CN207366110U - 一种高灵敏压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种高灵敏压力传感器，包括感应层、衬底层、隔离层；所述感应层包括感应层衬底和铺设于感应层衬底表面的导电层；所述隔离层位于导电层与衬底层中间，与导电层、衬底层贴合在一起，并将所述导电层与所述衬底层之间的接触呈间断性的隔离；所述衬底层与隔离层接触的一面设置成凹凸不平的粗槽表面；所述衬底层具有导电性，由其引出电极，用于检测电阻的变化。本实用新型提供的高灵敏的压力传感器在特定形貌的硅基表面贴合柔性的导电层，通过柔性导电层承受压力带来的形变，改变传感器导电性能，从而可以检测到微小力的变化，实现了压力感应和测量。
Description
技术领域
本实用新型涉及一种压力传感器，用于检测压力的大小和波动，具体涉及一种柔性的压力传感器。
背景技术
压力传感器是工业实践中最为常用一种传感器，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。
迄今为止，压力传感器的原理及其应用主要有以下几种：
1、应变片压力传感器：其原理与应用力学传感器的种类繁多，如电阻应变片压力传感器、半导体应变片压力传感器、压阻式压力传感器、电感式压力传感器、电容式压力传感器、谐振式压力传感器及电容式加速度传感器等。应用最为广泛的是压阻式压力传感器。压阻式压力传感器主要利用电阻应变片，这是压阻式应变传感器的主要组成部分之一，电阻应变片最常见的是金属电阻应变片和半导体应变片两种。金属应变片通过粘合剂紧密的粘合在产生力学应变基体上，当基体受力发生应力变化时，电阻应变片也一起产生形变，使应变片的阻值发生改变，从而使加在电阻上的电压发生变化。这种应变片在受力时产生的阻值变化通常较小，一般这种应变片都组成应变电桥，并通过后续的仪表放大器进行放大，再传输给处理电路显示或执行机构。金属电阻应变片由基体材料、金属应片丝或应变箔、绝缘保护片和引出线等部分组成。这种传感器设计时容易受限，电阻应变片阻值太小，所需的驱动电流太大，同时应变片的发热致使本身的温度过高，不同的环境中使用，使应变片的阻值变化过大，输出的零点漂移明显，调零电路过于复杂。而电阻太大，阻抗太高，抗外界的电磁干扰能力较差。一般均为几十欧至几十千欧左右。具体来讲，电阻应变片的工作原理是：吸附在基体材料上应变电阻随机械形变而产生阻值变化的现象，俗称为电阻应变效应。以金属丝应变电阻为例，当金属丝受外力作用时，其长度和截面积都会发生变化，其电阻值即会发生改变。假如金属丝受外力作用而伸长时，其长度增加，而截面积减少，电阻值更会增大；当金属丝受外力作用而压缩时，长度减小，而截面增加，电阻值则会 减小。只要测出加在电阻的变化(通常测电阻两端的电压)，即可获得应变金属丝的应变情况。
2、陶瓷压力传感器：压力直接作用在陶瓷膜片的前表面，使膜片产生微小的形变，厚膜电阻印刷在陶瓷膜片的背面，连接一个惠斯通电桥(闭桥)，由于压敏电阻的压阻效应，使电桥产生一个与压力成正比的高度线性、与激励电压也成正比的电压信号，标准的信号根据压力量程的不同标定等，可以和应变式传感器相兼容。
3、扩散硅压力传感器：其工作原理是将被测介质的压力直接作用于传感器的膜片上(不锈钢或陶瓷)，使膜片产生与介质压力成正比的微位移，使传感器的电阻值发生变化，用电子线路检测这一变化，并传输出一个对应这一压力的标准测量信号。
4、蓝宝石压力传感器：利用变电式工作原理，采用硅-蓝宝石作为半导体敏感元件，具有无与伦比的计量特性。
