CN203719797U - 一种压电式压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型提供了一种压电式压力传感器，包括：敏感元件，所述敏感元件包括静电纺丝工艺形成的多条压电纤维，所述多条压电纤维与所述电极电性接触。本实用新型所提供的压电式压力传感器，其敏感元件为静电纺丝工艺形成的压电纤维，静电纺丝工艺本身的原理决定了制作压电纤维时操作简单，且可以在室温下进行，没有工艺温度、极化电压等严格的工艺条件要求，因此本实用新型所提供的压电式压力传感器的制作方法简单，生产效率较高。且由于压电式压力传感器敏感元件的灵敏度与每单位质量敏感元件的表面积成正比，单位质量的静电纺丝工艺制备的压电纤维比压电薄膜的表面积大得多，因此本实用新型中的压电式压力传感器具有更高的灵敏度。

Description

一种压电式压力传感器

技术领域

本实用新型涉及传感器技术领域，更具体地说，涉及一种压电式压力传感器。

背景技术

传感器是一种能够感受被测变化信息，并按照一定规律将变化信息转化为所需形式输出信号的器件或装置。传感器中，压力传感器是最常见的一种，压力传感器主要包括：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等。其中，压电式压力传感器以其响应速度快、灵敏度高及能够实现测量高频变化力等优点受到广泛关注，被应用于汽车安全气囊、防抱死系统及牵引控制系统等安全性能方面的压电式加速度传感器，生物医学测量方面的压电DNA传感器，新型扫描力显微镜等诸多领域。

压电式压力传感器的工作原理主要是利用了压电材料的压电效应。多铁性材料具有铁电、压电、铁磁、铁弹等多种性能，可作为压电材料应用在压电式压力传感器中，这成为目前领域内技术人员的研究热点之一。

常规采用多铁性材料制成的压电式压力传感器的基本结构一般包括：基底，该基底包括相对的第一表面和第二表面，第一表面为一完整的面，第二表面为一中间镂空的面，基底上具有一空腔，空腔的开口朝向第二表面，且空腔的开口被第二表面包围；位于第一表面上的电极，该电极分为正电极和负电极，正电极和负电极为叉指状电极；位于电极上的敏感元件，该敏感元件为多铁性材料形成的压电薄膜；位于第二表面上的掩蔽层。

应用多铁性材料的压电式压力传感器制作关键点之一是压电薄膜的制备。目前，制备压电薄膜的方法主要有：物理沉积方法（如：脉冲激光沉积（Pulsed Laser Deposition，简称PLD）、磁控溅射（Magnetron Sputtering，简称MS）等）和化学溶液沉积法（Chemical Solution Deposition，简称CSD）（如：金属有机沉积（Metal-organic Deposition，简称MOD）、溶胶-凝胶法（Sol-gel）等）。

但是，上述两种压电薄膜的制备方法的工艺过程均十分复杂，制备时所需的工艺温度、极化电压等条件都需要严格的控制，造成应用多铁性材料的压电式压力传感器的制作方法复杂，生产效率低。

实用新型内容

本实用新型提供了一种压电式压力传感器，以简化应用多铁性材料的压电式压力传感器的制作方法，提高生产效率。

为实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：

一种压电式压力传感器，包括：基底、电极、敏感元件和掩蔽层，其中，所述敏感元件位于所述电极背离所述基底的一面上，所述敏感元件包括静电纺丝工艺形成的多条压电纤维，所述多条压电纤维与所述电极电性接触。

