WO2018120384A1 - 压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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WO2018120384A1
WO2018120384A1 PCT/CN2017/074257 CN2017074257W WO2018120384A1 WO 2018120384 A1 WO2018120384 A1 WO 2018120384A1 CN 2017074257 W CN2017074257 W CN 2017074257W WO 2018120384 A1 WO2018120384 A1 WO 2018120384A1
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pressure sensor
conductive
substrates
substrate
sensor according
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PCT/CN2017/074257
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Inventor
胡友根
赵涛
朱朋莉
张愿
朱玉
梁先文
孙蓉
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中国科学院深圳先进技术研究院
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    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/20—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress
    • G01L1/22—Measuring force or stress, in general by measuring variations in ohmic resistance of solid materials or of electrically-conductive fluids; by making use of electrokinetic cells, i.e. liquid-containing cells wherein an electrical potential is produced or varied upon the application of stress using resistance strain gauges

Definitions

  • the main object of the embodiments of the present invention is to provide a pressure sensor and a manufacturing method thereof, which aim to solve the technical problem that the pressure detecting range of the resistive pressure sensor in the prior art is small.
  • a pressure sensor which comprises two external electrodes and two oppositely disposed elastic substrates, at least one of which has a convex structure on the contact surface, the contact The surface is the opposite side of the two substrates, the substrate is an electrical conductor, and each substrate is connected to an external electrode, and the surface of the convex structure is covered with a conductive layer.
  • the conductive filler comprises one or at least two of a metal conductive powder, a carbon-based conductive filler, a surface-plated conductive filler, and a bimetallic conductive filler.
  • the conductive layer is prepared by any one of evaporation, chemical deposition, printing, and coating.
  • the contact surfaces of the two substrates have the same convex structure, and the convex portions of the contact faces of the two substrates face the convex portion or the convex portion and the concave portion face each other.
  • the step of mixing the elastic polymer and the conductive filler into a mixture of fluid forms comprises: using the elastic polymer as a matrix, together with the conductive filler by physical mechanical blending, solution blending or melt blending Mix as a mixture of fluid forms.
  • the step of depositing the mixture onto the prefabricated template having a recessed structure to form the elastic polymer-based conductive composite material comprises:
  • a pressure sensor is provided by providing a pair of elastic conductive substrates and covering a surface of the convex structure of the substrate with a conductive layer.
  • the elastic conductive substrate itself deforms under pressure to cause a piezoresistive effect of the resistance change, and the effect of the contact area change of the conductive layer on the surface of the convex structure under the action of the substrate is changed, thereby causing a change in contact resistance.
  • the synergistic effect of the two greatly expands the pressure detection range, and the conductive layer in the embodiment of the present invention deforms the convex structure when the circuit layer is interposed between the two substrates in the prior art.
  • the contact area changes more, thus further improving the sensitivity and reliability of the pressure sensor.
  • the pressure sensor of the embodiment of the invention has the advantages of simple structure, low cost, convenient manufacture, responsiveness, wide pressure detection range, good mechanical flexibility, and is suitable for emerging fields such as wearable electronics, electronic skin, and human-machine intelligence.
  • Figure 2 is a schematic view showing the deformation of the pressure sensor of Figure 1;
  • FIG. 4 is a flow chart showing a method of manufacturing a pressure sensor according to a second embodiment of the present invention.
  • Figure 5 is a flow chart showing the steps of preparing a substrate in an embodiment of the present invention.
  • the pressure sensor includes two external electrodes 30 and two oppositely disposed substrates 10, which are elastic and electrically conductive.
  • the contact faces of the two substrates 10 (the opposite sides of the two substrates) have a micro convex structure 11 (or a micro convex structure), and the convex structures 11 of the two substrates 10 are preferably
  • the convex structure 11 causes the contact surface to have convex portions and concave portions, and the convex portions of the contact faces of the two substrates 10 may be in direct contact with the convex portions, or the convex portions may be in direct contact with the concave portions.
  • the surface of the raised structure 11 is covered with a conductive layer 20, Each substrate 10 is connected to an external electrode 30 for connecting an external circuit to test the resistance/current change of the sensor under pressure.
  • the above elastic polymer may be selected from silicone rubber, natural rubber (NR), styrene butadiene rubber (SBR), polydimethylsiloxane (PDMS), thermoplastic polyurethane elastomer (TPU), styrene elastomer (such as styrene).
  • SBS butadiene-styrene block copolymer
  • SIS styrene-isoprene-styrene block copolymer
  • SEBS hydrogenated styrene-butadiene block copolymer
  • the conductive material (such as conductive thermoplastic elastomer, conductive silicone rubber elastomer, etc.) can be directly processed (for example, processed by microelectromechanical system (MEMS) technology) to make the surface convex.
  • MEMS microelectromechanical system
  • the convex structure 11 on the contact surface of the substrate 10 may be one or at least two of a regular three-dimensional structure such as a prism, a pyramid, a cylinder, a triangular pyramid, a pyramid, a sphere, or a non-regular three-dimensional structure such as a curved protrusion or a wave.
  • the height of the raised structure 11 is preferably from 200 nm to 200 ⁇ m.
  • the conductive layer 20 on the surface of the raised structure 11 may be prepared by any one of evaporation, chemical deposition, printing, and coating, and the conductive layer 20 includes gold, silver, copper, aluminum, nickel, palladium, platinum. One or at least two of carbon and indium tin oxide (ITO) material.
