電容型壓力傳感器及其制備方法
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種電容型壓力傳感器及其制備方法。所述電容型壓力傳感器包括：第一基底和第二基底；設(shè)于第一基底上的第一電極層和設(shè)于第二基底上的第二電極層，第一電極層和第二電極層位于第一基底和第二基底之間；設(shè)于第一電極層和第二電極層之間的介電層；所述介電層包括多個凸起。該制備方法包括：形成第一基底和第二基底；在第一基底上布設(shè)第一電極層，在第二基底上布設(shè)第二電極層；形成包括多個凸起的介電層；將介電層布設(shè)于第一電極層上；將第一基底、第一電極層及介電層的組合放置于第二電極層上使介電層位于第一電極層與第二電極層之間。本發(fā)明大幅度提高了電容型壓力傳感器的靈敏度，有效縮短了傳感器的響應(yīng)時間。
【專利說明】
電容型壓力傳感器及其制備方法
技術(shù)領(lǐng)域
[0001]本發(fā)明屬于壓力傳感器領(lǐng)域，具體地講，涉及一種電容型壓力傳感器及其制備方 法。
【背景技術(shù)】
[0002] 近年來，隨著柔性電子學(xué)的發(fā)展，電容型壓力傳感器作為一種能夠?qū)崟r感測到外 界壓力變化的傳感器已經(jīng)廣泛應(yīng)用于我們的日常生活和工業(yè)生產(chǎn)中。電容型壓力傳感器在 柔性顯示、電子皮膚、可穿戴式監(jiān)測設(shè)備、植入式醫(yī)療康復(fù)監(jiān)測以及仿生機器人等領(lǐng)域表現(xiàn) 出了極大的應(yīng)用潛力。目前柔性電容型壓力傳感器的常見制備方法是將柔性聚合物基底與 導(dǎo)電材料組裝成傳感器件。由于電容響應(yīng)型柔性壓力傳感器中的介電層是實現(xiàn)傳感性能的 關(guān)鍵部位，且傳統(tǒng)的柔性介電層材料大多為平板狀的聚合物薄膜，這使得電容型壓力傳感 器的靈敏度普遍不高，嚴重限制了電容響應(yīng)型柔性壓力傳感器的應(yīng)用。
[0003] 因此，現(xiàn)有技術(shù)還有待于改進和發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004] 為了解決上述現(xiàn)有技術(shù)中存在的問題，本發(fā)明提供了一種高靈敏度的電容型壓力 傳感器。
[0005] 本發(fā)明提供了一種電容型壓力傳感器，所述電容型壓力傳感器包括:第一基底和 第二基底;設(shè)于所述第一基底上的第一電極層和設(shè)于所述第二基底上的第二電極層，所述 第一電極層和所述第二電極層位于所述第一基底和所述第二基底之間；設(shè)于所述第一電極 層和所述第二電極層之間的介電層;所述介電層包括多個設(shè)于所述第一電極層和所述第二 電極層之間的凸起。
[0006] 進一步地，所述凸起包括連接所述第一電極層的延伸部、以及自所述延伸部延伸 而朝向所述第二電極層的尖部;所述尖部在平行于所述第一電極層方向上的橫截面積小于 所述延伸部在平行于所述第一電極層方向上的橫截面積。
[0007] 進一步地，所述延伸部相互連接。
[0008] 進一步地，所述凸起呈拱形狀。
[0009] 進一步地，所述多個凸起在平行于所述第一電極層的方向上依次排列。
[0010] 進一步地，每一凸起呈長條形。
[0011] 進一步地，相鄰的凸起之間設(shè)有空隙。
[0012] 進一步地，所述第一電極層平行所述第二電極層。
[0013] 進一步地，所述第一基板平行所述第二基板。
[0014] 本發(fā)明還提供了一種電容型壓力傳感器的制備方法，用于制備上述的電容型壓力 傳感器，所述制備方法包括：
[0015] 形成第一基底和第二基底；
[0016] 在所述第一基底上布設(shè)第一電極層，在所述第二基底上布設(shè)第二電極層；
[0017] 形成包括多個凸起的介電層；
[0018] 將所述介電層布設(shè)于所述第一電極層上；
[0019] 將所述第一基底、所述第一電極層及所述介電層的組合放置于所述第二電極層 上，使所述介電層位于所述第一電極層與所述第二電極層之間。
[0020] 本發(fā)明的有益效果：
[0021] 本發(fā)明的電容型壓力傳感器的介電層包括多個凸起，在單位壓力下，介電層更加 容易發(fā)生形變而改變第一電極層與第二電極層之間的距離以使電容型壓力傳感器在單位 壓力下的電容變化量更大，從而大幅度提高了電容型壓力傳感器的靈敏度，有效縮短了響 應(yīng)時間。
【附圖說明】
