一种新型的柔性阵列式压力传感器的制造方法
【专利摘要】本发明提供了一种新型的柔性阵列式压力传感器，自上而下依次为上柔性薄膜层、上电极层、压敏单元阵列、下电极层、下柔性薄膜层，其特征在于，所述压敏单元阵列包括n个相同的压敏单元，每个压敏单元包括pn结和压敏薄膜，所述pn结由p型半导体薄膜和n型半导体薄膜组成。本发明柔性阵列式压力传感器的每个压敏单元为一个压敏薄膜与一个pn结整流二级管构成的串联结构，在对单个敏感点的电阻变化进行测量时，pn结整流二级管的单向导电特性使得传感器阵列上各敏感点之间不能形成电流回路，从而有效解决了阵列电阻间的交叉耦合问题；且传感器的体积小，重量轻，易于实现低成本大规模批量化生产。
【专利说明】
一种新型的柔性阵列式压力传感器
技术领域
[0001] 本发明属于传感器的结构设计领域，具体涉及一种基于压阻效应的柔性阵列式压 力传感器，可用于工业生产和医疗康复过程中压力分布状态的检测。
【背景技术】
[0002] 阵列式压力传感器是用于检测物体相互接触时所受到的压力大小和分布状态的 传感器，适用于外形和应用环境复杂的被测对象。目前，投入应用的阵列式压力传感器主要 为美国Tekscan公司研制的阵列式压力传感器，该传感器由两片印刷有横纵导电线条的柔 性聚酯薄膜组成，其中一片薄膜表面铺设横向带状导体，另一片薄膜表面铺设纵向带状导 体，带状导体的宽度可根据具体应用灵活设计，最小可达〇 . 6mm，然后在带状导体上铺设半 导体涂层作为压敏材料，当两片薄膜粘合在一起时，横纵导体交叉点即形成了阵列压力感 应单元，阵列的每个单元点上有一个等效的压敏电阻，其阻值会随着作用在其上的压力变 化而变化，其检测分辨率由传感器单位面积上的点阵密度决定。
[0003] 在实际应用中，要求整个阵列式传感器各敏感点的阻值能同时检出，这就对传感 器各敏感点阻值测量的准确性提出了很高的要求。然而，在大规模电阻网络中测量单点的 电阻值存在严重的交叉耦合问题:在通过行线和列线扫描选择敏感单元待测电阻时，所选 待测电阻周围的电阻会通过行线和列线与待测电阻构成回路，与待测电阻形成并联关系， 从而使输出电阻的实际值无法准确测量。目前，针对交叉耦合问题的解决方法主要有： Tekscan公司在阵列电阻的每行都加一个运算放大器，利用放大器两输入端等电位的原理， 列选通开关依次选通各列提供驱动电压，行选通开关依次选通各行实现各点的行列扫描， 从而测量各敏感点的电阻，但该方法电路较复杂、功耗大，且需提供负电源；中国科学院合 肥智能机械研究所提出了一种二次扫描法，即通过两次扫描消除阵列电阻的交叉耦合，该 方法的缺点是必须保证第一次扫描和第二次扫描之间的压力无变化，且调理电路较复杂。 上述两种解决方法均是通过调整传感器后端的调理电路实现交叉耦合的消除，目前还未出 现通过改进传感器结构消除交叉耦合的报道。
【发明内容】
[0004] 本发明针对【背景技术】存在的缺陷，提出了一种带pn结整流二极管的柔性阵列式压 力传感器。本发明传感器能精确检测大面积的复杂形状表面的压力分布，且后端电路简单， 可直接扫描;本发明传感器的体积小，重量轻，易于实现低成本大规模批量化生产。
[0005] 本发明的技术方案如下：
[0006] -种新型的柔性阵列式压力传感器，自上而下依次为上柔性薄膜层1、上电极层2、 压敏单元阵列、下电极层7、下柔性薄膜层8,其特征在于，所述压敏单元阵列包括η个相同的 压敏单元，每个压敏单元3包括pn结和压敏薄膜4,所述pn结由ρ型半导体薄膜和η型半导体 薄膜组成。
