CN113405700A - 一种大面积薄膜压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种大面积薄膜压力传感器。该大面积薄膜压力传感器包括：上封装层和下封装层；电极层，设置于所述下封装层上，且所述电极层与外部电源连接；纳米敏感层，以薄膜状形态形成于所述上封装层上；柔性支撑层，设置在所述纳米敏感层和所述电极层之间，且构造成在所述大面积薄膜压力传感器受到外界压力时允许所述纳米敏感层和所述电极层的接触，在所述外界压力撤销时使得所述纳米敏感层和所述电极层完全分离。本发明的大面积薄膜压力传感器极大提高了薄膜压力传感器输出性能的一致性以及稳定性。
Description
技术领域
本发明涉及压力检测技术领域，尤其涉及一种大面积薄膜压力传感器。
背景技术
薄膜压力传感器具有良好的柔韧性、延展性、甚至可自由弯曲甚至折叠，而且结构形式灵活多样，可根据测量条件的要求任意布置，能够非常方便地对复杂被测量进行检测。因而，新型柔性传感器在电子皮肤、医疗保健、电子、电工、运动器材、纺织品、航天航空、环境监测等领域受到广泛应用。
然而，当薄膜压力传感器的面积较大时，则面临着自坍塌和形变恢复慢的问题。传统的薄膜压力传感器包括电极层和敏感薄膜层，在薄膜压力传感器受到压力时，该电极层和敏感薄膜层相互靠近接触，从而使器件的电阻发生变化，进而检测出外界压力。图1示出了现有技术中大面积薄膜压力传感器的电阻- 时间变化曲线图。如图1所示，该大面积薄膜压力传感器在受到外界压力时，敏感薄膜层与电极层接触，电阻开始发生变化，随着压力减小，电阻变化慢慢回复至零，然而由于薄膜过大，张力不够，会产生自坍塌的问题，薄膜无法回复至原始状态，故当外力完全撤销后，敏感薄膜层与电极层之间还是存在一定的接触，电阻无法回复至原来状态，会有一个R1的差值，而且回复过程比较缓慢，需要3s回复时间。
发明内容
本发明的一个目的是要解决现有技术中大面积薄膜压力传感器在受到外界压力后由于自塌陷问题，薄膜无法回复至原始状态，使得薄膜压力传感器输出性能一致性差且稳定性差的技术问题。
本发明的一个进一步的目的在于避免大面积薄膜压力传感器塌陷，且加快大面积薄膜压力传感器的电阻回复至原始状态。
特别地，本发明提供了一种大面积薄膜压力传感器，包括：
上封装层和下封装层；
电极层，形成于所述下封装层上，且所述电极层与外部电源连接；
纳米敏感层，以薄膜状形态形成于所述上封装层上；
柔性支撑层，设置在所述纳米敏感层和所述电极层之间，且构造成在所述大面积薄膜压力传感器受到外界压力时允许所述纳米敏感层和所述电极层的接触，在所述外界压力撤销时使得所述纳米敏感层和所述电极层完全分离。
可选地，所述纳米敏感层和所述电极层均构造成连续的；
所述电极层和所述纳米敏感层上下对齐布置。
可选地，所述纳米敏感层的面积大于或等于第一预设面积，所述第一预设面积是所述纳米敏感层在悬空状态时能够出现自塌陷的最小面积。
可选地，所述电极层的面积大于或等于第二预设面积，所述第二预设面积是所述纳米敏感层在悬空状态时能够出现自塌陷的最小面积。
可选地，所述柔性支撑层构造成能够由所述纳米敏感层和/或所述电极层的外边缘区域逐渐向中心区域为所述纳米敏感层和/或所述电极层提供多个支撑点。
可选地，所述柔性支撑层的多个支撑点阵列式排布。
可选地，所述柔性支撑层构造成网格形、锯齿形、同心圆环形或迷宫型。
可选地，所述电极层构造为叉指电极；
