CN113074840B - 一种主动式压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种主动式压力传感器及其制备方法。该主动式压力传感器包括第一金属电极层；第二金属电极层，与所述第一金属电极层相对设置；柔性有机介电层，位于所述第一金属电极层和所述第二金属电极层之间；所述柔性有机介电层在朝向所述第二金属电极层的一侧设置有多个凹槽结构。当所述第一金属电极层背离所述第二金属电极层的一侧表面受到压力时，所述柔性有机介电层发生形变，所述凹槽结构的槽底和/或侧壁与所述第二金属电极接触摩擦产生电荷，这样所述第一金属电极层与所述第二金属电极层之间产生电势差，实现了无需外部电路供电的压力传感器设计。

Description

一种主动式压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明实施例涉及传感器技术，尤其涉及一种主动式压力传感器及其制备方法。

背景技术

随着人类生产生活的不断发展，人们越来越关注自身的健康。随着人口的老龄化趋势，社会福利和卫生保健给社会经济体系带来了沉重的负担。实时监测可以提供人体健康状况的生理信号，如脉搏、心率、呼吸频率、足底压等，对疾病的预防、诊断和治疗具有重要意义。因此，迫切需要开发经济有效的健康监测技术。

脚是人体的“第二颗心脏”，通过检测步行时足底与支撑面之间的压力大小及分布，可反映人体下肢乃至全身的结构、功能及运动控制等情况。传统的足底压力监测***或者压力监测***，由于受限于功耗和电池的寿命，不能实现长时间连续监测。

发明内容

本发明提供了一种主动式压力传感器及其制备方法，以实现无需外部电路供电的压力传感器设计。

第一方面，本发明实施例提供了一种主动式压力传感器，该主动式压力传感器包括：

第一金属电极层；

第二金属电极层，与所述第一金属电极层相对设置；

柔性有机介电层，位于所述第一金属电极层和所述第二金属电极层之间；所述柔性有机介电层在朝向所述第二金属电极层的一侧设置有多个凹槽结构；

其中，在所述第一金属电极层背离所述第二金属电极层的一侧表面受到压力时，所述柔性有机介电层发生形变，所述凹槽结构的槽底和/或侧壁与所述第二金属电极接触摩擦产生电荷，所述第一金属电极与所述第二金属电极之间产生电势差。

