压力传感器的制作方法

本实用新型涉及传感器技术领域，尤其是涉及一种压力传感器。

背景技术：

压力传感器是一种能将应力转变为电学信号的电子器件，可广泛用于柔性触屏、人工智能、可穿戴电子、移动医疗等领域。根据信号转换机理，压力传感器主要分为电阻式传感器、电容式传感器和压电式传感器。其中，电阻式压力传感器的基本工作原理是将被测压力的变化转变为传感器的电阻值的变化。电阻式压力传感器由于具有器件结构简单、电阻信号稳定易测、较高的灵敏度等优点备受关注。

将电阻式压力传感器的电极阵列进行微结构化是提高传感器灵敏度、可靠性的有效途径之一。例如，现有技术中提出了一种具有微结构的电阻式压力传感器，其包括上基底、下基底、本体电路层和引出电极；上基底和下基底为绝缘的弹性有机材料，其一面为相同的立体结构，且有立体结构的一面相对设置；本体电路层为柔性，其上设置导电材料制成导电线路层；本体电路层夹设在上基底和下基底之间，且在本体电路层的两端分别引出电极。当压力作用于压力传感器时，在压力作用下上下基底表面的微结构接触面积发生变化而导致其间的本体电路层的电阻发生变化，通过电阻变化即可检测出压力大小，因此具有较高的灵敏度。

然而，虽然具有微结构的电阻式压力传感器的灵敏度较高，但是由于微结构的变形量较小，因此能够检测的压力范围也往往较小，从而限制了其应用范围。

技术实现要素：

本实用新型实施例的主要目的在于提供一种压力传感器及其制作方法，旨在解决现有技术中电阻式压力传感器的压力检测范围较小的技术问题。

为达以上目的，一方面提出一种压力传感器，所述压力传感器包括两个外接电极和两个相对设置的具有弹性的衬底，至少一个衬底的接触面上有凸起结构，所述接触面为两个衬底相对的一面，所述衬底为导电体，每个衬底连接一个外接电极，所述凸起结构的表面覆盖有导电层。

可选地，所述衬底为由弹性聚合物和导电填料制作而成的弹性聚合物基导电复合材料。

可选地，所述弹性聚合物基导电复合材料通过物理机械共混法、溶液共混法或熔融共混法制备而成。

可选地，所述导电填料包括金属导电粉、碳系导电填料、表面镀金属的导电填料、双金属导电填料中的一种或至少两种。

可选地，所述弹性聚合物为硅橡胶、天然橡胶、丁苯橡胶、聚二甲基硅氧烷、热塑性聚氨酯弹性体、苯乙烯类弹性体、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物或氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物。

可选地，所述导电层包括金、银、铜、铝、镍、钯、铂、碳和铟锡氧化物中的一种或至少两种导电材料。

可选地，所述导电层通过蒸镀、化学沉积、印刷和涂布中的任意一种方法制备而成。

可选地，两个衬底的接触面上有相同的凸起结构，且所述两个衬底的接触面的凸部与凸部正对或者凸部与凹部正对。

可选地，所述衬底为柔性材料，厚度为20μm～1mm。

可选地，所述导电层的厚度为5nm-500nm。

另一方面，提出一种压力传感器的制备方法，所述方法包括以下步骤：

制备两个具有弹性的导电的衬底，且至少一个衬底的接触面上有凸起结构；

在衬底的凸起结构的表面覆盖一导电层；

将两个衬底的接触面相互对准后叠扣在一起，并在每个衬底上连接一个外接电极。

可选地，所述制备两个具有弹性的导电的衬底的步骤包括：

将弹性聚合物和导电填料混合为流体形态的混合物；

将所述混合物沉积到预制的具有凹陷结构的模板上固化成型为弹性聚合物基导电复合材料，所述弹性聚合物基导电复合材料即为所述具有弹性的导电的衬底。

可选地，所述将弹性聚合物和导电填料混合为流体形态的混合物的步骤包括：将弹性聚合物作为基体，与导电填料一起通过物理机械共混法、溶液共混法或熔融共混法混合为流体形态的混合物。