  • the thickness of the conductive layer 20 is preferably 5 nm to 500 nm, which is tightly integrated with the convex structure and completely changes with the shape of the convex structure, so that the deformation is more sensitive, and the contact area changes more during deformation.
  • the external electrode 30 is preferably connected to the outer surface of the substrate 10 (ie, the side opposite to the contact surface), and the external electrode 30 includes one or at least two of gold foil/wire, silver foil/wire, copper foil/wire, aluminum foil/wire. .
  • the substrate 10 when the external pressure F acts on the pressure sensor, on the one hand, the substrate 10 is deformed, and the thickness in the pressure direction becomes small, resulting in a narrowing of the distance of the conductive filler 12 inside the substrate 10 in the pressure direction.
  • the planar direction of the substrate 10 is increased in length and width due to the pressure, resulting in a widening of the lateral distance of the conductive filler 12 inside the substrate 10 in the planar direction.
  • the change in the distance between the conductive fillers 12 will cause the resistance of the composite material to change.
  • the magnitude of the pressure varies, and the distance between the conductive fillers 12 varies, and the resulting resistance changes.
  • the convex structure 11 of the contact surface of the substrate 10 causes significant deformation, thereby causing a change in the contact area of the conductive layer 20 on the surface of the convex structure 11, thereby causing the upper and lower linings.
  • the contact resistance between the bottom 10 changes.
  • the raised structure 11 only on the contact faces of one of the substrates 10.
  • the contact surface of the upper substrate 10 has a convex structure 11, and the convex structure 11 is covered with a conductive layer 20, and the contact surface of the lower substrate 10 has no convex structure 11, and the contact surface thereof can be The conductive layer 20 may or may not be covered.
  • the lower substrate 10 has no convex structure 11, the lower substrate 10 is a conductive material having elasticity, and deformation is still generated when pressed, contributing to resistance change, and the sensitivity of the sensor is improved relative to the prior art. Expanded the range of pressure detection.
  • the pressure sensor of the embodiment of the invention is provided by providing a pair of elastic conductive linings
  • the bottom 10 and the surface of the convex structure 11 of the substrate 10 are covered with a conductive layer 20, which utilizes the piezoresistive effect of the elastic conductive substrate 10 itself to deform under pressure and cause a change in electrical resistance, and utilizes the lining.
  • the effect of the contact area of the conductive layer 20 on the surface of the raised structure 11 under the action of the pressure of the bottom 10 is changed to cause a change in the contact resistance, and the synergistic effect of the two greatly expands the pressure detection range, and is relatively advanced in the prior art.
  • the conductive layer 20 in the embodiment of the present invention has a larger change in contact area when the convex structure 11 is deformed, thereby further improving the sensitivity and reliability of the pressure sensor.
  • the pressure sensor of the embodiment of the invention has the advantages of simple structure, low cost, convenient manufacture, responsiveness, wide pressure detection range, good mechanical flexibility, and is suitable for emerging fields such as wearable electronics, electronic skin, and human-machine intelligence.
  • step S11 two elastic conductive substrates are prepared, and at least one substrate has a convex structure on the contact surface, that is, the opposite side when the last two substrates are folded together.
  • Embodiments of the present invention preferably produce two substrates having the same raised structure.
  • the raised structures on the two substrates may also be different, or only one substrate may have a raised structure.
  • the convex structure on the contact surface of the substrate may be one of a regular three-dimensional structure such as a prism, a pyramid, a cylinder, a triangular pyramid, a pyramid, a sphere, or a curved protrusion, a wave, or the like, or a combination of at least two.
  • the height of the convex structure is preferably from 200 nm to 200 ⁇ m.
  • the substrate of the embodiment of the present invention is an elastic polymer-based conductive composite material, and the manufacturing method thereof is as shown in FIG. 5, and includes the following steps:
  • the elastic polymer may be used as a matrix, and mixed with the conductive filler by a physical mechanical blending method, a solution blending method or a melt blending method, etc., into a mixture of fluid forms, such as a mixed solution, a mixed slurry, and a mixture. Cream and so on.
  • the above elastic polymer may be selected from silicone rubber, natural rubber (NR), styrene butadiene rubber (SBR), polydimethylsiloxane (PDMS), thermoplastic polyurethane elastomer (TPU), styrene elastomer (such as styrene).
  • SBS butadiene-styrene block copolymer
  • SIS styrene-isoprene-styrene block copolymer
  • SEBS hydrogenated styrene-butadiene block copolymer
  • the conductive filler includes a metal conductive powder (such as gold powder, silver powder, copper powder, nickel powder, etc.), a carbon-based conductive filler (such as carbon black, carbon nanotubes, graphite, graphene, etc.), and a metal-plated conductive filler (such as: One or at least two of the surface of the glass fiber is plated with gold, silver, copper, nickel, etc., the surface of the polymer microsphere is plated with gold, silver, copper, nickel, etc., and the bimetallic conductive filler (such as silver-coated copper, nickel-coated copper, etc.) .
  • a metal conductive powder such as gold powder, silver powder, copper powder, nickel powder, etc.
  • a carbon-based conductive filler such as carbon black, carbon nanotubes, graphite, graphene, etc.
