CN113465795B - 一种柔性压力传感结构及柔性压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种柔性压力传感结构及柔性压力传感器，解决了现有压阻式压力传感器灵敏度随压力增大而降低，稳定型较差的技术问题。该柔性压力传感结构包括导电薄膜以及分别粘接在所述导电薄膜上下表面且面面交错排布的上电极和下电极；柔性压力传感结构在受到压力时，导电薄膜沿与电极平面垂直的方向产生应变，使得电阻增大，即当压力施加在结构上时，上电极作用在导电薄膜上的应力会使薄膜穿过电极间的镂空部分(即间隙)，产生垂直于电极平面的应变，传感单元的电阻随压力的增大而增大。
Description
技术领域
本发明属于柔性传感器技术领域，尤其涉及一种新型的柔性压力传感结构及柔性压力传感器。
背景技术
柔性压阻式压力传感器是近20年来研究最为广泛的传感器，具有结构简单，工作范围大，稳定性好等优点，在人体可穿戴健康监测，智慧医疗以及人机交互等领域都有潜在发展的需求。实用性强的压力传感器需要具备较高的灵敏度值。
实用性强的压力传感器需要具备较高的灵敏度值，压阻式压力传感器的灵敏度定义为一定压力条件下电阻的变化率，因此要提高灵敏度必须要提高一定压力下的电阻变化量。然而，目前大多数压力传感器的电阻随压力增大而减小，当施加压力达到一定程度时，电阻的变化量减小，传感器的灵敏度也会随之降低。同时，现有柔性压力传感器通常都难以协调高灵敏度和宽检测范围两个指标，在小压力作用范围内，灵敏度较高，而在大压力作用范围内，灵敏度较低；这主要是因为随着压力的增大，微结构的压缩趋于饱和，单位压力下传感器的电阻改变量减小，器件的灵敏度快速下降。因此，在较大压力范围内保证器件的高灵敏性，对于柔性压力传感器的研发十分必要。
发明内容
本发明的目的在于解决现有压阻式压力传感器灵敏度随压力增大而降低，稳定型较差的技术问题，而提供一种柔性压力传感结构及柔性压力传感器。
为实现上述目的，本发明所提供的技术解决方案是：
一种柔性压力传感结构，其特殊之处在于：包括导电薄膜以及分别粘接在所述导电薄膜上下表面且面面交错排布的上电极和下电极；
柔性压力传感结构在受到压力时，导电薄膜沿与电极平面垂直的方向产生应变，使得电阻增大，即当压力施加在结构上时，上电极作用在导电薄膜上的应力会使薄膜穿过电极间的镂空部分(即间隙)，产生垂直于电极平面的应变。该结构的传感机制区别于压阻效应，在受到压力后，中间导电薄膜随上下交错排布的电极在与电极平面垂直的方向产生应变，以柔性压力传感结构为基础的传感单元的电阻会随压力的增大而增大。
进一步地，所述上电极和下电极形成叉指电极对，即上电极和下电极的叉指平行相错排布。对于此类结构，上下电极会同时对导电薄膜施加法向应力，导电薄膜穿过上下电极相错的镂空部分，产生垂直于电极平面的应变。
进一步地，所述上电极和下电极形成点状和环状电极对，其中，环状电极作为下电极，直径小于环状电极的点状电极作为上电极，上电极对准搭接在下电极镂空环中心位置。对于此类结构，上电极对导电薄膜施加法向应力，导电薄膜穿过环状下电极的镂空部分，产生垂直于电极平面的应变。
进一步地，所述上电极和/或下电极的表面设置有微结构，以增强导电薄膜的应变效应。
进一步地，微结构应设置在导电薄膜的相对于电极镂空的部分，这样可以在下压的时候产生相对于电极的错位拉伸。该微结构可起到增大拉伸的作用，与具体形状无关，但为了便于加工，所述微结构为金字塔状，球状、锥台状或柱状，其材质为金属或导电碳材质。
进一步地，所述导电薄膜的厚度为10nm～5μm，其采用导电聚合物薄膜(主要是聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸))、导电碳膜或金属薄膜。
本发明还提供了上述柔性压力传感结构的制备方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)将金属箔热压在具有粘性的柔性基底上，并在金属箔上制备上电极和下电极；此处金属箔可采用铜箔，可采用热压法将铜箔热压在具有粘性的柔性基底上，并利用激光直写法在铜箔上制备上电极和下电极；
