料涂布，依据压力传感器的电路，可能需要在该情况中用绝缘区分开个体结构上的涂层。

应注意上述的传感层的实施例使得层的制备特别简单，因为不需要传感层的复杂形状来获得期望的压力敏感行为。以该方式构建的压力传感器因此可以特别可靠和经济地生产。

压力传感器的电线路可以用不同的方法实现。例如，第一传感层可以通过端子触点在两个空间上分开的连接点处接触。两个连接点可以例如相对于传感器的有效区彼此相对设置。当没有负载时这样的压力传感器的电阻本质上由位于两个触点之间的第一传感层的第一电阻材料决定。当力施加于压力传感器上时，通过压缩的结构第二传感层电切换至与第一传感层并联，通过两个传感层之间的接触面积的增加使两个端触点之间的电阻减小。

在可替换的实施例中，每个第一和第二传感层通过端子触点扩展的区域在背对另一传感层的一侧接触。优选通过两个端触点做成平的且每个传感层对于其相应的端触点被涂布为平的事实发生接触。在该情况中，压力传感器的电阻由两个传感层的垂直横跨两层的组合电阻给出，两个传感层之间的边界处的电阻起主导作用。两个传感层之间的接触面积越大，该表面电阻就越小。

在基于两个电阻层的并联连接的另一实施例中，每个第一和第二传感层通过端触点之一在一点接触，两个触点相对于传感器的有效区彼此相对设置。

应注意第一和/或第二电阻材料优选地包括导电弹性体材料。这些导电弹性体材料，例如具有导电色素填料的聚合物或自导电聚合物，成本低廉且容易加工。另外，这些材料表现出高弹性，可以实现可反转的压缩性。

微结构的表面的结构可以以多种方法制造。对于一般技术人员来说，显然，这样的结构应当优选地均匀地引入传感层，这样的结构可以通过注射成型、化学、电化学或光化学蚀刻、冲压、电子束加工和/或激光束加工制造。这些方法可以主动地(actively)构建传感层结构，或可以用于被动的(passive)方法，形成模具(负模具)，用模来制造传感层。

通过这些技术制造的微结构的表面优选地具有在第一传感层的方向上逐渐变细的形式。可能的形状包括，例如，半球、金字塔、切去顶端的金字塔、锥体、切去顶端的锥体等。

最后，应发现第一和第二承载箔可以用粘接剂优选地层压在一起。这可以例如通过对没有形成结构的第二传感层的那些区域(间隔体)涂布粘接剂的涂层来实现，由此以距离R设置第一承载箔。

附图说明

本发明的实施例参考附图在以下描述。这些附图显示如下内容：

图1a和1b压力传感器的概略横截面图(a)与该压力传感器的放大的细节(b)，示出了由施加于压力传感器上的力引发的过程；

图2a和2b压力传感器的第一实施例的横截面图(a)与该压力传感器的顶视图(b)；

图3-5压力传感器的其他实施例。

具体实施方式

本发明涉及基于微结构表面的弹性机械变形的压力传感器。图1a概略地示出了这样的压力传感器10的结构。传感器10基本上包括由弹性和电阻材料制成的第一传感层12和第二传感层14，每一传感层一般涂布于承载箔(聚合物箔)(未显示)上。传感层12和14彼此相对设置，从而在压力传感器10的有效区16中，在它们之间形成接触区。

第二传感层14在压力传感器10的有效区16的区域中具有微结构的(microstuctured)表面18，其具有在其中形成的由弹性材料制成的预定的结构20。图1a显示了这样的压力敏感微结构18的典型实施例。为此，第二传感层14在有效区16中包括清晰界定的形貌，在所示的实施例中该形貌采取了半径为R的球形结构20的结构。这些结构20与通常的表面粗糙度比较大了例如至少一个数量级。传感层14的没有结构的区域用粘接剂22(分隔体)涂布，以这样一种方式距没有结构的区域距离R设置第一传感层12，使得第一传感层12与结构20接触。

施加的力F压缩两个传感层12和14，且在n个微结构的情况中，每一个支撑F/n的负载。可能的情况是，第二或第一传感层的弹性机械变形Δd1和Δd2在两个传感层12和14之间产生压力相关的接触区域24(见图1b)。接触区域24的形状和力或压力相关的该区域的进展取决于材料的弹性性能和所选择的表面形貌。考虑到这点，应当优选地这样选择材料的弹性性能，使得所得的变形只是弹性的(例如，对于约50μm的结构的膨胀R，压力传感器的典型的压缩距离在10μm的范围中)，使得当力F缓解时，压力传感器在传感层中的回复力的影响下回到其初始状态。

