具有微结构的柔性压力传感器制造技术

技术编号:26593448 阅读:139 留言:0更新日期:2020-12-04 21:14
本发明专利技术公开了一种具有微结构的柔性压力传感器,包括朝向彼此且间隔设置的上基板与下基板以及位于二者之间的绝缘的微结构阵列,所述微结构阵列包括若干阵列地设于所述上基板的内表面的微结构,所述微结构朝向下基板延伸,用于在受压过程中与下基板接触而发生形变;所述微结构包括设置在上基板的内表面的第一部分和连接于第一部分自由端的第二部分,所述第一部分为棱台,第二部分的端面为与所述第一部分相切的柱面,且所述第二部分的弹性模量小于所述第一部分的弹性模量。本发明专利技术的微结构被设计为具有相互连接的第一部分和第二部分,这两部分具有不同的形状构造和弹性模量,使得微结构兼具高灵敏度和宽线性响应范围,拓宽了压力传感器的应用范围。

【技术实现步骤摘要】
具有微结构的柔性压力传感器
本专利技术涉及传感器
,尤其涉及一种具有微结构的柔性压力传感器。
技术介绍
压力传感器是工业实践中最为常用的一种传感器,其广泛应用于各种工业自控环境,涉及水利水电、铁路交通、智能建筑、生产自控、航空航天、军工、石化、油井、电力、船舶、机床、管道等众多行业。近年来,由于柔性传感器的生物相容性好,且兼具可穿戴性、实时监测、非侵入式等一系列优点,柔性压力传感器的开发逐渐成为研究热点,其可以将细微的机械信息转化为电响应,在人机交互、电子皮肤、智能穿戴和仿生器件等领域有着广阔的应用前景。灵敏度和线性响应范围是用来衡量压力传感器性能的两个最重要的指标,在传统的压力传感器中,这两个指标往往无法兼备。如何在提高压力传感器灵敏度的同时又不减少其宽的线性响应范围是目前压力传感器设计的难点之一。
技术实现思路
鉴于现有技术存在的不足,本专利技术提供了一种具有微结构的柔性压力传感器,可以解决传统压力传感器中存在的高灵敏度和宽线性响应范围无法兼顾的问题,保证传感器具有良好的性能。为了实现上述的目的,本专利技术采用了如下的技术方案:一种具有微结构的柔性压力传感器,包括朝向彼此且间隔设置的上基板与下基板以及位于二者之间的绝缘的微结构阵列,所述微结构阵列包括若干阵列地设于所述上基板的内表面的微结构,所述微结构朝向所述下基板延伸,用于在受压过程中与所述下基板接触而发生形变;所述微结构包括设置在所述上基板的内表面的第一部分和连接于所述第一部分自由端的第二部分,所述第一部分为棱台,所述第二部分的端面为与所述第一部分相切的柱面,且所述第二部分的弹性模量小于所述第一部分的弹性模量。作为其中一种实施方式,所述第一部分的朝向所述上基板的一端的端面面积大于朝向所述下基板的一端的端面面积。作为其中一种实施方式,所述第一部分为正棱台;所述第二部分的柱面与所述第一部分的两个相对的侧面相切,所述第二部分的两个侧面与所述第一部分的另两个侧面分别共面。作为其中一种实施方式,所述第一部分为四棱台,所述第二部分为半圆柱体。作为其中一种实施方式,所述第一部分的侧面与所述上基板的夹角为70°~80°。作为其中一种实施方式,所述第二部分的半径R为10.5μm,所述微结构的高度H为20.02μm。作为其中一种实施方式,所述下基板的材料选自不锈钢材料、玻璃或聚甲基丙烯酸甲酯。作为其中一种实施方式,所述第二部分的弹性模量E2为(1.5~10)MPa,所述第一部分的弹性模量E1为(10~30)MPa。作为其中一种实施方式,所述第一部分、所述第二部分的材料均选自聚二甲基硅氧烷、橡胶。作为其中一种实施方式,所述第二部分为聚二甲基硅氧烷材料,所述第一部分为三元乙丙橡胶材料。本专利技术的柔性压力传感器中的微结构被设计为具有相互连接的第一部分和第二部分,这两部分具有不同的形状构造和弹性模量,端面为柱面的第二部分具有更小的弹性模量而具有更大的可压缩性,能在受压过程中与下基板保持较大的接触面积,棱台状的第一部分与第二部分的柱面相切,使得二者形成有机的受力整体,为微结构提供了更强的抗形变能力,使得微结构兼具高灵敏度和宽线性响应范围,拓宽了压力传感器的应用范围,使得压力传感器可适用于人造皮肤、仿真机器人、脉搏探测等领域。附图说明图1为本专利技术实施例的柔性压力传感器的结构示意图;图2为本专利技术实施例的柔性压力传感器的微结构的主视图;图3为本专利技术实施例的柔性压力传感器的微结构的仰视图;图4为本专利技术实施例的柔性压力传感器的微结构与下基板的接触状态示意图;图5为单个微结构分别选用不同的材料时,运用ANSYS有限元分析软件获得的在外界压力作用下接触面积随压强变化的模拟结果对比图;图6为单个微结构分别采用不同的形状时,运用ANSYS有限元分析软件获得的在外界压力作用下接触面积随压强变化的模拟结果对比图;图中标号说明如下:10-上基板;20-下基板;30-微结构阵列;300-微结构;301-第一部分;302-第二部分。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案及优点更加清楚明白,以下结合附图及实施例,对本专利技术进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本专利技术,并不用于限定本专利技术。参阅图1,为本专利技术实施例的柔性压力传感器的结构示意图。本实施例的柔性压力传感器主要包括上基板10、下基板20和微结构阵列30,其中的上基板10与下基板20朝向彼此且间隔设置,微结构阵列30为绝缘的介电层,位于上基板10与下基板20之间。微结构阵列30包括若干阵列地设于上基板10的内表面的微结构300,每个微结构300均朝向下基板20延伸,用于在受压过程中与下基板20接触而发生形变。上基板10与下基板20的内表面均形成有电极,当受压时,绝缘的微结构阵列30会发生一定的形变,使得上基板10与下基板20之间的间距发生变化,柔性压力传感器随着该间距的变化而输出相对应的电容值。当上基板10、下基板20的电极为柔性电极时,压力传感器可以广泛适用于人造皮肤、电子配件、智能家居、汽车家具、安防门禁、仿生机器人、健康检测等行业。如图2所示,每个微结构300包括设置在上基板10的内表面的第一部分301和连接于第一部分301自由端的第二部分302,第一部分301为棱台,第二部分302的端面为与第一部分301相切的柱面,且第二部分302的弹性模量小于第一部分301的弹性模量,第二部分302相比第一部分301在压力作用下更容易发生弹性形变,端面为柱面的第二部分302具有更小的弹性模量而具有更大的可压缩性,能在受压过程中与下基板20保持较大的接触面积。而第一部分301由于具有与第二部分302相切的表面,可以与第二部分302形成一个完整的受力体,即在压力传感器受压变形过程中,微结构300的上下两部分始终以一个整体受力而发生形变,不单单是两部分的单独形变,可以为微结构提供了更强的抗形变能力,因此可以使得微结构兼具高灵敏度和宽线性响应范围。由于在电容式结构的柔性压力传感器中,器件的传感特性依赖于中间的介质层的等效电容值。对于没有微结构的介电层来说,若忽略材料形变对介电常数带来的微量影响,电容的改变仅仅依赖于介质层厚度的改变。这类器件由于介电层厚度变化有限,导致电容值的变化也有限,紧密填充的实心体材料具有相当高的弹性模量,导致柔性压力传感器通常具有非常低的压力传感灵敏度。本实施例中,当中间的介电层具有阵列的微结构300后,从力学角度来说,在低压力负载状态下,只有微结构300的端部与下基板20的柔性电极面接触。压力作用被集中到微结构300的第二部分302而被放大,而第二部分302本身也因其形状结构和材料特性而易于形变。因此,该微结构300明显改变了压力传感器在外界微弱压力下的形变能力。在同一压强变化下,改善后的压力传感器的电容变化更大,则代表灵敏度更高。从电学角度来说,具有微结构300后,上下柔性电极之间的填充物不再仅仅本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种具有微结构的柔性压力传感器,其特征在于,包括朝向彼此且间隔设置的上基板(10)与下基板(20)以及位于二者之间的绝缘的微结构阵列(30),所述微结构阵列(30)包括若干阵列地设于所述上基板(10)的内表面的微结构(300),所述微结构(300)朝向所述下基板(20)延伸,用于在受压过程中与所述下基板(20)接触而发生形变;所述微结构(300)包括设置在所述上基板(10)的内表面的第一部分(301)和连接于所述第一部分(301)自由端的第二部分(302),所述第一部分(301)为棱台,所述第二部分(302)的端面为与所述第一部分(301)相切的柱面,且所述第二部分(302)的弹性模量小于所述第一部分(301)的弹性模量。/n

