一種軟性薄膜壓力傳感器的制作方法

本發明涉及一種壓力傳感器的設計，具體為一種軟性薄膜壓力傳感器。

背景技術：

近年來，由于薄膜壓力傳感器穩定性好、體積較小、可靠性高等優點，因此在工業上得到了廣泛的應用。薄膜壓力傳感器一般被認為是一種超薄多層機電裝置，其中在感應元件及其迭片結構上有序布置電極和連接線，并使用合適的聚合物薄膜和環氧樹脂材料做成一個堅固的超薄封裝結構。當薄膜壓力傳感器受到突然的觸點壓力或者持續變化壓力、拉力、速度場時，會產生電信號，以用于輸出相應指示和/或促動機器的控制和操作。

一般而言，薄膜壓力傳感器包括四種典型應用，即電開關、沖擊壓力、應變及物體速度的測量。基于上述典型應用，薄膜傳感器可分為四類，即開關、壓力計、應變計、電磁速度計。本領域中還公知的是，以上四種類型薄膜傳感器的工作原理依賴于四種不同物理效應。分別為：突然電接觸(開關)；壓力(壓阻)或者應變(張阻)作用下的電阻逐漸變化；壓力(壓電)或者應變(張電)作用下的電荷逐漸釋放；當導體運動到磁場中時，在導體周圍產生電動勢(電動勢速度效應)。另外，本領域技術人員一直以來在尋求對薄膜壓力傳感器的進一步改進。例如，申請日為2003年5月20日、題目為“薄膜類型的半導體壓力傳感器”的中國專利申請03123715.0(公開號cn1460846a，公開日2003年12月10日)公開了一種尺寸縮小且靈敏性未明顯降低的半導體壓力傳感器，其在降低成本的同時保證傳感器的必要靈敏度和可靠性。

隨著穿戴設備的火爆發展，薄膜壓力傳感器可開始在穿戴設備中運用，所以軟性薄膜壓力傳感器開始得到普遍的運用，對柔性壓力感知傳感器的需求也日益增加。而又由于柔性化、小型化的客觀需求，導致目前市售的柔性薄膜壓力傳感器主要存在量程小、遲滯效應明顯、短時間內測試重復性出現差異等問題。

技術實現要素：

本發明的目的在于，提供一種軟性薄膜壓力傳感器可通過新型納米壓敏材料的電阻率變化及兩壓敏層接觸面積改變的協同作用來進一步提高傳感器靈敏度，再輔以合適楊氏模量的超薄薄膜襯底從而解決了遲滯效應、測試重復性差異的問題。

發明解決其技術問題所采用的技術方案是：一種軟性薄膜壓力傳感器，包括第一軟性襯底、第一電極層、第一壓敏層、支撐層、第二軟性襯底、第二電極層和第二壓敏層，所述第一壓敏層、第一電極層和第一軟性襯底依次連接，所述第二壓敏層、第二電極層和第二軟性襯底依次連接；還包括支撐層，所述支撐層位于第一軟性襯底和第二軟性襯底之間且將第一壓敏層和第二壓敏層固定，所述第一壓敏層和第二壓敏層之間存在間隙。

作為優選，所述支撐層為薄片狀且位第一軟性襯底和第二軟性襯底之間。

作為優選，所述支撐層為環狀支撐物，所述第一壓敏層和第二壓敏層分別位于支撐層的上端和下端。

作為優選，所述支撐層為條狀物且位于第一壓敏層和第二壓敏層的側面。

作為優選，所述第一軟性襯底和第二軟性襯底由乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚對苯二甲酸乙二酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亞胺和聚乙烯等材料中的至少一種制成。

作為優選，所述第一壓敏層和第二壓敏層為具有三維孔狀微結構的海綿狀。

作為優選，所述第一壓敏層和第二壓敏層由納米復合壓敏材料制成，所述納米復合壓敏材料包括導電材料、高分子材料、分散體和助劑。

作為優選，所述第一壓敏層和第二壓敏層的厚度1μm—500μm。

作為優選，所述第二電極層還可設在第一軟性襯底上，還包括導電層，所述導電層設在第二軟性襯底上。。

發明的有益效果是：本發明提供了一種超薄軟性薄膜壓力傳感器，主要包括第一軟性襯底、第一電極層、第一壓敏層、支撐層，以及第二軟性襯底、第二電極層、第二壓敏層；當軟性襯底上的壓敏層受壓時，納米壓敏材料的電阻率產生變化及兩壓敏層接觸面積改變導致電阻變化而實現對壓力的感知，當壓力撤除后，納米壓敏材料的電阻率又恢復到原來值。本申請采用新型納米壓敏材料的電阻率變化及兩壓敏層接觸面積改變的協同作用來進一步提高傳感器靈敏度，再輔以合適楊氏模量的超薄薄膜襯底可以明顯改變遲滯效應、測試重復性差異大等問題。本發明的軟性薄膜壓力傳感器采用新型納米壓敏材料，靈敏度高且輸出線性，可以精確的感知壓力變化，且傳感器體積輕薄小巧、功耗小、成本低，適合各種不同場合下的應用需求，具有較強的通用性。

