CN211602241U

CN211602241U - 传感元件及传感器

Info

Publication number: CN211602241U
Application number: CN201922120881.1U
Authority: CN
Inventors: 龚林辉; 崔强伟; 唐粹伟; 刘超; 孙海威
Original assignee: BOE Technology Group Co Ltd; Beijing BOE Optoelectronics Technology Co Ltd
Current assignee: BOE Technology Group Co Ltd; Beijing BOE Optoelectronics Technology Co Ltd
Priority date: 2019-11-29
Filing date: 2019-11-29
Publication date: 2020-09-29
Anticipated expiration: 2029-11-29

Abstract

本申请公开了一种传感元件及传感器，传感元件，包括梯度多孔材料主体，所述梯度多孔材料主体厚度方向的两端分别设置有电极，所述梯度多孔材料主体的孔隙壁面上设置于热电材料层，所述热电材料层与两所述电极电连接。上述方案，采用梯度多孔材料主体，在其受压时，其电阻率会发生变化，通过该特性可以实现压力的检查，此外，通过设置热电材料层，在温度变化时，会产生相应的电流，该电流一方面可以对该传感元件自身进行供电，另一方面还可以根据电流的大小来确定温度，已实现温度的检查。总的来说，该方案的传感元件至少能够进行压力和温度的检测，有利于提高集成化，且其能够自供电，因此可以提高使用其的传感系统的续航时间。

Description

传感元件及传感器

技术领域

本实用新型一般涉及传感器技术领域，具体涉及一种传感元件及传感器。

背景技术

人体感知系统是一个复杂的网络，通过各种感觉受体将环境刺激转换为电脉冲，并通过神经通路传递这些信号到大脑，从而实现触觉，如热、冷和冲击等感知。通过智能传感技术已经成功开发出可以通过检测和量化周围环境中的各种刺激来模拟人体感觉的电子皮肤。由于感知系统的复杂化，需要设置不同的感知传感器来测量不同的物理量信号，这样会导致电路复杂，功耗大，不能满足可穿戴技术对高集成度及长续航方面的要求的问题。

实用新型内容

鉴于现有技术中的上述缺陷或不足，期望提供一种传感元件及传感器，有利于传感系统高集成度及续航时长。

本实用新型提供一种传感元件，包括梯度多孔材料主体，所述梯度多孔材料主体厚度方向的两端分别设置有电极，所述梯度多孔材料主体的孔隙壁面上设置于热电材料层，所述热电材料层与两所述电极电连接。

进一步地，所述梯度多孔材料主体为梯度多孔石墨烯主体。

进一步地，所述热电材料层为聚3，4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐材料层、碲化铋材料层、碲化铅材料层、碲化银材料层和氧化钴材料层中的至少一种。

进一步地，所述梯度多孔材料主体为立方体结构或长方体结构。

第二方面、本实用新型提供一种传感器，包括基板，所述基板上固定排布有多个上述的传感元件，各所述传感元件的厚度方向与所述基板的厚度方向一致。

进一步地，所述基板上设置有多个安装槽，所述传感元件一一对应的安装于所述安装槽内，各所述传感元件的其中一端均露出于其所安装的所述安装槽。

进一步地，所述基板上形成有覆盖所述传感元件的封装层。

进一步地，所述基板上形成有第一布线和第二布线，所述第一布线包括多条相互独立的第一导线，所述第二布线包括多条相互独立的第二导线，各所述传感元件两端的电极与所述第一导线和第二导线一一对应电连接。

进一步地，所述第一布线和第二布线形成于所述基板的同一面或分置于所述基板相背的两面。

进一步地，所述安装槽的深度为所述基板厚度的0.4-08倍。

本申请提供的上述方案，采用梯度多孔材料主体，在其受压时，其电阻率会发生变化，通过该特性可以实现压力的检查，此外，通过设置热电材料层，在温度变化时，会产生相应的电流，该电流一方面可以对该传感元件自身进行供电，另一方面还可以根据电流的大小来确定温度，已实现温度的检查。总的来说，该方案的传感元件至少能够进行压力和温度的检测，有利于提高集成化，且其能够自供电，因此可以提高使用其的传感系统的续航时间。

附图说明

通过阅读参照以下附图所作的对非限制性实施例所作的详细描述，本申请的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本实用新型实施例提供的传感元件的主视图；

图2为本实用新型另一实施例提供的传感元件的主视图；

图3为本实用新型实施例提供的传感器的俯视图；

图4为图2的A-A剖面图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本申请作进一步的详细说明。可以理解的是，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释相关实用新型，而非对该实用新型的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与实用新型相关的部分。