可选地，所述将所述混合物沉积到预制的具有凹陷结构的模板上固化成型为弹性聚合物基导电复合材料的步骤包括：

通过浇注、旋涂、刮涂和丝印中的任意一种方法将所述混合物沉积到预制的具有凹陷结构的模板上；

加热固化所述混合物或者待所述混合物自然固化后，成型为弹性聚合物基导电复合材料。

可选地，所述在衬底的凸起结构的表面覆盖一导电层的步骤包括：通过蒸镀、化学沉积、印刷和涂布中的任意一种方法，在衬底的凸起结构的表面覆盖一导电层。

可选地，两个衬底的接触面上有相同的凸起结构，所述将两个衬底的接触面相互对准后叠扣在一起的步骤包括：将两个衬底的接触面的凸部与凸部或者凸部与凹部对准后叠扣在一起。

本实用新型实施例所提供的一种压力传感器，通过设置一对具有弹性的导电的衬底，并在衬底的凸起结构表面覆盖一层导电层，既利用了弹性导电衬底本身在压力作用下产生形变而导致电阻发生变化的压阻效应，又利用了衬底在压力作用下其凸起结构表面的导电层接触面积改变而导致接触电阻发生变化的效应，通过二者的协同作用极大的扩大了压力检测范围，并且相对现有技术中在两个衬底之间夹设电路层的方式，本实用新型实施例中的导电层在凸起结构形变时其接触面积变化更大，因此进一步提高了压力传感器的灵敏度和可靠性。本实用新型实施例的压力传感器结构简单、成本低廉、制作方便、响应灵敏、压力检测范围广，具有良好的机械柔性，适用于可穿戴电子、电子皮肤、人机智能等新兴领域。

附图说明

图1是本实用新型第一实施例的压力传感器的结构示意图；

图2是图1中的压力传感器受力发生形变的示意图；

图3是本实用新型实施例的压力传感器的又一结构示意图；

图4是本实用新型第二实施例的压力传感器的制备方法的流程图；

图5是本实用新型实施例中制备衬底的步骤的流程图。

本实用新型目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本实用新型，并不用于限定本实用新型。

实施例一

参见图1，提出本实用新型第一实施例的压力传感器，所述压力传感器包括两个外接电极30和两个相对设置的衬底10，该衬底10具有弹性且为导电体。如图1所示，两个衬底10的接触面(两个衬底相对的一面)上有微型的凸起结构11(或称微凸结构)，两个衬底10的凸起结构11优选为相同的结构，凸起结构11导致接触面上具有凸部和凹部，可以将两个衬底10的接触面的凸部与凸部正对接触，或者也可以凸部与凹部正对接触。凸起结构11的表面覆盖有导电层20，每个衬底10连接一个外接电极30，供连接外部电路以测试该传感器在压力作用下电阻/电流的变化情况。

本实用新型实施例中，衬底10为由弹性聚合物和导电填料12制作而成的弹性聚合物基导电复合材料，该弹性聚合物基导电复合材料可以通过物理机械共混法、溶液共混法、熔融共混法等混合工艺制备而成，并通过具有微型的凹陷结构(或称凹形微结构)的模板成型。该弹性聚合物基导电复合材料制成的衬底10为柔性材料，厚度优选为20μm-1mm，可实现弯曲、折叠、扭曲、拉伸等机械变形，适用于现代柔性电子产品领域，满足电子器件的轻型化、微型化、柔性化、可穿戴化的发展要求。

前述弹性聚合物可以选用硅橡胶、天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、苯乙烯类弹性体(如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS))、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS)、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)等聚合物中的任意一种。

前述导电填料12包括金属导电粉(如金粉、银粉、铜粉、镍粉等)、碳系导电填料(如炭黑、碳纳米管、石墨、石墨烯等)、表面镀金属的导电填料(如：玻璃纤维表面镀金、银、铜、镍等，聚合物微球表面镀金、银、铜、镍等)、双金属导电填料(如银包铜、镍包铜等)中的一种或至少两种。

在其它实施例中，也可以直接对具有弹性的导电材料(如导电热塑性弹性体、导电硅橡胶弹性体等)进行加工(如通过微机电系统(MEMS)技术进行加工)而制成表面具有凸起结构11的衬底10。

衬底10接触面上的凸起结构11，可以为棱柱、棱锥、圆柱、三角锥、金字塔、圆球等规则立体结构或者曲面凸起、波浪状等非规则立体结构中的一种或至少两种的组合，凸起结构11的高度优选为200nm-200μm。

凸起结构11表面的导电层20可以通过蒸镀、化学沉积、印刷和涂布中的任意一种方法制备而成，所述导电层20包括金、银、铜、铝、镍、钯、铂、碳和铟锡氧化物(ITO)中的一种或至少两种导电材料。导电层20的厚度优选为5nm-500nm，与凸起结构紧密结合为一体，完全随着凸起结构的形状变化而变化，因此对形变更加灵敏，形变时接触面积变化更大。

