基于摩擦電的壓力傳感器的制作方法

本發明涉及傳感領域，具體地，涉及一種基于摩擦電的壓力傳感器。

背景技術：

信息技術是現代社會發展的主要驅動力，而信息的收集和交換主要依賴于各種具有不同功能的傳感器。將單獨的傳感器件集成來創建大尺度的傳感器網絡和系統對于物聯網的實現是至關重要的。這些數量巨大且遍布世界各個角落的微型傳感器件的驅動主要依賴于電池，然而電池面臨著使用壽命、回收再利用、環境污染等諸多問題。另外，傳感器節點經常是植入型的，需要無線操作，所以能夠獨立地、可持續地、免維護地工作是非常重要的。因此，這些傳感器節點的供電不能再簡單地由電池來提供，因為傳感器網絡中傳感器數量巨大且位置很難追蹤，由此將導致替換個別傳感器的電池是非常繁瑣甚至是不可能完成的任務，并且大量的廢棄電池將對人類健康造成很大的傷害。因此，發展微納尺度的能源技術從周圍環境中自行收集能量，并以此實現傳感器的自驅動是十分必要的。

技術實現要素：

本發明的目的是提供一種基于摩擦電的壓力傳感器，以解決上述現有技術中的問題。

為了實現上述目的，本發明提供一種基于摩擦電的壓力傳感器，其中，該壓力傳感器包括：發電機，該發電機在壓力的作用下產生形變，并基于該形變產生并輸出電信號；外部電路，與所述發電機連接，用于檢測所述發電機輸出的電信號，并根據所檢測到的電信號確定壓力的大小或形變的大小。

通過上述技術方案，在需要檢測壓力的位置設置本發明上述的壓力傳感器，該壓力傳感器中的發電機在壓力的作用下產生形變，并基于該形變產生并輸出電信號，該壓力傳感器中的外部電路與所述發電機連接，用于檢測所述發電機輸出的電信號，并根據所檢測到的電信號確定壓力的大小或形變的大小。由此，無需外加電源就可以對壓力進行檢測，實現壓力傳感器的自驅動。

本發明的其它特征和優點將在隨后的具體實施方式部分予以詳細說明。

附圖說明

附圖是用來提供對本發明的進一步理解，并且構成說明書的一部分，與下面的具體實施方式一起用于解釋本發明，但并不構成對本發明的限制。在附圖中：

圖1是根據本發明一種實施方式的基于摩擦電的壓力傳感器的方框圖；

圖2是根據本發明一種實施方式的基于摩擦電的壓力傳感器的橫截面示意圖；

圖3是根據本發明一種實施方式的基于摩擦電的壓力傳感器的開路電壓峰值與壓力的關系曲線圖；

圖4是根據本發明一種實施方式的基于摩擦電的壓力傳感器的開路電壓峰值與形變深度的關系曲線圖；以及

圖5是根據本發明一種實施方式的凸起陣列結構層的制造方法的示意圖。

具體實施方式

以下結合附圖對本發明的具體實施方式進行詳細說明。應當理解的是，此處所描述的具體實施方式僅用于說明和解釋本發明，并不用于限制本發 明。

圖1是根據本發明一種實施方式的基于摩擦電的壓力傳感器的方框圖。

如圖1所示，本發明一種實施方式提供的基于摩擦電的壓力傳感器包括：發電機10，該發電機10在壓力的作用下產生形變，并基于該形變產生并輸出電信號；外部電路20，與所述發電機10連接，用于檢測所述發電機10輸出的電信號，并根據所檢測到的電信號確定壓力的大小或形變的大小。

通過在需要檢測壓力的位置設置本發明上述的壓力傳感器，該壓力傳感器中的發電機在壓力的作用下產生形變，并基于該形變產生并輸出電信號，該壓力傳感器中的外部電路與所述發電機連接，用于檢測所述發電機輸出的電信號，并根據所檢測到的電信號確定壓力的大小或形變的大小。由此，無需外加電源就可以對壓力進行檢測，實現壓力傳感器的自驅動。