可选的，所述凹槽结构为拱形结构；

所述拱形结构的孔径d的取值范围为：0.3mm≤d≤0.8mm。

可选的，所述柔性有机介电层的杨氏模量E的取值范围为：0.01GPa≤E≤0.1GPa。

可选的，所述柔性有机介电层包括：

柔性基底层；

柔性孔状层，位于所述柔性基底层一侧的柔性孔状层；所述柔性孔状层包括多个开口结构；所述开口结构与所述柔性基底层构成所述凹槽结构。

可选的，所述第一金属电极层包括铜箔或者铝箔；所述第一金属电极层的厚度h1的取值范围为：10μm≤h1≤30μm；

所述第二金属电极层包括铜箔或者铝箔；所述第二金属电极层的厚度h2的取值范围为：10μm≤h2≤30μm。

可选的，该主动式压力传感器还包括：负载、第一连接导线和第二连接导线；

所述负载的一端通过所述第一连接导线与所述第一金属电极层电连接，所述负载的另一端通过所述第二连接导线与所述第二金属电极层电连接。

第二方面，本发明实施例还提供了一种主动式压力传感器的制备方法，用于制备上述第一方面所述的主动式压力传感器，该制备方法包括：

提供一模具；

在所述模具中形成所述柔性有机介电层；所述柔性有机介电层在朝向所述第二金属电极层的一侧设置有多个凹槽结构；

从所述模具中取出所述柔性有机介电层，并分别在所述柔性有机介电层相对的两侧形成第一金属电极层和第二金属电极层。

可选的，在所述模具中形成所述柔性有机介电层，包括：

将以第一预设比例混合的液态高分子聚合物和固化剂的第一流体置入所述模具中；

固化所述第一流体，以形成柔性基底层；

将以第二预设比例混合的液态高分子聚合物和固化剂的第二流体置入所述模具中的柔性基底层的一侧；

在所述第二流体中置入刚性固体，并固化所述第二流体；

将所述第二流体固化后的结构中的刚性固体剥离，以形成具有多个开口结构的柔性孔状层；所述开口结构与所述柔性基底层构成所述凹槽结构。

可选的，所述刚性固体包括直径为d的玻璃珠；

所述玻璃珠的直径d的取值范围为：0.3mm≤d≤0.8mm。

可选的，从所述模具中取出所述柔性有机介电层，并分别在所述柔性有机介电层相对的两侧形成第一金属电极层和第二金属电极层，包括：

在所述柔性有机介电层的第一侧溅射沉积第一金属薄膜，以形成第一金属电极层；

在所述有机介电层的第二侧溅射沉积第二金属薄膜，以形成第二金属电极层；所述第一侧和所述第二侧为所述柔性有机介电层相对的两侧；

或者，提供一金属片；

切割或裁剪所述金属片，以形成所述第一金属电极层和所述第二金属电极层；

将所述柔性有机介电层固定于所述第一金属电极层和所述第二金属电极层之间。

本发明通过在第一金属层和第二金属层之间中设置柔性有机介电层，该柔性有机介电层在朝向所述第二金属电极层的一侧设置有多个凹槽结构，这样当第一金属电极层背离第二金属电极层的一侧表面受到压力时，柔性有机介电层发生形变，凹槽结构的槽底和/或侧壁与所述第二金属电极层接触摩擦产生电荷，这样第一金属电极层与第二金属电极层之间产生电势差，实现了无需外部电路供电的压力传感器设计，解决了现有技术中压力传感器功耗高，无法长时间连续监测的问题。

附图说明

图1为本发明实施例提供的主动式压力传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例提供的主动式压力传感器的剖面结构图；

图3-图6为本发明实施例提供的主动式压力传感器的工作原理图；

图7是本发明实施例提供的主动式压力传感器中的开路电压与压力的大小的实验结果图；

图8是本发明实施例提供的主动式压力传感器中的开路电压与压强的大小的实验结果图；

图9是本发明实施例提供的一种主动式压力传感器的制备方法流程图；

图10是本发明实施例提供的又一种主动式压力传感器的制备方法流程图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明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本发明，而非对本发明的限定。另外还需要说明的是，为了便于描述，附图中仅示出了与本发明相关的部分而非全部结构。

图1为本发明实施例提供的主动式压力传感器的结构示意图，图2是本发明实施例提供的主动式压力传感器的剖面结构图；如图1和图2所示，该主动式压力传感器包括：第一金属电极层10；第二金属电极层20，与第一金属电极层10相对设置；柔性有机介电层30，位于第一金属电极层10和第二金属电极层20之间；柔性有机介电层30在朝向第二金属电极层20的一侧设置有多个凹槽结构A。

图3-图6为本发明实施例提供的主动式压力传感器的工作原理图，该主动式压力传感器将机械能转化电信号的工作原理为：参照图3，初始状态时，当第一金属电极层10层背离第二金属电极层20的一侧表面B受到压力时，柔性有机介电层30发生形变，凹槽结构A的槽底和/或侧壁与第二金属电极层20接触摩擦在柔性有机介电层30一侧产生负电荷，在第二金属电极层20一侧产生正电荷；参照图4，当在第一金属电极层10的一侧表面B释放压力时，凹槽结构A逐渐恢复原状，由于静电感应，柔性有机介电层30在第一金属电极层10上感应出一定的正电荷，这样在第一金属电极层10和第二金属电极层20之间形成电势差，电子从第一金属电极层10向第二金属电极层20移动以平衡电势差，形成从第二金属电极层20指向第一金属电极层10的电流；参照图5，当在第一金属电极层10的一侧表面完全释放压力时，凹槽结构A完全恢复原状，柔性有机介电层30在第一金属电极层10上感应出最大量的正电荷；参照图6，当第一金属电极层10背离第二金属电极层20的一侧表面再次受到压力时，凹槽结构A再次发生形变，由于静电感应作用，在第一金属电极层10和第二金属电极层20之间再次形成电势差，驱动电子从第二金属电极层20向第一金属电极层10移动，形成从第一金属电极层10指向第二金属电极层20的电流；再次参照图3，当第一金属电极层10背离第二金属电极层20的一侧表面受到最大的承受压力时，凹槽结构A的槽底和侧壁与第二金属电极层20再次接触摩擦在柔性有机介电层30一侧产生负电荷，在第二金属电极层20一侧产生正电荷；如此当在第一金属电极层10上施加作用力-释放作用力-再次施加作用力往复循环过程中，电子在第一金属电极层10和第二金属电极层20之间往复运动，产生交流电，实现了无需外部电路供电、零功耗、主动式压力传感器设计，解决了现有技术中压力传感器功耗高，无法长时间连续监测的问题。

