[發明專利]一種高靈敏度電容型柔性壓力傳感器

有效

• 申請號: 201710042874.7
• 申請日: 2017-01-20
• 公開（公告）號: CN106813811B
• 公開（公告）日: 2019-04-05
• 發明（設計）人: 潘力佳;汪俊;程文;馬仲;施毅
• 申請（專利權）人: 南京大學
• 主分類號: G01L1/14
• 分類號: G01L1/14;A61B5/024
• 代理公司: 南京瑞弘專利商標事務所(普通合伙) 32249
• 代理人: 陳建和

本發明公開了一種高靈敏度的電容型柔性壓力傳感器，具有多層次微結構材料，附著于多層次微結構材料表面上為電容器上電極、電介質材料和電介質材料下表面的電容器下電極；多層次微結構材料和電介質材料平面平行疊合；所述多層次微結構材料，多層次微結構材料為如下結構：縱截面的形狀為面分布且排列的若干金字塔形或邊緣平滑的類金字塔形、半球形、橢球形、圓錐形、V字形形狀；多層次微結構材料采用聚合物彈性材料。

技術領域

本發明涉及了一種能應用于可穿戴器件、健康監測及電子皮膚領域的對極小壓力有響應的高靈敏度電容型柔性壓力傳感器。

背景技術

模仿人類皮膚功能的電子皮膚在很多領域如機器人皮膚、人類假肢及健康監測等領域都有很廣泛的應用前景。近些年來，應用于電子皮膚的柔性壓力傳感器在很多性能如測力范圍、靈敏度、可拉伸性等都接近或超過了人類皮膚的感知性能。

柔性壓力傳感器一般分為以下幾種類型：(1)電阻型，利用壓阻型材料在受壓過程中電阻的改變感知壓力，其結構簡單，但弛豫時間較長，易受溫度影響。(2)壓電型，在受壓過程中，壓電材料內部會產生極化電荷。壓電型壓力傳感器可以有效檢測震動和很短時間內力的變化，但無法測靜壓力。(3)電容型，通過一定的器件結構，使得在受壓過程中，電容器兩極板間距離改變或兩極板間正對面積改變，從而得到電容的改變。電容型壓力傳感器有溫度影響小，輸出溫度，動態響應好等優點。(4)光電型，表面聲波型等。

柔性壓力傳感器的主要性能指標有：(1)靈敏度(2)測力的范圍(3)遲滯(4)抗干擾性(5)可重復性。

現有的電容型柔性壓力傳感器一般通過設計一定結構的介電層材料，在受壓過程中介電層材料發生形變，從而改變電容極板間間距，從而得到電容的改變。但這種設計方法使得介電層厚度不可能變得很小，從而電容值不能達到很大，限制了電容的改變空間，也限制了傳感器的測力范圍及靈敏度。

發明內容

本發明目的是，提供了一種電容型柔性壓力傳感器，可應用于可穿戴設備、健康監測或電子皮膚等領域。

本發明的技術方案是，一種電容型柔性壓力傳感器，結構如下：多層次微結構材料，附著于多層次微結構材料表面上的電容器上電極，電介質材料和電介質材料下表面的電容器下電極；多層次微結構材料和電介質材料平面平行疊合；所述多層次微結構材料，多層次微結構材料為如下結構：縱截面的形狀為面分布且排列的若干金字塔形或邊緣平滑的類金字塔形、半球形、橢球形、圓錐形、V字形形狀；總之，多層次微結構材料采用聚全物彈性材料；柔性電容壓力傳感器的電容上電極，由多層次的彈性微結構以及微結構上的鈦或金薄膜組成；電容電介質材料及下電極，由BOPP薄膜及背面鈦或金薄膜組成；

所述多層次，縱截面的形狀存在大小不一多種尺寸微結構材料，使得在受壓過程中大尺寸微結構先發生形變，實現較高靈敏度；隨著壓力增大，小尺寸金字塔后發生形變，實現壓力的可測范圍增大。

縱截面的各種形狀的長度尺寸(高或邊長、直徑等最長尺寸)大小從5um-200um不等；

所述壓力傳感器，縱截面的形狀與形狀的中心間距從5um-500um不等。

所述壓力傳感器，其制備的工藝流程為：

1)<100>晶向硅片，在硅片表面鍍有100-500nm厚SiO₂薄膜，清洗，烘干；

2)Si-Si O₂表面旋涂S1805光刻膠，旋涂速度3000-6000轉/S，旋涂時間30-90S；置于熱臺90-130℃堅膜，時間40-80S；(如可選用其它光刻膠如AZ1500、S1805光刻膠等)；

3)所得樣品放置在有掩模光刻機中，曝光時間2-10S；

4)所得樣品置于正膠顯影液中，顯影10-30S；