[0007] 进一步地，所述压敏单元3包括三层结构，自上而下依次为Ρ型半导体薄膜、η型半 导体薄膜、压敏薄膜;或者自上而下依次为η型半导体薄膜、p型半导体薄膜、压敏薄膜;或者 自上而下依次为压敏薄膜、η型半导体薄膜、p型半导体薄膜;或者自上而下依次为压敏薄 膜、ρ型半导体薄膜、η型半导体薄膜。
[0008] 进一步地，所述上柔性薄膜层为ΡΙ(聚酰亚胺薄膜）、ΡΕΤ(聚对苯二甲酸乙二醇 酯）、聚醚酮或透明导电涤纶等高分子材料;所述下柔性薄膜层为ΡΙ(聚酰亚胺薄膜）、ΡΕΤ (聚对苯二甲酸乙二醇酯）、聚醚酮或透明导电涤纶等高分子材料。
[0009] 进一步地，所述上电极层为金、银、铜等金属导体，所述下电极层为金、银、铜等金 属导体。
[0010] 进一步地，所述ρ型半导体薄膜、η型半导体薄膜可以为娃、氮化镓、砷化镓、氧化锌 等材料。
[0011] 进一步地，所述压敏薄膜可以采用具有压敏特性的导电橡胶薄膜或PVDF(聚偏氟 乙稀)等高分子材料形成的薄膜。
[0012] 进一步地，所述压敏单元的形状为圆形、矩形、三角形等形状。
[0013] -种新型的柔性阵列式压力传感器的制造方法，包括以下步骤：
[0014] 步骤1:取两片形状大小相同的PI(聚酰亚胺）薄膜材料分别作为上、下柔性薄膜 层，采用去离子水清洗，并置于氮气气氛下干燥；
[0015] 步骤2:将步骤1清洗后的两片PI薄膜分别放于丝网印刷机的印刷台上，然后在上 柔性薄膜表面用导电银浆印刷横向的电极线得到上电极层，下柔性薄膜表面用导电银浆印 刷纵向的电极线得到下电极层，在上、下电极层的交叉点处采用炭浆印刷压敏单元3区域的 图形；
[0016] 步骤3:在上、下电极层的电极线边缘采用丝网印刷机印刷出每行每列的引出导 线，可使用导电银浆或铜；
[0017] 步骤4:在步骤2得到的各压敏单元图形区域内，采用磁控溅射法依次生长η型半导 体薄膜6和ρ型半导体薄膜5,然后在ρ型半导体薄膜5上放置导电橡胶压敏薄膜4;
[0018] 步骤5:采用双组分丙烯酸高黏胶将上柔性薄膜层和下柔性薄膜层粘合封装，得到 本发明所述柔性阵列式压力传感器。
[0019] 本发明的原理如下：
[0020] 本发明柔性阵列式压力传感器的压敏单元包括ρ型半导体薄膜、η型半导体薄膜和 压敏薄膜，其中，Ρ型半导体薄膜和η型半导体薄膜会形成ρη结结构，产生内建电势，只允许ρ 型半导体一侧作为电流输入端才能导通，因此具有单向导通的整流特性。
[0021] 本发明提供的柔性阵列式压力传感器通过对传感器结构的改进能有效消除阵列 电阻单点测量中的交叉耦合问题，以图2的测量电阻为例，假设Rn为待测电阻，通过行线和 列线选择测量待测电阻的阻值时，只能在纵向施加正向电流才能使二极管导通，待测电阻 工作;而当电流流经R 21所在压敏单元再向右流经R22所在压敏单元时，由于二极管的单向导 电性，电流被截止，因此不能与待测电阻Rn构成回路。因此，本发明阵列式压力传感器利用 二极管的整流特性，实现了阵列电阻的单点测量，消除了交叉耦合问题。如图3所示，为本发 明柔性阵列式压力传感器的后端电路，传感器压敏单元阵列的各行各列只需分别连接数字 模拟开关，并由单片机输出行选列选信号控制各数字模拟开关的通断实现行列扫描，然后 输出电压信号经数据采集单元A/D转换输入到计算机，由计算机上的上位机软件实现数据 处理、存储和显示。
[0022] 本发明的有益效果为：
[0023] 1、本发明柔性阵列式压力传感器的每个敏感点上采用层叠的压敏薄膜、p型半导 体薄膜和η型半导体薄膜组成一个压敏单元，每个压敏单元为一个压敏薄膜与一个 pn结整 流二级管构成的串联结构，在对单个敏感点的电阻变化进行测量时，pn结整流二级管的单 向导电特性使得传感器阵列上各敏感点之间不能形成电流回路，从而有效解决了阵列电阻 间的交叉耦合问题。