需要说明的是，图7是本发明实施例提供的主动式压力传感器中的开路电压与压力的大小的实验结果图；如图7所示，在实际的压力传感器的开路电压检测过程，压力传感器测量到的第一金属电极层10和第二金属电极层20之间的开路电压与压力的大小正相关，即随着施加至第一金属电极层10上的外力的增加，测量到的第一金属电极层10和第二金属电极层20之间的开路电压逐渐增加；如此该主动式传感器可以实现根据测量到的开路电压的大小，反向表征施加压力的大小；这里建立一个理论模型进行解释：

首先，为了简化模型，如图2-3所示，假设主动式压力传感器的凹槽结构A均为半球，每个凹槽结构A视为一个单元快，总共为N；还假设当外力施加至在第一金属电极层10的一侧表面B时，第一金属电极层10以及柔性介电层30与第一金属电极层10之间的部分均不发生形变，仅凹槽结构A发生形变；这样当施加外力时，作为凹槽结构A产生固有的弹性力，该弹性力引起变形以抵消所施加的力；当弹性力和施加力相等时，凹槽结构A达到平衡并且不再变形；如图2所示，通过模拟凹槽结构A变形过程，分析施加压力F2对压力传感器测量到的第一金属电极层10和第二金属电极层20之间的开路电压V_OC的影响；其中R表示凹槽结构A的半径，

是达到平衡时的变形角，θ表示在0到/>

范围内的角；参照图2，对应角度θ的弧长为：

R dθ (1)

则变形区域面积S为：

dS＝2πR cosθ·R dθ (2)

总变形面积A_total为：

由θ变换到平衡变换角

凹槽结构A的微分回复弹性力f1为：

其中，E是凹槽结构A的有效杨氏模量；

在变形区域上形成的弹性力f_elastic为：

则主动传感器的总弹性力F_elastic为：

根据等式(3)和(6)，可得到如下关系式：

从等式(7)可知，随着施加力的增大，凹槽结构A发生更多区域变形，然后产生更大的弹力F_elastic以平衡施加力；同时随着施加力的增大，凹槽结构A的槽底和/或侧壁与第二金属电极层20接触摩擦在柔性有机介电层30一侧产生负电荷，在第二金属电极层20一侧产生正电荷；摩擦电表面正负电荷Q可以表示为：

其中，σ₀表示表面电荷密度；

则凹槽结构A与第二金属电极层20接触分离，在所述第一金属电极层与所述第二金属电极层之间产生电势差VOC为：

/>

其中，ε₀是真空的介电常数，x是两个金属电极层之间的分隔距离，S是主动传感器的面积。

由上述公式(9)可知：由于在平衡状态下，弹性力F_elastic和施加力F2相等，V_oc与施加压力F2之间的关系满足：

由公式(10)表明：施加压力F2与V_oc之间存在着正相关的关系，即随着外部压力的增加，测量到的第一金属电极层10和第二金属电极层20之间的开路电压增加。

另外，图8是本发明实施例提供的主动式压力传感器中的开路电压与压强的大小的实验结果图；如图8所示，由于压强的大小于与压力大小和凹槽结构A的横截面积相关，可以理解的是，当凹槽结构A的横截面积一定时，压力传感器测量得到的第一金属电极层10和第二金属电极层20之间的开路电压与压强的大小也是正相关的。