所述叉指电极的电极密度与所述柔性支撑层的所述多个支撑点的密度是相互匹配的，以在所述大面积薄膜压力传感器受到外界压力时，避免所述柔性支撑层影响所述纳米敏感层和所述电极层的接触，并在所述外界压力撤销时支撑所述纳米敏感层和所述电极层，并使得所述纳米敏感层和所述电极层能够完全分离。
可选地，所述叉指电极的电极密度与所述柔性支撑层的所述多个支撑点的密度设置成，在所述大面积薄膜压力传感器受到外界压力时，允许所述纳米敏感层能够至少同时接触到所述叉指电极的四根电极。
可选地，所述下封装层上形成有凹槽，所述凹槽与所述电极层的形状匹配，以允许所述电极层嵌入所述凹槽内，并使所述电极层的上表面与所述下封装层的上表面齐平。
根据本发明的方案，通过在电极层和纳米敏感层之间增加柔性支撑层，并使柔性支撑层构造成在大面积薄膜压力传感器受到外界压力时允许纳米敏感层和电极层的接触，在外界压力撤销时使得纳米敏感层和电极层完全分离，由此可以解决大面积薄膜压力传感器由于自塌陷问题导致其电阻无法回复至原始状态的技术问题，从而极大提高了薄膜压力传感器输出性能的一致性。
进一步地，通过设计柔性支撑层的结构，并在设计过程中考虑使叉指电极的结构，使叉指电极的电极密度与柔性支撑层的多个支撑点的密度是相互匹配的，以在大面积薄膜压力传感器受到外界压力时，避免柔性支撑层影响纳米敏感层和电极层的接触，并在外界压力撤销时支撑纳米敏感层和电极层，并使得纳米敏感层和电极层能够完全分离。由此可以极大加快大面积薄膜压力传感器的电阻回复至原始状态的时间，达到回复时间1s左右的快速回复目的。
根据下文结合附图对本发明具体实施例的详细描述，本领域技术人员将会更加明了本发明的上述以及其他目的、优点和特征。
附图说明
后文将参照附图以示例性而非限制性的方式详细描述本发明的一些具体实施例。附图中相同的附图标记标示了相同或类似的部件或部分。本领域技术人员应该理解，这些附图未必是按比例绘制的。附图中：
图1示出了现有技术中大面积薄膜压力传感器的电阻-时间变化曲线图；
图2示出了根据本发明的一个实施例的大面积薄膜压力传感器的示意性结构图；
图3示出了根据本发明一个实施例的大面积薄膜压力传感器在不同压力下的电压-电流图；
图4示出了根据本发明一个实施例的同一个大面积薄膜压力传感器分别测试三次的灵敏度曲线图；
图中：1-上封装层，2-纳米敏感层，3-柔性支撑层，4-下封装层，5-电极层。
具体实施方式
图2示出了根据本发明的一个实施例的大面积薄膜压力传感器的示意性结构图。如图2所示，该大面积薄膜压力传感器包括上封装层1、下封装层4、电极层5、纳米敏感层2和柔性支撑层3。该电极层5形成于下封装层4上，且电极层5与外部电源连接。该纳米敏感层2以薄膜状形态形成于所述上封装层1上。该柔性支撑层3设置在所述纳米敏感层2和所述电极层5之间，且构造成在所述大面积薄膜压力传感器受到外界压力时允许所述纳米敏感层2和所述电极层5的接触，在所述外界压力撤销时使得所述纳米敏感层2和所述电极层5完全分离。
根据本发明的方案，通过在电极层5和纳米敏感层2之间增加柔性支撑层3，并使柔性支撑层3构造成在大面积薄膜压力传感器受到外界压力时允许纳米敏感层2和电极层5的接触，在外界压力撤销时使得纳米敏感层2和电极层 5完全分离，由此可以解决大面积薄膜压力传感器由于自塌陷问题导致其电阻无法回复至原始状态的技术问题，从而极大提高了薄膜压力传感器输出性能的一致性。
在一个实施例中，该电极层5和该纳米敏感层2均为连续的，即电极层5 由一个电极构成，纳米敏感层2的薄膜结构是连续的。并且，该电极层5和纳米敏感层2上下对齐布置。
