CN217304218U - 柔性压力传感器 - Google Patents

Abstract

本实用新型公开了一种柔性压力传感器，传感器包括：上层电阻膜层，所述上层电阻膜层为一第一柔性绝缘薄膜层；下层电极膜层，所述下层电极膜层为两组叉状电极，且设置于一第二柔性绝缘薄膜层上；中间间隔层，所述中间间隔层的上表面与所述上层电阻膜层连接，下表面与所述下层电极膜层连接，以使所述柔性压力传感器的整体结构形成三明治式结构。本实用新型是一种厚度薄、压力范围大、线性度好、适合圆管或曲面揉性安装的柔性压力传感器。

Description

柔性压力传感器

技术领域

本实用新型涉及压力传感器技术领域，尤其涉及一种厚度薄、压力范围大、线性度好、适合圆管或曲面揉性安装的柔性压力传感器。

背景技术

压力传感器在家电、工业、汽配、物联网等领域，有着相当广泛的应用。压力传感器的工作原理基本都是将压力的变化，转换为电阻值、电容值或电压值的变化。并通过引线端子传输给控制单元。目前的各类压力传感器中，大概有以下几种技术方案：

技术方案一：压阻式陶瓷压力传感器

该技术方案是在陶瓷壳体的表面设置四个高应变系数(Gauge Factor)的厚膜电阻，这四个厚膜电阻构成惠斯通电桥结构。当在陶瓷壳体的背面施加压力时，陶瓷壳体的压力感应区产生形变，导致惠斯通电桥桥臂电阻中某个电阻的电阻值发生变化，从而导致惠斯通电桥的桥臂电阻的平衡被打破，在惠斯通电桥桥臂的输出端产生电压差，该电压差值跟随压力的变化而变化。

压阻式陶瓷压力传感器的结构和电气原理图如图1、图2所示

技术方案二：压容式陶瓷压力传感器

压容式陶瓷压力传感器是由上部压力感应陶瓷1、下部陶瓷基板2和中间玻璃微珠隔离层3组成，上部感应陶瓷和下部陶瓷分别印刷有上部电极膜11、下部电极膜21。其中上部感应陶瓷基板的厚度一般较薄，用于感应外部施加的压力并产生形变，下部陶瓷基板的厚度一般较厚，与外部壳体安装固定。上部压力感应陶瓷1和下部陶瓷基板2之间设置中间玻璃微珠隔离层3，连接导体4和下部电极焊盘5，当压力施加在上部感应陶瓷基板上时，上部陶瓷受力向下部陶瓷基板方向发生形变，导致电容两极板间的距离变小，按照平行板电容的计算公式C＝ε*s/d可知，电容值随着压力的增加而增加。陶瓷容压力传感器具有抗腐蚀、抗冲击、高弹性的优异特性，可以和绝大多数介质直接接触，同时陶瓷极高的热稳定性使它的工作温度范围可以达到-40℃～150℃。陶瓷电容压力传感器工作过程中没有液体的传递，过程压力直接作用在陶瓷膜片上，基座电极与膜片电极间的电容量变化与压力成比例关系。过载时，膜片触碰到基座上而不会损坏，当压力恢复正常时，其性能不会受到任何影响。因此，陶瓷电容压力传感器是目前行业的主流产品。

压容式陶瓷压力传感器的结构图如图3a、3b、3c所示

技术方案三：MEMS压力传感器。

MEMS压力传感器又分为硅压阻式压力传感器和硅压容式压力传感器，两者的结构原理，对应上述的技术方案一的压阻式陶瓷压力传感器和技术方案二的压容式陶瓷电容压力传感器。都是在硅片芯体上，通过薄膜工艺技术和MEMS微加工工艺，制备高精密半导体电阻应变片组成惠斯顿电桥形成硅压阻式压力传感器，或者在硅片上制备横隔栅状，上下二根横隔栅形成硅压容式压力传感器。该类压力传感器的特点是产品尺寸小、制备工艺先进，测量精度高。

技术方案四：接触磨擦型压力传感器

该技术方案是在陶瓷上印刷烧结滑动导体与电阻，或者在PCB板(电木板)上绕电阻丝，通过压力传动机构，带动电刷触点在陶瓷电阻片的导体轨道(或者绕在电木板上的电阻丝)上动态接触滑动，通过电刷触点与导体轨道或电阻丝的接触及滑动位置变化，来获取电阻值变动，最终转换为电压信号跟随压力的变化而变化。

