[发明专利]一种基于热对流原理的柔性加速度传感器

说明书

本发明公开了一种柔性的基于热对流原理的加速度传感器，包括由聚二甲基硅氧烷材料制备的带有空腔的顶盖；含有气体包括空气、惰性气体等，亦或是液体包括水、油填充物的腔体；安置于密封腔体中部位置的加热元件；若干安置于密封腔体内并围绕加热元件对称的感温元件；由聚酰亚胺、柔性PVC聚合物材料制备的柔性衬底。通过测量电路与感温元件构成惠斯通电桥，通过测量惠斯通电桥上两端的电压值变化，结合比例关系进而得到加速度的大小。本发明采用微机械热对流式加速度传感器工作原理，无悬空、可动结构的柔性加速度传感器，相比于已有的柔性加速度传感器，极大的提高了柔性加速度传感器的可靠性、耐冲击性；降低了制造成本、工艺复杂度。

技术领域

本发明涉及一种柔性加速度传感器。

背景技术

加速度传感器是一种测量作用于系统的加速度的大小和方向的装置。广泛应用于各个领域。汽车的安全气囊系统和用于姿态控制的悬架是该装置应用的典型例子。目前，它的应用范围和频率都在增加。因此，像智能手机和平板电脑这样的便携式小型电子设备都装有加速度传感器。随着加速度传感器在先进的小型电子设备上的应用，对小型加速度传感器的需求不断增加。一些常见的传感器类型包括电容式，压电式，压阻式和隧道式加速度传感器，其中大多数具有坚固的可动悬空质量块，该质量块会由于施加的加速度而改变其位置。由于所涉及的机械运动，这样的装置具有较低的冲击存活率以及诸如粘着，机械振铃和滞后等其他问题。

热对流式加速度传感器通过测量密封腔中气体温度分布变化来感应加速度。单轴热加速度传感器的结构一般由通过硅晶片的正面批量微加工产生的微腔组成。电阻加热元件悬挂在腔体的中心，一对感温元件(如热敏电阻；或由串联连接的热电偶制成的热电堆)围绕加热元件对称放置。腔体中存在的流体(例如空气)仍然被外壳(包装)包裹。工作原理为：由于加热元件的散热，在其周围形成了流体的热场。在稳定状态(即没有任何加速度)下，空腔内的温度曲线相对于加热元件保持对称，并且对称放置的感温元件检测相同的温度。但是，在施加加速度的情况下，温度分布会由于热场的物理位移而发生倾斜，温度在加热元件的一侧升高，而在另一侧降低。最终的温差与施加的加速度成比例，并由感温元件测量。热流体的采用简化了传感器结构，与制造工艺，降低了成本。此外，更为重要的是无可动悬空结构更有利于耐冲击。

同时，传统的基于硅微机械工艺的热对流式加速度传感器，需要使用包含光刻，离子刻蚀，沉积等复杂的半导体工艺，成本较高。且基于刚性基底制备的加速度传感器，在面对一些为柔性表面待测物体时，不能够紧密贴合，一定程度上影响测试性能。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出一种基于热对流原理的柔性加速度传感器结构与制备方法，克服现有的加速度传感器结构中需要具备可动质量块或者悬空结构部件的问题，并且提出一种制造工艺简单，成本低廉的制备方法。

技术方案：一种基于热对流原理的柔性加速度传感器，包括柔性顶盖、加热元件、若干感温元件、柔性衬底以及测量电路；柔性顶盖和柔性衬底分别采用柔性隔热材料制备而成，所述柔性顶盖和柔性衬底连接，两者之间形成密封腔体；加热元件固定在所述密封腔体内的柔性衬底中央；若干感温元件固定在所述密封腔体内的柔性衬底上，并对称分布在所述加热元件周围，所述感温元件连接测量电路；所述密封腔体内填充有气体或液体。

进一步的，所述柔性顶盖采用的材料为聚二甲基硅氧烷或硅橡胶，并通过浇筑、纳米压印、3D打印方式制备而成。

进一步的，所述感温元件为石墨烯、碳纳米管、铂或金制备而成的导电薄膜，所述导电薄膜通过旋涂、丝网印刷、溅射或喷墨打印方式制备在所述柔性衬底上。

进一步的，所述加热元件为镍铬合金制备而成的导电薄膜，所述导电薄膜通过旋涂、丝网印刷、溅射或喷墨打印方式制备在所述柔性衬底上。

进一步的，所述密封腔体内填充空气或惰性气体，或填充油、水。

进一步的，所述柔性衬底采用的材料为聚酰亚胺或聚氯乙烯，所述加热元件和感温元件均与柔性衬底贴合。