  • a metal-plated conductive filler such as: One or at least two of the surface of the glass fiber is plated with gold, silver, copper, nickel, etc., the surface of the
  • the mixture is first deposited onto the pre-formed template having a concave structure by casting, spin coating, knife coating, silk screen printing, etc., and then the mixture is heated to cure or the solvent in the mixture is volatilized and then naturally solidified, and then formed into A flexible film is obtained by tearing off the film from the stencil to obtain an elastic polymer-based conductive composite material having a convex structure corresponding to the concave structure, that is, a flexible conductive substrate having a convex structure on the surface.
  • the mixture is deposited using a template having no recessed structure.
  • the conductive material (such as conductive thermoplastic elastomer, conductive silicone rubber elastomer, etc.) may be directly processed (for example, processed by MEMS technology) to form a substrate having a convex structure on the surface. .
  • a conductive layer may be covered on the surface of the convex structure of the substrate by any one of evaporation, chemical deposition, printing and coating, the conductive layer including gold, silver, copper, aluminum One or at least two conductive materials of nickel, palladium, platinum, carbon, and indium tin oxide.
  • the thickness of the conductive layer is preferably from 5 nm to 500 nm.
  • a silver piece with a particle size of 1 to 10 ⁇ m as a conductive filler to polydimethylsiloxane (PDMS) is a matrix, and the PDMS prepolymer and its curing agent are uniformly mixed with the silver flakes by mechanical stirring to obtain a flexible conductive paste (a mixture of fluid forms).
  • the mass ratio of PDMS prepolymer to its curing agent is from 12:1 to 5:1, and the mass ratio of PDMS and its curing agent (the total mass of the two) to the silver flake is 1:1 to 1:4.
  • Two flexible conductive substrates having conductive layers are relatively folded together (the hemispherical convex structures are in contact with each other), and copper external electrodes are respectively drawn on the outer surfaces of the upper and lower substrates for use in connecting external circuits. That is, a resistive flexible pressure sensor is fabricated.
  • the carbon nanotubes having a diameter of 5 to 100 nm and a length of 2 to 30 ⁇ m are selected as conductive fillers, and the carbon nanotubes are uniformly dispersed by a chloroform solvent to obtain a carbon nanotube dispersion.
  • the styrene-butadiene-styrene block copolymer (SBS) is used as the matrix, and the SBS pellets are added to the carbon nanotube dispersion, and stirred until the SBS is completely dissolved to obtain a uniform composite slurry (fluid form mixture). .
  • the mass ratio of carbon nanotubes to SBS is 1:19 to 1:4.
  • the composite slurry prepared in the above step (2) is deposited on the silicon micro-template prepared in the above step (1) by spin coating, and allowed to stand at room temperature for 24 hours until the chloroform is completely volatilized and then naturally formed into a film.
  • the film is peeled off from the silicon micro-template to obtain a flexible conductive substrate with a triangular pyramid-shaped convex structure.
  • the thickness of the substrate can be adjusted by a spin coating process such as spin coating time, spin coating speed, etc., and the thickness of the flexible conductive substrate in this example is controlled within 500 ⁇ m.
  • Two flexible conductive substrates having conductive layers are folded together (triangular tapered convex structures are in contact with each other), and silver wires are externally connected to the outer surfaces of the upper and lower substrates for connecting external circuits. Used, it is made into a resistive flexible pressure sensor.
  • an inverted pyramid-shaped array of holes (array structure array) is processed on the surface of the silicon wafer by MEMS technology, and its height is 2 ⁇ m, the lower surface is 1 ⁇ m wide, and the upper surface is 4 ⁇ m wide. template.
  • the composite slurry prepared in the above step (2) is cast on the silicon micro-template prepared in the above step (1), heated at 80 ° C for 4 hours to completely evaporate the toluene solvent and form a film, and the film is removed from silicon.
  • the micro-template is torn off to obtain a flexible conductive substrate with a pyramid-shaped convex structure.
  • the thickness of the substrate can be adjusted by the concentration of the composite slurry and the volume of the casting, and the thickness of the flexible conductive substrate in this example is controlled to be within 50 ⁇ m.
  • the flexible conductive substrate prepared in the above step (3) is placed in an evaporation device, and a nano-copper conductive thin layer is deposited on the surface of the convex structure of the substrate by magnetron sputtering, and the thickness of the nano copper is At 15 nm, a flexible conductive substrate having a conductive layer was obtained.
  • a resistive pressure sensor is constructed by preparing an electrically conductive elastic substrate having a convex structure and forming a conductive layer on the surface of the convex structure of the substrate.
  • the sensor combines the resistance change caused by the piezoresistive effect with the contact resistance change of the conductive layer of the convex structure, and combines the advantages of both, so that the sensor has higher sensitivity and wider pressure detection range, and satisfies the light weight of the electronic device.