5、压电压力传感器：主要命名用的压电材料包括有石英、酒石酸钾和磷酸二氢胺。压电效应是压电传感器的主要工作原理，压电传感器不能用于静态测量，因为经过外力作用下的电荷，只有在回路具有无限大的输入阻抗时才得到保存。
目前，灵敏度最高的压力传感器采用受压力后材料本身发生电学性能的改变的原理，检测压力的大小。然而，这种原理下压力感应精度与材料性质联系紧密，且很多材料会受使用环境的影响，精度一般很难达到十分精确的程度，应用在微小力的测量感应方面，存在很大的局限性，如脉搏的测量等。以石墨烯为代表的柔性材料发展起来后，也存在一些方法，制备基于这些材料的灵敏性较高的传感器，但是均存在对加工精度要求高，工艺较为复杂，测量结果不稳定等缺陷，导致目前市场上尚无可以投入量产和使用的高灵敏性压力传感器的产品。基于此，高灵敏性的压力传感器仍然处于无法真正满足人们需求的状态，急需改进。
实用新型内容
本实用新型的目的在于针对现有技术的不足，提供了一种灵敏度高且更适应环境变化的压力传感器，进一步的，该压力传感器通过结构的改进，弥补环境变化导致材料性能变化造成的灵敏度降低等问题，感应稳定性得到了加强。
本实用新型的目的通过以下技术方案来具体实现：
一种高灵敏压力传感器，包括感应层、衬底层、隔离层；所述感应层包括感应层衬底和铺设于感应层衬底表面的导电层；所述隔离层位于导电层与衬底层中间，与导电层、衬底层贴合在一起，并将所述导电层与所述衬底层之间的接触呈间断性的隔离；所述衬底层与隔离层接触的一面设置成凹凸不平的粗槽表面；所述衬底层具有导电性，由其引出电极，用于检测电阻的变化。
优选地，所述衬底层与隔离层接触的一面设置成阵列排布的突起。
进一步优选地，所述突起采用金字塔结构的形貌。
进一步优选地，所述金字塔结构的底边边长为0.1μm-10μm，例如：0.1μm、0.2μm、0.5μm、1μm、2μm、2.5μm、3μm、4μm、5μm、5.5μm、6μm、7μm、8μm、9μm、10μm，等等；优选1μm-3μm，例如：1μm、1.2μm、1.51μm、1.6、1.81μm、2.0μm、2.1μm、2.4μm、2.5μm、2.7μm、3μm，等等。
优选地，所述衬底层采用单晶硅或掺杂的单晶硅。
优选地，所述衬底层的方阻为1Ω/□-100000Ω/□。优选采用1000Ω/□-5000Ω/□的掺杂单晶硅。
优选地，所述衬底层的厚度为1μm-10mm。进一步优选150μm-200μm。
优选地，所述导电层采用石墨烯薄膜、碳纳米管薄膜、纳米银线薄膜、碳纤维薄膜、导电树脂薄膜或以上材料中的两种或两种以上的复合材料，优选采用一层石墨烯薄膜。
优选地，所述导电层方块电阻为0.1Ω/□-10000Ω/□，优选为1Ω/□-200Ω/□。
优选地，隔离层分布为离散的点状、不连续的线状或二者的复合。
进一步地，所述隔离层的厚度为100nm-1mm；优选的，相邻的两个点或线的平均间距为1μm-100μm。
进一步优选地，所述离散点为粒径为3±0.5μm的二氧化硅球或者圆柱高度为1±0.1μm、直径为1±0.1μm的UV固化树脂。
优选地，所述感应层衬底具有弹性。可以为硅胶、橡胶、塑料或这三种材料中的 两种或两种以上的复合。
优选地，所述压力传感器设有一个或多个感应区，每个感应区均由感应层、衬底层和隔离层的周围粘结封装而成。每个感应区的衬底层均引出至少一对正负电极。
本实用新型提供的高灵敏的压力传感器在特定形貌的硅基表面贴合柔性的导电层，通过柔性导电层承受压力带来的形变，改变传感器导电性能，从而可以检测到微小力的变化，实现了压力感应和测量。
本实用新型提供的压力传感器通过结构的改进，弥补环境变化导致材料性能变化造成的灵敏度降低等问题，感应稳定性得到了加强。具体体现为以下几点：