上述四种压力传感器技术方案，存在以下技术缺陷：

技术方案一、二、三的技术原理基本相同，但均存在一定的技术缺陷，其中，压阻式陶瓷压力传感器在结构上，其压力感应的陶瓷薄片与基座是一体式。该结构会导致当陶瓷壳体的压力感应陶瓷薄片承受过载压力时，容易破裂，导致被测液体或气体泄露；压容式陶瓷压力传感器在结构上，是使用玻璃微珠来作为上、下陶瓷电极板的隔离层，但玻璃微珠的加工精度，玻璃微珠的尺寸精度范围普遍在寸17+/-0.2um，甚至个别精度误差会更大，严重影响产品初始容值的一致性。面且，使用玻璃微珠来作为上、下陶瓷电极板的隔离层的加工工艺复杂，导致该类陶瓷电容压力传感器的成品率低，产品成本居高不下；技术方案三的MEMS压力传感器虽然具有产品尺寸小、制备工艺先进，测量精度高的优点。但缺点也很相当明显，是由于受薄膜工艺技术和MEMS微加工工艺的限制，目前该类压力传感器的压力范围比较小，产品应用范围较窄；技术方案四的接触磨擦型压力传感器的是通过电刷与导体之间接触摩擦，导体或电刷容易由于磨损导致该类传感器的工作寿命不长；

另外，上述四类技术方案中，其基体都是刚性结构的陶瓷壳体、硅晶体或玻纤PCB板，而且，基体的厚度尺寸通常都比较大，不适合管道或曲面等应用领域的安装使用。

针对目前市面的四类技术方案压力传感器存在的技术缺陷和应用限制。本实用新型一种柔性压力传感器，本实用新型具有厚度薄(0.5mm以内)、压力范围大、线性度好、适合圆管或曲面揉性安装。

因此，亟需一种厚度薄、压力范围大、线性度好、适合圆管或曲面揉性安装的柔性压力传感器。

实用新型内容

本实用新型的目的是提供一种厚度薄、压力范围大、线性度好、适合圆管或曲面揉性安装的柔性压力传感器及其制作方法。

为了实现上述目的：第一方面，本实用新型提供的技术方案为：提供一种柔性压力传感器，包括：

上层电阻膜层，所述上层电阻膜层为一第一柔性绝缘薄膜层；

下层电极膜层，所述下层电极膜层为两组叉状电极，且设置于一第二柔性绝缘薄膜层上；

中间间隔层，所述中间间隔层的上表面与所述上层电阻膜层连接，下表面与所述下层电极膜层连接，以使所述柔性压力传感器的整体结构形成三明治式结构。

所述第一柔性绝缘薄膜层及第二柔性绝缘薄膜层均为聚酰亚胺薄膜或聚脂薄膜。

所述下层电极膜层中，两组所述叉状电极还对应地连接有两组焊盘，两组所述焊盘用于与外部线路连接。

所述中间间隔层为聚酰亚胺薄膜或聚脂薄膜，且上表面及下表面均设置有粘胶层，且通过所述粘胶层与所述上层电阻膜层，及与所述下层电极膜层连接。

两组所述叉状电极的线条宽度为0.05mm～2mm，两组所述叉状电极的线条间距宽度设计为0.05mm～2mm。

第二方面，本实用新型提供的技术方案为：提供柔性压力传感器的制作方法，包括如下步骤：

步骤1，上层电阻膜制作方法：

1.1制作所述上层电阻膜层，在第一柔性绝缘薄膜层上印刷上层电阻膜图形层，电阻材料可以是碳浆或石墨烯浆料，并在150～250℃温度下烘烤3～30分钟；

1.2使用刀模切割或激光切割工艺，将经1.1工序完成上层电阻膜图形层制作的柔性绝缘薄膜，切割成单元小片的上层电阻膜层备用；

步骤2，下层电极膜层制作方法：

2.1运用厚膜成膜技术，在第二柔性绝缘薄膜层上印刷下层电极图形层，电极材料主要是银导体浆料，并在150～250℃温度下烘烤3～30分钟；

2.2运用厚膜成膜技术，在第二柔性绝缘薄膜层上印刷绝缘保护层，所述绝缘保护层的绝缘保护材料是环氧树脂或酚醛树脂浆料，并在150～250℃温度下烘烤3～30分钟；

2.3使用刀模切割或激光切割工艺，将经2.1～2.2工序完成下层电极图形层和绝缘保护层制作的绝缘薄膜，切割成单元小片的下层电极膜层备用；

步骤3，中间间隔层制作方法：

3.1所述中间间隔层为聚酰亚胺薄膜或聚脂薄膜，并在上表面及下表面均贴合粘胶层。

3.2使用刀模切割或激光切割工艺，将经3.3工序完成两面均贴合粘胶层的聚酰亚胺薄膜或聚脂薄膜，切割成单元小片的中间间隔层；

步骤4、贴合：

将经步骤1制作的上层电阻膜层、经步骤2制作的下层电极膜层，经步骤3制作的中间间隔层，按顺序贴合粘结在一起，形成柔性压力传感器成品。

本实用新型针对上述目前四类压力传感器技术方案存在的技术缺陷，本实用新型的柔性压力传感器技术方案，很好的解决这些缺点，满足工业、家电、互联网等各类应用工况的使用要求。与现有的压力传感器技术方案产品相比，本实用新型柔性压力传感器，具有以下明显优点：