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Abstract

一种压力传感器及其制备方法。压力传感器包括两个外接电极（30）和两个相对设置的具有弹性的衬底（10），至少一个衬底（10）的接触面上有凸起结构（11），接触面为两个衬底（10）相对的一面，衬底（10）为导电体，每个衬底（10）连接一个外接电极（30），凸起结构（11）的表面覆盖有导电层（20）。既利用了弹性导电衬底（10）本身在压力作用下产生形变而导致电阻发生变化的压阻效应，又利用了衬底（10）在压力作用下其凸起结构（11）表面的导电层（20）接触面积改变而导致接触电阻发生变化的效应，通过二者的协同作用极大的扩大了压力检测范围，进一步提高了压力传感器的灵敏度和可靠性。

Description

压力传感器及其制备方法 技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其是涉及一种压力传感器及其制备方法。
背景技术
压力传感器是一种能将应力转变为电学信号的电子器件，可广泛用于柔性触屏、人工智能、可穿戴电子、移动医疗等领域。根据信号转换机理，压力传感器主要分为电阻式传感器、电容式传感器和压电式传感器。其中，电阻式压力传感器的基本工作原理是将被测压力的变化转变为传感器的电阻值的变化。电阻式压力传感器由于具有器件结构简单、电阻信号稳定易测、较高的灵敏度等优点备受关注。
将电阻式压力传感器的电极阵列进行微结构化是提高传感器灵敏度、可靠性的有效途径之一。例如，现有技术中提出了一种具有微结构的电阻式压力传感器，其包括上基底、下基底、本体电路层和引出电极；上基底和下基底为绝缘的弹性有机材料，其一面为相同的立体结构，且有立体结构的一面相对设置；本体电路层为柔性，其上设置导电材料制成导电线路层；本体电路层夹设在上基底和下基底之间，且在本体电路层的两端分别引出电极。当压力作用于压力传感器时，在压力作用下上下基底表面的微结构接触面积发生变化而导致其间的本体电路层的电阻发生变化，通过电阻变化即可检测出压力大小，因此具有较高的灵敏度。
然而，虽然具有微结构的电阻式压力传感器的灵敏度较高，但是由于微结构的变形量较小，因此能够检测的压力范围也往往较小，从而限制了其应用范围。
发明内容
本发明实施例的主要目的在于提供一种压力传感器及其制作方法，旨在解决现有技术中电阻式压力传感器的压力检测范围较小的技术问题。
为达以上目的，一方面提出一种压力传感器，所述压力传感器包括两个外接电极和两个相对设置的具有弹性的衬底，至少一个衬底的接触面上有凸起结构，所述接触面为两个衬底相对的一面，所述衬底为导电体，每个衬底连接一个外接电极，所述凸起结构的表面覆盖有导电层。
可选地，所述衬底为由弹性聚合物和导电填料制作而成的弹性聚合物基导电复合材料。
可选地，所述弹性聚合物基导电复合材料通过物理机械共混法、溶液共混法或熔融共混法制备而成。
可选地，所述导电填料包括金属导电粉、碳系导电填料、表面镀金属的导电填料、双金属导电填料中的一种或至少两种。
可选地，所述弹性聚合物为硅橡胶、天然橡胶、丁苯橡胶、聚二甲基硅氧烷、热塑性聚氨酯弹性体、苯乙烯类弹性体、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物或氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。
可选地，所述导电层包括金、银、铜、铝、镍、钯、铂、碳和铟锡氧化物中的一种或至少两种导电材料。
可选地，所述导电层通过蒸镀、化学沉积、印刷和涂布中的任意一种方法制备而成。
可选地，两个衬底的接触面上有相同的凸起结构，且所述两个衬底的接触面的凸部与凸部正对或者凸部与凹部正对。
可选地，所述衬底为柔性材料，厚度为20μm～1mm。
可选地，所述导电层的厚度为5nm-500nm。
另一方面，提出一种压力传感器的制备方法，所述方法包括以下步骤：
制备两个具有弹性的导电的衬底，且至少一个衬底的接触面上有凸起结构；
在衬底的凸起结构的表面覆盖一导电层；
将两个衬底的接触面相互对准后叠扣在一起，并在每个衬底上连接一个外接电极。
可选地，所述制备两个具有弹性的导电的衬底的步骤包括：
将弹性聚合物和导电填料混合为流体形态的混合物；
将所述混合物沉积到预制的具有凹陷结构的模板上固化成型为弹性聚合物基导电复合材料，所述弹性聚合物基导电复合材料即为所述具有弹性的导电的衬底。
可选地，所述将弹性聚合物和导电填料混合为流体形态的混合物的步骤包括：将弹性聚合物作为基体，与导电填料一起通过物理机械共混法、溶液共混法或熔融共混法混合为流体形态的混合物。
可选地，所述将所述混合物沉积到预制的具有凹陷结构的模板上固化成型为弹性聚合物基导电复合材料的步骤包括：
通过浇注、旋涂、刮涂和丝印中的任意一种方法将所述混合物沉积到预制的具有凹陷结构的模板上；
加热固化所述混合物或者待所述混合物自然固化后，成型为弹性聚合物基导电复合材料。
可选地，所述在衬底的凸起结构的表面覆盖一导电层的步骤包括：通过蒸镀、化学沉积、印刷和涂布中的任意一种方法，在衬底的凸起结构的表面覆盖一导电层。
可选地，两个衬底的接触面上有相同的凸起结构，所述将两个衬底的接触面相互对准后叠扣在一起的步骤包括：将两个衬底的接触面的凸部与凸部或者凸部与凹部对准后叠扣在一起。
