一种高灵敏度与宽量程压力传感器制造技术

本发明专利技术提供一种高灵敏度与宽量程压力传感器，包括外壳和位于外壳内的多级传感元；所述外壳受到的外界压力逐渐增大的过程中，所述多级传感元具有不同的厚度或高度，从而所述多级传感元依次顺序受压；本发明专利技术的高灵敏度与宽量程压力传感器，基于各级传感元在不同压力范围内具有高灵敏度，具体是利用压力传感器敏感材料易变形可提升传感器灵敏度、而敏感材料变形困难可增大传感器量程的特性，或者是，在依次受压的过程中起主要作用的相应级传感元提供高灵敏度，从而综合提高传感器的灵敏度和量程。

A High Sensitivity and Wide Range Pressure Sensor

The invention provides a high sensitivity and wide range pressure sensor, including a shell and a multi-level sensor element located in the shell; the multi-level sensor element has different thickness or height in the process of gradually increasing external pressure on the shell, so that the multi-level sensor element is sequentially pressed; the high sensitivity and wide range pressure sensor of the invention is based on all levels of sensing. The element has high sensitivity in different pressure ranges. In particular, the sensitivity of the sensor can be improved by using the deformable sensitive material of the pressure sensor, while the range of the sensor can be increased by the difficult deformation of the sensitive material. Or, the corresponding sensor elements, which play a major role in the process of sequential compression, can provide high sensitivity, thereby comprehensively improving the sensitivity and range of the sensor.

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏度与宽量程压力传感器
本专利技术涉及一种压力传感器，尤其涉及一种高灵敏度与宽量程压力传感器。
技术介绍
灵敏度和量程是传感器的两个重要性能参数，两者一般为相互制约的对立关系，这在很多场合不能满足人们对这两方面的综合需求。《磁致链化对磁流变弹性体压阻效应的影响》.复合材料学报.2017(9)和《Piezo-capacitivebehaviorofmagneticallystructuredparticlesbasedconductivepolymerwithhighsensitivityandawideworkingrange》.JournalofMaterialsChemistryC，2018,6(20)等文献中指出一种磁性金属颗粒填充的导电橡胶，在成型过程中施加磁场实现对填充粒子的空间分布进行调控，材料呈现的压阻效应及压容效应非常显著。因此，由微小导电(且/或导磁)颗粒混合绝缘性有机体的磁流变弹性体(实为导电复合材料)成为了一种新型的压容/压阻式压力或应变敏感材料，原理是微观上导电颗粒的空间分布在压力/应变压缩作用下发生重新排列，从而显著地改变敏感材料的介电常数或电导率，由此制作的压力/应变传感器具有宽量程和较好的灵敏度。特别地，在磁场条件下制备的该型导电复合材料，通过在微观上建立磁致链化型微观结构，可获得相比传统敏感材料高一至两个数量级的超高灵敏度，同时因颗粒填充增大的杨氏模量使之具备宽量程。然而，此类导电复合材料的高灵敏度体现在大压力范围内，而在初始阶段的小压力范围内的灵敏度并不理想。颗粒重排度是影响此类导电复合材料灵敏度的关键因素，即宏观上的压力作用使材料挤压变形，导致微观上的颗粒分布发生重新排列，以致邻近颗粒重新配对成大量新的微电容器或通道，从而剧烈地影响着敏感材料的宏观电容或电阻。因此，颗粒重排的大规模发生，依赖于压力作用时材料的宏观应变是否明显，这也正是在初始阶段小压力范围内的灵敏度偏小的原因所在。虽然可以通过提高颗粒体积分数和使用纳米颗粒填充(两者都是增大颗粒重排的颗粒数量)、采用磁致链化的制备条件(增大局部颗粒体积分数)来提高灵敏度，但所受益的灵敏度提升仍然主要是在大压力范围，而小压力范围内的灵敏度依旧难以满足要求，尤其填充纳米颗粒的方法还会明显地降低量程。由此可见，单纯改变材料配方很难兼顾灵敏度和量程之间的平衡，且工艺上的难度及成本较高。在颗粒体积分数一定的条件下，敏感材料易变形将提升颗粒重排度(由此提升灵敏度)、而变形困难意味着增大敏感材料抵抗外界压力的上限(即增大了量程)，其他柔性敏感材料一般也具有这一特征。针对这一事实，需要一种高灵敏度与宽量程压力传感器。更一般地，一种敏感材料通常在某个压力范围内具有高灵敏度，而在低于此压力范围时灵敏度较低，在高于此压力范围时灵敏度也较低或已产生饱和。因此，倘若利用在不同压力范围内具有高灵敏度的敏感单元进行组合，便可以实现在从低至高压力整个范围内的高灵敏度，且依旧获得宽量程，而此结构组合的关键是如何使不同敏感单元以一定次序在其有效压力范围内受压而发挥作用。
技术实现思路
有鉴于此，本专利技术的目的是针对压力传感器用敏感材料易变形将提升传感器灵敏度，而敏感材料变形困难将增大传感器量程的这一特性，或使在不同压力范围内具有高灵敏度的不同敏感材料进行结构组合，提供一种从小压力至大压力整个范围内均具有高灵敏度，并能够保持宽压力量程的高灵敏度与宽量程压力传感器。本专利技术提供一种高灵敏度与宽量程压力传感器，包括外壳和位于外壳内的多个传感元，其中，“多个”指的是两个两个以上；所述外壳受到的外界压力逐渐增大的过程中，所述传感元依次受压；其中传感元设有压力敏感材料，例如普通压阻式压力传感器中的电阻应变片、陶瓷压力传感器中的陶瓷膜片或者基于导电复合材料的压力传感器中的导电复合材料；传感元依次受压指的是多个传感元中的压力敏感材料按照一定次序逐一受压；因此，当传感器所受的外界压力较小时，该压力仅仅传递至传感器外壳内的一个或者少数几个传感元的压力敏感材料上，此时，一个或者少数几个传感元的等效杨氏模量较小，敏感材料的形变量较大，有利于提高压力传感器在小压力作用下的灵敏度；当外界压力增大时，受压的传感元数量逐渐增加，这些传感元的等效杨氏模量也逐渐增加，直至其中任意一个传感元达到所允许的变形极限时，整个传感器达到总压力量程的上限；因此，本专利技术的压力传感器在全量程范围内均具有高灵敏度，同时又能保证传感器具有宽量程，解决了现有压力传感器灵敏度与量程之间的对立矛盾。进一步，每个所述传感元均包括压容/压阻式敏感材料和分设于所述敏感材料两侧的电极板Ⅰ和电极板Ⅱ，传感元在受压时，电极板Ⅰ和电极板Ⅱ相互靠近，从而对中部的敏感材料进行压缩，并输出与压力值对应的电信号，传感原理包括但不限于采用压阻、压容效应将压力或应变激励转换为电信号；另外，电极板Ⅰ和电极板Ⅱ的宽度应稍大于敏感材料在自然状态下的宽度，确保当敏感材料受压发生横向膨胀时，电极板亦能覆盖整个敏感材料；相邻的传感元之间应预留一定间隙，避免变形过程中发生相互干涉。进一步，各所述传感元的厚度或支撑高度各不相同，使各传感元的受压端与所述外壳的受压端之间的间距各不相同；传感器所受的外界压力逐渐增大的过程中，受压端与外壳的受压端距离较近的传感元将首先受到压力作用；因此，通过控制各个传感元受压端与外壳受压端的间距大小可以控制该传感元受压的次序，而传感元受压端与外壳受压端的间距可以通过传感元的厚度或支撑高度控制；例如，当外壳的顶面为受压端时，传感元位于外壳内并安装于外壳的底面，若传感元的厚度较大或支撑高度较高时，传感器所受的外界压力逐渐增大的过程中，该传感元将较早受压；传感元的厚度包括电极板和敏感材料共同的厚度，因此，可以通过改变电极板或者敏感材料的厚度来调节某一传感元的厚度；当然，也可以在传感元底电极板下设置不同高度的支撑垫，从而使各个传感元的受压端与外壳受压端的间距不同。进一步，多个所述传感元包括一个中心传感元和多个层层同心外套于所述中心传感元的环形传感元；中心传感元可为圆形、三角形、矩形或其他多边形结构，而环形传感元可为尺寸逐渐增大的圆环、三角形框、矩形框或其他多边形环状结构；传感器的各个传感元采用这种形状和布置方式可以提高其在受压状态下的平稳度。进一步，多个所述传感元包括一个中心传感元和一组或多组外级传感元组；每一外级传感元组包括绕所述中心传感元环形分布的多个厚度相同的外级传感元；而不同组外级传感元组中的外级传感元的厚度不同，其中，中心传感元和外级传感元可为圆柱形、方形或其他形状；进一步，所述传感元的厚度或被支撑垫支撑后的高度从中部向外侧逐渐增大或减小，在传感器受到外界压力逐渐增大的过程中，各级传感元将以由外至内、或者由内至外的顺序依次受压。进一步，先受压的所述传感元中的敏感材料的杨氏模量应小于后受压的所述传感元中的敏感材料的杨氏模量；且先受压的所述传感元中的敏感材料的小压力灵敏度应高于后受压的所述传感元中的敏感材料的小压力灵敏度；这种布置方式能够进一步提高整个传感器在小压力作用下的灵敏度，同时进一步提高传感器的量程范围。进一步，先受压的所述传感元中的敏感材料的导电/导磁颗粒的体积分数应小于后受压的所述传感元中的敏感材料的导电/导本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高灵敏度与宽量程压力传感器，其特征在于：包括外壳和位于外壳内的多个传感元；所述外壳受到的外界压力逐渐增大的过程中，所述传感元依次受压。

