CN105806517A - 压力传感器 - Google Patents

Abstract

本公开提供了一种压力传感器，包括：上导电层、下导电层以及布置在所属上电极层和下电极层之间的绝缘层，其中所述绝缘层上形成有多个通孔。

Description

压力传感器

技术领域

本公开涉及一种压力传感器，尤其涉及一种大面积压力传感器。

背景技术

压力传感器是一种非常重要的功能部件，是一种通过传感元件感受外部压力信息，并将其转换为电信号的器件。传统上，根据工作原理的不同，压力传感器一般分为压电式、压阻式和电容式三种类型。传统的电容式压力传感器的敏感元件主要为由敏感薄膜与平行电极组成的电容器。当受到外界压力作用时，电容器敏感薄膜会发生变形,从而通过测量其平行电极之间的电容变化来实现压力大小的检测。这种传感器特点是结构简单、耗能低，灵敏度高，稳定等优点。

现在电子可穿戴设备日益流行。电子可穿戴设备对作为其重要组成部件的压力传感器提出了更高的要求，要求有更快的响应速度、更高的灵敏度、更好的弯曲性以及更舒适的穿戴体验。为了更快的响应速度和更高的灵敏度，人们通常选择具有极高弹性变形度的绝缘材料，以便在受到到较小的压力时，获得较大的变形，从而产生更大的电容变化量，由此提高响应速度和灵敏度。但是，绝缘材料的变形度毕竟有限，难以对灵敏度的提高有较大的帮助。常用压力传感器中的压阻材料频繁受到挤压，容易出现不可恢复的损坏。此外，由于穿戴设备通常需要比较大面积的压力传感器，而传统电容式压力传感器需要在绝缘薄膜上印刷银胶作为导电层(电极)，因此，大面积印刷导电胶的工艺比较困难，一旦出现印刷不均匀，将出现导电性不良的后果。

发明内容

为此，本公开提供了一种不需要在绝缘材料上刷导电胶，并且能够提供更大弹性变形的绝缘材料的电容式压力传感器。根据本公开的一种压力传感器，包括：上导电层、下导电层以及布置在所属上电极层和下电极层之间的绝缘层，其中所述绝缘层上形成有多个通孔。

根据本公开的压力传感器，所述上导电层和所述下导电层为碳纤维或铜纤维导电布。所述绝缘层为一种增强PET薄膜，其中所述通孔通过冲孔形成。

根据本公开的压力传感器，还包括位于所述绝缘层与所述上导电层和下导电层每一个之间的无孔绝缘层。所述无孔绝缘层为一种增强PET薄膜。

根据本公开的压力传感器，还包括紧贴于所述上导电层和下导层的每一个的外侧的外侧增强PET薄膜。

根据本公开的压力传感器由于采用了具有通孔的弹性绝缘层，尤其是采用了具有通孔的增强PET薄膜，因此，在压力传感器受到压力作用时，由于增强PET薄膜中通孔的存在而使得上下导电层产生更大的变形量，从而使该压力传感器的电容器的电容值变化量增大，从而显著提高压力传感器的灵敏度。由于PET薄膜具有良好的抗变形特性，在其弹性形变段，其形变是可恢复的，因此具有寿命优势。另外根据本公开的压力传感器在成本上也更有优势，常规压力传感器需要在绝缘薄膜上印刷银胶作为导电层，本公开不限于低电阻率材料，并且不需要导电层粘附于绝缘薄膜上，因此可选用低成本的例如碳纤维，铜纤维等低成本材料。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

图1所示的是根据本公开的压力传感器的示意图。

图2所示的是根据本公开的压力传感器在受到压力作用的情况下的剖视图。

图3A和3B所示的是根据本公开的压力传感器的电路示意图；

图4所示的是根据本公开的压力传感器在的绝缘层的冲孔的排列示意图。

图5所示的是根据本公开的压力传感器的安装制备过程示意图。

具体实施方式

这里将详细地对示例性实施例进行说明，其示例表示在附图中。下面的描述涉及附图时，除非另有表示，不同附图中的相同数字表示相同或相似的要素。以下示例性实施例中所描述的实施方式并不代表与本公开相一致的所有实施方式。相反，它们仅是与如所附权利要求书中所详述的、本公开的一些方面相一致的装置和方法的例子。

在本公开使用的术语是仅仅出于描述特定实施例的目的，而非旨在限制本开。在本公开和所附权利要求书中所使用的单数形式的“一种”、“所述”和“该”也旨在包括多数形式，除非上下文清楚地表示其他含义。还应当理解，本文中使用的术语“和/或”是指并包含一个或多个相关联的列出项目的任何或所有可能组合。

应当理解，尽管在本公开可能采用术语第一、第二、第三等来描述各种信息，但这些信息不应限于这些术语。这些术语仅用来将同一类型的信息彼此区分开。例如，在不脱离本公开范围的情况下，第一导电层也可以被称为第二导电层，类似地，第二导电层也可以被称为第一导电层。取决于语境，如在此所使用的词语“如果”可以被解释成为“在……时”或“当……时”或“响应于确定”。