本发明实施例所提供的一种压力传感器，通过设置一对具有弹性的导电的衬底，并在衬底的凸起结构表面覆盖一层导电层，既利用了 弹性导电衬底本身在压力作用下产生形变而导致电阻发生变化的压阻效应，又利用了衬底在压力作用下其凸起结构表面的导电层接触面积改变而导致接触电阻发生变化的效应，通过二者的协同作用极大的扩大了压力检测范围，并且相对现有技术中在两个衬底之间夹设电路层的方式，本发明实施例中的导电层在凸起结构形变时其接触面积变化更大，因此进一步提高了压力传感器的灵敏度和可靠性。本发明实施例的压力传感器结构简单、成本低廉、制作方便、响应灵敏、压力检测范围广，具有良好的机械柔性，适用于可穿戴电子、电子皮肤、人机智能等新兴领域。
附图说明
图1是本发明第一实施例的压力传感器的结构示意图；
图2是图1中的压力传感器受力发生形变的示意图；
图3是本发明实施例的压力传感器的又一结构示意图；
图4是本发明第二实施例的压力传感器的制备方法的流程图；
图5是本发明实施例中制备衬底的步骤的流程图。
本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。
具体实施方式
应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例一
参见图1，提出本发明第一实施例的压力传感器，所述压力传感器包括两个外接电极30和两个相对设置的衬底10，该衬底10具有弹性且为导电体。如图1所示，两个衬底10的接触面(两个衬底相对的一面)上有微型的凸起结构11(或称微凸结构)，两个衬底10的凸起结构11优选为相同的结构，凸起结构11导致接触面上具有凸部和凹部，可以将两个衬底10的接触面的凸部与凸部正对接触，或者也可以凸部与凹部正对接触。凸起结构11的表面覆盖有导电层20， 每个衬底10连接一个外接电极30，供连接外部电路以测试该传感器在压力作用下电阻/电流的变化情况。
本发明实施例中，衬底10为由弹性聚合物和导电填料12制作而成的弹性聚合物基导电复合材料，该弹性聚合物基导电复合材料可以通过物理机械共混法、溶液共混法、熔融共混法等混合工艺制备而成，并通过具有微型的凹陷结构(或称凹形微结构)的模板成型。该弹性聚合物基导电复合材料制成的衬底10为柔性材料，厚度优选为20μm-1mm，可实现弯曲、折叠、扭曲、拉伸等机械变形，适用于现代柔性电子产品领域，满足电子器件的轻型化、微型化、柔性化、可穿戴化的发展要求。
前述弹性聚合物可以选用硅橡胶、天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、苯乙烯类弹性体(如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS))、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS)、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)等聚合物中的任意一种。
前述导电填料12包括金属导电粉(如金粉、银粉、铜粉、镍粉等)、碳系导电填料(如炭黑、碳纳米管、石墨、石墨烯等)、表面镀金属的导电填料(如：玻璃纤维表面镀金、银、铜、镍等，聚合物微球表面镀金、银、铜、镍等)、双金属导电填料(如银包铜、镍包铜等)中的一种或至少两种。
在其它实施例中，也可以直接对具有弹性的导电材料(如导电热塑性弹性体、导电硅橡胶弹性体等)进行加工(如通过微机电系统(MEMS)技术进行加工)而制成表面具有凸起结构11的衬底10。
衬底10接触面上的凸起结构11，可以为棱柱、棱锥、圆柱、三角锥、金字塔、圆球等规则立体结构或者曲面凸起、波浪状等非规则立体结构中的一种或至少两种的组合，凸起结构11的高度优选为200nm-200μm。
凸起结构11表面的导电层20可以通过蒸镀、化学沉积、印刷和涂布中的任意一种方法制备而成，所述导电层20包括金、银、铜、铝、镍、钯、铂、碳和铟锡氧化物(ITO)中的一种或至少两种导电 材料。导电层20的厚度优选为5nm-500nm，与凸起结构紧密结合为一体，完全随着凸起结构的形状变化而变化，因此对形变更加灵敏，形变时接触面积变化更大。
外接电极30优选连接衬底10的外表面(即与接触面相对的一面)，外接电极30包括金箔/线、银箔/线、铜箔/线、铝箔/线中的一种或至少两种。
本发明实施例的压力传感器的工作原理如下：
如图2所示，当外部压力F作用于压力传感器时，一方面，衬底10产生形变，在压力方向厚度变小，导致衬底10内部的导电填料12在压力方向的距离变窄，而衬底10的平面方向由于压力的作用，其长宽尺寸会变大，导致衬底10内部的导电填料12在平面方向的横向距离变宽。根据复合导电材料的隧道导电理论可知，导电填料12之间的距离变化将使复合材料的电阻发生改变。压力大小不同，导电填料12之间的距离变化也不同，产生的电阻改变也就不同。
另一方面，在外部压力F的作用下，衬底10接触面的凸起结构11会产生明显的形变，由此导致凸起结构11表面的导电层20的接触面积发生变化，进而导致上下衬底10间的接触电阻发生改变。
上述二者的共同作用，使得压力传感器在压力作用下电阻发生变化，通过电阻的变化情况即可检测压力的大小。当压力撤除时，由于衬底10的弹性作用，其形变将恢复至如图1所示的初始状态，电阻也将恢复至初始值。
在一可选实施例中，也可以只在一个衬底10的接触面上设置凸起结构11。如图3所示，上衬底10的接触面上具有凸起结构11，且凸起结构11上覆盖有导电层20，下衬底10的接触面上没有凸起结构11，其接触面可以覆盖导电层20，也可以不覆盖导电层20。虽然下衬底10没有凸起结构11，但下衬底10是具有弹性的导电材料，受压时仍然会产生形变，对电阻变化做出贡献，相对于现有技术仍然提高了传感器的灵敏度，扩大了压力检测范围。
