CN108444619A - 一种压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本公开内容在第一方面提供了一种柔性压力传感器，第二方面提供了第一方面中所述柔性压力传感器的制备方法。本公开内容所述技术方案通过在柔性基底上依次打印电极阵列、刮涂压敏材料，制备了结构简单的柔性压力传感器，避免了昂贵设备和复杂工艺的使用，具有器件结构简单、灵敏度高、成本低、可快速且大面积制备的技术效果。

Description

一种压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及压力传感器及其制备方法，具体涉及一种柔性电容式压力传感器及其制备方法。

背景技术

压力传感器是将感受到的压力信号按照一定规律转化为电信号进行输出的器件或装置，通常由压力敏感元件和信号处理单元组成。压力传感器广泛应用于工业自控环境中，应用领域涉及石油石化、航空航天、生产自控、智能建筑、铁路交通、水利水电、电力、军工、机床等，具体用于压力、高度、加速度、液体的流量、流速、液位、压强的测量与控制。

1945年，史密斯发现了硅和锗的压阻效应，即当机械力作用于半导体材料时，其电阻将明显发生变化。最初的结构是将应变电阻片粘在金属薄膜上，即将力信号转化成电信号进行测量。随着材料技术、微机械加工技术和微电子技术的发展，压力传感器的结构从传统设计转向微结构化设计，并取得了长足的发展。压力传感器种类较多，应用较广泛的有压阻式压力传感器和电容式压力传感器等，其中压阻式压力传感器因其制备工艺与工业半导体工艺兼容性高、制备工艺简单而应用最为广泛。但是压阻式压力传感器温度特性差、灵敏度低、功耗大，在可靠性、精度要求高的应用领域效果不理想。电容式压力传感器普遍采用平板电容方式，将压敏材料膜作为电容器的介质层，在受到外力作用时，压敏膜感知外力发生形变，造成电容器两极间距变化，从而引起电容变化。

近些年来，由于柔性电子的兴起，柔性高分子聚合物材料如聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚乙烯等由于其成本低，柔性好，粘附性好、内应力低、制备工艺简单、介电性能优异等优点被广泛用来制备柔性电容式传感器。

在以改分子材料为介质层的电容式压力传感器的现有技术中，存在的问题主要有两方面：1)为了提高传感器的灵敏度，通常对压敏材料进行微结构化处理，而现有技术中主要通过光刻显影制备掩模版，然后溅射或蒸镀金属电极，形成微阵列或纳米阵列电极传感器，该工艺涉及的设备昂贵、制备工艺复杂，电极结构设计灵活性受限，且不利于大面积制备，且工艺过程涉及参数较多，电极的灵敏度有待提高，中国专利申请CN107219194A中记载了通过热转印法制备具备应激响应的图案化微纳米结构的聚电解质复合物的方法，其图案化过程涉及首先在图案化的硅基板培养皿中制备聚二甲基硅氧烷(PDMS)图案化***，然后以PDMS***为模板，热转移制备图案化微纳米结构的聚电解质复合物，其制备过程中参数较多，工艺复杂；2)压敏材料或介质层材料多采用匀胶机旋涂形成，如CN106098927A号中国专利申请中记载了一种三明治式柔性电容式压力传感器，其中通过旋涂法制备PDMS层，旋涂工艺易造成原材料的浪费，使成本升高。

因此，提供一种具有高灵敏度、成本低、制备工艺简单、可快速大面积制备的柔性压力传感器及其制备方法是现有技术中亟待解决的问题。

发明内容

为了解决以上现有技术中存在的问题，本发明人在经过大量试验后，在本发明的第一方面提供了一种柔性压力传感器，该压力传感器具有微阵列化特性，因而具有高灵敏度，以及较好的线性响应特性；第二方面提供了第一方面中所述柔性压力传感器的制备方法，其首先在第一衬底和第二衬底上分别通过喷墨打印法制备微阵列电极，然后分别在所述第一和第二电极层上刮涂压敏材料复合物形成压敏材料层，并将两个压敏材料层相对贴合形成压力传感器，所述喷墨打印制备微阵列电极工艺以及刮涂压敏材料复合物制备压敏材料层的工艺实现了压力传感器的全打印法制备，简化了设备及工艺，同时避免了现有技术中喷涂、旋涂工艺造成的原料浪费，以及光刻、蒸镀电极造成的高成本。

本发明在第一方面提供了一种压力传感器，包括：

第一衬底；

第一电极层，打印于所述第一衬底上；

第二衬底；

第二电极层，打印于所述第二衬底上；

压敏材料层，位于所述第一电极层与所述第二电极层之间；其中，

所述压敏材料层由具有压敏特性的有机材料制得；所述电极层为微阵列电极。

优选地，所述有机材料为有机硅材料和/或弹性聚氨酯橡胶中的至少一种。

优选地，所述第一电极层的电极阵列与所述第二电极层的阵列相互垂直分布。

优选地，所述第一衬底和所述第二衬底为柔性衬底；更优选地，所述柔性衬底为选自PET、PEN或PI薄膜中的一种或两种。

优选地，所述第一电极层和所述第二电极层为银、铜、镍等金属导体电极或者PEDOT：PSS、聚苯胺、聚吡咯等有机导体中的一种或者任意两种组合。

本发明在第二方面提供了第一方面所述的压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)在所述第一衬底上打印所述第一电极层；