可选的，继续参照图1-2，凹槽结构A为拱形结构；拱形结构的孔径d的取值范围为：0.3mm≤d≤0.8mm。

其中，柔性有机介电层30中凹槽结构A为拱形结构，拱形结构的孔径大小的选取可以根据不同压力大小的检测范围而定；本实施例中压力传感器的拱形结构孔径可变，可以适用于不同压力大小范围的检测。在实际的压力传感器的设计中，若拱形结构孔径大小太大，在外力施加到第一金属电极层10上，会出现拱形结构无法恢复形变，导致压力传感器检测失效；若拱形结构孔径大小太小，外力施加到第一金属电极层10，会出现无法测量到压力传感器的开路电压；优选的，拱形结构的孔径d的取值范围为：0.3mm≤d≤0.8mm，一方面，可以满足不同压力大小的检测；另一方面，通过选取不同孔径大小的拱形结构，可以调控压力传感器检测的灵敏度。这里压力传感器的灵敏度表征为单位压强内电压的变化值。

可选的，继续参照图1-2，柔性有机介电层30的杨氏模量E的取值范围为：0.01GPa≤E≤0.1GPa。

其中，柔性有机介电层30的杨氏模量E的取值范围为：0.01GPa≤E≤0.1GPa，以满足柔性有机介电层30超大的形变量，保证了压力传感器较大的压力检测范围，也保证了压力传感器较高的灵敏度。示例性的，柔性有机介电层30的材料可以包括但不限于聚二甲基硅氧烷、聚碳硅烷、硅橡胶、聚四氟乙烯和聚偏氟乙烯中的一种或多种的组合。

可选的，继续参照图2，柔性有机介电层30包括：柔性基底层31；柔性孔状层32，位于柔性基底层31一侧的柔性孔状层32；柔性孔状层32包括多个开口结构；开口结构与柔性基底层31构成凹槽结构A。

其中，设置柔性基底层31，可以保证柔性孔状层32内的多个开口结构为规则的拱形结构，以形成具有阵列排布的凹槽结构的柔性有机介电层30，保证在外力作用下柔性有机介电层30较大的形变量。

可选的，继续参照图1-2，第一金属电极层10包括铜箔或者铝箔；第一金属电极层10的厚度h1的取值范围为：10μm≤h1≤30μm；第二金属电极层20包括铜箔或者铝箔；第二金属电极层20的厚度h2的取值范围为：10μm≤h2≤30μm。其中，第一金属电极层10及第二金属电极层20均保持合适的厚度，实现了柔性有机介电层30轻薄化设计，便于主动式压力传感器可穿戴测量。

可选的，参照图1-6，该主动式压力传感器还包括负载R、第一连接导线和第二连接导线；负载R的一端通过第一连接导线与第一金属电极层10电连接，负载R的另一端通过第二连接导线与第二金属电极层20电连接。这样在第一金属电极层10上施加作用力-释放作用力-再次施加作用力往复循环过程中，第一金属电极层10和第二金属电极层20之间存在一定的电流，电流流经负载R，能量得以在负载R上释放。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种主动式压力传感器的制备方法，图9是本发明实施例提供的一种主动式压力传感器的制备方法流程图，如图9所示，该制备方法用于制备本发明实施例提供的主动式压力传感器，该制备方法具体包括以下步骤：

S110、提供一模具；

示例性的，模具可由亚克力板制成，通过激光切割机对亚克力板进行切割，并使用双面胶带固定，以形成长方体的模组。

S120、在模具中形成柔性有机介电层；

其中，柔性有机介电层在朝向第二金属电极层的一侧设置有多个凹槽结构；具体的，可以通过在液态高分子聚合物和固化剂中加入刚性固体，静置固化液态高分子聚合物预设时间，然后将刚性固体取出，在朝向第二金属电极层一侧形成多个凹槽结构的柔性有机介电层。