该上封装层1和下封装层4的形状可以是任意形状，例如可以是圆形、椭圆形、正方形、长方形等。该电极层5例如可以是叉指电极，叉指电极由多个梳状或指状的电极周期性排布组成，该叉指电极例如可以是圆形、长方形或正方形等。该电极层5的材料可以选择为铜、铝、银等金属，可通过磁控溅射、微纳加工、真空镀膜技术和激光划线工艺等方法制成。在一个实施例中，该电极层5的面积大于或等于第二预设面积，第二预设面积是纳米敏感层2在悬空状态时能够出现自塌陷的最小面积。此处“悬空状态”是指，将下封装层4和设置在其上的电极层5作为一个整体，使电极层5为朝向下方的倒置状态。若纳米材料层和电极层5之间没有设置柔性支撑层3，则在悬空状态下且电极层 5面积较大的情况下，电极层5是有自塌陷的风险的，并且，在器件受到外界压力时，塌陷的电极层5不易回复至初始状态。
该纳米敏感层2的面积大于或等于第一预设面积，该第一预设面积是纳米敏感层2在悬空状态时能够出现自塌陷的最小面积。此处“悬空状态”是指，将上封装层1和设置在其上的纳米敏感层2作为一个整体，使纳米敏感层2为朝向下方的倒置状态。若纳米材料层和电极层5之间没有设置柔性支撑层3，则在悬空状态下且纳米敏感层2面积较大的情况下，纳米敏感层2是有自塌陷的风险的，并且，在器件受到外界压力时，塌陷的纳米敏感层2不易回复至初始状态。该纳米敏感层2优选选择为导电纳米油墨材料，该导电纳米油墨材料的组成成分包括导电碳材料、高分子聚合物以及无机半导体材料等，该导电碳材料例如可以为无定型碳、石墨烯、碳纳米管等。该高分子聚合物例如可以为 PDMS，该高分子聚合物的作用为作为填充物以及成膜。该无机半导体材料例如可以选择为二氧化硅，其可以作为分散剂。该纳米敏感层2的制备方法包括浸涂、旋转涂料、丝网印刷和喷墨印刷等。
该柔性支撑层3构造成能够由纳米敏感层2和/或电极层5的外边缘区域逐渐向中心区域为纳米敏感层2和/或电极层5提供多个支撑点。该柔性支撑层3 的多个支撑点阵列式排布。该多个支撑点可以扩大理解为支撑点、支撑线或支撑面。例如，该柔性支撑层3可以构造成网格形、锯齿形、同心圆环形或迷宫型。该柔性支撑层3的材料为绝缘材料，例如可以为液体胶水、固体胶、胶膜和UV胶等。在该实施例中，该大面积薄膜压力传感器的封装可以是通过液体胶水、固体胶、胶膜、UV胶或注塑等方式进行粘合封装。
该柔性支撑层3的结构设计是要考虑电极层5的结构。叉指电极的电极密度与柔性支撑层3的多个支撑点的密度是相互匹配的，以在大面积薄膜压力传感器受到外界压力时，避免柔性支撑层3影响纳米敏感层2和电极层5的接触，并在外界压力撤销时支撑纳米敏感层2和电极层5，并使得纳米敏感层2和电极层5能够完全分离。以下以大面积薄膜压力传感器器件为球拍形为例进行说明。
该大面积薄膜压力传感器的上封装层1和下封装层4均具有头部和与头部连接的颈部。该上封装层1和下封装层4的头部均构造成椭圆形。该下封装层 4上还构造有凹槽，该凹槽的形状与电极层5的形状匹配，且该凹槽从下封装层4的头部延伸至颈部，以使该电极层5嵌入该凹槽，并从下封装层4的头部延伸至颈部，且该电极层5的上表面与该下封装层4的上表面齐平。由于将电极层5嵌入下封装层4的凹槽内，可以进一步避免电极层5的自塌陷问题。
该电极层5构造成椭圆形，与下封装层4的形状保持一致，且该电极层5 选择为叉指电极。该叉指电极由多个指状或梳状电极以椭圆形阵列的形式周期性排布。该纳米敏感层2是薄膜状，同样可以形成为椭圆状。该柔性支撑层3 例如可以为同心圆环形，即由多个同心圆环组成。该多个指状或梳状电极之间的间距与该多个同心圆环之间的间距具有一定的关系，不是任意间距都可以，间距选择不合适则可能会导致器件无法实现其基本功能(检测压力的功能)。以下通过实验验证数据来详说明。
