本发明专利技术公开一种基于叉指电极和双电层原理的气体压力传感器及制备方法。属于先进电子元器件设计与制造技术领域。其中叉指电极、导线等均由金属材料沉积所得到；衬底层可选刚性材料或柔性材料，电解质层选择聚合物材料与小分子电解质混合形成的复合材料制成的薄膜。本发明专利技术通过制备具有恒压小腔室的基底层来维持电解质层一侧压力恒定，通过电解质层两侧压差变化产生薄膜形变，从而产生对双电层的挤压状态变化，通过双电层产生的双电层电容的变化来检测气体压力变化，通过将叉指电极与双电层原理相结合，使得本发明专利技术气体压力传感器具有很高的灵敏度、宽动态范围和低压力分辨率。宽动态范围和低压力分辨率。宽动态范围和低压力分辨率。
【技术实现步骤摘要】
一种基于叉指电极和双电层原理的气体压力传感器及制备方法
[0001]本专利技术属于先进电子元器件设计与制造领域，特别涉及一种基于双电层原理的电解质浓度传感器、制备方法及其应用。
技术介绍
[0002]压力传感器用于感知外界压力信号，可应用于人工智能、健康监测、人机交互等领域。其原理主要有压阻式、压电式、电容式、光学式、电磁式等。其中电容式由于其高灵敏度、高集成度、可检测静态压力等特点而广泛应用。气体压力传感器是压力传感器中的一个分支，主要应用于检测气体压力变化、海拔高度等领域。
[0003]目前市面上大多数的电气体压力传感器，主要基于压阻式原理，通过电桥结构实现高灵敏度检测，这类传感器由于使用了电桥原理，导致其存在2个定值电阻、两个可变电阻，导线布局复杂，常用到半导体掺杂等工艺，制作工艺繁琐，成本较高。
[0004]超级电容器是一类电容值非常大电容器，将超级电容原理用于制作传感器，可以有效增强传感器的抗干扰能力。双电层电容是超级电容的一种，其特征在于在敏感区域产生双电层而不发生电化学反应。但双电层电容制备压力传感器，常常具有上下电极层的多层结构，用于制备气压传感将会降低灵敏度。
[0005]因此研发一种灵敏度高、结构灵巧且制备工艺简单的气体压力传感器是目前亟待解决的技术问题。
技术实现思路
[0006]有鉴于此，本专利技术的目的在于提供一种基于叉指电极和双电层原理的气体压力传感器及制备方法，以克服现有技术中的不足。
[0007]按照本专利技术的第一方面，提供了一种基于叉指电极和双电层原理的气体压力传感器，包括具有腔室的基底层，所述的基底层的腔室上方设有能够全面覆盖腔室的电解质层，所述的电解质层上方设有衬底层，所述的衬底层靠近电解质层一侧设有电极层，所述的电极层由一对叉指电极构成，所述的衬底层和所述的基底层之间通过PDMS填块封装。
[0008]本专利技术的工作原理为：在外界气压发生变化时，通过腔室内和外界气压的压差的变化引起电解质层挤压电极，产生界面间双电层电容的变化，实现对气体压力的感知功能，其中的电解质层选择聚合物材料与小分子电解质混合形成的复合材料。
[0009]在上述的一种基于叉指电极和双电层原理的气体压力传感器中，所述的电极层的形状包括但不限于方形、圆形。
[0010]在上述的一种基于叉指电极和双电层原理的气体压力传感器中，所述的电极层呈圆形，直径为3mm，所述的叉指电极的每个叉指宽度为50
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200μm，相邻叉指间距为50μm，每个叉指电极上连接有一贯穿PDMS填块的导线，所述的导线的线宽为0.2mm，导线末端设有焊接点。通过导线可以将叉指电极连接到测试仪器上，以便测试标定等试验。
[0011]在上述的一种基于叉指电极和双电层原理的气体压力传感器中，所述的叉指电极采用惰性金属材料制成，包括但不限于Au、Ag、Cu和Pt。
[0012]在上述的一种基于叉指电极和双电层原理的气体压力传感器中，所述的电极层和所述的衬底层之间设有粘附层，所述的粘附层采用能够能增强惰性金属材料与衬底材料之间粘附性的金属材料，包括但不限于Cr、Ti。
[0013]在上述的一种基于叉指电极和双电层原理的气体压力传感器中，所述的衬底层所采用的材料包括但不限于PI、PET、SiO2、Si或PMMA，优选为PI或SiO2。PI为聚酰亚胺，PET为聚对苯二甲酸乙二酯，两者均为柔性材料，可以使制得的传感器具有一定的柔性，方便与曲面结构结合；SiO2为玻璃，PMMA为亚克力，采用刚性材料特别是SiO2，能够使制得的传感器能够适用于对传感器结构强度有一定要求的场所。
[0014]在上述的一种基于叉指电极和双电层原理的气体压力传感器中，所述的基底层的腔室为截面形状和所述的电极层形状一致的柱状凹槽，所述的柱状凹槽得到深度为1cm。
[0015]在上述的一种基于叉指电极和双电层原理的气体压力传感器中，所述的基底层所采用的材料包括但不限于PDMS、SiO2、Si或PMMA。
[0016]按照本专利技术的另一方面，还提供了一种基于双电层原理的电解质浓度传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0017]步骤一、清洗衬底层：将衬底层依次用丙酮、异丙醇超声清洗，然后经过水清洗，并用气枪吹干，所述的气枪吹出气体为惰性气体，优选为氮气；
