CN209764303U - 一种压敏薄膜及微压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种压敏薄膜及微压力传感器，包括压敏薄膜层、弹性绝缘层和微观结构层，压敏薄膜层连接于弹性绝缘层的上下表面，且压敏薄膜层与弹性绝缘层之间形成空腔，微观结构层位于空腔内，且微观结构层位于弹性绝缘层的表面，当传感器受到外界的作用力后，作用力使上压敏薄膜层和下压敏薄膜层产生形变，并作用于微观结构层，微观结构层在力的作用下会有较大的压缩幅度并渗入到弹性绝缘层的缝隙中，相比较现有的高分子材料电介质，微观结构层被压缩后对压敏薄膜层的反作用力几乎为零，因此只需要微小的力就可以使压敏薄膜层产生形变，在保证了高电容量的前提下，提高了传感器的灵敏度，可应用在人体运动检测、健康监测等领域。

Description

一种压敏薄膜及微压力传感器

技术领域

本实用新型属于传感器技术领域，尤其涉及一种压敏薄膜及微压力传感器。

背景技术

微压力传感器是近年来诞生的一种性能优良的新型压力传感器，具有质量轻、柔性好、体积小等优点。

申请号为CN201820058825.2的专利发明了一种柔性薄膜压力传感器，它的原理是包含上下两个间隔开的电阻碳膜，传感器受压时，第一电阻碳膜和第二电阻碳膜相互接触，改变导线的输出电阻，其灵敏性主要取决于电阻碳膜的电阻率。这种薄膜压力传感器的压力检测范围较宽，但是其灵敏性较差，并不能检测到微弱的压力信号，无法应用在人体运动检测、健康监测等可穿戴设备领域。

发明内容

本实用新型提供一种压敏薄膜及微压力传感器，具有灵敏性高的特点。

本实用新型一方面提供一种微压力传感器，包括压敏薄膜层、弹性绝缘层和微观结构层，所述压敏薄膜层连接于所述弹性绝缘层的上下表面，且所述压敏薄膜层与所述弹性绝缘层之间形成空腔，所述微观结构层位于所述空腔内，且所述微观结构层位于所述弹性绝缘层的表面。

所述的一种微压力传感器，优选的，所述微观结构层的厚度为10nm-10μm。

所述的一种微压力传感器，优选的，所述微观结构层复合在所述弹性绝缘层表面的中间区域，所述压敏薄膜层与所述弹性绝缘层的外围相连。

所述的一种微压力传感器，优选的，所述微观结构层边缘与所述空腔边缘相对齐。

所述的一种微压力传感器，优选的，所述微观结构层顶端面抵触于所述空腔的底面。

本实用新型另一方面提供一种压敏薄膜，包括弹性基体层、电极层和压力感应层；所述电极层复合在所述弹性基体层的表面，所述压力感应层复合在所述电极层上。

所述的一种压敏薄膜，优选的，所述电极层为银纳米线、铜纳米线和金纳米线中的一种或多种形成的导电网格。

所述的一种压敏薄膜，优选的，所述电极层厚度为100nm-500nm。

所述的一种压敏薄膜，优选的，所述电极层嵌入于所述弹性基体层表面。

所述的一种压敏薄膜，优选的，所述电极层设有引向外部的接引电极。

基于上述本实用新型提供一种压敏薄膜及微压力传感器，当传感器受到外界的作用力后，作用力使上压敏薄膜层和下压敏薄膜层产生形变，并作用于微观结构层，微观结构层在力的作用下会有较大的压缩幅度并渗入到弹性绝缘层的缝隙中，相比较现有的高分子材料电介质，微观结构层被压缩后对压敏薄膜层的反作用力几乎为零，因此只需要微小的力就可以使压敏薄膜层产生形变，在保证了高电容量的前提下，提高了传感器的灵敏度，可应用在人体运动检测、健康监测等可穿戴设备领域。

附图说明

通过参考附图阅读下文的详细描述，本发明示例性实施方式的上述以及其他目的、特征和优点将变得易于理解。在附图中，以示例性而非限制性的方式示出了本发明的若干实施方式，其中：

图1为本实用新型实施例中压敏薄膜的结构剖视图；

图2为本实用新型实施例中压敏薄膜的俯视图；

图3为本实用新型实施例中微压力传感器的结构剖视图；

图4本实用新型实施例中弹性绝缘层的结构剖视图；

图5为本实用新型实施例中传感器的俯视图。

图中：1、压敏薄膜层；11、弹性基体层；12、电极层；13、压力感应层；131、接引电极；2、空腔；3、微观结构层；4、弹性绝缘层。

具体实施方式

为使本实用新型的目的、特征、优点能够更加的明显和易懂，下面将结合本实用新型实施例中的附图，对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而非全部实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