2)制备图案化的导电薄膜，并将其对准转移至步骤1)制备的下电极上；制备图案化的导电薄膜也采用激光直写法，薄膜的制备工艺有旋涂法和旋涂加水转印的方法。
3)将步骤1)得到的上电极对准粘接在导电薄膜上，并与下电极交错设置，得到柔性压力传感结构。
进一步地，在步骤1)制备的上电极和下电极表面集成制备或粘接微结构。
本发明还提供了一种柔性压力传感器，其特殊之处在于：采用上述柔性压力传感结构，即对该柔性压力传感结构中的电极进行引线，并采用柔性材质进行封装。
本发明的优点：
1.本发明通过结构创新，将受到压力后导电薄膜的应变效应作为传感机制，传感机制新颖，传感结构简单，利用常用材料即可实现灵敏度提升的目的；本发明压力传感结构在受到压力时导电薄膜沿与电极平面垂直的方向产生应变，电阻增大，为提高传感器的灵敏度提供了很大的提升空间；电阻的指数式增长趋势保证了较大压力作用下电阻变化量的增大，进而提高了较大压力作用下器件的灵敏度，相比于传统的压阻式压力传感器，本发明压力传感器的灵敏度提升了1～2个数量级，同时本发明压力传感结构还能保持电阻式压力传感器较为稳定的力电性能。
2.本发明设计原理简单，传感机制新颖，具有很强的拓展性，可以据此构筑出多种具有高灵敏度的压力传感结构。依据本发明所构筑的压力敏感器件的灵敏度提升范围大，且对于加工技术要求低，成本低廉，能广泛应用于关节置换手术和可穿戴健康监测等领域。
3.本发明中交错排布的电极对可以利用激光直写，打印，模板法等简单工艺制备；导电薄膜可以利用旋涂，刮涂或水转印的方式制备。工业上可以利用成熟的工艺流程来加工高灵敏度的集成式阵列化压力传感器。
4.本发明的传感机制可以被拓展为多种构型的压力传感器，为制备高灵敏电阻式压力传感器提供了新思路。
附图说明
图1为本发明柔性压力传感结构的示意图，其中，a、b、c为不同电极及微结构下的柔性压力传感结构。
图2为本发明柔性压力传感结构的传感原理图，其中，a、b、c依次为图1中各图的传感原理图。
图3为本发明实施例1柔性压力传感器在动态压力作用下的电阻信号。
图4为本发明实施例1柔性压力传感器静态压力测试电阻变化量。
图5为本发明实施例2柔性压力传感器受到的压力与电阻变化量的关系。
图6为本发明实施例4柔性压力传感器受到的压力与电阻变化量的关系。
附图标记如下：
1-上电极，2-微结构，3-下电极，4-柔性衬底和封装层，5-导电薄膜。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：
实施例1
一种新型柔性压力传感结构，采用以下方法制备：
1)采用覆膜法将6μm厚的铜箔热压在聚二甲基硅氧烷薄膜上，并采用激光直写工艺加工叉指电极阵列。
2)在3000rmp/30s条件下，将导电碳油旋涂于硅基倒金字塔模板上，待碳膜半固化时，将导电铜箔贴附于碳膜上，碳膜固化后揭下，由此，叉指电极对表面集成微型导电金字塔阵列，参见图1中的c。
3)在3000rmp/60s条件下，将导电碳油旋涂在PVA膜上，待80℃加热60s，导电薄膜固化后，利用水转印方法将导电薄膜转移至PI薄膜表面，再用激光直写的方式对导电碳膜进行图案化加工。
4)将图案化后的导电碳膜对准转移至叉指下电极上方，再平行相错搭接上叉指电极；此时便形成柔性压力传感结构，其传感原理如图2的c所示。
采用该柔性压力传感结构进行进一步地加工，对电极引线后，5000rmp/30s旋涂Ecoflex溶液并进行封装并固化，便得到基于应变效应的柔性压力传感器。
图3显示出与一般压力传感器受力后电阻下降的不同，基于应变效应结构的压力传感器在受力后，电阻增大。同时如图4所示，随着压力的增大，该传感器的灵敏度并没有达到饱和；并随着压力的增大，薄膜单位应变导致的电阻变化量增大，灵敏度增大。
实施例2
一种新型柔性压力传感结构，采用以下方法制备：
