用于同时测量弯曲应变和压力的传感器制造技术

本发明专利技术公开了一种用于同时测量弯曲应变和压力的传感器，所述传感器包括从下到上依次设置的第一支撑层、金属薄膜层、介质层、第二支撑层以及电极层；所述金属薄膜层嵌置在所述第一支撑层与所述介质层之间，用于感应弯曲应变，所述电极层与所述金属薄膜层平行地设置，用于与所述金属薄膜层形成电容式压力传感器。根据本发明专利技术的传感器能够同时检测压力和弯曲应变，其制作过程无毒且无需掩膜，节省成本。

Sensor for simultaneous measurement of bending strain and pressure

【技术实现步骤摘要】
用于同时测量弯曲应变和压力的传感器
本专利技术涉及压力以及弯曲应变测量领域，具体涉及一种用于测量弯曲应变和压力的传感器。
技术介绍
随着人机交互领域的快速发展，电子皮肤得到极大关注。电子皮肤通过模拟人体皮肤，将外部刺激转换为电信号来检测温度、应变、湿度和压力，而且由于电子皮肤需要实现单点并行多功能检测的功能，即能够同时检测多种刺激，需要能够同时检测刺激的传感器。现有技术中，关于该类传感器的制作方法，存在以下缺点：(1)分层结构导致传感器结构复杂，生产过程中难以对齐；(2)采用光刻以及真空沉积等复杂的制造工艺，造成材料浪费；(3)难以商业化。因此，有必要提出一种新的结构简单、环保且能够同时检测多种刺激的传感器。
技术实现思路
有鉴于此，为了克服上述问题的至少一个方面，本专利技术的实施例提供了一种用于同时测量弯曲应变和压力的传感器，所述传感器包括从下到上依次设置的第一支撑层、金属薄膜层、介质层、第二支撑层以及电极层，所述金属薄膜层嵌置在所述第一支撑层与所述介质层之间，用于感应弯曲应变，所述电极层与所述金属薄膜层平行地设置，用于与所述金属薄膜层形成电容式压力传感器。进一步地，所述金属薄膜层通过喷墨打印、磁控溅射或者热蒸镀形成于所述第一支撑层上。进一步地，所述电极层通过喷墨打印、磁控溅射或者热蒸镀形成于所述第二支撑层上。进一步地，所述金属薄膜层包括成“工”字型设置的金属薄膜层第一部分、金属薄膜层第二部分和金属薄膜层第三部分，所述金属薄膜层第二部分位于所述金属薄膜层第一部分和金属薄膜层第三部分之间。进一步地，所述金属薄膜层第一部分的宽度等于所述金属薄膜层第三部分的宽度，且所述金属薄膜层第二部分的宽度小于所述金属薄膜层第一部分的宽度和/或所述金属薄膜层第三部分的宽度。进一步地，所述电极层包括电极层第一部分和从所述电极层第一部分的一侧向远离所述电极层第一部分的方向延伸的电极层第二部分，所述电极层第二部分的尺寸小于所述电极层第一部分的尺寸。进一步地，所述电极层第一部分的宽度等于所述金属薄膜层第二部分的宽度，且所述电极层第一部分与所述金属薄膜层第二部分在竖直方向上对齐设置。进一步地，所述第一支撑层和/或第二支撑层采用聚萘二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯或聚酰亚胺制成。进一步地，所述第一支撑层和/或第二支撑层采用经过甘油浸泡的纸制成。进一步地，所述介质层采用硅胶制成。进一步地，所述传感器还包括设置在所述电极层上方和/或所述第一支撑层下方的封装层。进一步地，所述封装层采用硅胶制成。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点之一：1、本专利技术提供的传感器能够同时检测压力和弯曲应变；2、利用喷墨打印、磁控溅射或者热蒸镀的方式将金属薄膜层形成于第一支撑层上以及将电极层形成于第二支撑层上，制作过程无毒且无需掩膜，节省成本。附图说明通过下文中参照附图对本专利技术所作的描述，本专利技术的其它目的和优点将显而易见，并可帮助对本专利技术有全面的理解。图1为本专利技术实施例提供的传感器的剖视图；图2(a)为本专利技术实施例提供的传感器的金属薄膜层形状示意图；图2(b)为本专利技术实施例提供的传感器的电极层的形状示意图；图2(c)为金属薄膜层和电极层位置关系示意图；图3为利用电子显微镜扫描传感器截面得到的照片；图4为利用电子显微镜扫描采用纸制成的第二支撑层的表面得到的照片；图5为利用电子显微镜扫描的当银颗粒覆盖到第二支撑层后得到的照片；图6为图5的高分辨扫描电子显微镜照片；图7为利用电子显微镜扫描的当第二支撑层覆盖有银颗粒后的截面所得到的照片；图8A为在传感器施加不同的应变时，相对电阻(ΔR/R0)的变化示意图，其中内部插图为施加应变时的照片；图8B为在传感器施加不同的压力时，相对电容(ΔC/C0)的变化示意图，其中内部的插图为局部放大图；图9A为本专利技术实施例提供的传感器在应变逐渐增大和应变逐渐减小时的相对电阻变化的比较示意图；图9B为本专利技术实施例提供的传感器在压力逐渐增大和压力逐渐减小时的相对电容变化的比较示意图；图10A为本专利技术实施例提供的传感器在应变为0.93％下的响应时间示意图，其中内部插图为局部放大图；图10B为本专利技术实施例提供的传感器在一定压力下的响应时间示意图；图11A为本专利技术实施例提供的传感器在应变分别为0.76％和1.07％的情况下，弯曲4500次的相对电阻变化情况；图11B为本专利技术实施例提供的传感器在202.8KPa的压力下，按压5700次相对电容的变化情况；图12为在将传感器放置在手上面并抓握不同曲率半径的物体时，实验测得的结果和实际结果的比较示意图。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，下面将结合本专利技术实施例的附图，对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例是本专利技术的一个实施例，而不是全部的实施例。基于所描述的本专利技术的实施例，本领域普通技术人员在无需创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。除非另外定义，本专利技术使用的技术术语或者科学术语应当为本专利技术所属领域内具有一般技能的人士所理解的通常意义。下面结合附图，对本专利技术的一些实施方式做详细说明。在不冲突的情况下，下述的实施例及实施例中的特征可以相互结合。如图1所示，本专利技术实施例提供了一种能够同时测量弯曲应变和压力的传感器100，其可以包括从下到上依次设置的第一支撑层1、金属薄膜层2、介质层3、第二支撑层4以及电极层5。其中，金属薄膜层2嵌置在第一支撑层1与介质层3之间，用于感应弯曲应变，电极层5与金属薄膜层2平行地设置，用于与金属薄膜层2形成电容式压力传感器。可以通过喷墨打印、磁控溅射或者热蒸镀的方式将金属薄膜层2形成于第一支撑层1上，以及也可以通过喷墨打印、磁控溅射或者热蒸镀将电极层5形成于第二支撑层4上。图1示出的第一支撑层1厚度可以是100μm-150μm，优选是125μm，并且可以采用柔性介质材料制成，例如可以是聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚酰亚胺(Capton)或者纸。优选采用表面亲水的PEN制成。这是由于喷墨打印所采用的墨水的溶剂主要是醚类，当采用表面亲水的PEN制成第一支撑层1时，可以将墨水打印在PEN上。当利用喷墨打印形成金属薄膜层2时，可以是将工业生产的银墨水打印到第一支撑层1上，这样金属薄膜层2即为银颗粒堆积而成。当然，也可以使用包含其他金属颗粒的墨水。具体的，如图2(a)所示，金属薄膜层2可以包括金属薄膜层第一部分21、金属薄膜层第二部分22和金属薄膜层第三部分23。在本实施例中，可以通过金属薄膜层第一部分21和金属薄膜层第三部分23引出导线，并通过金属薄膜层第二部分22感应压力应变。金属薄膜层第二部分22位于金属薄膜层第一部分21和本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种用于同时测量弯曲应变和压力的传感器，所述传感器包括从下到上依次设置的第一支撑层、金属薄膜层、介质层、第二支撑层以及电极层，/n其特征在于，所述金属薄膜层嵌置在所述第一支撑层与所述介质层之间，用于感应弯曲应变，所述电极层与所述金属薄膜层平行地设置，用于与所述金属薄膜层形成电容式压力传感器。/n