图1为实用新型实施例中压敏薄膜的结构剖视图；图2为本实用新型实施例中压敏薄膜的俯视图。

如图1和图2所示，本实用新型一方面提供一种压敏薄膜，包括弹性基体层11、电极层12和压力感应层13；电极层12复合在弹性基体层11的表面，压力感应层13复合在电极层12上。

在本实用新型实施例中的压敏薄膜，弹性基体层11富有弹性，在外力作用下易发生形变。电极层12复合在弹性基体层11的表面，用于传输电荷。压力感应层13复合在电极层12表面，用于储存电荷，压力感应层13的材料优选为石墨烯和氧化石墨烯的其中一种。通过弹性基体层11、电极层12和压力感应层13以复合的方式紧密连接，一方面提高压敏薄膜的牢固度，另一方面当弹性基体层11产生形变时，压力感应层13能同时发生形变，提高灵敏度。

进一步地，弹性基体层11的材料优选为聚氨酯材料，该材料具有自愈合的功能。当弹性基体层11的表面被划伤或破坏时，只要不是完全被破坏，便可以在自愈能力下实现自我修复，延长传感器的使用寿命。

进一步地，压力感应层13的厚度设为50nm-100μm，使其形变过程中不易出现断裂的现象，提高牢固度。

本实用新型实施例中，电极层12为银纳米线、铜纳米线和金纳米线中的一种或多种形成的导电网格。

在本实用新型实施例中的压敏薄膜，电极层12为银纳米线、铜纳米线和金纳米线中的一种或多种形成的导电网格。纳米线有着优良的导电性，而且通过将电极层12设置成导电网格，提高柔韧度，使电极层12在形变过程中不易出现断裂的现象。

本实用新型实施例中，电极层12厚度为100nm-500nm。

在本实用新型实施例中的压敏薄膜，通过将电极层12的厚度设置为100nm-500nm，既使电极层12有良好的导电性又使电极层12在形变过程中不易出现断裂的现象。

本实用新型实施例中，电极层12嵌入于弹性基体层11表面。

在本实用新型实施例中的压敏薄膜，将电极层12嵌入于弹性基体层11表面，采用嵌入式的优点是既可以保持导电网格优良的导电性，还能使电极层12不易从弹性基体层11脱落，提升牢固度，同时还可以降低电极层12的表面粗糙度，有利于压力感应层13复合于电极层12。

本实用新型实施例中，电极层12设有引向外部的接引电极131。

本实用新型实施例中的压敏薄膜，电极层12沿其水平方向一体向外部延伸出接引电极131，通过接引电极131，可将电荷传送至电连接于接引电极131的电子元件。

压敏薄膜的制作过程：

步骤1：在玻璃或者硅片上刻蚀出制备石墨烯压敏薄膜所需要的模板；

步骤2：在模板上沉积纳米线并形成导电网格；

步骤3：把聚氨酯基体与导电网格复合制备出弹性衬底层；

步骤4：把步骤3中制备的弹性衬底层从模板上剥离，然后与石墨烯复合形成石墨烯压敏薄膜层。

图3为本实用新型实施例中微压力传感器的结构剖视图。

基于上述提供的一种压敏薄膜，本实用新型另一方面提供一种微压力传感器，结合图1和图3所示，微压力传感器包括压敏薄膜层1、弹性绝缘层4和微观结构层3，压敏薄膜层1连接于弹性绝缘层4的上下表面，且压敏薄膜层1与弹性绝缘层4之间形成空腔2，微观结构层3位于空腔2内，且微观结构层3复合在弹性绝缘层4的表面。

在本实用新型实施例中的微压力传感器，压敏薄膜层1数量为两层，位于弹性绝缘层4的上下表面，且两层压敏薄膜层1相对于弹性绝缘层4呈镜像关系。压敏薄膜层1连接于弹性绝缘层4，且压敏薄膜层1朝向弹性绝缘层4的面上设有凹槽，从而与弹性绝缘层4之间形成空腔2。微观结构层3位于空腔2内，且微观结构层3复合在弹性绝缘层4的表面。

进一步地，微观结构层3的材料优选为PDMS(聚二甲基硅氧烷)，聚二甲基硅氧烷是有机硅的一种，因其成本低，使用简单，同硅片之间具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性等特点。

使用时，当压敏薄膜层1受到外界挤压后，使压敏薄膜层1朝弹性绝缘层4方向发生凹陷，从而带动电极层12和压力感应层13挤压于微观结构层3，由于微观结构层3的特性，微观结构层3在作用力下发生大幅度的收缩形变并渗入到弹性绝缘层4的裂缝中，对压敏薄膜的阻力几乎为零，因此只需要微小的力就可以使压敏薄膜层1发生形变，从而在保证传感器有高电容量的前提下又提高了传感器的灵敏度，可应用在人体运动检测、健康监测等可穿戴设备领域。