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏度与宽量程压力传感器，其特征在于：包括外壳和位于外壳内的多个传感元；所述外壳受到的外界压力逐渐增大的过程中，所述传感元依次受压。2.根据权利要求1所述高灵敏度与宽量程压力传感器，其特征在于：每个所述传感元均包括压容/压阻式敏感材料和分设于所述敏感材料两侧的电极板Ⅰ和电极板Ⅱ。3.根据权利要求1所述高灵敏度与宽量程压力传感器，其特征在于：各所述传感元的厚度或支撑高度各不相同，使各传感元的受压端与所述外壳的受压端之间的间距各不相同。4.根据权利要求3所述高灵敏度与宽量程压力传感器，其特征在于：多个所述传感元包括一个中心传感元和多个层层同心外套于所述中心传感元的环形传感元。5.根据权利要求3所述高灵敏度与宽量程压力传感器，其特征在于：多个所述传感元包括一个中心传感元和一组或多组外级传感元组；每一外级传感元组包括绕所述中心传感元环形分布的多个厚度相同的外级传感元。6.根据权利要求4或5所述高灵敏度与宽量程压力传感器，其特征在于：所述传感元的厚度从中部向外侧逐渐增大或逐渐减小。7.根据权利要求1所述高灵敏度与宽量程压...

【专利技术属性】
技术研发人员：谢磊，范泽智，秦虹，舒畅，廖昌荣，
申请(专利权)人：重庆大学，
类型：发明
国别省市：重庆,50