本发明实施例的压力传感器，通过设置一对具有弹性的导电的衬 底10，并在衬底10的凸起结构11表面覆盖一层导电层20，既利用了弹性导电衬底10本身在压力作用下产生形变而导致电阻发生变化的压阻效应，又利用了衬底10在压力作用下其凸起结构11表面的导电层20接触面积改变而导致接触电阻发生变化的效应，通过二者的协同作用极大的扩大了压力检测范围，并且相对现有技术中在两个衬底之间夹设电路层的方式，本发明实施例中的导电层20在凸起结构11形变时其接触面积变化更大，因此进一步提高了压力传感器的灵敏度和可靠性。本发明实施例的压力传感器结构简单、成本低廉、制作方便、响应灵敏、压力检测范围广，具有良好的机械柔性，适用于可穿戴电子、电子皮肤、人机智能等新兴领域。
实施例二
参照图4，提出本发明第二实施例的压力传感器的制备方法，所述方法包括以下步骤：
S11、制备两个具有弹性的导电的衬底，且至少一个衬底的接触面上有凸起结构。
本步骤S11中，制备两个弹性导电衬底，且至少一个衬底的接触面上有凸起结构，该接触面即最后两个衬底叠扣在一起时相对的一面。
本发明实施例优选制备两个具有相同的凸起结构的衬底，在其它实施例中，两个衬底上的凸起结构也可以不相同，或者只有一个衬底上具有凸起结构。衬底接触面上的凸起结构可以为棱柱、棱锥、圆柱、三角锥、金字塔、圆球等规则立体结构或曲面凸起、波浪状等非规则立体结构中的一种或至少两种的组合，凸起结构的高度优选为200nm-200μm。
本发明实施例的衬底为弹性聚合物基导电复合材料，其制作方法如图5所示，包括以下步骤：
S111、将弹性聚合物和导电填料混合为流体形态的混合物。
本步骤S111中，可以将弹性聚合物作为基体，与导电填料一起通过物理机械共混法、溶液共混法或熔融共混法等混合为流体形态的混合物，如混合溶液、混合浆料、混合膏等。
前述弹性聚合物可以选用硅橡胶、天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、苯乙烯类弹性体(如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS))、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS)、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)等聚合物中的任意一种。
前述导电填料包括金属导电粉(如金粉、银粉、铜粉、镍粉等)、碳系导电填料(如炭黑、碳纳米管、石墨、石墨烯等)、表面镀金属的导电填料(如：玻璃纤维表面镀金、银、铜、镍等，聚合物微球表面镀金、银、铜、镍等)、双金属导电填料(如银包铜、镍包铜等)中的一种或至少两种。
S112、将混合物沉积到预制的具有凹陷结构的模板上固化成型为弹性聚合物基导电复合材料。
本步骤S112中，首先将混合物通过浇注、旋涂、刮涂、丝印等方法沉积到预制好的具有凹陷结构的模板上，然后加热固化混合物或待混合物中的溶剂挥发后自然固化后，成型为一张柔性的薄膜，将薄膜从模板上撕下后则得到表面具有与凹陷结构相对应的凸起结构的弹性聚合物基导电复合材料，即表面具有凸起结构的柔性导电衬底。该柔性导电衬底的厚度优选为20μm-1mm，可实现弯曲、折叠、扭曲、拉伸等机械变形，适用于现代柔性电子产品领域，满足电子器件的轻型化、微型化、柔性化、可穿戴化的发展要求。
当需要制作不具有凸起结构的衬底时，则利用不具有凹陷结构的模板沉积混合物。
在制备弹性聚合物基导电复合材料时，优选调节导电填料填充量在其渗流阈值附近，使得弹性聚合物基导电复合材料能够获得高压阻效应。渗流阈值与导电填料的尺寸、形貌、密度等参数相关联，具体实施时根据导电填料的前述参数确定。
本发明实施例中，可以通过以下方法制备具有凹陷结构的模板：
以硅片为基底，通过MEMS技术在硅片表面制作微型的凹陷结构阵列，该凹陷结构可以为棱柱、棱锥、圆柱、三角锥、金字塔、圆 球等规则立体结构或凹形曲面、波浪状等非规则立体结构中的一种或至少两种的组合，凹陷结构的凹部深度优选为200nm-200μm。
在其它实施例中，也可以直接对具有弹性的导电材料(如导电热塑性弹性体、导电硅橡胶弹性体等)进行加工(如通过MEMS技术进行加工)而制成表面具有凸起结构的衬底。
S12、在衬底的凸起结构的表面覆盖一导电层。
本步骤S12中，可以通过蒸镀、化学沉积、印刷和涂布中的任意一种方法，在衬底的凸起结构的表面覆盖一导电层，所述导电层包括金、银、铜、铝、镍、钯、铂、碳和铟锡氧化物中的一种或至少两种导电材料。导电层的厚度优选为5nm-500nm。
S13、将两个衬底的接触面相互对准后叠扣在一起，并在每个衬底上连接一个外接电极。
本步骤S13中，当两个衬底的接触面都具有凸起结构时，接触面上就有凸部和凹部，则将两个衬底的接触面的凸部与凸部或者凸部与凹部对准后叠扣在一起，两个衬底上的凸起结构相互接触。并在每个衬底上引出一个外接电极，供连接外部电路以测试该传感器在压力作用下电阻/电流的变化情况。外接电极优选从衬底的外表面(即与接触面相对的一面)上引出，外接电极包括金箔/线、银箔/线、铜箔/线、铝箔/线中的一种或至少两种。
通过以上方法，最终制作出一种成本低廉、结构简单、制作方便、响应灵敏、测试压力范围宽的柔性压力传感器。
下面将通过具体实例对本发明实施例的压力传感器的制备方法进行详细说明：
实例1：
(1)以硅片为基底，通过MEMS技术在硅片表面加工出半圆球形孔洞阵列(凹陷结构阵列)，其直径为20μm，以加工后的硅片为微模板。
(2)选用粒径1～10μm的银片为导电填料，以聚二甲基硅氧烷 (PDMS)为基体，将PDMS预聚物及其固化剂与银片通过机械搅拌混合均匀，得到柔性导电膏(流体形态的混合物)。PDMS预聚物与其固化剂的质量比为12:1～5:1，PDMS及其固化剂(二者的总质量)与银片的质量比为1:1～1:4。