S130、从模具中取出柔性有机介电层，并分别在柔性有机介电层相对的两侧形成第一金属电极层和第二金属电极层。

其中，在柔性有机介电层两侧形成第一金属电极层和第二金属电极层，如此当在第一金属电极层一侧施加作用力时，柔性有机介电层发生形变，柔性有机介电层内的凹槽结构的槽底和侧壁与第二金属电极层接触摩擦，并在释放作用力-再次施加作用力往复循环过程中，由于静电感应，第一金属电极层和第二金属电极层之间产生电动势，电子在第一金属电极和第二金属电极之间往复运动，产生交流电，实现了无需外部电路供电、零功耗、主动式压力传感器设计。

可选的，在上述实施例的基础上，进一步细化柔性有机介电层的制备流程，图10是本发明实施例提供的又一种主动式压力传感器的制备方法流程图；如图10所示，该制备方法包括：

S210、提供一模具；

S220、将以第一预设比例混合的液态高分子聚合物和固化剂的第一流体置入模具中；

S230、固化第一流体，以形成柔性基底层；

其中，液态高分子聚合物可以为有机硅橡胶；固化剂可以为硅胶固化剂；具体的，取2ml的有机硅橡胶和40μl的硅胶固化剂形成的第一流体放置至模具中，搅拌均匀，使有机硅橡胶均匀地铺在模具底部，静置约2小时，待有机硅橡胶固化，形成一层厚度为0.5mm的柔性基底层。

S240、将以第二预设比例混合的液态高分子聚合物和固化剂的第二流体置入模具中的柔性基底层的一侧；

其中，液态高分子聚合物可以为有机硅橡胶；固化剂可以为硅胶固化剂；具体的，取5ml的有机硅橡胶和100μl的硅胶固化剂形成的第二流体放置至柔性基底层上，搅拌均匀，约静置1min，待有机硅橡胶均匀铺展在柔性基底层上。

S250、在第二流体中置入刚性固体，并固化第二流体；

其中，刚性固体包括直径为d的玻璃珠；玻璃珠的直径d的取值范围为：0.3mm≤d≤0.8mm。将不同直径大小的玻璃珠均匀地铺在第二流体上，玻璃珠由于重力作用陷入第二流体中，静置约2小时，直到固化第二流体。如此选取不同大小的玻璃珠，以后续形成不同的柔性有机介电层，以实现压力传感器不同压力大小范围的检测。

S260、将第二流体固化后的结构中的刚性固体剥离，以形成具有多个开口结构的柔性孔状层；开口结构与柔性基底层构成凹槽结构。

其中，待第二流体完全固化，将玻璃弹珠从固化的第二流体中取下，在柔性基底层上形成柔性孔状层；如此柔性基底层可以起到支撑柔性孔状层的作用，保证柔性孔状层内的多个开口结构为规则的拱形结构，以形成具有阵列排布的凹槽结构的柔性有机介电层，保证在外力作用下柔性有机介电层较大的形变量。

S270、从模具中取出柔性有机介电层，在柔性有机介电层的第一侧溅射沉积第一金属薄膜，以形成第一金属电极层；在柔性有机介电层的第二侧溅射沉积第二金属薄膜，以形成第二金属电极层；第一侧和第二侧为柔性有机介电层相对的两侧；

其中，可以通过溅射沉积得到致密、平整的第一金属电极层和第二金属电极层；或者通过提供一金属片，然后切割或裁剪金属片，以形成第一金属电极层和第二金属电极层；并用两根导线分别从第一金属电极层和第二金属电极层引出，连接一负载，完成压力传感器的制备。这样当在该压力传感器中的第一金属电极层一侧施加作用力时，柔性有机介电层发生形变，柔性有机介电层内的凹槽结构的槽底和侧壁与第二金属电极接触摩擦，并在释放作用力-再次施加作用力往复循环过程中，由于静电感应，第一金属电极层和第二金属电极层之间产生电动势，电子在第一金属电极和第二金属电极之间往复运动，产生交流电，实现了无需外部电路供电、零功耗、主动式压力传感器设计。

注意，上述仅为本发明的较佳实施例及所运用技术原理。本领域技术人员会理解，本发明不限于这里所述的特定实施例，对本领域技术人员来说能够进行各种明显的变化、重新调整和替代而不会脱离本发明的保护范围。因此，虽然通过以上实施例对本发明进行了较为详细的说明，但是本发明不仅仅限于以上实施例，在不脱离本发明构思的情况下，还可以包括更多其他等效实施例，而本发明的范围由所附的权利要求范围决定。