外接电极30优选连接衬底10的外表面(即与接触面相对的一面)，外接电极30包括金箔/线、银箔/线、铜箔/线、铝箔/线中的一种或至少两种。

本实用新型实施例的压力传感器的工作原理如下：

如图2所示，当外部压力F作用于压力传感器时，一方面，衬底10产生形变，在压力方向厚度变小，导致衬底10内部的导电填料12在压力方向的距离变窄，而衬底10的平面方向由于压力的作用，其长宽尺寸会变大，导致衬底10内部的导电填料12在平面方向的横向距离变宽。根据复合导电材料的隧道导电理论可知，导电填料12之间的距离变化将使复合材料的电阻发生改变。压力大小不同，导电填料12之间的距离变化也不同，产生的电阻改变也就不同。

另一方面，在外部压力F的作用下，衬底10接触面的凸起结构11会产生明显的形变，由此导致凸起结构11表面的导电层20的接触面积发生变化，进而导致上下衬底10间的接触电阻发生改变。

上述二者的共同作用，使得压力传感器在压力作用下电阻发生变化，通过电阻的变化情况即可检测压力的大小。当压力撤除时，由于衬底10的弹性作用，其形变将恢复至如图1所示的初始状态，电阻也将恢复至初始值。

在一可选实施例中，也可以只在一个衬底10的接触面上设置凸起结构11。如图3所示，上衬底10的接触面上具有凸起结构11，且凸起结构11上覆盖有导电层20，下衬底10的接触面上没有凸起结构11，其接触面可以覆盖导电层20，也可以不覆盖导电层20。虽然下衬底10没有凸起结构11，但下衬底10是具有弹性的导电材料，受压时仍然会产生形变，对电阻变化做出贡献，相对于现有技术仍然提高了传感器的灵敏度，扩大了压力检测范围。

本实用新型实施例的压力传感器，通过设置一对具有弹性的导电的衬底10，并在衬底10的凸起结构11表面覆盖一层导电层20，既利用了弹性导电衬底10本身在压力作用下产生形变而导致电阻发生变化的压阻效应，又利用了衬底10在压力作用下其凸起结构11表面的导电层20接触面积改变而导致接触电阻发生变化的效应，通过二者的协同作用极大的扩大了压力检测范围，并且相对现有技术中在两个衬底之间夹设电路层的方式，本实用新型实施例中的导电层20在凸起结构11形变时其接触面积变化更大，因此进一步提高了压力传感器的灵敏度和可靠性。本实用新型实施例的压力传感器结构简单、成本低廉、制作方便、响应灵敏、压力检测范围广，具有良好的机械柔性，适用于可穿戴电子、电子皮肤、人机智能等新兴领域。

实施例二

参照图4，提出本实用新型第二实施例的压力传感器的制备方法，所述方法包括以下步骤：

S11、制备两个具有弹性的导电的衬底，且至少一个衬底的接触面上有凸起结构。

本步骤S11中，制备两个弹性导电衬底，且至少一个衬底的接触面上有凸起结构，该接触面即最后两个衬底叠扣在一起时相对的一面。

本实用新型实施例优选制备两个具有相同的凸起结构的衬底，在其它实施例中，两个衬底上的凸起结构也可以不相同，或者只有一个衬底上具有凸起结构。衬底接触面上的凸起结构可以为棱柱、棱锥、圆柱、三角锥、金字塔、圆球等规则立体结构或曲面凸起、波浪状等非规则立体结构中的一种或至少两种的组合，凸起结构的高度优选为200nm-200μm。

本实用新型实施例的衬底为弹性聚合物基导电复合材料，其制作方法如图5所示，包括以下步骤：

S111、将弹性聚合物和导电填料混合为流体形态的混合物。

本步骤S111中，可以将弹性聚合物作为基体，与导电填料一起通过物理机械共混法、溶液共混法或熔融共混法等混合为流体形态的混合物，如混合溶液、混合浆料、混合膏等。

前述弹性聚合物可以选用硅橡胶、天然橡胶(NR)、丁苯橡胶(SBR)、聚二甲基硅氧烷(PDMS)、热塑性聚氨酯弹性体(TPU)、苯乙烯类弹性体(如苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS))、苯乙烯-异戊二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SIS)、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(SEBS)等聚合物中的任意一种。

前述导电填料包括金属导电粉(如金粉、银粉、铜粉、镍粉等)、碳系导电填料(如炭黑、碳纳米管、石墨、石墨烯等)、表面镀金属的导电填料(如：玻璃纤维表面镀金、银、铜、镍等，聚合物微球表面镀金、银、铜、镍等)、双金属导电填料(如银包铜、镍包铜等)中的一种或至少两种。