附圖說明

圖1為本發明的軟性薄膜壓力傳感器的實施方式一的結構示意圖。

圖2為本發明的軟性薄膜壓力傳感器的實施方式二的結構示意圖。

圖3為本發明的軟性薄膜壓力傳感器的實施方式三的結構示意圖。

圖4為本發明的陣列式軟性薄膜壓力傳感器的結構示意圖。

附圖說明:1、第一軟性襯底，2、第一電極層，3、第一壓敏層，4、支撐層，5、第二軟性襯底，6、第二電極層，7、第二壓敏層，8、導電層。

具體實施方式

現在結合附圖對發明作進一步詳細的說明。這些附圖均為簡化的示意圖，僅以示意方式說明發明的基本結構，因此其僅顯示與發明有關的構成。

如圖所示，一種軟性薄膜壓力傳感器，包括第一軟性襯底1、第一電極層2、第一壓敏層3、支撐層4、第二軟性襯底5、第二電極層6和第二壓敏層7，所述第一壓敏層3、第一電極層2和第一軟性襯底1依次連接，所述第二壓敏層7、第二電極層6和第二軟性襯底5依次連接；還包括支撐層4，所述支撐層4位于第一軟性襯底1和第二軟性襯底5之間且將第一壓敏層3和第二壓敏層7固定，所述第一壓敏層3和第二壓敏層7之間存在間隙。

所述支撐層4為薄片狀且位第一軟性襯底1和第二軟性襯底5之間。

所述支撐層4為環狀支撐物，所述第一壓敏層3和第二壓敏層7分別位于支撐層4的上端和下端。

所述支撐層4為條狀物且位于第一壓敏層3和第二壓敏層7的側面。

所述第一軟性襯底1和第二軟性襯底5由乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚對苯二甲酸乙二酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亞胺和聚乙烯等材料中的至少一種制成。

所述第一壓敏層3和第二壓敏層7為具有三維孔狀微結構的海綿狀。

所述第一壓敏層3和第二壓敏層7由納米復合壓敏材料制成，所述納米復合壓敏材料包括導電材料、高分子材料、分散體和助劑。

所述第一壓敏層3和第二壓敏層7的厚度1μm—500μm。

所述第二電極層6還可設在第一軟性襯底1上，還包括導電層8，所述導電層8設在第二軟性襯底5上。

所述第一軟性襯底和第二軟性襯底可根據具體應用需求選擇不同厚度(1μm—500μm)、不同硬度(如2h、4h)、不同透光度(可選擇全透明、半透明或不透明中的一種)的軟性薄膜，選自但不限于乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、聚二甲基硅氧烷、聚對苯二甲酸乙二酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚酰亞胺和聚乙烯等材料的一種或幾種組合使用。

所述電極層位于軟性襯底上且面積小于襯底面積，帶有圖案化，可通過刻蝕或印刷技術可控制備不同圖案的電極層且電極層與襯底牢固結合。

所述壓敏層(可做成全透明、半透明或不透明中的一種)位于電極層表面且完全覆蓋電極層，壓敏層厚度1μm—500μm，壓敏層具有三維孔狀的微結構，且微結構的大小可以調節。較于傳統壓敏材料，基于該三維孔狀微結構外界壓力對壓敏層形變的線性范圍會更寬，軟性薄膜壓力傳感器電信號變化的線性區域會更大，極大的擴寬了傳感器檢測量程。壓敏層是利用碳納米管等納米復合壓敏材料通過印刷、旋涂技術成膜后固化而成，納米復合壓敏材料包括導電材料(如碳納米材料、納米金屬顆粒、金屬氧化物、有機導電聚合物等)、高分子材料(如酚醛樹脂、聚丙烯酸樹脂、聚酯樹脂、聚酰胺樹脂、聚二甲基硅氧烷、不飽和聚酯樹脂、環氧樹脂、有機硅樹脂、聚酰亞胺、橡膠、乙烯-醋酸乙烯共聚物等中的一種或多種按比例混合而成)、分散體、助劑等。例如本發明在使用碳納米管時采用化學處理碳管來增強其壓阻效應以進一步提高器件靈敏度。