实验中，选择了四种不同间距，分别是0.05mm、0.5mm、1.5mm和3mm，在间距为1.5mm时，最终获得的电阻变化是最明显的，且电阻每次都可以回复至原始状态，并且电阻回复时间为1s左右，也就是说，在多个同心圆环的间距选择为1.5mm时，器件的灵敏度是最高的，同时可以解决现有技术中的器件在受压后电阻无法回复至原始状态，且电阻回复过程较慢的技术问题。而经过实验验证发现，该同心圆环的间距不限于上述间距，可以是在范围为0.5-5mm之间的任一值。该同心圆环的间距反应了支撑点的密度，间距越小，密度越大，间距越大，密度则小。也就是说，该柔性支撑层3的支撑点是具有一个最优密度的，可以根据该柔性支撑层3的结构来确定其最优密度。
在最优密度下，电极层5中各个电极的间距也会对压力检测性能产生影响。当各个电极的间距太疏，大于最优密度时，器件受压后纳米敏感层2接触不到电极层5，此时会没有电信号。各个电极的间距过密，虽然对于压力检测性能提升有帮助，但是会增加制造工艺难度，因此保证最优密度下，器件受压后纳米敏感层2能接触到至少四根电极即可在制造工艺和性能上达到平衡。
图3示出了根据本发明一个实施例的大面积薄膜压力传感器在不同压力下的电压-电流图。由图3可知，在不同压力下，电阻会发生明显的变化，且在同一压力下电阻可以维持恒定。
图4示出了根据本发明一个实施例的同一个大面积薄膜压力传感器分别测试三次的灵敏度曲线图。由图4可知，该大面积薄膜压力传感器在受压后，电阻发生明显的相对变化，说明大面积薄膜压力传感器具有较高的灵敏度，同时三次测量的结果相差不大，说明大面积薄膜压力传感器具有较优的稳定性。
该大面积薄膜压力传感器具有很好的弹性形变能力，材料选择广泛，成本低，制造工艺简单，且大面积薄膜压力传感器的性能稳定，能够从根本上解决传统薄膜压力传感器传感层循环稳定性较差的问题。与传统的薄膜压力传感器相比，本申请的大面积薄膜压力传感器具有更高灵敏度，更宽的线性响应范围、以及长期循环稳定性等性能，应用范围较广。此外，该大面积薄膜压力传感器采用严格的封装工艺，没有缝隙和开槽，更加适合于无尘、安防等要求较高的环境。
至此，本领域技术人员应认识到，虽然本文已详尽示出和描述了本发明的多个示例性实施例，但是，在不脱离本发明精神和范围的情况下，仍可根据本发明公开的内容直接确定或推导出符合本发明原理的许多其他变型或修改。因此，本发明的范围应被理解和认定为覆盖了所有这些其他变型或修改。
Claims (10)
1.一种大面积薄膜压力传感器，其特征在于，包括：
上封装层和下封装层；
电极层，设置于所述下封装层上，且所述电极层与外部电源连接；
纳米敏感层，以薄膜状形态形成于所述上封装层上；
柔性支撑层，设置在所述纳米敏感层和所述电极层之间，且构造成在所述大面积薄膜压力传感器受到外界压力时允许所述纳米敏感层和所述电极层的接触，在所述外界压力撤销时使得所述纳米敏感层和所述电极层完全分离。
2.根据权利要求1所述的大面积薄膜压力传感器，其特征在于，所述纳米敏感层和所述电极层均构造成连续的；
所述电极层和所述纳米敏感层上下对齐布置。
3.根据权利要求2所述的大面积薄膜压力传感器，其特征在于，所述纳米敏感层的面积大于或等于第一预设面积，所述第一预设面积是所述纳米敏感层在悬空状态时能够出现自塌陷的最小面积。
4.根据权利要求2所述的大面积薄膜压力传感器，其特征在于，所述电极层的面积大于或等于第二预设面积，所述第二预设面积是所述纳米敏感层在悬空状态时能够出现自塌陷的最小面积。