本实用新型实施例中，上微观结构层3和下微观结构层3的厚度为10nm-10μm。

在本实用新型实施例中的微压力传感器，通过将上微观结构层3和下微观结构层3的厚度设为10nm-10μm，既保证了传感器的高电容量又使得微压力传感器变得轻巧。

图4为本实用新型实施例中中间支撑层的结构剖视图。

如图3和图4所示，本实用新型实施例中，微观结构层3复合在弹性绝缘层4表面的中间区域，压敏薄膜层1与弹性绝缘层4的外围相连。

在本实用新型实施例中的微压力传感器，微观结构层3通过复合的方式连接于弹性绝缘层4表面的中间区域，使得微观结构层3不易从弹性绝缘层4上脱落，提高了微观结构层3的稳定性和牢固度。压敏薄膜层1与弹性绝缘层4的外围相连，并且将压敏薄膜层1的外沿与连接体的外沿相对齐，从而将微观结构层3限制于空腔2内。

进一步地，弹性基体层11和弹性绝缘层4的材料均优选为聚氨酯材料，该材料具有自愈合的功能。压敏薄膜层1与弹性绝缘层4的外围连接时，将弹性基体层11和压敏薄膜层1相互贴合，利用材料的自愈性能，弹性基体层11和弹性绝缘层4会自动连为一体，实现自动封装，避免的粘结剂的使用。

本实用新型实施例中，微观结构层3边缘与空腔2边缘相对齐。

在本实用新型实施例中的微压力传感器，微观结构层3边缘与空腔2边缘相对齐，进一步使得微观结构层3在未受到作用力下时不易沿空腔2表面位移，提高了传感器的稳定性。

图5为本实用新型实施例中传感器的俯视图。

微压力传感器的制作过程：

步骤A：在玻璃上制备出聚氨酯支撑层，固化后剥离下来备用；

步骤B：在具有微/纳结构的硅片模板上制备PDMS微观结构层3；

步骤C：将聚氨酯支撑层和PDMS微观结构层3复合得到带有微观结构的弹性绝缘层4；

步骤D：将两片石墨烯压敏薄膜层1和带有微观结构的弹性绝缘层4组装在一起，室温下静置一定的时间，利用聚氨酯材料的自愈性能完成自动封装，成型的传感器如图5所示。

传感器的工作原理是平板式电容器的工作原理，纳米线导电层起到传输电荷的作用，石墨烯压力感应层13的功能是用来储存电荷。当压力感应层13受到外界挤压时，石墨烯压力感应层13之间的距离受到变化，从而引起传感器的电容发生相应的变化。

在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本实用新型的至少一个实施例或示例中。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。此外，在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或隐含地包括至少一个该特征。在本实用新型的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

以上，仅为本实用新型的具体实施方式，但本实用新型的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本实用新型揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本实用新型的保护范围之内。因此，本实用新型的保护范围应以权利要求的保护范围为准。

Claims (10)

1.一种微压力传感器，其特征在于：包括压敏薄膜层(1)、弹性绝缘层(4)和微观结构层(3)，所述压敏薄膜层(1)连接于所述弹性绝缘层(4)的上下表面，且所述压敏薄膜层(1)与所述弹性绝缘层(4)之间形成空腔(2)，所述微观结构层(3)位于所述空腔(2)内，且所述微观结构层(3)位于所述弹性绝缘层(4)的表面。

2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述微观结构层(3)的厚度为10nm-10μm。

3.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述微观结构层(3)复合在所述弹性绝缘层(4)表面的中间区域，所述压敏薄膜层(1)与所述弹性绝缘层(4)的外围相连。

4.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述微观结构层(3)边缘与所述空腔(2)边缘相对齐。

5.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述微观结构层(3)顶端面抵触于所述空腔(2)的底面。

6.一种压敏薄膜，其特征在于：包括弹性基体层(11)、电极层(12)和压力感应层(13)；所述电极层(12)复合在所述弹性基体层(11)的表面，所述压力感应层(13)复合在所述电极层(12)上。

7.根据权利要求6所述的压敏薄膜，其特征在于：所述电极层(12)为银纳米线、铜纳米线和金纳米线中的一种或多种形成的导电网格。

8.根据权利要求6所述的压敏薄膜，其特征在于：所述电极层(12)厚度为100nm-500nm。

9.根据权利要求6所述的压敏薄膜，其特征在于：所述电极层(12)嵌入于所述弹性基体层(11)表面。

10.根据权利要求6所述的压敏薄膜，其特征在于：所述电极层(12)设有引向外部的接引电极(131)。