2)在所述第一电极层上刮涂压敏复合物，形成压敏材料层；

3)在所述第二衬底上打印所述第二电极层；

4)在所述第二电极层上刮涂压敏复合物，形成压敏材料层；

5)选取大小相同的覆有压敏材料层的第一电极层与覆有压敏材料的第二电极层，使两者的压敏材料层相对贴合，并使所述第一电极层的阵列与所述第二电极层的阵列垂直。

在以上技术方案中，在柔性基底上依次通过喷墨打印法制备微阵列电极、通过刮涂压敏材料复合物制备压敏材料层，实现了柔性压力传感器的全打印法制备，所制备的柔性压力传感器结构简单、灵敏度高、线性响应良好、稳定性好、成本低的技术效果，且所述用于制备该柔性压力传感器的技术方案工艺简单、可快速大面积制备传感器件。

另外，以上方案可以用于其他薄膜传感器的制备。

附图说明

图1为本发明优选的实施例中所述的柔性压力传感器在不同压力情况下的时间-电容曲线。

图2为本发明优选的实施例中所述的柔性压力传感器的压敏特性曲线。

图3为本发明优选的实施例中所述的柔性压力传感器在恒定压力下的响应和恢复曲线。

具体实施方式

为使本发明的上述及其他目的、特征及优点能更明显易懂，下文结合附图和优选的实施例对本发明的结构及使用方法做进一步说明，但实施例不视为对本发明的保护范围的限定。

实施例1

压力传感器的制备：

1)柔性电极阵列的制备：在柔性衬底上喷墨打印带状的银电极条纹，电极条纹的宽度以及条纹间距可根据需要调节。

2)配制PDMS压敏胶：将PDMS基体与固化剂以10:1的比例混合搅拌30min后，在真空环境下静置20min以去除气泡，后得到粘稠状的PDMS压敏胶。

3)将PDMS压敏胶刮涂到柔性电极阵列上，然后选择两片相同大小的涂有PDMS压敏胶的电极贴附形成三明治夹心结构，两电极阵列相互垂直，于70℃下固化2h后制备得到柔性压力传感器。

压力传感器性能测试：

将所制备的柔性阵列式压力传感器采用WK6515B精密阻抗分析仪(Wayne KerrElectronics)测试其不同压力情况下的电容变化。

图1为通过实施例1中所述方法制备的压力传感器在不同压力情况下的时间-电容曲线，从图中可知，当压力增加时，电容明显增加，压力降低时电容也相应减少，且该压力传感器对不同的压力具有较好的分辨能力，说明所制备的压力传感器具有高灵敏度。

图2为通过实施例1中所述方法制备的压力传感器在不同压力下的电容特性曲线，结果显示传感器的电容与其受到的压力呈现正相关特性，且电容与压力的对数值具有较好的正线性相关性。

图3为通过实施例1中所述方法制备的压力传感器在50g压力下的响应和恢复曲线。从图可知，压力响应和恢复时间较快，多次测试结果保持稳定，说明器件具有良好的稳定性。

以上仅为本发明的较佳实施例，不能以此限定本发明的保护范围，本领域技术人员在脱离本发明的原理的前提下，根据本发明权利要求书及发明内容所做的简单的等效变化与修改，皆仍属于本发明专利申请的保护范围。

Claims (7)

1.一种压力传感器，包括：

第一衬底；

第一电极层，打印于所述第一衬底上；

第二衬底；

第二电极层，打印于所述第二衬底上；

压敏材料层，位于所述第一电极层与所述第二电极层之间；其中，

所述压敏材料是具有压敏特性的有机材料；所述电极为微阵列电极。

2.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述压敏特性的有机材料为有机硅材料和/或弹性聚氨酯橡胶中的至少一种。

3.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述第一电极层的电极阵列与所述第二电极层的阵列相互垂直分布。

4.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述第一衬底和所述第二衬底为柔性衬底。

5.如权利要求4所述的压力传感器，其特征在于：所述柔性衬底为选自PET、PEN或PI薄膜中的一种或两种。

6.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述第一电极层和所述第二电极层银、铜、镍等金属导体电极或者PEDOT：PSS、聚苯胺、聚吡咯等有机导体中的一种或者任意两种组合。

7.如权利要求1-6中任一项所述的压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)在所述第一衬底上打印所述第一电极层；

2)在所述第一电极层上刮涂压敏复合物，形成压敏材料层；

3)在所述第二衬底上打印所述第二电极层；

4)在所述第二电极层上刮涂压敏复合物，形成压敏材料层；

5)选取大小相同的覆有压敏材料层的第一电极层与覆有压敏材料的第二电极层，使两者的压敏材料层相对贴合，并使所述第一电极层的阵列与所述第二电极层的阵列垂直。