1、本实用新型的压力传感器的衬底层采用了有特定表面结构的单晶硅衬底，其表面结构是可以很方便的做到极其细小的结构，有效的提升了传感器的灵敏度。
2、本实用新型技术方案，可以通过控制衬底层掺杂程度、金字塔结构大小、隔离层大小形状和高度、感应层导电性能等调节传感器灵敏度和量程，得到不同型号和功能程度不一的高灵敏压务传感器。
3、相比于全柔性的结构，本实用新型的衬底层是硅片，不能进行弯曲，从而保证了传感器的稳定性，并进一步保证了传感器的精度。
附图说明
图1为本实用新型压力传感器的结构示意图；
图2为本实用新型压力传感器未受压力时的状态示意图，此时感应层和衬底层中间有小面积的接触；
图3为本实用新型压力传感器受压力时的状态示意图，此时感应层和衬底层中间接触面积增加；
其中，1-感应层，11-感应层衬底，12-导电层，2-衬底层，20-衬底层金字塔形貌的表面，3-隔离层。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的优选实施例进行说明，应当理解，此处所描述的优选 实施例仅用于说明和解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。
实施例1：
一种高灵敏压力传感器，如图1、2、3所示，包括感应层1、衬底层2、隔离层3；所述感应层1由感应层衬底11和铺设于感应层衬底表面的导电层12；所述隔离层3位于导电层12与衬底层2中间，与导电层12、衬底层2贴合在一起，并将所述导电层12与所述衬底层2之间的接触呈间断性的隔离；所述衬底层2与隔离层3接触的一面20设置成金字塔结构的形貌；所述衬底层2具有导电性，由其引出电极，用于检测电阻的变化。所述衬底层采用单晶硅或掺杂的单晶硅。所述金字塔结构的底边边长为1μm。所述衬底层的方阻为5000Ω/□。所述衬底层的厚度为150μm。所述导电层采用一层石墨烯薄膜。所述导电层方块电阻为200Ω/□。隔离层分布为离散的点状、不连续的线状或二者的复合。隔离层的厚度为100nm；优选的，相邻的两个点或线的平均间距为1100μm。所述感应层衬底具有弹性，为硅胶。
实施例2：
一种高灵敏压力传感器，如图1、2、3所示，包括感应层1、衬底层2、隔离层3；所述感应层1由感应层衬底11和铺设于感应层衬底表面的导电层12；所述隔离层3位于导电层12与衬底层2中间，与导电层12、衬底层2贴合在一起，并将所述导电层12与所述衬底层2之间的接触呈间断性的隔离；所述衬底层2与隔离层3接触的一面20设置成金字塔结构的形貌；所述衬底层2具有导电性，由其引出电极，用于检测电阻的变化。所述衬底层采用单晶硅或掺杂的单晶硅。所述金字塔结构的底边边长为3μm。所述衬底层的方阻为1000Ω/□。所述衬底层的厚度为200μm。所述导电层采用碳纳米管薄膜。所述导电层方块电阻为1Ω/□。隔离层分布为离散的点状、不连续的线状或二者的复合。所述隔离层的厚度为1mm，相邻的两个点或线的平均间距为1μm。所述感应层衬底具有弹性，采用弹性硅橡胶。
实施例3：
一种高灵敏压力传感器，如图1、2、3所示，包括感应层1、衬底层2、隔离层3；所述感应层1由感应层衬底11和铺设于感应层衬底表面的导电层12；所述隔离层3位于导电层12与衬底层2中间，与导电层12、衬底层2贴合在一起，并将所述导电层12与所述衬底层2之间的接触呈间断性的隔离；所述衬底层2与隔离层3接触的一面20 设置成金字塔结构的形貌；所述衬底层2具有导电性，由其引出电极，用于检测电阻的变化。所述衬底层采用单晶硅或掺杂的单晶硅。所述金字塔结构的底边边长为0.1μm。所述衬底层的方阻为100000Ω/□。所述衬底层的厚度为1μm。所述导电层采用纳米银线薄膜。所述导电层方块电阻为10000Ω/□。隔离层分布为离散的点状、不连续的线状或二者的复合。所述隔离层的厚度为300μm的离散的点或线组成，相邻的两个点或线的平均间距为20μm。所述感应层衬底具有弹性，采用弹性塑料。