[0018]步骤二、制作光刻胶图形化的玻璃片：在清洗后的衬底层上滴加光刻胶，通过匀胶机在前转500rpm后转4000rpm转速下旋涂5min，通过热板加热固化，加热温度为100
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110℃，优选为105℃；选择制备好的掩膜版，采用光刻机曝光后显影，获得光刻胶图形化的衬底层；
[0019]步骤三、制备电极：将步骤二所得的光刻胶图形化的衬底层上依次进行金属沉积粘附层金属和电极层金属，获得一对叉指电极，所述的金属沉积的方法包括但不限于磁控溅射、热蒸发镀膜和电子束蒸发镀膜，优选为磁控溅射；
[0020]步骤四、制备电解质层：将4g PVA和36g水混合并在95℃加热2h后降至室温，加入3.3mL H3PO4，继续搅拌2h，然后经过脱泡处理后，倒在3000目至10000目的砂纸上，200rpm旋涂30s，室温下放在水平桌面放置24h以挥发大部分水分得到面积至少能够覆盖直径为3mm圆的电解质薄膜，所述的电解质薄膜一侧光滑，另一侧具有微结构。
[0021]步骤五、制备基底层：在基底层上通过刻蚀技术制备出内径3mm，深度1cm的圆柱状凹槽。
[0022]步骤六、集成封装：将步骤四制备的电解质薄膜的光滑一侧通过无影胶固定在基底层的圆形凹槽上方，使其完全覆盖凹槽；然后将步骤三所得到的带有一对叉指电极的衬底层固定在电解质薄膜的微结构一侧，使一对叉指电极和电解质薄膜相接触，然后采用PDMS封装。
[0023]与现有技术相比，本专利技术具有以下优点：
[0024](1)设计了一种新型结构的气体压力传感器。该结构具体表现为：电极结构采用叉指电极，实现电容两极板在同一平面功能；薄膜为结构为砂纸微结构，实现微结构挤压电极时产生双电层面积的变化；采用圆柱腔室，实现腔内压力恒定，当外界气压变化时引起腔室1a薄膜内外压差的变化。
[0025](2)提供了一种新的方法制备气体压力传感器。该方法为：将双电层理论结合到气体压力传感器领域，在低电压测试条件下，保证电极不与固体电解质发生电化学反应时，实现气体压力的传感。
[0026](2)传感器制作工艺简单，文中所述的叉指电极线宽，可适当调大至200μm；有利于增加传感信号强度。
[0027](3)传感器结构简单、灵活，性能良好，能检测到的最低气压分辨率为10Pa，具有同时检测正负压的功能。
附图说明
[0028]图1.本专利技术的传感器结构示意图；
[0029]图2.本专利技术的叉指电极结构示意图；
[0030]图3.实施例1制备气体压力传感器的电容
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气压特性曲线；
[0031]图4.实施例1制备本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
1.一种基于叉指电极和双电层原理的气体压力传感器，其特征在于，包括具有腔室(1a)的基底层(1)，所述的基底层(1)的腔室(1a)上方设有能够全面覆盖腔室(1a)的电解质层(2)，所述的电解质层(2)上方设有衬底层(3)，所述的衬底层(3)靠近电解质层(2)一侧设有电极层(4)，所述的电极层(4)由一对叉指电极构成，所述的衬底层(3)和所述的基底层(1)之间通过PDMS填块封装。2.根据权利要求1所述的一种基于叉指电极和双电层原理的气体压力传感器，其特征在于，所述的电极层(4)的形状包括但不限于方形、圆形。3.根据权利要求2所述的一种基于叉指电极和双电层原理的气体压力传感器，其特征在于，所述的电极层(4)呈圆形，直径为3mm，所述的叉指电极的每个叉指宽度为50
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200μm，相邻叉指间距为50μm。4.根据权利要求1或2或3所述的一种基于叉指电极和双电层原理的气体压力传感器，其特征在于，每个叉指电极上连接有一贯穿PDMS填块的导线，所述的导线的线宽为0.2mm，导线末端设有焊接点。5.根据权利要求1或2或3所述的一种基于叉指电极和双电层原理的气体压力传感器，其特征在于，所述的叉指电极采用惰性金属材料制成，包括但不限于Au、Ag、Cu和Pt。6.根据权利要求1或2或3所述的一种基于叉指电极和双电层原理的气体压力传感器，其特征在于，所述的电极层(4)和所述的衬底层(3)之间设有粘附层(5)，所述的粘附层(5)采用能够能增强惰性金属材料与衬底材料之间粘附性的金属材料，包括但不限于Cr、Ti。7.根据权利要求1或2或3所述的一种基于叉指电极和双电层原理的气体压力传感器，其特征在于，所述的衬底层(3)所采用的材料包括但不限于PI、PET、SiO2、Si或PMMA。8.根据权利要求1或2或3所述的一种基于叉指电极和双电层原理的气体压力传感器，其特征在于，所述的基底层(1)的腔室(1a)为截面形状和所述的电极层(4)...
【专利技术属性】
技术研发人员：刘雨露，杨溪，李杰，吴建辉，汪小知，骆季奎，
申请(专利权)人：海宁市产业技术研究院，
类型：发明
国别省市：
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