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本申请。

梯度多孔材料是一种新型的功能性材料，其内部具有贯通的孔隙结构，具有良好的传导性，并且密度小、相对质量轻、比表面积大，力学性能高等优点。梯度多孔材料在其厚度方向上，孔隙率存在梯度的变化，这种梯度的变化可以简单的理解为在其厚度方向的一端至另一端孔隙率逐渐增大或逐渐减小。梯度多孔材料既能保证力学强度的同时提高了材料的压缩应变能力。

本文所指的厚度方向W，是以图1为参考，视图的上下方向为厚度方向。

如图1所示，本实用新型实施例提供的一种传感元件，包括梯度多孔材料主体1，梯度多孔材料主体1厚度方向的两端分别设置有电极2，梯度多孔材料主体1的孔隙壁面上设置于热电材料层，热电材料层与两电极2电连接。

这里不对梯度多孔材料主体1的具体结构进行限定，其只要具有一定的厚度即可，具有一定厚度是梯度多孔材料自身的特点，只有具有一定的厚度，在对其进行压缩，根据压力的大小不同，孔隙率大一端开始变形，随着压力的增大，直至孔隙率小的一端也开始变形。由于厚度方向孔隙率的不同，孔隙率大的地方阻碍变形的能力低于孔隙率小的地方阻碍变形的能力，这种阻碍变形的能力的变化，可以弥补该传感元件采集信号的非线性化。

热电材料层是采用热电材料形成在梯度多孔材料主体1的孔隙壁面上的一层功能层，该热电材料层可以感知温度的变化来产生一定的电流。

本申请提供的上述方案，采用梯度多孔材料主体1，在其受压时，其电阻率会发生变化，通过该特性可以实现压力的检查，此外，通过设置热电材料层，在温度变化时，会产生相应的电流，该电流一方面可以对该传感元件自身进行供电，另一方面还可以根据电流的大小来确定温度，已实现温度的检查。总的来说，该方案的传感元件至少能够进行压力和温度的检测，有利于提高集成化，且其能够自供电，因此可以提高使用其的传感系统的续航时间。

其中，图1中的梯度多孔材料主体1可以采用化学制备的方式来形成，下文中介绍了一种化学制备的方式，通过化学制备的方式所得到的梯度多孔材料主体1的孔隙是不均的，但是其总体来说，在厚度方向上，其孔隙率由一侧向另一侧逐渐变大或变小。

当然，如图2所示，还可以采用3D打印的方式制备梯度多孔材料主体1，采用3D打印的方式制备梯度多孔材料主体1的孔隙是均匀的，这里所说的均匀是每一梯度层的孔的大小相同，图2中仅示例性的展示了六边形的孔，还可以根据具体需要制备成其他结构的孔。

进一步地，梯度多孔材料主体1为梯度多孔石墨烯主体。

梯度多孔石墨烯是一种弹性材料，其具有高度灵敏的优点，梯度多孔材料主体1采用梯度多孔石墨烯作为材料制备的梯度多孔石墨烯主体，可以实现细微的感知变化，提高了传感元件的精度及灵敏度。

进一步地，热电材料层为聚3，4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐 (PEDOT：PSS)材料层、碲化铋(Bi₂Te₃)材料层、碲化铅(PbTe) 材料层、碲化银(Ag₂Te)材料层和氧化钴(CoO)材料层中的至少一种。

当然，热电材料层除了采用上述几种之外，还可以采用其他材料的层状结构，只要其能将热能和电能相互转换即可。

进一步地，梯度多孔材料主体1为立方体结构或长方体结构。

梯度多孔材料主体1采用立方体结构或长方体结构，可以降低加工的成本及工艺难度，其只需对大块的梯度多孔材料进行裁切即可。

第二方面、如图3、图4所示，本实用新型提供一种传感器，包括基板3，基板3上固定排布有多个上述的传感元件4，各传感元件4 的厚度方向与基板3的厚度方向一致。

这里的基板3可以是柔性基板也可以是刚性基板，具体根据使用环境来选定。

传感器采用了上述的传感元件4，而上述的传感元件4采用梯度多孔材料主体1，在其受压时，其电阻率会发生变化，通过该特性可以实现压力的检查，此外，通过设置热电材料层，在温度变化时，会产生相应的电流，该电流一方面可以对该传感元件4自身进行供电，另一方面还可以根据电流的大小来确定温度，已实现温度的检查。总的来说，该方案的传感元件4至少能够进行压力和温度的检测，有利于提高集成化，且其能够自供电，因此可以提高使用其的传感系统的续航时间。