圖2是根據本發明一種實施方式的基于摩擦電的壓力傳感器的橫截面示意圖。

如圖2所示，所述發電機10包括第一支撐層1、第二支撐層2、第一摩擦層4、第一電極層5和凸起陣列結構層3，其中，所述第一電極層5設置在所述第一摩擦層4和所述第一支撐層1之間；所述凸起陣列結構層3設置在所述第二支撐層2上，所述凸起陣列結構層3的凸起部與所述第一摩擦層4接觸；其中，在沒有壓力作用時所述凸起陣列結構層3的凸起部保持原始狀態；在存在壓力作用時所述凸起陣列結構層3的凸起部發生形變且與所述第一摩擦層的接觸面積發生變化，并通過所述第一電極層4和所述凸起陣列結構層3輸出所述電信號。

其中，所述第一電極層4和所述凸起陣列結構層3與所述外部電路20連接。

在該實施方式中，凸起陣列結構層3既充當了摩擦層也充當了電極層。其中，第一摩擦層4與凸起陣列結構層3之間的接觸面積取決于所施加的壓 力，所施加的壓力越大，二者之間的接觸面積越大，反之則越小。

其中，在沒有外部壓力施加的情況下，凸起陣列結構層3的凸起部保持原始狀態，此時不存在電荷的轉移，也沒有電勢差；而在施加外部壓力的情況下，凸起陣列結構層3的凸起部發生形變，凸起部與第一摩擦層4之間的接觸面積相比于凸起部處于原始狀態增大，此時，凸起陣列結構層3的表面產生正電荷，而第一摩擦層4的表面產生負電荷，但整個體系仍處于靜電平衡狀態。在所施加的壓力得以釋放后，凸起部將自行恢復至原始狀態，與第一摩擦層4之間的接觸面積逐漸變小。也就是，在施加壓力到釋放壓力的過程中，凸起部與第一摩擦層4之間的接觸面積從小變到大又從大變到小，通過二者的接觸分離過程產生了周期性的電信號。

在本發明的所有實施例中，凸起陣列結構層3的凸起部與所述第一摩擦層4互相接觸的表面的材料具有不同的得失電子能力。可以均為絕緣體或者一者為絕緣體，另一者為導體。

由于本發明提供的壓力傳感器的第一摩擦層4與凸起陣列結構層3之間僅僅是在不同壓力作用下二者的接觸面積會有所不同，二者之間不會出現間隔，所以這種無間隔的接觸能夠實現壓力傳感器的全封裝，為微納電子器件的集成節省了較大的空間。并且，全封裝后的壓力傳感器更適于在灰塵、潮濕等惡劣環境中工作。

根據本發明一種實施方式，所述凸起陣列結構層3可以包括第二電極層和第二摩擦層，所述第二電極層為平坦結構，而所述第二摩擦層為凸起陣列結構，且所述第二電極層位于所述第二摩擦層和所述第二支撐層2之間，即所述第二摩擦層與所述第一摩擦層4接觸。

在這種情況下，通過第一電極層5和第二電極層輸出電信號至外部電路20。

其中，所述第一電極層5和所述第二電極層可以均為任意導電材料，例 如金屬材料、ITO、有機物導體等。例如，所述金屬材料可以為以下中的一者：銅、鋁和金，優選為銅。所述第一摩擦層4和所述第二摩擦層可以均為高分子材料。可替換地，第一摩擦層4也可以為導電材料(金屬材料、ITO或有機物導體)，例如使用第一電極層5的材料作為第一摩擦層4的材料(即，采用與第一電極層5相同的導電材料)，而第二摩擦層為高分子材料。

對于所述第一摩擦層4和所述第二摩擦層均為高分子材料的情況，所述第一摩擦層4可以為任意的柔性高分子材料，也可以為任意的硬性高分子材料；而第二摩擦層可以為柔性高分子材料。例如，第一摩擦層4的材料可以選用電負性較好的材料，以提高表面電荷密度，如含氟類材料：聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)，優選采用聚四氟乙烯。第二摩擦層可以選用例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、乙烯基硅橡膠、苯基硅橡膠、聚異戊二烯橡膠或聚丁二烯橡膠等等，優選采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)。對于第二摩擦層，除了上述列舉的材料，還可以使用其他的材料，只要能夠保證第二摩擦層的柔性和彈性(即在外力的作用下能夠產生變形并在壓力釋放后能夠自行恢復)即可。

