CN207366108U - 一种软性薄膜压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型涉及一种压力传感器的设计，具体为一种软性薄膜压力传感器可通过新型纳米压敏材料的电阻率变化及两压敏层接触面积改变的协同作用来进一步提高传感器灵敏度，再辅以合适杨氏模量的超薄薄膜衬底从而解决了迟滞效应、测试重复性差异的问题，包括第一软性衬底、第一电极层、第一压敏层、支撑层、第二软性衬底、第二电极层和第二压敏层，所述第一压敏层、第一电极层和第一软性衬底依次连接，所述第二压敏层、第二电极层和第二软性衬底依次连接；还包括支撑层，所述支撑层位于第一软性衬底和第二软性衬底之间且将第一压敏层和第二压敏层固定，所述第一压敏层和第二压敏层之间存在间隙。

Description

一种软性薄膜压力传感器

技术领域

本实用新型涉及一种压力传感器的设计，具体为一种软性薄膜压力传感器。

背景技术

近年来，由于薄膜压力传感器稳定性好、体积较小、可靠性高等优点，因此在工业上得到了广泛的应用。薄膜压力传感器一般被认为是一种超薄多层机电装置，其中在感应元件及其迭片结构上有序布置电极和连接线，并使用合适的聚合物薄膜和环氧树脂材料做成一个坚固的超薄封装结构。当薄膜压力传感器受到突然的触点压力或者持续变化压力、拉力、速度场时，会产生电信号，以用于输出相应指示和/或促动机器的控制和操作。

一般而言，薄膜压力传感器包括四种典型应用，即电开关、冲击压力、应变及物体速度的测量。基于上述典型应用，薄膜传感器可分为四类，即开关、压力计、应变计、电磁速度计。本领域中还公知的是，以上四种类型薄膜传感器的工作原理依赖于四种不同物理效应。分别为：突然电接触(开关)；压力(压阻)或者应变(张阻)作用下的电阻逐渐变化；压力(压电)或者应变(张电)作用下的电荷逐渐释放；当导体运动到磁场中时，在导体周围产生电动势(电动势速度效应)。另外，本领域技术人员一直以来在寻求对薄膜压力传感器的进一步改进。例如，申请日为2003年5月20日、题目为“薄膜类型的半导体压力传感器”的中国专利申请03123715.0(公开号CN 1460846A，公开日2003年12月10日)公开了一种尺寸缩小且灵敏性未明显降低的半导体压力传感器，其在降低成本的同时保证传感器的必要灵敏度和可靠性。

随着穿戴设备的火爆发展，薄膜压力传感器可开始在穿戴设备中运用，所以软性薄膜压力传感器开始得到普遍的运用，对柔性压力感知传感器的需求也日益增加。而又由于柔性化、小型化的客观需求，导致目前市售的柔性薄膜压力传感器主要存在量程小、迟滞效应明显、短时间内测试重复性出现差异等问题。

实用新型内容

本实用新型的目的在于，提供一种软性薄膜压力传感器可通过新型纳米压敏材料的电阻率变化及两压敏层接触面积改变的协同作用来进一步提高传感器灵敏度，再辅以合适杨氏模量的超薄薄膜衬底从而解决了迟滞效应、测试重复性差异的问题。

实用新型解决其技术问题所采用的技术方案是：一种软性薄膜压力传感器，包括第一软性衬底、第一电极层、第一压敏层、支撑层、第二软性衬底、第二电极层和第二压敏层，所述第一压敏层、第一电极层和第一软性衬底依次连接，所述第二压敏层、第二电极层和第二软性衬底依次连接；还包括支撑层，所述支撑层位于第一软性衬底和第二软性衬底之间且将第一压敏层和第二压敏层固定，所述第一压敏层和第二压敏层之间存在间隙。