接触面积可以视电线路由不同的方法决定和估计。这方面，在图2a和2b中显示了压力传感器的第一实施例。在该实施例中，没有结构的传感层12包括电阻材料，而且第二传感层14的结构20的至少一些用导电物质26涂布。当压力增加时，导电岛28与电阻第一传感层12的接触尺寸稳定地增长(也见图2b)。如果两个电触点30和32彼此间隔一距离在第一传感层12中设置，如图2a和2b所示，则电触点30和32的连接之间的测量的电阻因为岛的增长而随增加的压力降低。该电构造的前提是结构的表面为不连续的导电层(表面导电率)。

图3显示压力传感器的另一实施例，其中电触点30和32位于第一传感层12中。在该实施例中，第二传感层14包括没有导电涂层的电阻材料。在该实施例中，不但利用了(涂层的)表面导电率而且利用了传感层材料的体积导电率。

图4和5显示压力传感器的实施例，其中在每个传感层中只有一个电触点30或32存在。在这些实施例中，电阻也随增加的压力降低。在图4中的实施例中，不但利用了传感层材料的表面导电率而且利用了体积导电率。图5显示了基于两个电阻相当的电阻层的压力敏感并联切换(parallel switching)的压力传感器的实施例。当压力增加时，接触面积增加，且随之两个层之间的电相互作用增加。因此，电阻下降。

Claims (14)

1.一种压力传感器，包括具有第一传感层的第一承载箔和具有第二传感层的第二承载箔，所述第一承载箔和第二承载箔以这样一种方式彼此相对设置，使得所述第一和第二传感层在它们之间形成接触区域，其中这样构造所述第一和第二传感层，使得所述传感器的两个端子触点之间的电阻取决于所述两个传感层之间的接触区域，所述压力传感器的特征在于：在所述压力传感器的有效区的区域中，至少所述第二传感层具有微结构的表面，所述表面具有形成于其中的弹性材料中的预定结构，其中所述第二传感层的结构保持与所述第一传感层接触并与所述第一传感层一起形成接触区域，所述压力传感器的特征还在于：在施加于所述压力传感器的力的影响下，所述结构被压缩，使得所述接触区域的范围增加。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中，所述第一传感层包括第一电阻材料。

3.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其中，所述第二传感层的结构包括第二电阻材料。

4.根据权利要求1或2所述的压力传感器，其中，所述第二传感层的结构包括绝缘材料且其中至少一个所述结构至少在某些部分中用导电材料或第二电阻材料涂布。

5.根据权利要求3所述的压力传感器，其中，至少一个所述结构至少在某些部分中用导电材料涂布。

6.根据权利要求3至5的任一项所述的压力传感器，其中，所述第二电阻材料包括比所述第一电阻材料更低的电阻。

7.根据权利要求1至6的任一项所述的压力传感器，其中，所述第一传感层在两个触点处被端子触点接触，所述两个触点彼此分开一距离设置。

8.根据权利要求7所述的压力传感器，其中，所述两个触点相对于所述传感器的有效区彼此相对地设置。

9.根据权利要求1至6的任一项所述的压力传感器，其中，每个所述第一和第二传感层在延伸的区域中在背对另一传感器的一侧被所述端子触点之一接触。

10.根据权利要求1至6的任一项所述的压力传感器，其中，每个所述第一和第二传感层在触点处被所述端子触点之一接触，且其中，两个触点相对于所述传感器的有效区彼此相对设置。

11.根据以上权利要求的任一项所述的压力传感器，其中，所述第一和/或第二电阻材料包括导电弹性体材料。

12.根据以上权利要求的任一项所述的压力传感器，其中，如此成形所述微结构表面的结构，使得它们在所述第一传感层的方向逐渐变细。

13.根据以上权利要求的任一项所述的压力传感器，其中所述微结构表面的结构通过注射成形、蚀刻、冲压、电子束加工或激光束加工的方法生产。

14.根据以上权利要求的任一项所述的压力传感器，其中，所述第一和第二承载箔层压在一起。

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