1)采用覆膜法将6μm厚的铜箔热压在聚二甲基硅氧烷薄膜上，激光直写加工铜箔形成阵列化环状下电极和上电极，上电极为直径小于下电极的面电极。
2)将激光直写后的图案化PI薄膜作为掩膜，贴附于下电极上。
3)在3000rmp/60s条件下，将导电碳油旋涂于下电极上，并在80℃下固化30s，待薄膜半固化时，将上电极阵列对准粘接在导电薄膜上；此时便形成了没有微结构的柔性压力传感结构。
采用该柔性压力传感结构进行进一步地加工，电极引线后，5000rmp/30s旋涂Ecoflex溶液对器件进行封装并固化，得到基于应变效应的柔性压力传感器。
如图5所示，在压力的作用下，该传感器的电阻呈增大的趋势。在没有微结构时，传感器的测量范围比有微结构的大；但随着压力的增大，电阻的增大量(灵敏度)比带有微结构的压力传感器小。
实施例3
一种新型柔性压力传感结构，采用以下方法制备：
1)采用覆膜法将6μm厚的铜箔热压在聚二甲基硅氧烷薄膜上，并采用激光直写铜箔形成阵列化环状下电极和上电极，上电极为直径小于下电极的面电极。
2)在3000rmp/30s条件下，将导电碳油旋涂于硅基倒金字塔模板上，半固化时，将铜箔电极贴附于碳膜上，固化成膜后揭下，由此得到表面集成微金字塔结构的电极，参见图1中的a。
3)将激光直写后的图案化PI薄膜作为掩膜，贴附于下阵列化电极上，采用旋涂法将导电碳油涂附在下电极上，并在80℃下固化30s，待薄膜半固化时，将上电极阵列对准粘接在导电薄膜上，此时便形成柔性压力传感结构，其传感原理如图2的a所示。
采用该柔性压力传感结构进行进一步地加工，电极引线后，5000rmp/30s旋涂Ecoflex溶液对器件进行封装并固化，得到基于应变效应的柔性压力传感器。
实施例4
一种新型柔性压力传感结构，采用以下方法制备：
1)采用覆膜法将6μm厚的铜箔热压在聚二甲基硅氧烷薄膜上，并采用激光直写铜箔形成阵列化环状下电极和上电极，上电极为直径小于下电极的面电极。
2)将激光直写后的图案化PI薄膜作为掩膜，贴附于下阵列化电极上，采用旋涂法将导电碳油涂附在下电极上，并在80℃下固化30s，待薄膜半固化时，将上电极阵列及微小球对准粘接在导电薄膜上，此时便形成柔性压力传感结构，参见图1中的b，传感原理如图2的b所示。
如图6所示，采用微球结构的压力传感器在压力作用下，其电阻增大。由于微结构是金属材质，单位压力下金属球对压力的放大比柔性微结构更大。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种柔性压力传感结构，其特征在于：包括导电薄膜以及分别粘接在所述导电薄膜上下表面且面面交错排布的上电极和下电极；
所述上电极和下电极靠近导电薄膜的表面上设置有微结构；
所述导电薄膜的厚度为10nm～5μm，其采用导电聚合物薄膜、导电碳膜或金属薄膜；
柔性压力传感结构在受到压力时，导电薄膜沿与电极平面垂直的方向产生应变。
2.根据权利要求1所述柔性压力传感结构，其特征在于：
所述上电极和下电极形成叉指电极对。
3.根据权利要求1所述柔性压力传感结构，其特征在于：
所述上电极和下电极形成点状和环状电极对。
4.根据权利要求1-3任一所述柔性压力传感结构，其特征在于：
所述微结构为金字塔状，球状、锥台状或柱状。
5.权利要求1所述柔性压力传感结构的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将金属箔热压在具有粘性的柔性基底上，并在金属箔上制备上电极和下电极；
2)制备图案化的导电薄膜，并将其对准转移至步骤1)制备的下电极上；
3)将步骤1)得到的上电极对准粘接在导电薄膜上，并与下电极交错设置，得到柔性压力传感结构。
6.根据权利要求5所述柔性压力传感结构的制备方法，其特征在于：
在步骤1)制备的上电极和下电极表面粘接或集成制备微结构。
7.一种柔性压力传感器，其特征在于：采用权利要求1～4任一所述柔性压力传感结构。
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