优选的，所述压电纤维为多铁性纳米结构压电纤维。

优选的，所述多条压电纤维的直径的范围为0.1μm～1μm，包括端点值。

优选的，所述多条压电纤维位于所述电极的指部区域。

优选的，所述多条压电纤维平行排列。

优选的，所述多条压电纤维与所述电极的指部所呈的角度为90度。

优选的，所述多条压电纤维均匀分布。

优选的，所述基底的空腔为梯台形空腔。

优选的，所述掩蔽层的厚度范围为0.1μm～0.3μm，包括端点值。

优选的，所述电极的厚度范围为0.1μm～0.3μm，包括端点值。

与现有技术相比，本实用新型所提供的技术方案至少具有以下优点：

本实用新型所提供的压电式压力传感器，其敏感元件不同于现有技术中薄膜形式的敏感元件，为静电纺丝工艺形成的压电纤维。当外界有压力施加到传感器基底的空腔开口处时，空腔部分形成弹性膜片，产生应变和应力，进而正、负电极随之发生形变，引起压电纤维弯曲，产生压电效应，从而可通过测量正、负电极间的电压得到压力的大小。由于本实用新型中制作压电纤维采用静电纺丝工艺，该工艺本身的原理决定了制作压电纤维时操作简单，且可以在室温下进行，没有工艺温度、极化电压等严格的工艺条件要求，而现有技术中压电式压力传感器的敏感元件为压电薄膜，制作压电薄膜需采用工艺过程复杂、工艺条件严格的物理沉积方法或化学溶液沉积方法，相比之下，本实用新型所提供的压电式压力传感器的制作方法简单，生产效率较高。

并且，由于压电式压力传感器敏感元件的灵敏度与每单位质量敏感元件的表面积成正比，单位质量的静电纺丝工艺制备的压电纤维比压电薄膜的表面积大得多，因此本实用新型中的压电式压力传感器具有更高的灵敏度。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例所提供的压电式压力传感器的立体图；

图2为本实用新型实施例所提供的压电式压力传感器的俯视图；

图3为本实用新型实施例所提供的压电式压力传感器的AA`面的剖面图。

具体实施方式

为使本实用新型的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图对本实用新型的具体实施方式做详细的说明。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本实用新型，但是本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其它方式来实施，本领域技术人员可以在不违背本实用新型内涵的情况下做类似推广，因此本实用新型不受下面公开的具体实施例的限制。

其次，本实用新型结合示意图进行详细描述，在详述本实用新型实施例时，为便于说明，表示装置结构的剖面图会不依一般比例作局部放大，而且所述示意图只是示例，其在此不应限制本实用新型保护的范围。此外，在实际制作中应包含长度、宽度及深度的三维空间尺寸。

本实用新型提供了一种压电式压力传感器，参考图1、2和3所示，该压电式压力传感器包括：基底11、电极12、敏感元件13和掩蔽层14，其中，所述敏感元件13位于所述电极12背离所述基底11的一面上，所述敏感元件13包括静电纺丝工艺形成的多条压电纤维，所述多条压电纤维均与所述电极12电性接触。

需要说明的是，以上各部分的具体结构及具体位置关系优选为：

所述基底11包括：第一表面111、第二表面112和空腔113，其中，第一表面111和第二表面112相对，第一表面111为一完整的面，第二表面112为以中间镂空的面，空腔113的开口和底部相对，底部位于基底11内部，开口朝向第二表面112，且被第二表面112包围，即开口的区域为第二表面112中间镂空的区域。

电极12位于基底11的第一表面111上，包括正电极和负电极，正电极和负电极为叉指状电极，即正电极和负电极均包括平行间隔并排的指部和汇集电流的、与指部垂直的汇集部，正电极和负电极的指部交叉间隔排布，汇集部相对设置，分别与测试装置的两极电连接。

本实施例所提供的压电式压力传感器的工作原理为：当外界有压力施加于传感器基底11的空腔113的开口处时，空腔113形成弹性膜片，产生应变和应力，电极12随之产生形变，进而引起敏感元件13的压电纤维弯曲。这种弯曲会使压电纤维产生压电效应，压电纤维内部的正、负电荷中心发生偏移，在压电纤维的两个端面上出现极化电荷，极化电荷通过与压电纤维电性接触的正、负电极以电压形式输出。如果正、负电极分别与测量装置连接，就可测量出正、负电极两端的电压变化，该电压的变化间接反映了外界压力的变化，进而可计算施加在压电式压力传感器上的压力的大小。