在具體實施時，實施方式一：如圖1所示，支撐層為位于軟性襯底表面且在第一或第二壓敏層的側面(如上面、下面、左邊或右邊),既固定第一壓敏層和第二壓敏層保證了器件的穩定性，又使第一壓敏層和第二壓敏層之間形成一定空隙，該空隙可通過支撐層厚度及壓敏層厚度來調節。支撐層可以是有粘性的熱塑膠、熱熔膠、uv膠、雙面膠、環氧膠、光學膠等，寬度1μm—5000μm，厚度1μm—500μm。

實施方式二：如圖2所示，包括第一軟性襯底、第一電極層、第一壓敏層、支撐層，以及第二軟性襯底、第二電極層。第一電極層位于第一軟性襯底表面且與襯底緊密接觸，第一壓敏層覆蓋于第一電極層表面且與電極層緊密接觸；支撐層位于第一壓敏層表面或者支撐層位于軟性襯底表面且環繞在第一壓敏層周圍或者支撐層位于軟性襯底表面且在第一壓敏層的側面；第二電極層位于第二軟性襯底表面且與襯底緊密接觸。

實施方式三：如圖3所示，主要包括第一軟性襯底、第一電極層，以及第二軟性襯底、第二導電層、第二壓敏層、支撐層。第一電極層位于第一軟性襯底表面且與襯底緊密接觸，第二導電層位于第二軟性襯底表面且與襯底緊密接觸，第二壓敏層覆蓋于第二導電層表面且與導電層緊密接觸；支撐層位于第二壓敏層表面或者支撐層位于第二軟性襯底表面且環繞在第二壓敏層周圍或者支撐層位于第二軟性襯底表面且在第二壓敏層的側面。第二導電層材料同第一電極層，軟性襯底、電極層、壓敏層、支撐層的材料同第一種單點軟性薄膜壓力傳感器。

本發明還可以基于上述單點軟性薄膜壓力傳感器形成陣列式軟性薄膜壓力傳感器。所述陣列式軟性薄膜壓力傳感器至少包括一個電極陣列，該電極陣列可以是在一個軟性襯底表面制備多個互相獨立的電極，在另一個軟性襯底表面制備多個互相獨立的電極，兩個軟性襯底表面互相獨立的電極通過支撐層相互隔空組裝；也可以是在一個軟性襯底表面制備公共電極層，在另一個軟性襯底表面制備多個互相獨立的電極，多個互相獨立的電極與公共電極層通過支撐層相互隔空組裝而形成傳感陣列。本陣列式軟性薄膜壓力傳感器中的每個單點式超薄薄膜壓力傳感器都能夠獨立采集壓力數據，從而實現了同時采集多點壓力數據的技術效果。

本發明提供了第一種陣列式軟性薄膜壓力傳感器(如圖4中a所示)，由一個或多個彼此獨立工作的單元---單點式超薄薄膜壓力傳感器排布而成。

本發明提供了第二種陣列式軟性薄膜壓力傳感器(如圖4中b1和b2所示)，在一個軟性襯底表面制備公共電極層，在另一個軟性襯底表面制備多個互相獨立的電極，公共電極層和多個互相獨立的電極表面均覆蓋有壓敏層，多個互相獨立的電極與公共電極層通過支撐層相互隔空組裝而形成傳感陣列。

本發明提供了第三種陣列式軟性薄膜壓力傳感器(如圖4中c1和c2所示)，在一個軟性襯底表面制備多個互相獨立的電極，在另一個軟性襯底表面制備多個互相獨立的電極，且其中一個軟性襯底上多個互相獨立的電極表面均覆蓋有壓敏層，兩個軟性襯底表面互相獨立的電極通過支撐層相互隔空組裝。

本發明提供了第四種陣列式軟性薄膜壓力傳感器(如圖4中d1和d2所示)，在一個軟性襯底表面制備多個互相獨立排布的電極對形成陣列電極層，在另一個軟性襯底表面制備對應分布的陣列化壓敏層，陣列電極層和對應分布的陣列化壓敏層通過支撐層相互隔空組裝。

以上述依據發明的理想實施例為啟示，通過上述的說明內容，相關工作人員完全可以在不偏離本項發明技術思想的范圍內，進行多樣的變更以及修改，本項發明的技術性范圍并不局限于說明書上的內容，必須要根據權利要求范圍來確定其技術性范圍。