作为优选，所述支撑层为薄片状且位于第一软性衬底和第二软性衬底之间。

作为优选，所述支撑层为环状支撑物，所述第一压敏层和第二压敏层分别位于支撑层的上端和下端。

作为优选，所述支撑层为条状物且位于第一压敏层和第二压敏层的侧面。

作为优选，所述第一软性衬底和第二软性衬底由乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺和聚乙烯材料中的至少一种制成。

作为优选，所述第一压敏层和第二压敏层为具有三维孔状微结构的海绵状。

作为优选，所述第一压敏层和第二压敏层由纳米复合压敏材料制成，所述纳米复合压敏材料包括导电材料、高分子材料、分散体和助剂。

作为优选，所述第一压敏层和第二压敏层的厚度为1μm—500μ m。

作为优选，所述第二电极层还可设在第一软性衬底上，还包括导电层，所述导电层设在第二软性衬底上。

实用新型的有益效果是：本实用新型提供了一种超薄软性薄膜压力传感器，主要包括第一软性衬底、第一电极层、第一压敏层、支撑层，以及第二软性衬底、第二电极层、第二压敏层；当软性衬底上的压敏层受压时，纳米压敏材料的电阻率产生变化及两压敏层接触面积改变导致电阻变化而实现对压力的感知，当压力撤除后，纳米压敏材料的电阻率又恢复到原来值。本申请采用新型纳米压敏材料的电阻率变化及两压敏层接触面积改变的协同作用来进一步提高传感器灵敏度，再辅以合适杨氏模量的超薄薄膜衬底可以明显改变迟滞效应、测试重复性差异大等问题。本实用新型的软性薄膜压力传感器采用新型纳米压敏材料，灵敏度高且输出线性，可以精确的感知压力变化，且传感器体积轻薄小巧、功耗小、成本低，适合各种不同场合下的应用需求，具有较强的通用性。

附图说明

图1为本实用新型的软性薄膜压力传感器的实施方式一的结构示意图。

图2为本实用新型的软性薄膜压力传感器的实施方式二的结构示意图。

图3为本实用新型的软性薄膜压力传感器的实施方式三的结构示意图。

图4的a、b1、b2、c1、c2、d1和d2为本实用新型的软性薄膜压力传感器采用阵列式排布的结构示意图。

附图说明:1、第一软性衬底，2、第一电极层，3、第一压敏层，4、支撑层，5、第二软性衬底，6、第二电极层，7、第二压敏层，8、导电层。

具体实施方式

现在结合附图对实用新型作进一步详细的说明。这些附图均为简化的示意图，仅以示意方式说明实用新型的基本结构，因此其仅显示与实用新型有关的构成。

如图所示，一种软性薄膜压力传感器，包括第一软性衬底1、第一电极层2、第一压敏层3、支撑层4、第二软性衬底5、第二电极层 6和第二压敏层7，所述第一压敏层3、第一电极层2和第一软性衬底1依次连接，所述第二压敏层7、第二电极层6和第二软性衬底5 依次连接；还包括支撑层4，所述支撑层4位于第一软性衬底1和第二软性衬底5之间且将第一压敏层3和第二压敏层7固定，所述第一压敏层3和第二压敏层7之间存在间隙。

所述支撑层4为薄片状且位于第一软性衬底1和第二软性衬底5 之间。

所述支撑层4为环状支撑物，所述第一压敏层3和第二压敏层7 分别位于支撑层4的上端和下端。

所述支撑层4为条状物且位于第一压敏层3和第二压敏层7的侧面。

所述第一软性衬底1和第二软性衬底5由乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺和聚乙烯材料中的至少一种制成。

所述第一压敏层3和第二压敏层7为具有三维孔状微结构的海绵状。

所述第一压敏层3和第二压敏层7由纳米复合压敏材料制成，所述纳米复合压敏材料包括导电材料、高分子材料、分散体和助剂。

所述第一压敏层3和第二压敏层7的厚度为1μm—500μm。

所述第二电极层6还可设在第一软性衬底1上，还包括导电层8，所述导电层8设在第二软性衬底5上。

所述第一软性衬底和第二软性衬底可根据具体应用需求选择不同厚度(1μm—500μm)、不同硬度(如2H、4H)、不同透光度(可选择全透明、半透明或不透明中的一种)的软性薄膜，选自但不限于乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺和聚乙烯等材料的一种或几种组合使用。

