[发明专利]一种电容式压力传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种电子器件，具体涉及一种基于多孔性弹性薄膜为绝缘层的电容式压力传感器及其制备方法，属于电子技术领域。

背景技术

电容式压力传感器利用电容敏感元件将被测压力转换成与之成一定关系的电量输出的压力传感器，其特点是结构简单，功率小，动态响应快。它的敏感部分就是具有可变参数的电容器，其最常见的形式是由两个平行电极组成、极间夹以绝缘薄膜的电容器。当薄膜感受压力而变形时，薄膜与固定电极之间形成的电容量发生变化，通过测量电路即可输出与电压成一定关系的电信号，该电信号的灵敏度大致与薄膜的面积和压力成正比而与薄膜的张力和薄膜到固定电极的距离成反比。

随着可穿戴设备的发展，对作为其重要组成部件的压力传感器提出了更高的要求，包括可弯曲性，高灵敏度，快速响应以及与人体的兼容性。为满足这些要求，采用与人体兼容的弹性绝缘材料作为电容器的绝缘层。然而，单纯的采用弹性薄膜作为绝缘层材料其弹性性能有限，不能得到高的灵敏度。因此，如何增加绝缘层的弹性性能已成为一个重要的研究方向。目前的技术是采用微结构的硅片为模板，在硅片上形成薄膜后再剥离的方法得到表面具有微结构的弹性绝缘层，从而提高传感器的灵敏性。但这种方法存在以下弊端：(1)模板的使用增加了工艺的成本；(2)薄膜表面形成的微结构极容易形变被压实，只能在微小的压力范围内有较高的灵敏度。同时，如何保证薄膜表面的微结构在与电极贴合以及器件与电路集成时不被压缩也将成为一个难题。因此，如何增加这些弹性材料的形变能力在增强电容式压力传感器的灵敏性以及增加高灵敏性的压力范围具有重要的意义。

发明内容

本发明的目的是，提供一种电容式压力传感器及其制备方法，解决电容式压力传感器中弹性绝缘层受压力作用时形变量小的问题，增大弹性绝缘层受压力作用时的形变，从而提高电容式压力传感器的敏感性。

本发明是通过以下技术方案实现的：

一种电容式压力传感器，由绝缘层和两片包含电极的衬底组成，所述绝缘层位于两层电极之间，其特征在于，所述绝缘层为多孔性弹性薄膜。

按照本发明所提供的电容式压力传感器，其特征在于，所述多孔弹性薄膜为聚合物泡沫塑料或是由热固化弹性材料和发泡材料混合后经加热固化后形成。

按照本发明所提供的电容式压力传感器，其特征在于，所述聚合物泡沫塑料包括氯丁橡胶(CR)、丁腈橡胶(NBR)、聚乙烯(PE)、聚氯乙烯(PVC)、聚乙烯-醋酸乙烯(EVA)、化学交联聚乙烯(XPE)和氨基树脂(Melamine)。

按照本发明所提供的电容式压力传感器，其特征在于，所述热固化弹性材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚氨酯(PU)和铂催化硅胶(Ecoflex)。

按照本发明所提供的电容式压力传感器，其特征在于，所述发泡材料包括偶氮二异丁腈、偶氮二异庚腈、甲苯磺酰肼、氧化双(苯磺酷)肋、碳酸氢钠、碳酸氢铵。

按照本发明所提供的电容式压力传感器，其特征在于，所述热固化弹性材料和发泡材料混合比例在10:1-10:3之间。

按照本发明所提供的电容式压力传感器，其特征在于，所述电极包括石墨烯、石墨、炭黑、单壁和多壁碳纳米管、金属、金属氧化物、金属纳米线、金属及金属氧化物纳米颗粒，所述金属包括金、银、铜、铝和镍，所述金属氧化物包括氧化铟锡(ITO)和氟掺杂锡氧化物(FTO)。

按照本发明所提供的电容式压力传感器，其特征在于，所述衬底包括玻璃、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚酰亚胺(PI)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)和聚氨基甲酸酯(PU)。

本发明的另一技术方案如下：

一种电容式压力传感器的制备方法，其包括以下步骤：

1)利用乙醇溶液、丙酮溶液和去离子水对衬底进行超声清洗，清洗后干燥，采用氧等离子体或紫外光/臭氧处理该衬底表面；

2)采用真空蒸镀、磁控溅射、旋涂、喷涂、刮涂或凹版印刷的方式在衬底上制备电极；

3)将两片包含电极的衬底贴合到作为绝缘层的多孔性弹性薄膜的上下两侧，得到所需的电容式压力传感器；其中,多孔性弹性薄膜为聚合物泡沫塑料或是由热固化弹性材料和发泡材料混合后经加热固化后形成，电极和多孔性弹性薄膜相接触，衬底在最外侧。

按照本发明所提供的电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述由热固化弹性材料和发泡材料混合后经加热固化后形成的多孔性弹性薄膜的制备方法包括以下步骤：

1)分别称取热固化弹性材料和发泡材料并将两者混合均匀，混合比例为10:1-10:3；