一種電容式壓力傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種壓力傳感器，具體來(lái)說(shuō)，涉及一種電容式壓力傳感器及其制備方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 傳統(tǒng)的硅基壓力傳感器由于傳感器整體不可彎曲變形的特點(diǎn)，導(dǎo)致其在生物醫(yī)學(xué) 等眾多領(lǐng)域的使用少之又少。同時(shí)，許多領(lǐng)域都急需可彎曲變形的柔性壓力傳感器以供使 用?，F(xiàn)有的采取變面積式的電容式壓力傳感器都是硅基壓力傳感器。由于單晶硅、多晶硅 以及氧化硅、氮化硅的柔性遠(yuǎn)不如一些聚合物材料，所以這就導(dǎo)致其靈敏度不好、量程不大 從而使得應(yīng)用范圍不廣。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003] 技術(shù)問(wèn)題：本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是：提供一種電容式壓力傳感器及其制備 方法，該壓力傳感器不僅具有可彎曲變形的特性，而且靈敏度高、量程廣。
[0004] 技術(shù)方案：為解決上述技術(shù)問(wèn)題，本發(fā)明采用的技術(shù)方案是：
[0005] -種電容式壓力傳感器，該壓力傳感器包括柔性襯底、下金屬電極板、LCP絕緣介 質(zhì)層、金屬引線和石墨烯電極板；柔性襯底和下金屬電極板粘合，柔性襯底中設(shè)有真空密封 腔，真空密封腔的頂面為下金屬電極板的底面；LCP絕緣介質(zhì)層連接在下金屬電極板的上 表面，且LCP絕緣介質(zhì)層覆蓋部分下金屬電極板；LCP絕緣介質(zhì)層位于真空密封腔的上方， 且覆蓋整個(gè)真空密封腔；金屬引線連接在LCP絕緣介質(zhì)層的上表面；石墨烯電極板連接在 LCP絕緣介質(zhì)層的上表面和金屬引線的部分上表面。
[0006] 作為優(yōu)選，所述的柔性襯底為L(zhǎng)CP材料制成。
[0007] 作為優(yōu)選，所述的金屬引線位于真空密封腔正上方的外側(cè)。
[0008] 作為優(yōu)選，所述的石墨烯電極板覆蓋LCP絕緣介質(zhì)層整個(gè)上表面。
[0009] -種上述的電容式壓力傳感器的制備方法，該制備方法包括以下步驟：
[0010] 第一步：在柔性襯底表面涂上第一光刻膠層，第一光刻膠層覆蓋柔性襯底部分表 面；
[0011] 第二步：在柔性襯底和第一光刻膠層上濺射一鋁層；
[0012] 第三步：去除第一光刻膠和位于第一光刻膠上的鋁層，形成鋁掩膜；
[0013] 第四步：對(duì)裸露出來(lái)的柔性襯底進(jìn)行DRIE腐蝕，形成凹槽；
[0014] 第五步：腐蝕去除鋁掩膜；
[0015] 第六步：利用層壓工藝將LCP絕緣介質(zhì)層與金屬箱壓制連接；金屬箱作為下金屬 電極板；
[0016] 第七步：利用層壓工藝將上表面覆有LCP絕緣介質(zhì)層的下金屬電極板與柔性襯底 粘合，形成真空密封腔；
[0017] 第八步：在LCP絕緣介質(zhì)層部分表面和裸露出來(lái)的下金屬電極板的表面涂上第二 光刻膠層；
[0018] 第九步：在第二光刻膠層表面和LCP絕緣介質(zhì)層的裸露表面濺射一金屬層；
[0019] 第十步：去除第二光刻膠層及位于第二光刻膠層上的金屬薄層，形成金屬引線；
[0020] 第十一步：在金屬引線的部分表面和下金屬電極板裸露的上表面部分分別貼上膠 布；
[0021] 第十二步：在膠布、金屬引線和LCP絕緣介質(zhì)層的表面旋涂一層氧化石墨烯薄膜；
[0022] 第十三步：撕去膠布以及位于膠布上的氧化石墨稀薄膜；
[0023] 第十四步：進(jìn)行高溫加熱，將氧化石墨稀薄膜還原成石墨稀薄膜，形成石墨稀電極 板，從而制成傳感器。
[0024] 有益效果：與現(xiàn)有的硅基電容式壓力傳感器相比，本發(fā)明具有以下有益效果：壓 力傳感器可彎曲變形，在彎曲變形的情況下能夠很好的工作，且靈敏度高。利用柔性材料 LCP分別制成壓力傳感器的襯底和絕緣介質(zhì)層薄膜。當(dāng)外界壓力施加于傳感器，使得傳感 器的石墨烯電極板、LCP絕緣介質(zhì)層、下金屬電極板一同發(fā)生撓曲變形，這就使得兩基板之 間的面積增大，導(dǎo)致電容增大。上電極板由石墨烯構(gòu)成，中間絕緣介質(zhì)層由LCP薄膜構(gòu)成， 由于LCP薄膜的楊氏模量要低于單晶硅、多晶硅，所以受到相同的力，LCP薄膜的撓曲會(huì)更 加大。同時(shí)，LCP材料的相對(duì)介電常數(shù)在3左右，比用真空作為絕緣介質(zhì)層好很多。因?yàn)?LCP材料相對(duì)介電常數(shù)要大于真空，會(huì)導(dǎo)致電容基數(shù)大，所以采用LCP材料做中間絕緣介質(zhì) 層要好于真空。這使得傳感器的靈敏度得到大大地提高。由于本實(shí)施例的壓力傳感器在襯 底彎曲變形的情況下，依然可以很好的工作，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)硅基電容式壓力傳感器不可彎曲 變形的缺陷，并且傳感器的結(jié)構(gòu)使得傳感器的靈敏度得到極大地提高，可以廣泛使用在氣 壓檢測(cè)、生物醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。
【附圖說(shuō)明】
[0025] 圖1為本發(fā)明實(shí)施例的剖視圖。
[0026] 圖2為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第一步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027] 圖3為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第二步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028] 圖4為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第三步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0029] 圖5為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第四步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0030] 