(3)将上述步骤(2)制成的柔性导电膏通过掩膜版刮涂印刷的方法沉积在上述步骤(1)制成的硅微模板上，以80℃加热2小时将柔性导电膏固化成型为一薄膜，将固化后的薄膜从硅微模板上撕下便得到带有半球形凸起结构的柔性导电衬底。衬底厚度可通过掩膜版的厚度进行调节，本实例中柔性导电衬底的厚度控制在200μm以内。
(4)将上述步骤(3)制成的柔性导电衬底置于蒸镀设备中，采用磁控溅射的方法在衬底的凸起结构表面蒸镀纳米金导电薄层，纳米金厚度为10nm，得到具有导电层的柔性导电衬底。
(5)将两片具有导电层的柔性导电衬底相对叠扣在一起(半球形凸起结构相互接触)，并在上、下衬底的外表面各自引出铜箔外接电极供连接外电路使用，即制成电阻式柔性压力传感器。
实例2：
(1)以硅片为基底，通过MEMS技术在硅片表面加工出倒三角锥形孔洞阵列(凹陷结构阵列)，其深度为100μm，底面宽为100μm，以此硅片为微模板。
(2)选用直径为5～100nm、长度为2～30μm的碳纳米管为导电填料，用氯仿溶剂将碳纳米管均匀分散，得到碳纳米管分散液。以苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)为基体，往碳纳米管分散液中加入SBS粒料，搅拌至SBS完全溶解后得到均匀的复合浆料(流体形态的混合物)。碳纳米管与SBS的质量比为1:19～1:4。
(3)将上述步骤(2)制成的复合浆料通过旋涂的方法沉积在上述步骤(1)制成的硅微模板上，室温静置24小时待氯仿完全挥发后自然成膜，将薄膜从硅微模板撕下便得到带有三角锥形凸起结构的柔性导电衬底。衬底厚度可通过旋涂时间、旋涂速度等旋涂工艺进行调节，本实例中柔性导电衬底的厚度控制在500μm以内。
(4)将上述步骤(3)制成的柔性导电衬底置于蒸镀设备中，采用磁控溅射的方法在衬底的凸起结构表面蒸镀纳米铂(Pt)导电薄层，Pt厚度为30nm，得到具有导电层的柔性导电衬底。
(5)将两片具有导电层的柔性导电衬底相向叠扣在一起(三角锥形凸起结构相互接触)，并在上、下衬底的外表面各自引出银导线外接电极供连接外电路使用，即制成电阻式柔性压力传感器。
实例3：
(1)以硅片为基底，通过MEMS技术在硅片表面加工出倒金字塔形孔洞阵列(凹陷结构阵列)，其高度为2μm，下底面宽1μm，上底面宽4μm，以此硅片为微模板。
(2)选用粒径10～100nm的炭黑为导电填料，用甲苯溶解超声分散炭黑纳米颗粒，得到炭黑分散液。以热塑性聚氨酯弹性体(TPU)为基体，往炭黑分散液中逐渐加入TPU粒料，搅拌至TPU完全溶解后得到均匀的复合浆料(流体形态的混合物)。炭黑与TPU的质量比为1:9～1:3。
(3)将上述步骤(2)制成的复合浆料浇注在上述步骤(1)制成的硅微模板上，以80℃加热4小时将甲苯溶剂完全挥发干净并成膜，将薄膜从硅微模板撕下便得到带有金字塔形凸起结构的柔性导电衬底。衬底厚度可通过复合浆料的浓度与浇注的体积进行调节，本实例中柔性导电衬底的厚度控制在50μm以内。
(4)将上述步骤(3)制成的柔性导电衬底置于蒸镀设备中，采用磁控溅射的方法在衬底的凸起结构表面蒸镀纳米铜导电薄层，纳米铜厚度为15nm，得到具有导电层的柔性导电衬底。
(5)将两片具有导电层的柔性导电衬底相对叠扣在一起(金字塔微凸结构相互接触)，并在上、下衬底的外表面各自引出铝导线外接电极供连接外电路使用，即制成电阻式柔性压力传感器。
本领域技术人员可以理解，以上仅为本发明列举的实例，并不因此限制本发明的专利范围。
本发明实施例的压力传感器的制备方法，通过制备具有凸起结构的能够导电的弹性衬底，并在衬底的凸起结构表面制作导电层，以此为基础构建出一种电阻式压力传感器，该传感器将压阻效应产生的电阻变化与凸起结构导电层的接触电阻变化相结合，综合了二者优势，因此具有更高的灵敏度与更宽的压力检测范围，满足了电子器件的轻型化、微型化、柔性化、可穿戴化的发展要求。
综上所述，采用上述方法制作的压力传感器，具有以下优点：
1)、具有良好的柔性，可实现弯曲、折叠、扭曲、拉伸等机械变形，适用于现代柔性电子产品领域；
2)、电阻信号易检测，使用便利；
3)、结构简单，制作方便，成本低廉；
4)、结合了压阻效应与微结构电极的接触电阻效应，提高了传感器的灵敏度，扩大了压力检测范围，通过材料与结构的设计可实现传感器性能的调控。
以上参照附图说明了本发明的优选实施例，并非因此局限本发明的权利范围。本领域技术人员不脱离本发明的范围和实质，可以有多种变型方案实现本发明，比如作为一个实施例的特征可用于另一实施例而得到又一实施例。凡在运用本发明的技术构思之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本发明的权利范围之内。

Claims (20)

  1. 一种压力传感器，包括两个外接电极(30)和两个相对设置的具有弹性的衬底(10)，至少一个衬底(10)的接触面上有凸起结构(11)，所述接触面为两个衬底(10)相对的一面，其特征在于，所述衬底(10)为导电体，每个衬底(10)连接一个外接电极(30)，所述凸起结构(11)的表面覆盖有导电层(20)。
  2. 根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述衬底(10)为由弹性聚合物和导电填料(12)制作而成的弹性聚合物基导电复合材料。
  3. 根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述弹性聚合物基导电复合材料通过物理机械共混法、溶液共混法或熔融共混法制备而成。