作为其中一个应用场景，该传感器可用于可穿戴产品。例如智能背心，在使用者穿戴该背心后，由于该传感器具有高灵敏度的传感性能，可以感受到比较微小的压力，比如脉搏，则使得该智能背心可以具备心率监控的功能。另外，热电材料层的导热能力非常强时，在外界温度发生变化时，其能够很快的进行感知，形成热能和电能的转换，导出电信号，与该电信号相连的控制装置，可以根据该电信号确定人体的体温变化。此外，通过对该传感器持续的通电，该传感器可以快速升温，使得该智能背心对人体进行保温传热，发出有利于人体身体健康的红外线进行健康疗养。

进一步地，为了提高传感元件4在基板3上安装的可靠性，防止传感元件4意外脱落，提高传感该传感器的使用寿命及传感元件4的应变范围，在基板3上设置有多个安装槽，传感元件4一一对应的安装于安装槽内，各传感元件4的其中一端均露出于其所安装的安装槽。也即，每一个安装槽内安装一个传感元件4，传感元件4的一端露出安装槽，以便其可以被外界被测对象抵压到，通过该抵压来进行压力的检查。

进一步地，基板3上形成有覆盖传感元件4的封装层，封装层用于对传感元件4进行保护。作为其中的一种可实现方式，可以在基板 3上涂覆聚二甲基硅氧烷(PDMS)来形成封装层。

进一步地，基板3上形成有第一布线和第二布线，第一布线包括多条相互独立的第一导线，第二布线包括多条相互独立的第二导线，各传感元件4两端的电极与第一导线和第二导线一一对应电连接。每一个传感元件4均具有两个电极，每个电极上连接一条导线，即其中一个电极连接第一导线，另外一个电极连接第二导线，通过第一导线即第二导线将传感元件4与外部的电路相连接，以实现对应的功能。例如，各传感元件4通过第一导线和第二导线即对应的开关元件连接主控单元，主控单元根据传感元件4输出的电流信号计算压力即温度值等。其中，开关元件可以集成为一体形成一个选通模块5(Column Selection)，该选通模块包括多个开关元件，开关元件例如是三极管、 MOS管等。主控单元可以制作于柔性电路板6(FPC)上，以适应可穿戴产品的需要。

进一步地，第一布线和第二布线形成于基板3的同一面或分置于基板3相背的两面。

例如按不限于，第一布线和第二布线可以通过一次图案化工艺将其形成于基板3的同一面，也可以通过两次图案化工艺将其分别形成于基板3相背的两面。

进一步地，安装槽的深度为基板3厚度的0.4-08倍。

以下以制备方法对该传感器做进一步介绍，下述方法仅是进行实例性描述，并非是对该传感器的制作方法的唯一性限定。

步骤一：制备梯度多孔聚氨酯泡沫塑料——采用模塑成型或嵌入成型的，将聚醚多元醇与化学助剂进行混合，产生泡沫，并将泡沫注入密闭的模腔中进行加热固化。由于模腔存在温度梯度，通过改变模腔体积填充系数、质量填充系数和芯体尺寸，可制备不同梯度密度的梯度多孔聚氨酯泡沫塑料。

步骤二：制备梯度结构的泡沫镍——使用步骤一制备的梯度多孔聚氨酯泡沫塑料为骨架，制备梯度泡沫镍。首先采用涂层电浆法、化学镀法和等离子溅射法等工艺，对梯度多孔聚氨酯泡沫塑料进行导电化处理，使梯度多孔聚氨酯泡沫塑料具有导电性，再进行电沉积和热处理。

其制备流程可分为：梯度多孔聚氨酯泡沫塑料→粗化→敏化→活化→化学镀镍→电铸镍→热解→热处理。

步骤三：制备梯度多孔石墨烯——a)：将泡沫镍置于石英真空高温管式烧结炉的中央，在氩气和氢气流的保护下从室温开始，升温至 900～1000℃。保温一段时间后，向石英管式炉中通入一段时间的甲烷气体，再快速冷却至室温，此时得到被石墨烯包覆的泡沫镍。b)：将得到的被石墨烯包裹的泡沫镍切割成比表面积为0.1～1cm³立方体的小块；c)：将PMMA(Polymethyl Methacrylate；聚甲基丙烯酸甲酯) 溶于乳酸乙酯溶液中得到PMMA混合溶液，之后滴加到石墨烯包覆的泡沫镍上，高温固化得到表面包覆PMMA的石墨烯包裹的泡沫镍。d)：将步骤c)得到的部件置于稀盐酸溶液中使泡沫镍被盐酸完全刻蚀掉，得到去除了金属镍的PMMA包覆的三维梯度多孔石墨烯；e)：将步骤d)得到的部件浸于丙酮溶液中，得到去除了PMMA的梯度多孔石墨烯，再用蒸馏水将梯度多孔石墨烯中的丙酮清洗干净，得到纯净的梯度多孔石墨烯；f)：将纯净的梯度多孔石墨烯放入真空冷冻干燥机中，进行冷冻干燥处理，防止其坍塌。g)：将冷冻干燥处理后的梯度多孔石墨烯置于真空管式烧结炉中，450℃的条件下保温1小时，得到力学和导电性能比较完好的梯度多孔石墨烯。