S112、将混合物沉积到预制的具有凹陷结构的模板上固化成型为弹性聚合物基导电复合材料。

本步骤S112中，首先将混合物通过浇注、旋涂、刮涂、丝印等方法沉积到预制好的具有凹陷结构的模板上，然后加热固化混合物或待混合物中的溶剂挥发后自然固化后，成型为一张柔性的薄膜，将薄膜从模板上撕下后则得到表面具有与凹陷结构相对应的凸起结构的弹性聚合物基导电复合材料，即表面具有凸起结构的柔性导电衬底。该柔性导电衬底的厚度优选为20μm-1mm，可实现弯曲、折叠、扭曲、拉伸等机械变形，适用于现代柔性电子产品领域，满足电子器件的轻型化、微型化、柔性化、可穿戴化的发展要求。

当需要制作不具有凸起结构的衬底时，则利用不具有凹陷结构的模板沉积混合物。

在制备弹性聚合物基导电复合材料时，优选调节导电填料填充量在其渗流阈值附近，使得弹性聚合物基导电复合材料能够获得高压阻效应。渗流阈值与导电填料的尺寸、形貌、密度等参数相关联，具体实施时根据导电填料的前述参数确定。

本实用新型实施例中，可以通过以下方法制备具有凹陷结构的模板：

以硅片为基底，通过MEMS技术在硅片表面制做微型的凹陷结构阵列，该凹陷结构可以为棱柱、棱锥、圆柱、三角锥、金字塔、圆球等规则立体结构或凹形曲面、波浪状等非规则立体结构中的一种或至少两种的组合，凹陷结构的凹部深度优选为200nm-200μm。

在其它实施例中，也可以直接对具有弹性的导电材料(如导电热塑性弹性体、导电硅橡胶弹性体等)进行加工(如通过MEMS技术进行加工)而制成表面具有凸起结构的衬底。

S12、在衬底的凸起结构的表面覆盖一导电层。

本步骤S12中，可以通过蒸镀、化学沉积、印刷和涂布中的任意一种方法，在衬底的凸起结构的表面覆盖一导电层，所述导电层包括金、银、铜、铝、镍、钯、铂、碳和铟锡氧化物中的一种或至少两种导电材料。导电层的厚度优选为5nm-500nm。

S13、将两个衬底的接触面相互对准后叠扣在一起，并在每个衬底上连接一个外接电极。

本步骤S13中，当两个衬底的接触面都具有凸起结构时，接触面上就有凸部和凹部，则将两个衬底的接触面的凸部与凸部或者凸部与凹部对准后叠扣在一起，两个衬底上的凸起结构相互接触。并在每个衬底上引出一个外接电极，供连接外部电路以测试该传感器在压力作用下电阻/电流的变化情况。外接电极优选从衬底的外表面(即与接触面相对的一面)上引出，外接电极包括金箔/线、银箔/线、铜箔/线、铝箔/线中的一种或至少两种。

通过以上方法，最终制作出一种成本低廉、结构简单、制作方便、响应灵敏、测试压力范围宽的柔性压力传感器。

下面将通过具体实例对本实用新型实施例的压力传感器的制备方法进行详细说明：

实例1：

(1)以硅片为基底，通过MEMS技术在硅片表面加工出半圆球形孔洞阵列(凹陷结构阵列)，其直径为20μm，以加工后的硅片为微模板。

(2)选用粒径1～10μm的银片为导电填料，以聚二甲基硅氧烷(PDMS)为基体，将PDMS预聚物及其固化剂与银片通过机械搅拌混合均匀，得到柔性导电膏(流体形态的混合物)。PDMS预聚物与其固化剂的质量比为12:1～5:1，PDMS及其固化剂(二者的总质量)与银片的质量比为1:1～1:4。

(3)将上述步骤(2)制成的柔性导电膏通过掩膜版刮涂印刷的方法沉积在上述步骤(1)制成的硅微模板上，以80℃加热2小时将柔性导电膏固化成型为一薄膜，将固化后的薄膜从硅微模板上撕下便得到带有半球形凸起结构的柔性导电衬底。衬底厚度可通过掩膜版的厚度进行调节，本实例中柔性导电衬底的厚度控制在200μm以内。

(4)将上述步骤(3)制成的柔性导电衬底置于蒸镀设备中，采用磁控溅射的方法在衬底的凸起结构表面蒸镀纳米金导电薄层，纳米金厚度为10nm，得到具有导电层的柔性导电衬底。

(5)将两片具有导电层的柔性导电衬底相对叠扣在一起(半球形凸起结构相互接触)，并在上、下衬底的外表面各自引出铜箔外接电极供连接外电路使用，即制成电阻式柔性压力传感器。