對于具有凸起陣列結構的第二摩擦層和具有平坦結構的第二電極層，首先以柔性高分子材料制備具有凸起陣列結構的第二摩擦層，其后在該第二摩擦層不具有凸起陣列結構的表面(即平坦的表面)上覆蓋第二電極層(金屬薄膜層)。

根據本發明另一種實施方式，所述凸起陣列結構層3包括基體層和第二摩擦層，所述基體層和所述第二摩擦層均為凸起陣列結構，且所述基體層位于所述第二摩擦層和所述第二支撐層2之間。

在這種情況下，通過第一電極層5和第二摩擦層輸出電信號至外部電路20。

其中，所述第一電極層5和所述第二摩擦層可以為任意導電材料，例如 金屬材料、ITO、有機物導體等等。例如，所述金屬材料可以為以下中的一者：銅、鋁和金，所述第一電極層5優選為鋁，而所述第二摩擦層優選為銅。所述第一摩擦層4和所述基體層可以均為高分子材料。

一般情況下，所述第一摩擦層4可以為任意的柔性高分子材料，也可以為任意的硬性高分子材料；而基體層可以為柔性高分子材料。例如，第一摩擦層4的材料可以選用電負性較好的材料，以提高表面電荷密度，如含氟類材料：聚偏氟乙烯(PVDF)、聚四氟乙烯(PTFE)，優選采用聚四氟乙烯。基體層可以選用例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、乙烯基硅橡膠、苯基硅橡膠、聚異戊二烯橡膠或聚丁二烯橡膠等等，優選采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)。對于基體層，除了上述列舉的材料，還可以使用其他的材料，只要能夠保證基體層的柔性和彈性(即在外力的作用下能夠產生變形并在壓力釋放后能夠自行恢復)即可。上述示例僅僅是示例性的，并非用于限定本發明。

對于具有凸起陣列結構的基體層和第二摩擦層，首先以柔性高分子材料制備具有凸起陣列結構的基體層，其后在該基體層具有凸起陣列結構的表面上覆蓋第二摩擦層(例如，在基體層的表面鍍上金屬材料以形成具有與所述基體層一樣的凸起陣列結構的第二摩擦層/金屬薄膜層)。即，在具有凸起陣列結構的柔性高分子材料層的表面鍍有金屬薄膜層。

其中，第一支撐層1和第二支撐層2的作用是支撐第一摩擦層4、第一電極層5和凸起陣列結構層3，在第一摩擦層4、第一電極層5和凸起陣列結構層3的強度較大的情況下，可以省去第一支撐層1和/或第二支撐層2。

根據本發明一種實施方式，所述第一支撐層1和所述第二支撐層2為亞克力板。

根據本發明一種實施方式，所述凸起陣列結構層3為半球陣列凸起結構層、波浪形凸起結構層、錐形陣列凸起結構層或方形陣列凸起結構層。

例如，以半球陣列凸起結構層為例：在沒有外部壓力施加的情況下，凸 起陣列結構層3的凸起部(半球部)與第一摩擦層4之間為點面接觸的方式，凸起部保持原始狀態，此時不存在電荷的轉移，也沒有電勢差；而在施加外部壓力的情況下，凸起陣列結構層3的凸起部發生形變，凸起部與第一摩擦層4之間的接觸方式由點面接觸變為二維的平面接觸(面面接觸方式，二者之間的接觸面積取決于所施加的壓力的大小)，此時，凸起陣列結構層3的表面產生正電荷，而第一摩擦層4的表面產生負電荷，但整個體系仍處于靜電平衡狀態(因此此時的偶極矩可以忽略)。其中，所施加的壓力越大，二者之間的接觸面積越大，反之則越小。在所施加的壓力得以釋放后，凸起部將自行恢復至原始狀態，與第一摩擦層4之間的接觸也將重新變為點面接觸方式。在壓力釋放過程中，在靜電效應作用下強的偶極矩產生，導致了上電極和下電極(例如，第一電極5和凸起陣列結構層3)之間的電勢差。因為凸起陣列結構層3比上面的第一電極5具有更高的電勢，電子開始通過外部電路20從上電極向下電極流動去中和下電極的正摩擦電荷，這樣就產生了電信號。