所述电极层位于软性衬底上且面积小于衬底面积，带有图案化，可通过刻蚀或印刷技术可控制备不同图案的电极层且电极层与衬底牢固结合。

所述压敏层(可做成全透明、半透明或不透明中的一种)位于电极层表面且完全覆盖电极层，压敏层厚度1μm—500μm，压敏层具有三维孔状的微结构，且微结构的大小可以调节。较于传统压敏材料，基于该三维孔状微结构外界压力对压敏层形变的线性范围会更宽，软性薄膜压力传感器电信号变化的线性区域会更大，极大的扩宽了传感器检测量程。压敏层是利用碳纳米管等纳米复合压敏材料通过印刷、旋涂技术成膜后固化而成，纳米复合压敏材料包括导电材料(如碳纳米材料、纳米金属颗粒、金属氧化物、有机导电聚合物等)、高分子材料(如酚醛树脂、聚丙烯酸树脂、聚酯树脂、聚酰胺树脂、聚二甲基硅氧烷、不饱和聚酯树脂、环氧树脂、有机硅树脂、聚酰亚胺、橡胶、乙烯-醋酸乙烯共聚物等中的一种或多种按比例混合而成)、分散体、助剂等。例如本实用新型在使用碳纳米管时采用化学处理碳管来增强其压阻效应以进一步提高器件灵敏度。

在具体实施时，实施方式一：如图1所示，支撑层为位于软性衬底表面且在第一或第二压敏层的侧面(如上面、下面、左边或右边), 既固定第一压敏层和第二压敏层保证了器件的稳定性，又使第一压敏层和第二压敏层之间形成一定空隙，该空隙可通过支撑层厚度及压敏层厚度来调节。支撑层可以是有粘性的热塑胶、热熔胶、UV胶、双面胶、环氧胶、光学胶等，宽度1μm—5000μm，厚度1μm—500μm。

实施方式二：如图2所示，包括第一软性衬底、第一电极层、第一压敏层、支撑层，以及第二软性衬底、第二电极层。第一电极层位于第一软性衬底表面且与衬底紧密接触，第一压敏层覆盖于第一电极层表面且与电极层紧密接触；支撑层位于第一压敏层表面或者支撑层位于软性衬底表面且环绕在第一压敏层周围或者支撑层位于软性衬底表面且在第一压敏层的侧面；第二电极层位于第二软性衬底表面且与衬底紧密接触。

实施方式三：如图3所示，主要包括第一软性衬底、第一电极层，以及第二软性衬底、第二导电层、第二压敏层、支撑层。第一电极层位于第一软性衬底表面且与衬底紧密接触，第二导电层位于第二软性衬底表面且与衬底紧密接触，第二压敏层覆盖于第二导电层表面且与导电层紧密接触；支撑层位于第二压敏层表面或者支撑层位于第二软性衬底表面且环绕在第二压敏层周围或者支撑层位于第二软性衬底表面且在第二压敏层的侧面。第二导电层材料同第一电极层，软性衬底、电极层、压敏层、支撑层的材料同第一种单点软性薄膜压力传感器。

本实用新型还可以基于上述单点软性薄膜压力传感器形成阵列式软性薄膜压力传感器。所述阵列式软性薄膜压力传感器至少包括一个电极阵列，该电极阵列可以是在一个软性衬底表面制备多个互相独立的电极，在另一个软性衬底表面制备多个互相独立的电极，两个软性衬底表面互相独立的电极通过支撑层相互隔空组装；也可以是在一个软性衬底表面制备公共电极层，在另一个软性衬底表面制备多个互相独立的电极，多个互相独立的电极与公共电极层通过支撑层相互隔空组装而形成传感阵列。本阵列式软性薄膜压力传感器中的每个单点式超薄薄膜压力传感器都能够独立采集压力数据，从而实现了同时采集多点压力数据的技术效果。