Claims (9)

1.一种主动式压力传感器，其特征在于，包括：

第一金属电极层；

第二金属电极层，与所述第一金属电极层相对设置；

柔性有机介电层，位于所述第一金属电极层和所述第二金属电极层之间；所述柔性有机介电层在朝向所述第二金属电极层的一侧设置有多个凹槽结构；

其中，在所述第一金属电极层背离所述第二金属电极层的一侧表面受到压力时，所述柔性有机介电层发生形变，所述凹槽结构的槽底和/或侧壁与所述第二金属电极层接触摩擦产生电荷，所述第一金属电极层与所述第二金属电极层之间产生电势差；

所述凹槽结构为拱形结构；

所述拱形结构的孔径d的取值范围为：0.3mm≤d≤0.8mm。

2.根据权利要求1所述的主动式压力传感器，其特征在于， 所述柔性有机介电层的杨氏模量E的取值范围为：0.01GPa≤E≤0.1GPa。

3.根据权利要求1所述的主动式压力传感器，其特征在于，所述柔性有机介电层包括：

柔性基底层；

柔性孔状层，位于所述柔性基底层一侧的柔性孔状层；所述柔性孔状层包括多个开口结构；所述开口结构与所述柔性基底层构成所述凹槽结构。

4.根据权利要求1所述的主动式压力传感器，其特征在于，所述第一金属电极层包括铜箔或者铝箔；所述第一金属电极层的厚度h1的取值范围为：10μm≤h1≤30μm；

所述第二金属电极层包括铜箔或者铝箔；所述第二金属电极层的厚度h2的取值范围为：10μm≤h2≤30μm。

5.根据权利要求1～4任一项所述的主动式压力传感器，其特征在于，还包括：负载、第一连接导线和第二连接导线；

所述负载的一端通过所述第一连接导线与所述第一金属电极层电连接，所述负载的另一端通过所述第二连接导线与所述第二金属电极层电连接。

6.一种主动式压力传感器的制备方法，用于制备权利要求1～5任一项所述的主动式压力传感器，其特征在于，包括：

提供一模具；

在所述模具中形成所述柔性有机介电层；所述柔性有机介电层在朝向所述第二金属电极层的一侧设置有多个凹槽结构；

从所述模具中取出所述柔性有机介电层，并分别在所述柔性有机介电层相对的两侧形成第一金属电极层和第二金属电极层。

7.根据权利要求6所述的主动式压力传感器的制备方法，其特征在于，在所述模具中形成所述柔性有机介电层，包括：

将以第一预设比例混合的液态高分子聚合物和固化剂的第一流体置入所述模具中；

固化所述第一流体，以形成柔性基底层；

将以第二预设比例混合的液态高分子聚合物和固化剂的第二流体置入所述模具中的柔性基底层的一侧；

在所述第二流体中置入刚性固体，并固化所述第二流体；

将所述第二流体固化后的结构中的刚性固体剥离，以形成具有多个开口结构的柔性孔状层；所述开口结构与所述柔性基底层构成所述凹槽结构。

8.根据权利要求7所述的主动式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述刚性固体包括直径为d的玻璃珠；

所述玻璃珠的直径d的取值范围为：0.3mm≤d≤0.8mm。

9.根据权利要求6所述的主动式压力传感器的制备方法，其特征在于，从所述模具中取出所述柔性有机介电层，并分别在所述柔性有机介电层相对的两侧形成第一金属电极层和第二金属电极层，包括：

在所述柔性有机介电层的第一侧溅射沉积第一金属薄膜，以形成第一金属电极层；

在所述有机介电层的第二侧溅射沉积第二金属薄膜，以形成第二金属电极层；所述第一侧和所述第二侧为所述柔性有机介电层相对的两侧；

或者，提供一金属片；

切割或裁剪所述金属片，以形成所述第一金属电极层和所述第二金属电极层；将所述柔性有机介电层固定于所述第一金属电极层和所述第二金属电极层之间。

Images