【技术特征摘要】
1.一种用于同时测量弯曲应变和压力的传感器，所述传感器包括从下到上依次设置的第一支撑层、金属薄膜层、介质层、第二支撑层以及电极层，
其特征在于，所述金属薄膜层嵌置在所述第一支撑层与所述介质层之间，用于感应弯曲应变，所述电极层与所述金属薄膜层平行地设置，用于与所述金属薄膜层形成电容式压力传感器。


2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，所述金属薄膜层通过喷墨打印、磁控溅射或者热蒸镀形成于所述第一支撑层上。


3.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述电极层通过喷墨打印、磁控溅射或者热蒸镀形成于所述第二支撑层上。


4.如权利要求1-3任一项所述的传感器，其特征在于，所述金属薄膜层包括成“工”字型设置的金属薄膜层第一部分、金属薄膜层第二部分和金属薄膜层第三部分，所述金属薄膜层第二部分位于所述金属薄膜层第一部分和金属薄膜层第三部分之间。


5.如权利要求4所述的传感器，其特征在于，所述金属薄膜层第一部分的宽度等于所述金属薄膜层第三部分的宽度，且所述金属薄膜层第二部分的宽度小于所述金属薄膜层第一部分的宽度和/或所述金属薄膜层第三部分的宽度。

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【专利技术属性】
技术研发人员：潘曹峰，鲍容容，付胜，
申请(专利权)人：北京纳米能源与系统研究所，
类型：发明
国别省市：北京;11