5.根据权利要求1-4中任一项所述的大面积薄膜压力传感器，其特征在于，所述柔性支撑层构造成能够由所述纳米敏感层和/或所述电极层的外边缘区域逐渐向中心区域为所述纳米敏感层和/或所述电极层提供多个支撑点。
6.根据权利要求5所述的大面积薄膜压力传感器，其特征在于，所述柔性支撑层的多个支撑点阵列式排布。
7.根据权利要求6所述的大面积薄膜压力传感器，其特征在于，所述柔性支撑层构造成网格形、锯齿形、同心圆环形或迷宫型。
8.根据权利要求6或7所述的大面积薄膜压力传感器，其特征在于，所述电极层构造为叉指电极；
所述叉指电极的电极密度与所述柔性支撑层的所述多个支撑点的密度是相互匹配的，以在所述大面积薄膜压力传感器受到外界压力时，避免所述柔性支撑层影响所述纳米敏感层和所述电极层的接触，并在所述外界压力撤销时支撑所述纳米敏感层和所述电极层，并使得所述纳米敏感层和所述电极层能够完全分离。
9.根据权利要求8所述的大面积薄膜压力传感器，其特征在于，所述叉指电极的电极密度与所述柔性支撑层的所述多个支撑点的密度设置成，在所述大面积薄膜压力传感器受到外界压力时，允许所述纳米敏感层能够至少同时接触到所述叉指电极的四根电极。
10.根据权利要求1-4、6和7中任一项所述的大面积薄膜压力传感器，其特征在于，所述下封装层上形成有凹槽，所述凹槽与所述电极层的形状匹配，以允许所述电极层嵌入所述凹槽内，并使所述电极层的上表面与所述下封装层的上表面齐平。
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN113776702A (zh) * | 2021-11-15 | 2021-12-10 | 北京石墨烯技术研究院有限公司 | 柔性压力传感器及其制备方法、可穿戴设备 |
| CN115931187A (zh) * | 2022-12-19 | 2023-04-07 | 东莞市情创电子科技有限公司 | 一种高灵敏度柔性压力传感器及其制备方法 |
| CN118067159A (zh) * | 2024-04-22 | 2024-05-24 | 武汉华威科智能技术有限公司 | 一种曲面分片式的柔性传感器以及敏感层的制作方法 |
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2021
- 2021-07-05 CN CN202110759789.9A patent/CN113405700A/zh active Pending
Cited By (4)
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|---|---|---|---|---|
| CN113776702A (zh) * | 2021-11-15 | 2021-12-10 | 北京石墨烯技术研究院有限公司 | 柔性压力传感器及其制备方法、可穿戴设备 |
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| CN115931187B (zh) * | 2022-12-19 | 2024-04-09 | 东莞市情创电子科技有限公司 | 一种高灵敏度柔性压力传感器及其制备方法 |
| CN118067159A (zh) * | 2024-04-22 | 2024-05-24 | 武汉华威科智能技术有限公司 | 一种曲面分片式的柔性传感器以及敏感层的制作方法 |
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