为了使本领域技术人员更好地理解本公开，下面结合附图和具体实施方式对本公开作进一步详细说明。

图1所示的是根据本公开的压力传感器的示意图。如图1所示，根据本公开的压力传感器，由绝缘层10和彼此平行相对的第一导电层20和第二导电层30组成。所述导电层20和30为透明的碳纤维或铜纤维导电布。通过本公开的结构，将传统压力传感器上一体形成的导电层与绝缘层分开设置，也就是说，本公开的压力传感器不用在绝缘薄膜上刷导电胶作为导电层，而是采用单独导电层，即本公开将导电层独立出来。因此，可使用导电布等成熟的产品，并且理论上而言，该压力传感器的面积可以无限大。传统上，电容式压力传感器的导电层采用在绝缘层上刷导电胶的方式形成。这种传统刷导电胶的方式形成的导电层其面积受到限制，不能形成较大面积的导电层。因为大面积印刷导电胶的工艺比较困难，一旦出现印刷不均匀，将出现导电性不良。本公开的绝缘层与导电层分开设置的结构采用透明的碳纤维或铜纤维导电布作为导电层，则消除了传统工艺中不能形成大面积导电层的缺陷。因此，在需要大面积压力传感器的情况下，根据本公开的压力传感器相比传统传感器更有成本优势和制造工艺优势。

绝缘层10为一种增强PET薄膜。为了增加导电层彼此之间在受到外来压力的情况下的变形程度，本公开的传感器在该绝缘层10中通过冲孔方式形成有一些通孔40。由于本公开的电容式压力传感器的绝缘层10采用具有通孔结构的绝缘层，因此，与没有通孔的绝缘层相比，在相同的压力作用下，有通孔的绝缘层变形程度明显高于没有通孔的绝缘层，因此，导致导电层20和30之间的电容变化量更明显，这就增加了所述电容式压力传感器对压力的敏感性。而且，由于通孔的存在，导电层在压力作用下产生的变形程度增加，因此也增大了所述电容式压力传感器的高敏感性的压力范围。

因此，由于根据本公开的压力传感器能够制造成大面压力传感器，根据本公开的压力传感器可以应用于床垫、跳舞毯床垫，这样可以应用于床垫上的人体在床检测以及应用到跳舞机的地毯以感应脚踩到的按键。

可选择地，在所述绝缘层10和导电层20和30的每一个之间，布置有另一层无孔绝缘层50和60，诸如增强PET薄膜。由于在绝缘PET薄膜外包裹了无孔绝缘层，因此提高了绝缘薄膜的抗蠕变性，形成具有抗蠕变性弹性结构。

此外，为了应用于各种用途，需要在导电层20和30的外侧各贴装一层外侧绝缘层70和80。该外侧绝缘层70和80可以是增强PET薄膜。

总体而言，包括所有构成层10-80的压力传感器的成型厚度约为0.6-1.0毫米之间，厚度为0.8毫米较佳。

图2所示的是根据本公开的压力传感器在受到压力作用的情况下的变形过程剖视图。如图2所示，压力传感器受到压力的作用时，第一导电层20(也可称为上导电层)被挤压向下导电层30(也可称为下导电层)。由于绝缘层10受到挤压而弹性变形，从而导致导电层20与30之间的距离d缩小。由于绝缘层10中的冲孔40的存在，因此，在相同压力下，导致上导电层20进一步靠近下导电层30，因此导电层20与30之间的距离d更进一步缩小。

举例而言，在实际使用过程中，当将本公开结构的传感器放置在一个椅垫里，当椅子上没有人时，此时传感器不受压，传感器中位于圆形冲孔两端的导电层间的距离为最大。当人坐在椅子上时，圆形冲孔两端受到挤压，同时由于冲孔处为一个空腔体，那么两端的导电层之间的距离将缩短，此时等效于两个导电层间形成的电容值变大。

图3A和3B所示的是电容式压力传感器的原理性电路示意图。如图3A和3B所示，C_x为压力传感器的两个导电层构成的电容，C_x的两个引脚对应图1和2中的两个“碳纤维或导电布”。其中，A端为激励信号输入，B端为信号输出。图3B中的L1是电感器。图3B使用LC谐振原理测量电容。由于该电路比较清楚，本领域技术人员能够通过电路图清楚理解其结构和原理，因此不在此作进一步解释。

根据本公开的电容式压力传感器通过将压力变化量转化为电容变化量，并且通过测量电容变化量进而得到压力变化量，实现压力检测。下面的公式给出了电容量随压力变化(导电层20和30之间的距离的变化)的情况：

在上述公式中，介电常数真空ε_r＝1，k为静电力常量，S为两导电层正对面积，d为两导电层间的距离。在本公开中，介质为PET与空气，上述公式中，d为与压力相关的变量，其余均为常量。根据该公式，理论上该压力传感器的面积可以无限大。在需要大面积压力传感器的情况下，根据本公开的压力传感器相比传统传感器更有成本优势和制造工艺优势。