[0024] 2、本发明提供的柔性阵列式压力传感器的后端调理电路简单，后端调理电路只需 控制行选列选信号的数字模拟开关即可，使得传感器测量压力时更加实时、准确和简便。 [0025] 3、本发明柔性阵列式压力传感器采用丝网印刷等厚膜方法制作上、下电极层及其 引出导线，工艺简单，易于实现大规模工业化生产。
【附图说明】
[0026]图1为本发明提供的一种柔性阵列式压力传感器的结构示意图；其中，1为上柔性 薄膜层，2为上电极层，3为压敏单元，4为压敏薄膜，5为p型半导体薄膜，6为η型半导体薄膜， 7为下电极层，8为下柔性薄膜层；
[0027] 图2为本发明提供的柔性阵列式压力传感器消除耦合的原理图；
[0028] 图3为本发明提供的柔性阵列式压力传感器的阵列扫描电路图。
【具体实施方式】
[0029]下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。
[0030] 如图1所示，为本发明提供的一种带pn结整流二极管的柔性阵列式压力传感器的 结构示意图，从上往下依次为上柔性薄膜层1、上电极层2、压敏单元阵列、下电极层7、下柔 性薄膜层8,其中，上电极层横向印刷于上柔性薄膜层的下表面，下电极层纵向印刷于下柔 性薄膜层的上表面，压敏单元阵列包括位于上电极层和下电极层的交叉点处的η个(η为大 于1的正整数)相同的压敏单元，所述每个压敏单元3包括三层层叠结构，自上而下依次为压 敏薄膜4、ρ型半导体薄膜5和η型半导体薄膜6。
[0031] 进一步地，本发明柔性阵列式压力传感器上电极层和下电极层的电极线的线宽和 线间距、以及压敏单元的形状和大小可根据实际应用需求进行限定。
[0032] 本发明柔性阵列式压力传感器的压敏单元包括ρ型半导体薄膜、η型半导体薄膜和 压敏薄膜，其中，Ρ型半导体薄膜和η型半导体薄膜会形成pn结结构，产生内建电势，只允许ρ 型半导体一侧作为电流输入端才能导通，因此具有单向导通的整流特性。假设采用的掺杂 半导体材料为硅材料，η边施主浓度为l〇 17cnf3，p边受主浓度为l〇16cm3，则在300K条件下，内 建电势由以下公式计算得到：
[0034]其中，k为玻尔兹曼常数，T为温度，e为元电荷的电荷值，1为11边施主浓度，Nd为ρ边 受主浓度，m为本征半导体载流子浓度，Vo为pn结在常温下的内建电势。因此，该pn结的导通 电压大约为0.7V左右。
[0035] 本发明提供的柔性阵列式压力传感器通过对传感器结构的改进能有效消除阵列 电阻单点测量中的交叉耦合问题，以图2的测量电阻为例，假设Rn为待测电阻，通过行线和 列线选择测量待测电阻的阻值时，只能在纵向施加正向电流才能使二极管导通，待测电阻 工作;而当电流流经R 21所在压敏单元再向右流经R22所在压敏单元时，由于二极管的单向导 电性，电流被截止，因此不能与待测电阻Rn构成回路。因此，本发明阵列式压力传感器利用 二极管的整流特性，实现了阵列电阻的单点测量，消除了交叉耦合问题。
[0036] 如图3所示，为本发明柔性阵列式压力传感器的后端电路，传感器敏感单元阵列的 各行各列只需分别连接数字模拟开关，并由单片机输出行选列选信号控制各数字模拟开关 的通断实现行列扫描，然后输出电压信号经数据采集单元A/D转换输入到计算机，由计算机 上的上位机软件实现数据处理、存储和显示。
[0037] 假设阵列式压力传感器的供电电压为-5V，当电流流过传感器压敏单元阵列上的 某一压敏单元，即一个可变电阻与整流二极管的串联电路时，由于硅材料二极管的正向导 通压降为0.7V，再经反向放大器放大后，输出电压为
