压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种压力传感器及其制备方法，所述压力传感器包括相对设置的第一电极板和第二电极板，其特征在于，所述第一电极板包括第一衬底以及设置在所述第一衬底上的金属叉指电极，所述金属叉指电极的表面形成为粗糙表面；所述第二电极板包括一侧表面具有微结构阵列的第二衬底和覆设于所述微结构阵列上的复合金属层；其中，所述复合金属层与所述粗糙表面相互抵触连接。所述压力传感器在提高其灵敏度的同时又能保持器件循环的稳定性。

【技术实现步骤摘要】
压力传感器及其制备方法
本专利技术属于传感器
，尤其涉及一种压力传感器及其制备方法。
技术介绍
近年来，越来越多的科研工作者正从事将压力传感器件应用于人工智能、电子皮肤等领域的研究，其研究内容主要包括理论基础、先进材料、制备工艺以及封装技术等方面，已在实现压力传感器微型化、商业化等方面取得一系列重要进展。在被研究的众多新型压力传感器件中，依据其作用原理的不同将其主要分为三大类：第一类，电阻式压力传感器，(于留波，赵湛，方震.基于MEMS技术的金属应变式压力传感器优化设计.仪表技术与传感器，2010.2)即主要是通过测量电阻的变化来反映压力的大小，其中又可以根据电阻变化的方式将其分为应变式和压阻式：应变式压力传感器是通过材料发生形变引起电阻变化来显示压力大小的，即当压力传感器受到一定压力时，上下“三明治”结构的导电材料接触面积随之改变，最终导致压力传感器件电阻发生改变；而压阻式压力传感器主要是通过导体的导电通路随着压力的改变电阻值发生变化来表现的。第二类，电容式压力传感器，(CohenDJ，MitraD，PetersonK，etal.Ahighlyelastic，capacitivestraingaugebasedonpercolatingnanotubenetworks[J].Nanoletters，2012，12(4):1821-1825.)即主要是通过测量电路电容的变化来反映压力的大小；当压力传感器件受到一定压力时，此时引起电容器的电容值发生一定改变，通过测量电容值的变化量来间接反映所施加压力的大小；其影响压力传感器件灵敏度的主要影响因素是介电层的弹性、介电常数等等。第三类，压电式压力传感器，(胡向东，刘金城，余成波等.传感器与检测技术[M].北京：机械工业出版社,2013.)即主要是通过测量在施加一定压力时压力传感器件两端的电势变化来反映压力大小的；当压力传感器件受到一定外力时，器件中的压电材料会发生一定形变，此时压电材料会在沿着压力方向的两端积累一定的正电荷和负电荷，而在外力撤销后压电材料中的电荷分布又会回到起始状态，因此通过测量压力传感器件两端的电势变化大小来反映所施加压力的大小。一般地，对于评价一个压力传感器件的性能，主要是通过测试以下几个性能参数来体现的，它们分别是：灵敏度，动态量程，响应时间和稳定性。然而，压力传感器件作为需要能够迅速、准确识别外界微小压力并随之能够将力的变化转化为电信号输出的电子器件，如何在大幅度提高其灵敏度的同时保持器件循环稳定性一直是困扰国内外学者的一个关键性问题。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种具有高灵敏度并且能够保持器件循环稳定性的压力传感器及其制造方法，以满足在压力传感器的应用领域中日益增长的需求。为实现上述专利技术目的，本专利技术采用了如下技术方案：一种压力传感器，包括相对设置的第一电极板和第二电极板，其中，所述第一电极板包括第一衬底以及设置在所述第一衬底上的金属叉指电极，所述金属叉指电极的表面形成为粗糙表面；所述第二电极板包括一侧表面具有微结构阵列的第二衬底和覆设于所述微结构阵列上的复合金属层；其中，所述复合金属层与所述粗糙表面相互抵触连接。具体地，所述粗糙表面的表面粗糙度为5～10μm。具体地，所述金属叉指电极中，每一子电极的长度为10～20mm，宽度为0.10～0.12mm，相邻两个子电极的中心间距为0.10～0.12mm。具体地，所述第二衬底的厚度为1～2mm，所述微结构阵列的高度为5～7μm，相邻两个微结构的中心间距为5～10μm。具体地，所述微结构阵列中包含有多种高度不同的微结构，每一个微结构的形状为圆台状。具体地，所述第一衬底为刚性衬底或柔性衬底，所述第二衬底的材料为PDMS。具体地，所述复合金属层包括叠层设置的第一金属层和第二金属层，其中所述第二金属层与所述粗糙表面相互抵触连接。具体地，所述第一金属层的材料为铬或镍或钛，所述第二金属层的材料为金或银。具体地，所述第一金属层的厚度为5～10nm，所述第二金属层的厚度为90～100nm。本专利技术还提供了一种如上所述的压力传感器的制备方法，其包括：第一电极板的制备，包括：提供第一衬底，应用电化学沉积工艺在所述第一衬底制备形成具有粗糙表面的金属薄膜层，应用刻蚀工艺将所述金属薄膜层刻蚀形成表面为粗糙表面的金属叉指电极；第二电极板的制备，包括：应用刻蚀工艺或倒模工艺制备形成一侧表面具有微结构阵列的第二衬底，在所述第二衬底的微结构阵列的表面上沉积复合金属层；将所述第二电极板叠层设置在所述第一电极板上，获得所述压力传感器。