实施例4：
一种高灵敏压力传感器，如图1、2、3所示，包括感应层1、衬底层2、隔离层3；所述感应层1由感应层衬底11和铺设于感应层衬底表面的导电层12；所述隔离层3位于导电层12与衬底层2中间，与导电层12、衬底层2贴合在一起，并将所述导电层12与所述衬底层2之间的接触呈间断性的隔离；所述衬底层2与隔离层3接触的一面20设置成金字塔结构的形貌；所述衬底层2具有导电性，由其引出电极，用于检测电阻的变化。所述衬底层采用单晶硅或掺杂的单晶硅。所述金字塔结构的底边边长为10μm。所述衬底层的方阻为1Ω/□。所述衬底层的厚度为10mm。所述导电层采用碳纤维薄膜和导电树脂薄膜或以上材料的复合材料。所述导电层方块电阻为0.1Ω。隔离层分布为离散的点状、不连续的线状或二者的复合。所述隔离层的厚度为1μm的离散的点或线组成，相邻的两个点或线的平均间距为10μm。所述感应层衬底具有弹性，采用硅胶和橡胶的复合材料。
实施例5：
一种高灵敏压力传感器，所述压力传感器设有200个感应区，每个感应区均由上述实施例所述的结构粘结封装而成，即由感应层、衬底层和隔离层的周围粘结封装而成。每个感应区的衬底层均引出至少一对正负电极。
以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，尽管参照前述实施例对本实用新型进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
Claims (12)
1.一种高灵敏压力传感器，其特征在于：包括感应层、衬底层、隔离层；所述感应层包括感应层衬底和铺设于感应层衬底表面的导电层；所述隔离层位于导电层与衬底层中间，与导电层、衬底层贴合在一起，并将所述导电层与所述衬底层之间的接触呈间断性的隔离；所述衬底层与隔离层接触的一面设置成凹凸不平的粗槽表面；所述衬底层具有导电性，由其引出电极，用于检测电阻的变化。
2.根据权利要求1所述的高灵敏压力传感器，其特征在于：所述衬底层与隔离层接触的一面设置成阵列排布的突起。
3.根据权利要求2所述的高灵敏压力传感器，其特征在于：所述突起采用金字塔结构的形貌。
4.根据权利要求3所述的高灵敏压力传感器，其特征在于：所述金字塔结构的底边边长为0.1μm-10μm。
5.根据权利要求1所述的高灵敏压力传感器，其特征在于：所述衬底层采用单晶硅或掺杂的单晶硅。
6.根据权利要求1所述的高灵敏压力传感器，其特征在于：所述衬底层的方阻为1Ω/□-100000Ω/□。
7.根据权利要求1所述的高灵敏压力传感器，其特征在于：所述衬底层的厚度为1μm-10mm。
8.根据权利要求1所述的高灵敏压力传感器，其特征在于：所述导电层采用石墨烯薄膜、碳纳米管薄膜、纳米银线薄膜、碳纤维薄膜、导电树脂薄膜或以上材料中的两种或两种以上的复合材料。
9.根据权利要求1所述的高灵敏压力传感器，其特征在于：所述导电层方块电阻为0.1Ω/□-10000Ω/□。
10.根据权利要求1所述的高灵敏压力传感器，其特征在于：隔离层分布为离散的点状、不连续的线状或二者的复合。
11.根据权利要求1所述的高灵敏压力传感器，其特征在于：所述感应层衬底具有弹性。
12.根据权利要求1所述的高灵敏压力传感器，其特征在于：所述压力传感器设有一个或多个感应区，每个感应区均由感应层、衬底层和隔离层的周围粘结封装而成。
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