[0022] 通過結(jié)合附圖進行的以下描述，本發(fā)明的實施例的上述和其它方面、特點和優(yōu)點 將變得更加清楚，附圖中：
[0023] 圖1是本發(fā)明的電容型壓力傳感器的較佳實施方式的結(jié)構(gòu)示意圖；
[0024] 圖2是圖1中介電層的立體圖；
[0025]圖3是本發(fā)明的電容型壓力傳感器的較佳實施方式對連續(xù)壓力響應(yīng)的曲線圖；
[0026] 圖4是本發(fā)明的電容型壓力傳感器的制備方法的較佳實施方式的流程圖。
【具體實施方式】
[0027] 以下，將參照附圖來詳細描述本發(fā)明的實施例。然而，可以以許多不同的形式來實 施本發(fā)明，并且本發(fā)明不應(yīng)該被解釋為限制于這里闡述的具體實施例。相反，提供這些實施 例是為了解釋本發(fā)明的原理及其實際應(yīng)用，從而本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員能夠理解本發(fā)明的 各種實施例和適合于特定預(yù)期應(yīng)用的各種修改。相同的標號在整個說明書和附圖中可用來 表示相同的元件。
[0028] 在附圖中，為了清楚起見，夸大了層和區(qū)域的厚度。相同的標號在整個說明書和附 圖中可用來表示相同的元件。
[0029] 根據(jù)電容型壓力傳感器的信號響應(yīng)機理：
[0030]其中，^用于表示介電層的介電常數(shù)，A用于表示兩電極板的有效正對面積，d用于 表示兩極板間的距離。當電容型壓力傳感器受到壓力的作用時，至少一個變量會發(fā)生改變， 從而導(dǎo)致傳感器電容發(fā)生變化，進而通過檢測電容的變化來反映壓力的大小。
[0031 ]參照圖1和圖2，本發(fā)明的實施例提供的電容型壓力傳感器包括:第一基底11和第 二基底12;設(shè)于所述第一基底11上的第一電極層和設(shè)于所述第二基底12的上的第二電極層 14,所述第一電極層13和所述第二電極層14位于所述第一基底11和所述第二基底12之間； 所述介電層17包括多個設(shè)于所述第一電極層13和所述第二電極層14之間的凸起15。凸起15 之間設(shè)有間隙16,間隙16里填充有氣體。所述氣體可以為普通的空氣，也可以為其它的惰性 氣體。但本發(fā)明并不限制于此。
[0032]為了使電容型壓力傳感器在單位壓力下的電容變化量更大，本發(fā)明的實施例提供 了包括多個一端較尖一端較粗的凸起15的介電層17，以使壓力傳感器在按壓的過程中，介 電層17的形變更加明顯，以使第一電極層13和第二電極層14之間產(chǎn)生的電容變化量更大， 從而達到大幅度提高電容型壓力傳感器的靈敏度的目的。具體地，所述凸起15包括連接所 述第一電極層13延伸部152、以及自所述延伸部152延伸而朝向所述第二電極層14的尖部 151，所述尖部151在平行于所述第一電極層13方向上的橫截面積小于所述延伸部152在平 行于所述第一電極層13方向上的橫截面積。優(yōu)選地，所述凸起15在平行于所述第一電極層 13的方向上的橫截面積自所述第一電極層13朝向所述第二電極層14的方向逐漸減小。 [0033]所述延伸部152相互連接。所述多個凸起15在平行于所述第一電極層13的第一方 向上依次排列。為了使壓力傳感器在受壓的過程中受力更加均勻，每一凸體呈拱形狀，且每 一凸起15呈長條形，每一凸起15沿平行所述第一電極層13且垂直所述第一方向的第二方向 上延伸，以形成連續(xù)的波浪式結(jié)構(gòu)。但本發(fā)明并不限制于此。
[0034]每個凸起15在垂直于所述第一電極層13方向上的橫截面的寬度可以為1~50微 米，高度可以為0.5~25微米。優(yōu)選地，所述凸起15在垂直于所述第一電極層13方向上的橫 截面的寬度為2~10微米，深度為1~8微米時，可以獲得更好的技術(shù)效果。合理地設(shè)置每個 凸起15的長寬高比例，可以使電容型壓力傳感器在受到單位壓力按壓的過程中，介電層17 的形變更加明顯。在本實施例中，所述凸起15的寬度為2.5微米，高度為1.5微米。
[0035]作為本發(fā)明的另一實施例，多個凸起15也可以呈點陣式排布，每個凸起15相互獨 立排布，每個凸起15的底部153互不相連。另外，所述凸起15可以呈錐體狀(包括圓錐和棱錐 體等），也可以呈拱形狀(包括半球體、圓臺狀等），本發(fā)明的凸起15的形狀并不限制于此。 [0036]作為本發(fā)明的又一實施例，介電層17的多個凸起15呈陣列式排布，所述凸起15可 以為長條的拱形狀的凸起15。