需要说明的是，所谓“压电效应”是指：压电材料在沿一定方向上受到外力的作用而发生形变时，其内部会产生极化现象，同时在它的两个相对的表面上出现正负相反的电荷。

敏感元件13位于电极12背离基底11的一面上，实际包括多条压电纤维，压电纤维由静电纺丝工艺制备而成，与电极12形成欧姆接触，以在有压电效应时，使产生的极化电荷通过电极12输出。

掩蔽层14位于基底11的第二表面112上，由于第二表面112为一中间镂空的面，掩蔽层14完全覆盖第二表面112，因此掩蔽层112为一中间镂空的膜层。

本实施例仅以以上压电式压力传感器的各部分的具体结构及具体位置关系为例进行说明，在本实用新型的其它实施例中，各部分的结构和它们之间的位置关系还可以有其它的变形，在此并不一一列举。

本实施例中，所述压电纤维优选为多铁性纳米结构压电纤维。与块体或薄膜的多铁性压电材料相比，多铁性纳米结构压电纤维具有很大的长径比，因此可以将由压电效应引起的位移放大，且不受基底约束，从而能显著提高多铁性材料的磁电耦合响应，应用于压力传感器中，能提高传感器的性能。

压电纤维的直径可根据实际需要进行选择，本实施例中，所述多条压电纤维的直径的范围优选的为0.1μm～1μm，包括端点值，但这仅是一优选范围，并不能对本实用新型中的压电纤维的直径产生限定。

由于产生压电效应后，压电纤维上的极化电荷会通过电极12输出，因此为使电极12的指部区域的压电纤维上的极化电荷能更顺利的输出，本实施例中所述多条压电纤维优选的位于所述电极11的指部区域。

为了优化本实施例所提供的压电式压力传感器的输出性能，可以根据实际情况对压电纤维的设置进行设计。例如，优选的可令所述多条压电纤维平行排列，令所述多条压电纤维与所述电极12所呈的角度为90度，令所述多条压电纤维均匀分布等等。

本实施例中制作敏感元件13的压电纤维所采用的工艺为：静电纺丝工艺。静电纺丝工艺的装置主要包括：毛细管喷头、纤维收集板、溶液供给系统和高压发生装置。利用静电纺丝工艺的装置制作压电纤维时，溶液供给系统不断将压电材料的溶液供给毛细管喷头，同时高压发生装置将压电材料的溶液加上几千至几万伏的高压静电，以在毛细管喷头和纤维收集板间产生一个强大的电场力。当电场力施加于压电材料溶液的表面时，将在表面产生电流，相同电荷相斥导致了电场力与溶液的表面张力的方向相反。如果电场力的大小等于溶液的表面张力，带电的液滴就悬挂在毛细管喷头的末端，处于平衡状态。随着电场力的增大，毛细管喷头末端的液滴在电场力的作用下被拉伸成圆锥状。当电场力超过一个临界值后，电场力将克服液滴的表面张力，使溶液形成射流。在静电纺丝过程中，液滴通常具有一定的静电压，并处于一个电场中，因此，当射流从毛细管喷头末端向纤维收集板运动时，会出现加速现象，使射流在电场中的拉伸，同时溶液中溶剂挥发，最终在纤维收集板上形成压电纤维。

需要说明的是，静电纺丝工艺的装置简单，工艺过程简单，且静电纺丝工艺可在室温下进行，对工艺条件（温度、电压等）没有严格的要求。

而现有技术中，压电式压力传感器的敏感元件为压电薄膜，形成压电薄膜的主要方法为物理沉积方法和化学溶液沉积方法，其中，物理沉积方法往往需要对温度、压强等工艺条件行进严格控制，操作起来十分复杂，化学溶液沉积方法需要严格的电压等工艺条件，且形成的薄膜致密性和均匀性并不理想。

