[发明专利]传感元件与弹性敏感元件加工一体化的传感器及其制备

说明书

本发明涉及一种传感元件与弹性敏感元件加工一体化的传感器，包括弹性敏感元件、传感元件和电阻采集系统，所述传感元件原位生成在所述弹性敏感元件的表面，所述传感元件的中至少两部分作为电极分别与所述电阻采集系统电连接。其中，所述弹性敏感元件为三维结构，所述弹性敏感元件包括至少设置在其一个表面的可碳化高分子层，所述传感元件由所述可碳化高分子层中一部分被碳化后得到。本发明在三维结构的弹性敏感元件上直接进行传感元件的制备，弹性敏感元件和传感元件之间无需经过复杂方法进行复合，从而实现传感器弹性敏感元件与传感元件设计、制备、加工的一体化。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种传感元件与弹性敏感元件加工一体化的传感器及其制备。

背景技术

力敏传感器是是将应力/应变信号转换成可输出信号的器件或装置。力敏传感器通常由弹性敏感元件和传感元件组成。其中弹性敏感元件是指传感器中能直接感受应力/应变的部分，弹性敏感元件的形状有柱状、悬臂梁、膜盒膜片、薄壁圆筒等结构/形状，可根据不同的被测量参数来选择或设计不同的结构形式。传感元件是指传感器中能将弹性敏感元件输出的应力/应变转换为适于传输和测量的电信号的部分，传感元件是传感器的核心元件。例如电阻应变式传感器中的金属/半导体应变片，厚膜压阻传感器中的导电纳米颗粒-陶瓷复合膜，以及微机电一体化(MEMS)传感器系统。在现有的力敏传感器中，弹性敏感元件与传感元件的设计、制备是独立的，传感元件通过烧结、粘结等与弹性敏感元件结合，这就大大增加了传感器设计、制备的难度。例如，专利CN201711193503公开了一种柔性传感器的制备方法，在柔性基体的表面书写传感元件，所制备的传感元件需要再与弹性敏感元件(如悬臂梁)结合后形成传感器。该传感器中的传感元件利用原位碳化后的高分子与柔性基体之间物化性能差异，比如热膨胀系数、吸湿性等，将形变信号转换为电信号输出。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种传感元件与弹性敏感元件加工一体化的传感器及其制备，本发明在三维结构的弹性敏感元件上直接进行传感元件的制备，弹性敏感元件和传感元件之间无需经过复杂方法进行复合，从而实现传感器弹性敏感元件与传感元件设计、制备、加工的一体化。

本发明的第一个目的是提供一种传感元件与弹性敏感元件加工一体化的传感器，包括弹性敏感元件、传感元件和电阻采集系统，所述传感元件原位生成在所述弹性敏感元件的表面，所述传感元件的中的至少两部分作为电极分别与所述电阻采集系统电连接，其中，所述弹性敏感元件为三维结构，所述弹性敏感元件包括至少设置在其一个表面的可碳化高分子层，所述传感元件由所述可碳化高分子层中一部分被碳化后得到。

进一步地，所述传感器为压阻式传感器。

进一步地，所述弹性敏感元件的结构为空心/实心的圆柱、柱状、膜片及膜盒、悬臂梁、弹簧管、波纹管或扭转棒。

进一步地，所述弹性敏感元件还包括基体，所述可碳化高分子层设置于所述基体的表面上。

进一步地，所述基体的材质为金属、陶瓷、塑料、玻璃。

进一步地，所述可碳化高分子层与基体可通过粘结等方式复合，也可以将可碳化高分子层的溶液涂覆在基体表面进行复合，涂覆方式可以是滴涂、浸涂、喷涂和旋涂。

进一步地，所述可碳化高分子层的材质为聚酰亚胺、碳化硅或氧化石墨烯。

优选地，弹性敏感元件为聚酰亚胺管，其表面(外表面或内表面)的聚酰亚胺作为可碳化高分子层，对其中的一部分进行碳化，碳化后的聚酰亚胺即作为传感元件。

进一步地，传感元件可以原位生成在弹性敏感元件的外表面或内表面，传感元件的图案可以是由点或线组成的线形或面形等各种图案。

进一步地，采用的碳化方式为激光碳化，激光碳化时所使用激光光源的波长为10nm-1mm，激光功率为200mW-10W。