实例2：

(1)以硅片为基底，通过MEMS技术在硅片表面加工出倒三角锥形孔洞阵列(凹陷结构阵列)，其深度为100μm，底面宽为100μm，以此硅片为微模板。

(2)选用直径为5～100nm、长度为2～30μm的碳纳米管为导电填料，用氯仿溶剂将碳纳米管均匀分散，得到碳纳米管分散液。以苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物(SBS)为基体，往碳纳米管分散液中加入SBS粒料，搅拌至SBS完全溶解后得到均匀的复合浆料(流体形态的混合物)。碳纳米管与SBS的质量比为1:19～1:4。

(3)将上述步骤(2)制成的复合浆料通过旋涂的方法沉积在上述步骤(1)制成的硅微模板上，室温静置24小时待氯仿完全挥发后自然成膜，将薄膜从硅微模板撕下便得到带有三角锥形凸起结构的柔性导电衬底。衬底厚度可通过旋涂时间、旋涂速度等旋涂工艺进行调节，本实例中柔性导电衬底的厚度控制在500μm以内。

(4)将上述步骤(3)制成的柔性导电衬底置于蒸镀设备中，采用磁控溅射的方法在衬底的凸起结构表面蒸镀纳米铂(Pt)导电薄层，Pt厚度为30nm，得到具有导电层的柔性导电衬底。

(5)将两片具有导电层的柔性导电衬底相向叠扣在一起(三角锥形凸起结构相互接触)，并在上、下衬底的外表面各自引出银导线外接电极供连接外电路使用，即制成电阻式柔性压力传感器。

实例3：

(1)以硅片为基底，通过MEMS技术在硅片表面加工出倒金字塔形孔洞阵列(凹陷结构阵列)，其高度为2μm，下底面宽1μm，上底面宽4μm，以此硅片为微模板。

(2)选用粒径10～100nm的炭黑为导电填料，用甲苯溶解超声分散炭黑纳米颗粒，得到炭黑分散液。以热塑性聚氨酯弹性体(TPU)为基体，往炭黑分散液中逐渐加入TPU粒料，搅拌至TPU完全溶解后得到均匀的复合浆料(流体形态的混合物)。炭黑与TPU的质量比为1:9～1:3。

(3)将上述步骤(2)制成的复合浆料浇注在上述步骤(1)制成的硅微模板上，以80℃加热4小时将甲苯溶剂完全挥发干净并成膜，将薄膜从硅微模板撕下便得到带有金字塔形凸起结构的柔性导电衬底。衬底厚度可通过复合浆料的浓度与浇注的体积进行调节，本实例中柔性导电衬底的厚度控制在50μm以内。

(4)将上述步骤(3)制成的柔性导电衬底置于蒸镀设备中，采用磁控溅射的方法在衬底的凸起结构表面蒸镀纳米铜导电薄层，纳米铜厚度为15nm，得到具有导电层的柔性导电衬底。

(5)将两片具有导电层的柔性导电衬底相对叠扣在一起(金字塔微凸结构相互接触)，并在上、下衬底的外表面各自引出铝导线外接电极供连接外电路使用，即制成电阻式柔性压力传感器。

本领域技术人员可以理解，以上仅为本实用新型列举的实例，并不因此限制本实用新型的专利范围。

本实用新型实施例的压力传感器的制备方法，通过制备具有凸起结构的能够导电的弹性衬底，并在衬底的凸起结构表面制作导电层，以此为基础构建出一种电阻式压力传感器，该传感器将压阻效应产生的电阻变化与凸起结构导电层的接触电阻变化相结合，综合了二者优势，因此具有更高的灵敏度与更宽的压力检测范围，满足了电子器件的轻型化、微型化、柔性化、可穿戴化的发展要求。

综上所述，采用上述方法制作的压力传感器，具有以下优点：

1)、具有良好的柔性，可实现弯曲、折叠、扭曲、拉伸等机械变形，适用于现代柔性电子产品领域；

2)、电阻信号易检测，使用便利；

3)、结构简单，制作方便，成本低廉；

4)、结合了压阻效应与微结构电极的接触电阻效应，提高了传感器的灵敏度，扩大了压力检测范围，通过材料与结构的设计可实现传感器性能的调控。

以上参照附图说明了本实用新型的优选实施例，并非因此局限本实用新型的权利范围。本领域技术人员不脱离本实用新型的范围和实质，可以有多种变型方案实现本实用新型，比如作为一个实施例的特征可用于另一实施例而得到又一实施例。凡在运用本实用新型的技术构思之内所作的任何修改、等同替换和改进，均应在本实用新型的权利范围之内。