可见，本实施例通过采用静电纺丝工艺形成压电纤维作为压电式压力传感器的敏感元件，简化了传感器的制作方法，提高了其生产效率。

并且，传感器的灵敏度是一个重要的指标，传感器的灵敏度与每单位质量敏感元件的表面积成正比。本实施例静电纺丝工艺制备的敏感元件的压电纤维，其形态为纤维状，且可进一步制作成纳米级纤维状结构，相对于薄膜形态的压电敏感元件，本实施例中单位质量的压电纤维的表面积远远大于压电薄膜的表面积，因此，本实施例中的压电式压力传感器的灵敏度比现有技术大大提升。

另外，本实施例中的压电式压力传感器的整体形成过程优选的可为：

提供基底，该基底的材料可根据实际需要选取，本实施例以硅基底为例进行说明；

在基底的一面上通过溅射、光刻和窗口化步骤形成掩蔽层，掩蔽层的材料包括但不限定于铝，厚度优选的可以为0.1μm～0.3μm，包括端点值；

对基底具有掩蔽层的一侧进行刻蚀，形成底部在基底内部的空腔，刻蚀所采用的装置优选为感应耦合式等离子体刻蚀机，所得到的空腔的厚度（即弹性膜片的厚度可根据实际需要设定），且空腔优选为梯台形空腔；

在与掩蔽层所在的一面相对的基底的一面上通过溅射、光刻和刻蚀步骤形成叉指状电极，电极的厚度范围优选的可为0.1μm～0.3μm，包括端点值；

在电极背离基底的一面上采用静电纺丝工艺制作多条压电纤维，形成传感器的敏感元件，使多条压电纤维与电极形成电性接触。

需要说明的是，在本实用新型的其它实施例中，基底的空腔、掩蔽层、电极和敏感元件还可以为其它可以实现的顺序，空腔、掩蔽层和电极各自的形成工艺、结构、厚度等参数也并不限定于以上所述。

虽然本实用新型已以较佳实施例披露如上，然而并非用以限定本实用新型。任何熟悉本领域的技术人员，在不脱离本实用新型技术方案范围情况下，都可利用上述揭示的方法和技术内容对本实用新型技术方案作出许多可能的变动和修饰，或修改为等同变化的等效实施例。因此，凡是未脱离本实用新型技术方案的内容，依据本实用新型的技术实质对以上实施例所做的任何简单修改、等同变化及修饰，均仍属于本实用新型技术方案保护的范围内。

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Claims (10)

1.一种压电式压力传感器，包括：基底、电极、敏感元件和掩蔽层，其中，所述敏感元件位于所述电极背离所述基底的一面上，其特征在于，所述敏感元件包括静电纺丝工艺形成的多条压电纤维，所述多条压电纤维与所述电极电性接触。

2.根据权利要求1所述的压电式压力传感器，其特征在于，所述压电纤维为多铁性纳米结构压电纤维。

3.根据权利要求1所述的压电式压力传感器，其特征在于，所述多条压电纤维的直径的范围为0.1μm～1μm，包括端点值。

4.根据权利要求1所述的压电式压力传感器，其特征在于，所述多条压电纤维位于所述电极的指部区域。

5.根据权利要求1所述的压电式压力传感器，其特征在于，所述多条压电纤维平行排列。

6.根据权利要求5所述的压电式压力传感器，其特征在于，所述多条压电纤维与所述电极的指部所呈的角度为90度。

7.根据权利要求6所述的压电式压力传感器，其特征在于，所述多条压电纤维均匀分布。

8.根据权利要求1所述的压电式压力传感器，其特征在于，所述基底的空腔为梯台形空腔。

9.根据权利要求1所述的压电式压力传感器，其特征在于，所述掩蔽层的厚度范围为0.1μm～0.3μm，包括端点值。

10.根据权利要求1所述的压电式压力传感器，其特征在于，所述电极的厚度范围为0.1μm～0.3μm，包括端点值。