[0037] 所述第一電極層13平行所述第二電極層14。所述第一電極層13包括鋪設(shè)于所述第 一基底11上的金屬納米線，所述第二電極層14包括鋪設(shè)于所述第二基底12上的金屬納米 線。所述金屬納米線可為銀納米線、銅納米線、鎳納米線、鉬納米線等。采用的金屬納米線的 直徑可以為10~100納米，長度10~50微米。優(yōu)選地，采用的金屬納米線的直徑為20~80納 米，長度20~40微米時，可以獲得更好的技術(shù)效果。本實施例中的金屬納米線具體為銀納米 線，所述銀納米線的直徑優(yōu)選為60納米，長度優(yōu)選為20~25微米。
[0038] 為了獲得成本較低、柔韌性更好、與人體有更好的相容是性的第一基底和第二基 底，所述第一基板11平行所述第二基板12。所述第一基底11和第二基底12由聚二甲基硅氧 烷(英文簡稱為TOMS，下文統(tǒng)一使用簡稱TOMS)形成。所述第一基底11和第二基底12的厚度 為100~500微米。優(yōu)選地，本實施例的第一基底11和第二基底12的厚度為200微米。
[0039] 本發(fā)明的實施例提供的電容響應(yīng)型柔性壓力傳感器可以貼附在衣物及皮膚上，用 于脈搏、血壓、呼吸頻率等生理體征檢測，也可以用于人體運動狀況檢測。
[0040] 參照圖3，其中，Co是電容型壓力傳感器無負載時的電容值，C是測試時電容型壓力 傳感器的電容值。
[0041] 由圖3可知，本發(fā)明的實施例的電容型壓力傳感器具有很高的響應(yīng)靈敏度和超低 的壓力檢出限。其中，靈敏度是指單位壓力下響應(yīng)信號的相對變化量，靈敏度的計算公式 為:S=(C-C Q)/C〇/壓力。壓力檢出限是指傳感器所能檢測到的最小壓力值。由圖3可以看出， 在較小的壓力(小于700Pa)條件下，壓力傳感器的靈敏度可達到7 · 1 ±0 · 5kPa-1，在較大的壓 力（700~2500Pa)條件下，壓力傳感器的靈敏度也能達到4.4±0.3kPa-、并且在兩段響應(yīng)區(qū) 間內(nèi)，響應(yīng)曲線都呈現(xiàn)了很好的線性關(guān)系。另外，從圖3的全量程范圍內(nèi)的性能測試可以看 到，壓力傳感器的最低檢出限低于50Pa，進一步的低壓性能測試表明，壓力傳感器的最低檢 出限可以達到6Pa。
[0042] 為了獲得制備工藝簡單，適用于大規(guī)模工業(yè)化生產(chǎn)的電容型壓力傳感器，參照圖1 和圖4,本發(fā)明的實施例還提供了一種電容型壓力傳感器的制備方法，所述電容型壓力傳感 器的制備方法具體包括以下步驟：
[0043] 在步驟210中，形成第一基底11和第二基底12。具體地，先在潔凈的玻璃上旋涂質(zhì) 量比為10:1的PDMS和固化劑的混合物，在70 °C下固化20min得到平整的PDMS膜，也就是第一 基底11和第二基底12。通過調(diào)整旋涂速率和時間將PDMS膜的厚度控制為200微米。但本發(fā)明 的PDMS膜的厚度并不限制于此，所述第一基底11和第二基底12的厚度可以為100~500微 米。
[0044] 在步驟220中，在所述第一基底11上布設(shè)第一電極層13,在所述第二基底上12布設(shè) 第二電極層13。具體地，在第一基底11澆筑銀納米線的乙醇分散液，烘干乙醇后，在邊緣用 銀膠粘貼銅箱作為引出電極，以在第一基底11上形成第一電極層13。同樣地，在第二基底12 澆筑銀納米線的乙醇分散液，烘干乙醇后，在邊緣用銀膠粘貼銅箱作為引出電極，以在第二 基底12上形成第二電極層14。本實施例所用銀納米線的直徑為60納米，長度20~25微米。
[0045] 在步驟230中，形成包括多個凸起15的介電層17。具體地，先通過光蝕刻法在硅片 表面刻蝕出多個溝槽寬度為2.5微米、深度為1.5微米的凸起15的模板。然后在所述模板上 澆筑用于形成所述凸起15的質(zhì)量比為10:1的PDMS和固化劑的混合物以形成包括多個凸起 15的介電層17。但本發(fā)明并不限制于此，所述凸起15的寬度可以為1~50微米，高度可以為 0.5~25微米。
[0046] 在步驟240中，將所述介電層17布設(shè)于所述第一電極層上。具體地，將形成有第一 電極層13的第一基底11倒扣在澆筑有PDMS和固化劑混合物的模板上，在70 °C下固化20min， 然后將PDMS和固化劑固化后形成的凸起15與模板剝離，得到貼附有包括多個凸起15的介電 層17和第一電極層13的第一基底11。
[0047]在步驟250中，將所述第一基底11、所述第一電極層13及所述介電層17的組合放置 于所述第二電極層14上，使所述介電層17位于所述第一電極層13與所述第二電極層14之 間。