1.压力量程范围大、线性度好，灵敏度高。

2.柔性结构，产品轻薄，适合平面、圆管、曲面等柔性安装。

3.柔性基板，形变的韧性大，不存在陶瓷或MEMS压力传感器压力过大时壳体破损问题。

4.非摩擦接触，产品使用寿命长。

5.非磁力元件，不存在电磁兼容问题。

通过以下的描述并结合附图，本实用新型将变得更加清晰，这些附图用于解释本实用新型的实施例。

附图说明

图1所示为压阻式陶瓷压力传感器的结构图；

图2所示为如图1所示的压阻式陶瓷压力传感器的电气原理图。

图3a、3b、3c所示压容式陶瓷压力传感器的结构图。

图4所示为本实用新型柔性压力传感器的一个实施例的爆炸示意图。

图5所示为本实用新型柔性压力传感器的另一个实施例的爆炸示意图。

图6a、6b、6c所示为本实用新型柔性压力传感器的工作原理的示意图。

图7所示为上层电阻膜的示意图。

图8所示为切割成单元小片的上层电阻膜层的示意图。

图9所示为本实用新型柔性压力传感器的一个实施例的示意图。

具体实施方式

下面将结合本实用新型实施例中附图，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，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和示出的本实用新型实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。因此，以下对在附图中提供的本实用新型的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本实用新型的范围，而是仅仅表示本实用新型的选定实施例。基于本实用新型的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的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。

在下文中，若在本实用新型的各种实施例中使用的术语“包括”、“具有”及其同源词仅意在表示特定特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合，并且不应被理解为首先排除一个或更多个其它特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的存在或增加一个或更多个特征、数字、步骤、操作、元件、组件或前述项的组合的可能性。

此外，若本实用新型涉及到术语“第一”、“第二”、“第三”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

除非另有限定，否则在这里使用的所有术语(包括技术术语和科学术语)具有与本实用新型的各种实施例所属领域普通技术人员通常理解的含义相同的含义。所述术语(诸如在一般使用的词典中限定的术语)将被解释为具有与在相关技术领域中的语境含义相同的含义并且将不被解释为具有理想化的含义或过于正式的含义，除非在本实用新型的各种实施例中被清楚地限定。

参考图4或5，本实用新型提供的技术方案为：提供一种柔性压力传感器，包括：

上层电阻膜层101，所述上层电阻膜层101为一第一柔性绝缘薄膜层；

下层电极膜层201，所述下层电极膜层201为两组叉状电极，且设置于一第二柔性绝缘薄膜层上；

中间间隔层300，所述中间间隔层300的上表面与所述上层电阻膜层101连接，下表面与所述下层电极膜层201连接，以使所述柔性压力传感器的整体结构形成三明治式结构。

一个实施例中，所述第一柔性绝缘薄膜层及第二柔性绝缘薄膜层均为聚酰亚胺薄膜或聚脂薄膜。

一个实施例中，所述下层电极膜层201中，两组所述叉状电极还对应地连接有两组焊盘201a，两组所述焊盘201a用于与外部线路连接。

一个实施例中，所述中间间隔层300为聚酰亚胺薄膜或聚脂薄膜，且上表面及下表面均设置有粘胶层301，且通过所述粘胶层301与所述上层电阻膜层101，及与所述下层电极膜层201连接。

一个实施例中，两组所述叉状电极的线条宽度为0.05mm～2mm，两组所述叉状电极的线条间距宽度设计为0.05mm～2mm。

本实用新型柔性压力传感器，由上层电阻膜层101、下层电极膜层201、中间间隔层300的三明治式结构组成。其中，上层电阻膜层101是设置在聚酰亚胺薄膜或聚脂薄膜等柔性绝缘薄膜100上，参考图4和5所示的实施例中，上层电阻膜层101可设计为圆形或方形；下层电极膜层201是设置在聚酰亚胺薄膜或聚脂薄膜等柔性绝缘薄膜200上，设计为呈互相交叉的两组叉状电极201结构，下层电极还包括两组焊盘201a，两组焊盘201a与两组叉状电极对应连接，两组焊盘201a用于与外部线路连接，叉状电极和焊盘201a之间的部分上面设有绝缘保护层202，将电极线路覆盖；中间间隔层300是使用聚酰亚胺薄膜或聚脂薄膜等柔性绝缘薄膜，该柔性绝缘薄膜的两面设有粘胶层301，该粘胶层301用于将下层电极膜层201的柔性绝缘薄膜和上层电阻膜层101的柔性绝缘薄膜粘结在一起。