步骤四：在梯度多孔石墨烯的孔隙壁面形成热电材料层——在梯度多孔石墨烯表面先沉积一层MoO₃薄膜，改善亲水性。然后将梯度多孔石墨烯浸入PEDOT：PSS溶液一段时间，同时进行超声处理，使 PEDOT：PSS溶液充分进入到梯度多孔石墨烯的孔隙，之后置于真空管式烧结炉中进行干燥处理，得到梯度多孔石墨烯/PEDOT：PSS复合传感元件4。

步骤六：基板3制备——可以通过刻蚀、激光切割等方式形成安装槽，一般在刚性基板3上层可以利用激光切割的方法雕刻安装槽。在雕刻好安装槽的基板3的其中一面蒸镀或者喷涂第一布线和第二布线，且要求每个传感元件4的电路独立，即第一布线包括多条相互独立的第一导线，第二布线包括多条相互独立的第二导线，所构成的电路用以连接每个传感器单元的两端的电极，并通过开关元件控制传感元件4的选通。

步骤七：在传感元件4的两端进行蒸镀或者喷涂电极，并使用少许银胶和对应的第一导线及第二导线相连。最后使用聚二甲基硅氧烷 (PDMS)涂覆在基板3表面并覆盖传感元件4以完成封装。

除此之外，还可以通过3D打印的方式来形成梯度多孔石墨烯， 3D打印技术是现在成熟的技术，这里不对其进行赘述。

需要理解的是，上文如有涉及术语“中心”、“纵向”、“横向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”、“厚度”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本实用新型和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本实用新型的限制。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”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本实用新型的描述中，除非另有说明，“多个”的含义是两个或两个以上。

以上描述仅为本申请的较佳实施例以及对所运用技术原理的说明。本领域技术人员应当理解，本申请中所涉及的实用新型范围，并不限于上述技术特征的特定组合而成的技术方案，同时也应涵盖在不脱离所述发明构思的情况下，由上述技术特征或其等同特征进行任意组合而形成的其它技术方案。例如上述特征与本申请中公开的(但不限于)具有类似功能的技术特征进行互相替换而形成的技术方案。

Claims

1.一种传感元件，其特征在于，包括梯度多孔材料主体，所述梯度多孔材料主体厚度方向的两端分别设置有电极，所述梯度多孔材料主体的孔隙壁面上设置于热电材料层，所述热电材料层与两所述电极电连接。

2.根据权利要求1所述的传感元件，其特征在于，所述梯度多孔材料主体为梯度多孔石墨烯主体。

3.根据权利要求1或2所述的传感元件，其特征在于，所述热电材料层为聚3，4-乙烯二氧噻吩：聚苯乙烯磺酸盐材料层、碲化铋材料层、碲化铅材料层、碲化银材料层和氧化钴材料层中的至少一种。

4.根据权利要求1或2所述的传感元件，其特征在于，所述梯度多孔材料主体为立方体结构或长方体结构。

5.一种传感器，其特征在于，包括基板，所述基板上固定排布有多个如权利要求1-4任一项所述的传感元件，各所述传感元件的厚度方向与所述基板的厚度方向一致。

6.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述基板上设置有多个安装槽，所述传感元件一一对应的安装于所述安装槽内，各所述传感元件的其中一端均露出于其所安装的所述安装槽。

7.根据权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述基板上形成有覆盖所述传感元件的封装层。

8.根据权利要求5所述的传感器，其特征在于，所述基板上形成有第一布线和第二布线，所述第一布线包括多条相互独立的第一导线，所述第二布线包括多条相互独立的第二导线，各所述传感元件两端的电极与所述第一导线和第二导线一一对应电连接。

9.根据权利要求8所述的传感器，其特征在于，所述第一布线和第二布线形成于所述基板的同一面或分置于所述基板相背的两面。

10.根据权利要求6-7任一项所述的传感器，其特征在于，所述安装槽的深度为所述基板厚度的0.4-0.8倍。