图4所示的是根据本公开的绝缘层的冲孔的排列示意图。如图4所示，绝缘层10上的冲孔成行交错排列，也可以并行排列，但是冲孔之间的间距相等。或者也可以采用其他排列方式，只要冲孔在绝缘层上分布均匀即可。冲孔的形状可以为圆形、椭圆形、星型、方形等。需要指出的相邻两个孔之间的距离为0.1-3毫米之间，例如，0.1、0.5、1、2、3毫米。通常冲孔的直径大约为0.2-4厘米，例如0.2、0.4、0.6、0.8、1、2、3、4厘米。

图5所示的是根据本公开的压力传感器的安装制备过程示意图。如图5所示，首先，对构成传感器的各个层材料进行切割下料，例如,切割绝缘层(S505)，切割PET绝缘薄膜(S510)，以及切割导电层(S515)。随后采用现有的工艺对绝缘层10进行冲孔加工形成绝缘层通孔40(S520)。在步骤S525处，裁切PET绝缘薄膜，包括用于隔离绝缘层10和导电层20和30的PET绝缘薄膜50和60以及包裹导电层的外部的PET绝缘薄膜70和80。在步骤S530处裁切处导电层20和30。最后，将尺寸符合设计要求的各个层状材料按照图1和2所示的方式组合层压在一起(S535)。最后对所产生的产品进行封装(S540)。

很显然，根据本公开的压力传感器结构简单，便于加工、生产。如上所解释的那样，根据本公开的压力传感器的制作工艺非常简单，在可制造性方面优于现有其他类型的压力传感器。尤其是在制作过程中省去了导电层涂刷过程，明显改善了制作环境。尤其需要指出的是，常规压力传感器需要在绝缘薄膜上印刷银胶作为导电层，本公开不限于低电阻率材料，并且不需要粘附于绝缘薄膜上，因此可选用低成本的例如碳纤维、铜纤维等低成本材料。当然，采用诸如石墨烯作为导电层会获得更好的检测效果。显然，所使用的材料为目前非常成熟的PET薄膜、碳纤维或导电布，便于获得，由此也降低了产品的成本。

总之，根据本公开的压力传感器由于采用了具有通孔的弹性绝缘层，尤其是采用了具有通孔的增强PET薄膜，因此，在压力传感器受到压力作用时，由于增强PET薄膜中通孔的存在而使得上下导电层产生更大的变形量，由此，使该压力传感器的电容器的电容值变化量增大，从而显著提高压力传感器的灵敏度。由于PET薄膜具有良好的抗变形特性，在其弹性形变段，其形变是可恢复的，因此具有寿命优势。另外根据本公开的压力传感器在成本上也更有优势，常规压力传感器需要在绝缘薄膜上印刷银胶作为导电层，本公开不限于低电阻率材料，并且不需要导电层粘附于绝缘薄膜上，因此可选用低成本的例如碳纤维，铜纤维等低成本材料。

以上结合具体实施例描述了本公开的基本原理，但是，需要指出的是，对本领域的普通技术人员而言，能够理解本公开的方法和装置的全部或者任何步骤或者部件，可以在任何计算装置(包括处理器、存储介质等)或者计算装置的网络中，以硬件、固件、软件或者它们的组合加以实现，这是本领域普通技术人员在阅读了本公开的说明的情况下运用他们的基本编程技能就能实现的。

因此，本公开的目的还可以通过在任何计算装置上运行一个程序或者一组程序来实现。所述计算装置可以是公知的通用装置。因此，本公开的目的也可以仅仅通过提供包含实现所述方法或者装置的程序代码的程序产品来实现。也就是说，这样的程序产品也构成本公开，并且存储有这样的程序产品的存储介质也构成本公开。显然，所述存储介质可以是任何公知的存储介质或者将来所开发出来的任何存储介质。

还需要指出的是，在本公开的装置和方法中，显然，各部件或各步骤是可以分解和/或重新组合的。这些分解和/或重新组合应视为本公开的等效方案。并且，执行上述系列处理的步骤可以自然地按照说明的顺序按时间顺序执行，但是并不需要一定按照时间顺序执行。某些步骤可以并行或彼此独立地执行。

上述具体实施方式，并不构成对本公开保护范围的限制。本领域技术人员应该明白的是，取决于设计要求和其他因素，可以发生各种各样的修改、组合、子组合和替代。任何在本公开的精神和原则之内所作的修改、等同替换和改进等，均应包含在本公开保护范围之内。

Claims (6)

1.一种压力传感器，包括：上导电层、下导电层以及布置在所属上电极层和下电极层之间的绝缘层，其中所述绝缘层上形成有多个通孔。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述绝缘层为一种增强PET薄膜，其中所述通孔通过冲孔形成。

3.根据权利要求1所述的压力传感器，还包括：位于所述绝缘层与所述上导电层和下导电层每一个之间的无孔绝缘层。

4.根据权利要求3所述的压力传感器，其中所述无孔绝缘层为一种增强PET薄膜。

5.根据权利要求1或4所述的压力传感器，还包括：紧贴于所述上导电层和下导层的每一个的外侧的外侧增强PET薄膜。

6.根据权利要求1所述的压力传感器，根据权利要求1所述的压力传感器，其中所述上导电层和所述下导电层为碳纤维或铜纤维导电布。