本专利技术实施例提供的压力传感器，其中第一电极板的表面形成为粗糙表面，第二电极板的表面形成有微结构阵列，粗糙表面的电极结构与微结构阵列的电极结构在一定压力下的接触可分为四个过程：依次是点接触、点饱和、面接触和面饱和，因此在低量程范围内外界压力的轻微改变将会导致接触点的迅速增加，从而可显著增加该压力传感器件的灵敏度和动态量程，并且也能够保持器件循环的稳定性。另外，该压力传感器的结构简单、其制备工艺难度低，易于大规模生产。附图说明图1是本专利技术实施例的压力传感器的结构示意图；图2是本专利技术实施例中的第一电极板的结构示意图；图3是本专利技术实施例中的第二电极板的结构示意图；图4是本专利技术实施例中的金属叉指电极的俯视图；图5a至图5g是本专利技术实施例的压力传感器的制备方法中，各个工艺步骤对应获得的器件结构的示例性图示；图6是本专利技术实施例的压力传感器的电性测试曲线图；图7是本专利技术实施例的压力传感器的循环稳定性测试曲线图。具体实施方式为使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本专利技术的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本专利技术的实施方式仅仅是示例性的，并且本专利技术并不限于这些实施方式。本实施例首先提供了一种压力传感器，如图1所示，所述压力传感器包括第一电极板10和第二电极板20，所述第一电极板10和所述第二电极板20相对设置。其中，参阅图1至图3，所述第一电极板10包括第一衬底11以及设置在所述第一衬底11上的其中金属叉指电极12，所述金属叉指电极12的每一子电极12a的表面形成为粗糙表面13。所述第二电极板20包括一侧表面具有微结构21a阵列的第二衬底21和覆设于所述微结构21a阵列上的复合金属层22。其中，所述复合金属层22与所述粗糙表面13相互抵触连接。其中，所述第一衬底11可以选择为刚性衬底或柔性衬底：具体地，刚性衬底可采用导电性差的金属材质，还可以用玻璃、陶瓷、石英等简单易的材料；柔性衬底可采用有机聚合物，如PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PI(聚酰亚胺)等。所述第二衬底21的材料可以选择为PDMS(聚二甲聚硅氧烷)。在本实施例中，所述金属叉指电极12上的粗糙表面13的表面粗糙度为5～10μm。所述金属叉指电极12的材料可以选择为金或银，应用电化学沉积工艺在所述第一衬底制备形成具有粗糙表面的金或银金属薄膜层，应用刻蚀工艺将所述金或银金属薄膜层刻蚀形成表面为粗糙表面13的金属叉指电极12。在本实施例中，参阅图2和图4，所述叉指电极12中的每一子电极12a的长度L1为10～20mm，宽度D1为0本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种压力传感器，包括相对设置的第一电极板和第二电极板，其特征在于，所述第一电极板包括第一衬底以及设置在所述第一衬底上的金属叉指电极，所述金属叉指电极的表面形成为粗糙表面；所述第二电极板包括一侧表面具有微结构阵列的第二衬底和覆设于所述微结构阵列上的复合金属层；其中，所述复合金属层与所述粗糙表面相互抵触连接。

【技术特征摘要】
1.一种压力传感器，包括相对设置的第一电极板和第二电极板，其特征在于，所述第一电极板包括第一衬底以及设置在所述第一衬底上的金属叉指电极，所述金属叉指电极的表面形成为粗糙表面；所述第二电极板包括一侧表面具有微结构阵列的第二衬底和覆设于所述微结构阵列上的复合金属层；其中，所述复合金属层与所述粗糙表面相互抵触连接。2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述粗糙表面的表面粗糙度为5～10μm。3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述金属叉指电极中，每一子电极的长度为10～20mm，宽度为0.10～0.12mm，相邻两个子电极的中心间距为0.10～0.12mm。4.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第二衬底的厚度为1～2mm，所述微结构阵列的高度为5～7μm，相邻两个微结构的中心间距为5～10μm。5.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述微结构阵列中包含有多种高度不同的微结构，每一个微结构的形状为圆台状。6.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，...

【专利技术属性】
技术研发人员：何可，陈明，程冠铭，冯叶，钟国华，李文杰，杨春雷，
申请(专利权)人：深圳先进技术研究院，
类型：发明
国别省市：广东,44