其中，施加不同幅度的壓力可以產生不同幅度的電信號，且不同幅度的壓力可以產生不同幅度的形變深度，相應地，不同幅度的形變深度可以對應不同幅度的電信號。所產生的電信號(例如開路電壓峰值)與施加壓力的關系以及與形變深度的關系分別如圖3和圖4所示(圖3是根據本發明一種實施方式的基于摩擦電的壓力傳感器的開路電壓峰值與壓力的關系曲線圖，圖4是根據本發明一種實施方式的基于摩擦電的壓力傳感器的開路電壓峰值與形變深度的關系曲線圖)。從圖中可以看出，隨著施加壓力的增大，輸出電壓的峰值逐漸增大；形變深度的增加也導致電壓峰值的增大。由此本發明提供的基于摩擦電的壓力傳感器可以通過輸出的電信號來判斷所受壓力的大小以及受壓下的形變深度(形變的大小)，從而在觸摸屏不同壓力實現不同功能方面具有廣闊的應用前景。

本領域技術人員應當理解，上述關于所述凸起陣列結構層3的形狀的描述僅僅是示例性的，并非用于限定本發明。只要該凸起陣列結構層3的凸起部具有彈性和柔性，能保證自恢復即可。

根據本發明一種實施方式，所述第一支撐層1和所述第二支撐層2的厚度為1mm；所述第一摩擦層4的厚度為150μm；所述第一電極層5的厚度范圍為50nm-1mm，優選為0.1mm。

根據本發明一種實施方式，所述發電機10的長度和寬度分別為2cm，所述發電機10的厚度可以為2.5mm。

圖5是根據本發明一種實施方式的凸起陣列結構層的制造方法的示意圖。

在圖5中，以凸起陣列結構層3為半球陣列凸起結構層、且所述凸起陣列結構層3包括均為凸起陣列結構的所述基體層和所述第二摩擦層為例：

S500，將聚苯乙烯(PS)球涂覆到經氧等離子體處理的二氧化硅/硅的基板上，形成具有單層PS球的PS模板；

S502，將PDMS溶液倒入周期性排列的PS球上，并放到烤爐中在例如80℃條件下固化；

S504，將固化后的PDMS與形成有PS球的二氧化硅/硅基板剝離，形成PDMS模板，該模板的上表面具有高度有序的納米凹陷結構；

S506，在PDMS模板上具有凹陷結構的表面鍍一層金屬材料以形成金屬膜，該金屬材料可以為任意金屬，優選為銅；

S508，將PDMS溶液倒到金屬膜上以填充凹陷結構并進行固化；

S510，將固化后的PDMS與銅膜剝離即可得到具有半球陣列結構的PDMS薄膜。

重復執行上述步驟，該PDMS薄膜可以被復制。

其中，在步驟S504與步驟S506之間，該方法還可以包括將PDMS模 板置于甲苯溶液中浸泡24小時的步驟，以除去少量附著的PS。

此外，在該PDMS薄膜具有半球陣列結構的表面上再鍍一層金屬薄膜即可得到上述的包括均為凸起陣列結構的所述基體層(PDMS薄膜)和所述第二摩擦層(金屬薄膜)的半球陣列凸起結構層。

而對于所述第二電極層為平坦結構、而所述第二摩擦層為凸起陣列結構的所述凸起陣列結構層3，在該PDMS薄膜(第二摩擦層)不具有半球陣列結構的表面(即平坦的表面)上再鍍一層金屬薄膜(第二電極層)即可。

在該方法中，半球的半徑可以根據實際情況進行設定，例如，可以從毫米級到微米級變化。優選幾百微米的半徑，如250μm。所鍍金屬材料(第二摩擦層或第二電極層)的厚度優選為200nm。

本領域技術人員應當理解，本發明上述關于材料、形狀、尺寸以及凸起陣列結構層的制造方法的描述僅僅是示例性的，并非用于限定本發明。

以上結合附圖詳細描述了本發明的優選實施方式，但是，本發明并不限于上述實施方式中的具體細節，在本發明的技術構思范圍內，可以對本發明的技術方案進行多種簡單變型，這些簡單變型均屬于本發明的保護范圍。

另外需要說明的是，在上述具體實施方式中所描述的各個具體技術特征，在不矛盾的情況下，可以通過任何合適的方式進行組合。為了避免不必要的重復，本發明對各種可能的組合方式不再另行說明。

此外，本發明的各種不同的實施方式之間也可以進行任意組合，只要其不違背本發明的思想，其同樣應當視為本發明所公開的內容。