本实用新型的工作原理：

如图6a、6b、6c所示，本实用新型柔性压力传感器的工作原理是：当上层电阻膜层受到外力挤压时，向下层电极膜层方向产生形变，使得上层电阻膜层与下层叉状电极接触，相当于闭合上电阻膜层的连接开关，从而在输出端输出一个电阻值。当外力越大时，上层电阻膜的向下形变越大，上层电阻膜与下层叉状电极接触面积越大，相当于闭合更多的连接开关，使得并联电阻数量也越多，使得输出端的并联电阻值就越小。从而形成外部压力越大，输出电阻值越小的反比线性关系。

第二方面，本实用新型提供的技术方案为：提供柔性压力传感器的制作方法，包括如下步骤：

步骤1，上层电阻膜制作方法：

1.1参考图7所示，制作所述上层电阻膜层，在带状或片状的聚酰亚胺薄膜或聚脂薄膜等柔性绝缘薄膜100上印刷上层电阻膜层101，电阻材料可以是碳浆或石墨烯浆料，并在150～250℃温度下烘烤3～30分钟；

1.2使用刀模切割或激光切割工艺，将经1.1工序完成上层电阻膜图形层制作的柔性绝缘薄膜例如是聚酰亚胺薄膜或聚脂薄膜，切割成单元小片的上层电阻膜层备用，如图8所示；

步骤2，下层电极膜层制作方法：

2.1运用厚膜成膜技术，在第二柔性绝缘薄膜层上印刷下层电极图形层，电极材料主要是银导体浆料，并在150～250℃温度下烘烤3～30分钟；

2.2参考图4或5，运用厚膜成膜技术，在第二柔性绝缘薄膜层即在带状或片状的聚酰亚胺薄膜或聚脂薄膜上印刷绝缘保护层202，所述绝缘保护层的绝缘保护材料是环氧树脂或酚醛树脂浆料，并在150～250℃温度下烘烤3～30分钟；

2.3使用刀模切割或激光切割工艺，将经2.1～2.2工序完成下层电极图形层和绝缘保护层制作的绝缘薄膜，切割成单元小片的下层电极膜层201备用；

步骤3，中间间隔层制作方法：

3.1所述中间间隔层为聚酰亚胺薄膜或聚脂薄膜300，并在上表面及下表面均贴合粘胶层301。

3.2使用刀模切割或激光切割工艺，将经3.3工序完成两面均贴合粘胶层301的聚酰亚胺薄膜或聚脂薄膜，切割成单元小片的中间间隔层；

步骤4、贴合：

将经步骤1制作的上层电阻膜层、经步骤2制作的下层电极膜层，经步骤3制作的中间间隔层，按顺序贴合粘结在一起，形成柔性压力传感器成品。其中，图9所示为本实用新型柔性压力传感器的一个实施例的示意图。

对单个柔性压力传感器成品，进行性能测试，分选，包装，入库。

以上所揭露的仅为本实用新型的优选实施例而已，当然不能以此来限定本实用新型之权利范围，因此依本实用新型申请专利范围所作的等同变化，仍属本实用新型所涵盖的范围。

Claims (5)

1.一种柔性压力传感器，其特征在于，包括：

上层电阻膜层，所述上层电阻膜层为一第一柔性绝缘薄膜层；

下层电极膜层，所述下层电极膜层为两组叉状电极，且设置于一第二柔性绝缘薄膜层上；

中间间隔层，所述中间间隔层的上表面与所述上层电阻膜层连接，下表面与所述下层电极膜层连接，以使所述柔性压力传感器的整体结构形成三明治式结构。

2.如权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述第一柔性绝缘薄膜层及第二柔性绝缘薄膜层均为聚酰亚胺薄膜或聚脂薄膜。

3.如权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述下层电极膜层中，两组所述叉状电极还对应地连接有两组焊盘，两组所述焊盘用于与外部线路连接。

4.如权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述中间间隔层为聚酰亚胺薄膜或聚脂薄膜，且上表面及下表面均设置有粘胶层，且通过所述粘胶层与所述上层电阻膜层，及与所述下层电极膜层连接。

5.如权利要求1或3所述的柔性压力传感器，其特征在于，两组所述叉状电极的线条宽度为0.05mm～2mm，两组所述叉状电极的线条间距宽度设计为0.05mm～2mm。

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