【技术特征摘要】
1.一种具有微结构的柔性压力传感器,其特征在于,包括朝向彼此且间隔设置的上基板(10)与下基板(20)以及位于二者之间的绝缘的微结构阵列(30),所述微结构阵列(30)包括若干阵列地设于所述上基板(10)的内表面的微结构(300),所述微结构(300)朝向所述下基板(20)延伸,用于在受压过程中与所述下基板(20)接触而发生形变;所述微结构(300)包括设置在所述上基板(10)的内表面的第一部分(301)和连接于所述第一部分(301)自由端的第二部分(302),所述第一部分(301)为棱台,所述第二部分(302)的端面为与所述第一部分(301)相切的柱面,且所述第二部分(302)的弹性模量小于所述第一部分(301)的弹性模量。


2.根据权利要求1所述的具有微结构的柔性压力传感器,其特征在于,所述第一部分(301)的朝向所述上基板(10)的一端的端面面积大于朝向所述下基板(20)的一端的端面面积。


3.根据权利要求2所述的具有微结构的柔性压力传感器,其特征在于,所述第一部分(301)为正棱台;所述第二部分(302)的柱面与所述第一部分(301)的两个相对的侧面相切,所述第二部分(302)的两个侧面与所述第一部分(301)的另两个侧面分别共面。


4.根据权利要求3所述的具有微结...

【专利技术属性】
技术研发人员:李鑫陈明王宗朋刘奥星徐国良王忠国贾美玲杨春雷
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

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