圖6為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第五步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0031] 圖7為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第六步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0032] 圖8為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第七步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0033] 圖9為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第八步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0034] 圖10為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第九步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0035] 圖11為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第十步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0036] 圖12為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第^^一步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0037] 圖13為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第十二步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0038] 圖14為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第十三步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0039] 圖15為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法的第十四步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0040] 圖中有：柔性襯底1、下金屬電極板2、LCP絕緣介質(zhì)層3、金屬引線4、石墨烯電極 板5、真空密封腔6、第一光刻膠層7、鋁層8、鋁掩膜9、金屬層10、膠布11、氧化石墨烯薄膜 12、第二光刻膠層13。
【具體實(shí)施方式】
[0041] 下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說(shuō)明。
[0042] 如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的一種電容式壓力傳感器，包括柔性襯底1、下金屬電 極板2、LCP絕緣介質(zhì)層3、金屬引線4和石墨烯電極板5。柔性襯底1和下金屬電極板2粘 合，柔性襯底1中設(shè)有真空密封腔6,真空密封腔6的頂面為下金屬電極板2的底面。LCP 絕緣介質(zhì)層3連接在下金屬電極板2的上表面，且LCP絕緣介質(zhì)層3覆蓋部分下金屬電極 板2。LCP絕緣介質(zhì)層3位于真空密封腔6的上方，且覆蓋整個(gè)真空密封腔6。金屬引線4 連接在LCP絕緣介質(zhì)層3的上表面。石墨烯電極板5連接在LCP絕緣介質(zhì)層3的上表面和 金屬引線4的部分上表面。LCP絕緣介質(zhì)層3是指由LCP材料制成的絕緣介質(zhì)層。采用其 他柔性聚合物材料，在工藝制作中很難做到部分覆蓋下金屬電極板2,而LCP材料在工藝制 作上采用層壓法很容易做到部分覆蓋下金屬電極板2。石墨烯電極板5與金屬引線4部分 上表面連接在一起。這會(huì)使石墨稀電極板5與金屬引線4不容易分離，提高傳感器的可靠 性。LCP絕緣介質(zhì)層3覆蓋部分下金屬電極板2,因?yàn)橄陆饘匐姌O板2裸露出來(lái)一部分作為 一金屬引線，與另一個(gè)金屬引線4 一起將電容變化輸出。
[0043] 上述結(jié)構(gòu)的電容式壓力傳感器的工作過(guò)程是：傳感器在外界壓力的作用下，石墨 烯電極板5、LCP絕緣介質(zhì)層3、下金屬電極板2發(fā)生撓曲，使得石墨烯電極板5和下金屬電 極板2之間的面積增大，從而使得電容增大。電容變化通過(guò)金屬引線4和下金屬極板2裸 露出來(lái)的金屬引線輸出，從而達(dá)到測(cè)出外在壓力值的目的。根據(jù)事先對(duì)外界壓力與壓力敏 感元件的電阻進(jìn)行數(shù)據(jù)擬合標(biāo)定，獲得電阻壓力關(guān)系，然后根據(jù)實(shí)際測(cè)得的壓力敏感元件 的電阻變化，得到所需測(cè)量點(diǎn)的壓力值。
[0044] 本實(shí)施例的壓力傳感器，當(dāng)外界壓力作用在石墨烯電極板5上時(shí)，會(huì)導(dǎo)致石墨烯 電極板5、LCP絕緣介質(zhì)層3、下金屬電極板2都發(fā)生彎曲形變。此時(shí)，石墨烯電極板5與下 金屬電極板2之間的面積發(fā)生了變化。平行極板電容器的電容計(jì)算公式為：C = --，其中， d A表示平行極板之間的面積；d表示平行極板之間的距離，e為中間絕緣介質(zhì)層的介電常數(shù)。 當(dāng)平行極板之間的面積發(fā)生變化，平行極板電容器的電容就會(huì)發(fā)生相應(yīng)的變化?，F(xiàn)有的電 容式壓力傳感器一般都是采用變間距的工作原理，即電容兩極板之間的間距發(fā)生變化繼而 導(dǎo)致電容變化。與現(xiàn)有技術(shù)相比，本實(shí)施例采用面積變化帶來(lái)的電容變化，并結(jié)合壓力傳感 器的柔性特征，提高了壓力傳感器的靈敏度。
[0045] 本實(shí)施例的壓力傳感器中，下金屬電極板2、LCP絕緣介質(zhì)層3和石墨烯電極板5 在壓力作用下，一同發(fā)生形變，從而導(dǎo)致面積變化。由于LCP材料的柔韌性好，所以可以承 受比單晶硅、多晶硅以及氧化硅、氮化硅更大的壓力，而不使LCP材料發(fā)生損壞、斷裂。也就 是說(shuō)，本實(shí)施例的壓力傳感器可以承受的壓力范圍更廣，相應(yīng)使得壓力傳感器的量程增大。
[0046] 本實(shí)施例的壓力傳感器中，柔性襯底1的設(shè)置，使得傳感器可以使用在需要傳感 器整體彎曲變形的領(lǐng)域，如生物醫(yī)學(xué)和