本实用新型提供了第一种阵列式软性薄膜压力传感器(如图4中 a所示)，由一个或多个彼此独立工作的单元---单点式超薄薄膜压力传感器排布而成。

本实用新型提供了第二种阵列式软性薄膜压力传感器(如图4中 b1和b2所示)，在一个软性衬底表面制备公共电极层，在另一个软性衬底表面制备多个互相独立的电极，公共电极层和多个互相独立的电极表面均覆盖有压敏层，多个互相独立的电极与公共电极层通过支撑层相互隔空组装而形成传感阵列。

本实用新型提供了第三种阵列式软性薄膜压力传感器(如图4中 c1和c2所示)，在一个软性衬底表面制备多个互相独立的电极，在另一个软性衬底表面制备多个互相独立的电极，且其中一个软性衬底上多个互相独立的电极表面均覆盖有压敏层，两个软性衬底表面互相独立的电极通过支撑层相互隔空组装。

本实用新型提供了第四种阵列式软性薄膜压力传感器(如图4中 d1和d2所示)，在一个软性衬底表面制备多个互相独立排布的电极对形成阵列电极层，在另一个软性衬底表面制备对应分布的阵列化压敏层，阵列电极层和对应分布的阵列化压敏层通过支撑层相互隔空组装。

以上述依据实用新型的理想实施例为启示，通过上述的说明内容，相关工作人员完全可以在不偏离本项实用新型技术思想的范围内，进行多样的变更以及修改，本项实用新型的技术性范围并不局限于说明书上的内容，必须要根据权利要求范围来确定其技术性范围。

Claims (9)

1.一种软性薄膜压力传感器，其特征在于：包括第一软性衬底(1)、第一电极层(2)、第一压敏层(3)、支撑层(4)、第二软性衬底(5)、第二电极层(6)和第二压敏层(7)，所述第一压敏层(3)、第一电极层(2)和第一软性衬底(1)依次连接，所述第二压敏层(7)、第二电极层(6)和第二软性衬底(5)依次连接；还包括支撑层(4)，所述支撑层(4)位于第一软性衬底(1)和第二软性衬底(5)之间且将第一压敏层(3)和第二压敏层(7)固定，所述第一压敏层(3)和第二压敏层(7)之间存在间隙。

2.根据权利要求1所述的软性薄膜压力传感器，其特征在于：所述支撑层(4)为薄片状且位于第一软性衬底(1)和第二软性衬底(5)之间。

3.根据权利要求1所述的软性薄膜压力传感器，其特征在于：所述支撑层(4)为环状支撑物，所述第一压敏层(3)和第二压敏层(7)分别位于支撑层(4)的上端和下端。

4.根据权利要求1所述的软性薄膜压力传感器，其特征在于：所述支撑层(4)为条状物且位于第一压敏层(3)和第二压敏层(7)的侧面。

5.根据权利要求1所述的软性薄膜压力传感器，其特征在于：所述第一软性衬底(1)和第二软性衬底(5)由乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亚胺和聚乙烯材料中的至少一种制成。

6.根据权利要求1所述的软性薄膜压力传感器，其特征在于：所述第一压敏层(3)和第二压敏层(7)为具有三维孔状微结构的海绵状。

7.根据权利要求1所述的软性薄膜压力传感器，其特征在于：所述第一压敏层(3)和第二压敏层(7)由纳米复合压敏材料制成，所述纳米复合压敏材料包括导电材料、高分子材料、分散体和助剂。

8.根据权利要求1所述的软性薄膜压力传感器，其特征在于：所述第一压敏层(3)和第二压敏层(7)的厚度为1μm—500μm。

9.根据权利要求1所述的软性薄膜压力传感器，其特征在于：所述第二电极层(6)还可设在第一软性衬底(1)上，还包括导电层(8)，所述导电层(8)设在第二软性衬底(5)上。