[0039] 其中，Rf为运放反馈电阻值，匕为敏感单元的电阻值，VT为加载在传感器一端的激 励电压，V?t为输出电压。
[0040] 实施例
[0041] 本实施例的柔性阵列式压力传感器的上、下柔性薄膜层为聚酰亚胺薄膜;上、下电 极层为银，采用丝网印刷法得到；压敏单元3包括层叠的三层结构，自上而下依次为30μπι厚 的导电橡胶压敏薄膜4、30μηι厚的ρ型氮化镓薄膜5和30μηι厚的η型氮化镓薄膜6。
[0042] 实施例所述柔性阵列式压力传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
[0043]步骤1:取两片形状大小相同的ΡΙ(聚酰亚胺）薄膜材料分别作为上、下柔性薄膜 层，采用去离子水清洗表面lOmin，并置于氮气气氛下干燥；
[0044] 步骤2:将步骤1清洗后的两片PI薄膜分别放于丝网印刷机的印刷台上，然后在上 柔性薄膜表面用导电银浆印刷横向的电极线得到上电极层，下柔性薄膜表面用导电银浆印 刷纵向的电极线得到下电极层，在上、下电极层的交叉点处采用炭浆印刷压敏单元3区域的 图形；其中，在两片PI薄膜的周围预留15mm左右的位置作为引出导线区，电极线的宽度为 8mm；
[0045] 步骤3:在上、下电极层的电极线边缘采用丝网印刷机印刷出每行每列的引出导 线，印刷浆料为银浆，引出导线与后端电路连接；
[0046] 步骤4:在步骤2得到的各压敏单元图形区域内，采用磁控溅射法依次溅射生长掺 杂浓度为l〇17cnf 3、厚度为30μπι的η型氮化镓薄膜6，掺杂浓度为1016cnf3、厚度为30μπι的ρ型氮 化镓薄膜5,然后在其上放置30μπι厚的裁剪好的导电橡胶压敏薄膜4,从而形成各压敏单元。
[0047] 步骤5:采用双组分丙烯酸高黏胶将上柔性薄膜层和下柔性薄膜层粘合封装，得到 本发明所述柔性阵列式压力传感器;其中，上电极层与下电极层相对设置。
【主权项】
1. 一种新型的柔性阵列式压力传感器，自上而下依次为上柔性薄膜层（1)、上电极层 (2) 、压敏单元阵列、下电极层(7)、下柔性薄膜层(8)，其特征在于，所述压敏单元阵列包括η 个相同的压敏单元，每个压敏单元(3)包括ρη结和压敏薄膜(4)，所述ρη结由ρ型半导体薄膜 和η型半导体薄膜组成。2. 根据权利要求1所述的新型的柔性阵列式压力传感器，其特征在于，所述压敏单元 (3) 包括三层结构，自上而下依次为ρ型半导体薄膜、η型半导体薄膜、压敏薄膜。3. 根据权利要求1所述的新型的柔性阵列式压力传感器，其特征在于，所述压敏单元 (3)包括三层结构，自上而下依次为η型半导体薄膜、ρ型半导体薄膜、压敏薄膜。4. 根据权利要求1所述的新型的柔性阵列式压力传感器，其特征在于，所述压敏单元 (3)包括三层结构，自上而下依次为压敏薄膜、η型半导体薄膜、ρ型半导体薄膜。5. 根据权利要求1所述的新型的柔性阵列式压力传感器，其特征在于，所述压敏单元 (3)包括三层结构，自上而下依次为压敏薄膜、ρ型半导体薄膜、η型半导体薄膜。6. 根据权利要求1所述的新型的柔性阵列式压力传感器，其特征在于，所述上柔性薄膜 层为ΡΙ、ΡΕΤ、聚醚酮或透明导电涤纶，所述下柔性薄膜层为ΡΙ、ΡΕΤ、聚醚酮或透明导电涤 纶。7. 根据权利要求1所述的新型的柔性阵列式压力传感器，其特征在于，所述压敏薄膜为 导电橡胶薄膜或PVDF薄膜。
【文档编号】G01L1/20GK106092389SQ201610365447
【公开日】2016年11月9日
【申请日】2016年5月27日
【发明人】蒋书文, 孙秀耀, 蒋洪川, 赵晓辉, 张万里
【申请人】电子科技大学