[0048]綜上所述，本發(fā)明大幅度提高了電容型壓力傳感器的靈敏度，有效縮短了傳感器 的響應(yīng)時間，并且該傳感器結(jié)構(gòu)簡單穩(wěn)定，容易組裝及整體封裝，適用于大規(guī)模工業(yè)化生 產(chǎn)。
[0049] 需要說明的是，在本文中，諸如第一和第二等之類的關(guān)系術(shù)語僅僅用來將一個實 體或者操作與另一個實體或操作區(qū)分開來，而不一定要求或者暗示這些實體或操作之間存 在任何這種實際的關(guān)系或者順序。而且，術(shù)語"包括"、"包含"或者其任何其他變體意在涵蓋 非排他性的包含，從而使得包括一系列要素的過程、方法、物品或者設(shè)備不僅包括那些要 素，而且還包括沒有明確列出的其他要素，或者是還包括為這種過程、方法、物品或者設(shè)備 所固有的要素。在沒有更多限制的情況下，由語句"包括一個……"限定的要素，并不排除在 包括所述要素的過程、方法、物品或者設(shè)備中還存在另外的相同要素。
[0050] 雖然已經(jīng)參照特定實施例示出并描述了本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員將理解： 在不脫離由權(quán)利要求及其等同物限定的本發(fā)明的精神和范圍的情況下，可在此進行形式和 細節(jié)上的各種變化。
【主權(quán)項】
1. 一種電容型壓力傳感器，其特征在于，所述電容型壓力傳感器包括： 第一基底和第二基底； 設(shè)于所述第一基底上的第一電極層和設(shè)于所述第二基底上的第二電極層，所述第一電 極層和所述第二電極層位于所述第一基底和所述第二基底之間； 設(shè)于所述第一電極層和所述第二電極層之間的介電層;所述介電層包括多個設(shè)于所述 第一電極層和所述第二電極層之間的凸起。2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容型壓力傳感器，其特征在于，所述凸起包括連接所述第一 電極層的延伸部、以及自所述延伸部延伸而朝向所述第二電極層的尖部;所述尖部在平行 于所述第一電極層方向上的橫截面積小于所述延伸部在平行于所述第一電極層方向上的 橫截面積。3. 根據(jù)權(quán)利要求2所述的電容型壓力傳感器，其特征在于，所述延伸部相互連接。4. 根據(jù)權(quán)利要求3所述的電容型壓力傳感器，其特征在于，所述凸起呈拱形狀。5. 根據(jù)權(quán)利要求1或4任一項所述的電容型壓力傳感器，其特征在于，所述多個凸起在 平行于所述第一電極層的方向上依次排列。6. 根據(jù)權(quán)利要求1或4任一項所述的電容型壓力傳感器，其特征在于，每一凸起呈長條 形。7. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容型壓力傳感器，其特征在于，相鄰的凸起之間設(shè)有空隙。8. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容型壓力傳感器，其特征在于，所述第一電極層平行所述第 二電極層。9. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的電容型壓力傳感器，其特征在于，所述第一基板平行所述第二 基板。10. -種電容型壓力傳感器的制備方法，用于制備權(quán)利要求1至9任一項所述的壓力傳 感器，其特征在于，包括： 形成第一基底和第二基底； 在所述第一基底上布設(shè)第一電極層，在所述第二基底上布設(shè)第二電極層； 形成包括多個凸起的介電層； 將所述介電層布設(shè)于所述第一電極層上； 將所述第一基底、所述第一電極層及所述介電層的組合放置于所述第二電極層上，使 所述介電層位于所述第一電極層與所述第二電極層之間。
【文檔編號】G01L1/14GK106092384SQ201610394645
【公開日】2016年11月9日
【申請日】2016年6月6日 公開號201610394645.7, CN 106092384 A, CN 106092384A, CN 201610394645, CN-A-106092384, CN106092384 A, CN106092384A, CN201610394645, CN201610394645.7
【發(fā)明人】孫蓉, 帥行天, 朱朋莉, 胡友根
【申請人】中國科學(xué)院深圳先進技術(shù)研究院