  4. 根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述导电填料(12)包括金属导电粉、碳系导电填料、表面镀金属的导电填料、双金属导电填料中的一种或至少两种。
  5. 根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述弹性聚合物为硅橡胶、天然橡胶、丁苯橡胶、聚二甲基硅氧烷、热塑性聚氨酯弹性体、苯乙烯类弹性体、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物或氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。
  6. 根据权利要求1-5任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述导电层(20)包括金、银、铜、铝、镍、钯、铂、碳和铟锡氧化物中的一种或至少两种导电材料。
  7. 根据权利要求1-5任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述导电层(20)通过蒸镀、化学沉积、印刷和涂布中的任意一种方法制备而成。
  8. 根据权利要求1-5任一项所述的压力传感器，其特征在于，两个衬底(10)的接触面上有相同的凸起结构(11)，且所述两个衬底(10)的接触面的凸部与凸部正对或者凸部与凹部正对。
  9. 根据权利要求1-5任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述衬底(10)为柔性材料，厚度为20μm～1mm。
  10. 根据权利要求1-5任一项所述的压力传感器，其特征在于，所述导电层(20)的厚度为5nm-500nm。
  11. 一种压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
    制备两个具有弹性的导电的衬底，且至少一个衬底的接触面上有凸起结构；
    在衬底的凸起结构的表面覆盖一导电层；
    将两个衬底的接触面相互对准后叠扣在一起，并在每个衬底上连接一个外接电极。
  12. 根据权利要求11所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述制备两个具有弹性的导电的衬底的步骤包括：
    将弹性聚合物和导电填料混合为流体形态的混合物；
    将所述混合物沉积到预制的具有凹陷结构的模板上固化成型为弹性聚合物基导电复合材料，所述弹性聚合物基导电复合材料即为所述具有弹性的导电的衬底。
  13. 根据权利要求12所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述将弹性聚合物和导电填料混合为流体形态的混合物的步骤包括：
    将弹性聚合物作为基体，与导电填料一起通过物理机械共混法、溶液共混法或熔融共混法混合为流体形态的混合物。
  14. 根据权利要求12所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述将所述混合物沉积到预制的具有凹陷结构的模板上固化成型为弹性聚合物基导电复合材料的步骤包括：
    通过浇注、旋涂、刮涂和丝印中的任意一种方法将所述混合物沉积到预制的具有凹陷结构的模板上；
    加热固化所述混合物或者待所述混合物自然固化后，成型为弹性 聚合物基导电复合材料。
  15. 根据权利要求12所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述导电填料包括金属导电粉、碳系导电填料、表面镀金属的导电填料、双金属导电填料中的一种或至少两种。
  16. 根据权利要求12所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述弹性聚合物为硅橡胶、天然橡胶、丁苯橡胶、聚二甲基硅氧烷、热塑性聚氨酯弹性体、苯乙烯类弹性体、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物或氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。
  17. 根据权利要求11-16任一项所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述在衬底的凸起结构的表面覆盖一导电层的步骤包括：
    通过蒸镀、化学沉积、印刷和涂布中的任意一种方法，在衬底的凸起结构的表面覆盖一导电层。
  18. 根据权利要求11-16任一项所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述导电层包括金、银、铜、铝、镍、钯、铂、碳和铟锡氧化物中的一种或至少两种导电材料。
  19. 根据权利要求11-16任一项所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，两个衬底的接触面上有相同的凸起结构，所述将两个衬底的接触面相互对准后叠扣在一起的步骤包括：
    将两个衬底的接触面的凸部与凸部或者凸部与凹部对准后叠扣在一起。
  20. 根据权利要求11-16任一项所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，所述导电层的厚度为5nm-500nm。
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