压力传感器、压力测量系统及压力传感器的制造方法与流程

本发明涉及压力传感器技术领域，尤其涉及一种压力传感器、压力测量系统及压力传感器的制造方法。

背景技术：

近年来，随着移动互联网的快速发展，各种智能终端产品引起了人们广泛的关注。智能手环、智能眼镜和智能家居等各种具有传感和驱动功能的互连设备在物联网的帮助下实现了智能化识别和管理。各种智能终端产品不仅成为了丰富人们日常生活的一种时尚信号，也为人们的生活带来了极大的便利，人们相信，这些产品将在未来人机互动、电子皮肤以及健康医疗等领域有着崭新的应用和巨大的突破。

作为智能终端产品中的重要组成部分，压力传感器的个性化设计以及其高性能的获取显得尤为重要，尤其是压力传感器的压力灵敏度、测量极限以及压力测量范围等，它们共同决定一个压力传感器性能的优劣。

目前，虽然基于不同物理传导机制(包括压阻、电容和压电等)的压力传感器在器件性能上有了一定的突破和进展，但是其在具体应用时仍然存在一定的局限性。例如，基于压阻或者压电物理传导的压力传感器，虽然其具有较高的压力灵敏度，可以探测类似声压、振动等超低的压强(＜1pa)，但是其测量压力的范围十分有限，仅能测量10kpa以内的压力值。此外，基于电容传导的压力传感器虽然相对而言具有较大的压力测量范围，但是其压力灵敏度相对较低，因而，在目前的产业形势下，亟需一种压力灵敏度较高且压力测量范围较大的压力传感器。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种压力传感器、压力测量系统及压力传感器的制造方法，以使压力传感器同时具备较高的测量灵敏度和较大的压力测量范围，进一步提高压力传感器的产品品质。

本发明实施例提供一种压力传感器，包括透明衬底层以及在所述透明衬底层上依次设置的电极层、发光层和起电层，其中：

所述电极层包括交叉设置的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极在交叉处绝缘设置，当在所述起电层上施加的压力不大于第一压力阈值时，所述第一电极和所述第二电极用于输出对起电层施加压力产生的感应电压；当在所述起电层上施加的压力大于第一压力阈值时，所述发光层对应所述起电层施加压力处的位置发光。

优选的，所述起电层表面具有微观结构。

具体的，所述表面微观结构包括多个金字塔形结构。

优选的，所述发光层为按照设定比例混合的发光材料粉末和光刻胶固化后形成的层结构。

优选的，所述发光材料粉末与光刻胶的混合比例为0.5g/ml～2.5g/ml。

优选的，所述发光材料粉末的材质包括掺锰硫化锌、掺铜硫化锌或者掺杂稀土金属的铝酸盐。

优选的，所述发光层包括阵列排布的多个发光单元。

具体的，所述第一电极与所述第二电极的交叉点将所述电极层分隔为多个网格结构，每个网格结构内对应设置有一个发光单元。

优选的，所述发光层与所述起电层之间设置有保护层。

具体的，所述保护层的材质为聚甲基丙烯酸甲酯。

优选的，所述第一电极与所述第二电极之间设置有绝缘层。

可选的，所述起电层的材质包括橡胶或者高分子材料薄膜。

可选的，所述第一电极层和所述第二电极层的材质分别包括银或者氧化铟锡。

在本发明实施例中，当在压力传感器的起电层上施加的压力不大于第一压力阈值，即外界压强较小时，根据摩擦起电和静电感应的耦合效应，第一电极和第二电极会输出相应的感应电压，感应电压与压强具备一定的对应关系，因而可以根据感应电压的大小获知压强的相关信息，由于摩擦起电原理，起电层可以感应很小的压强，因而本发明实施例的压力传感器具备较高的压力测量灵敏度；此外，当在压力传感器的起电层上施加的压力大于第一压力阈值，即外界压强较大时，发光层对应起电层施加压力处的位置将会发光，通过发光层的发光信息可以实现对外界压力的测量，发光层可以工作在千帕至兆帕的压强条件下，因而本发明实施例的压力传感器的压力测量范围较大。综上，本发明实施例的压力传感器既具备较高的压力测量灵敏度，也具有较大的压力测量范围，因而压力传感器的产品品质较佳。

本发明实施例提供一种压力传感器的制造方法，包括：

形成透明衬底层；

在所述透明衬底层上形成电极层，所述电极层包括交叉设置的第一电极和第二电极，所述第一电极和所述第二电极在交叉处绝缘设置；

在所述电极层上形成发光层；

在所述发光层上形成起电层。

优选的，所述制造方法还包括：在所述发光层与所述起电层之间形成保护层。

优选的，所述制造方法还包括：在所述第一电极与所述第二电极之间形成绝缘层。

优选的，在所述电极层上形成发光层具体包括：

将发光材料粉末与光刻胶按照设定比例混合；

将混合后的发光材料粉末和光刻胶涂覆于电极层表面，曝光后形成所述发光层。

采用该方法制造的压力传感器，其具有较高的压力测量灵敏度和较大的压力测量范围，因而压力传感器的产品品质较佳。

本发明实施例提供一种压力测量系统，包括上述任一技术方案所述的压力传感器、与所述压力传感器电连接的a/d转换器以及对应所述发光层设置的图像采集装置，其中：

所述a/d转换器用于将所述第一电极和所述第二电极输出的数字电信号转换为模拟电信号，所述图像采集装置用于采集所述发光层的发光信息。

附图说明

图1为本发明实施例压力传感器的截面结构示意图；

图2为本发明实施例压力传感器的结构示意图；

图3为本发明实施例压力传感器的局部结构示意图；

图4为本发明实施例压力传感器的制造方法流程图；

图5为本发明实施例压力测量系统在外界压力不小于第一压力阈值时的压力成像示意图；

图6为本发明实施例压力测量系统在外界压力大于第一压力阈值时的压力成像示意图。

附图标记说明：

10-透明衬底层

20-电极层

21-第一电极

22-第二电极

23-绝缘层

24-交叉点

25-网格结构

30-发光层

300-发光单元

40-起电层

50-保护层

具体实施方式

为了使压力传感器同时具备较高的测量灵敏度和较大的压力测量范围，进一步提高压力传感器的产品品质，本发明实施例提供了一种压力传感器、压力测量系统及压力传感器的制造方法。下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

如图1和图2所示，本发明实施例提供了一种压力传感器，包括透明衬底层10以及在透明衬底层10上依次设置的电极层20、发光层30和起电层40，其中：

电极层20包括交叉设置的第一电极21和第二电极22，第一电极21和第二电极22在交叉处绝缘设置，当在起电层40上施加的压力不大于第一压力阈值时，第一电极21和第二电极22用于输出对起电层40施加压力产生的感应电压；

当在起电层40上施加的压力大于第一压力阈值时，发光层30对应起电层40施加压力处的位置发光。

在本发明实施例中，当在压力传感器的起电层上施加的压力不大于第一压力阈值，即外界压强较小时，根据摩擦起电和静电感应的耦合效应，第一电极和第二电极会输出相应的感应电压，感应电压与压强具备一定的对应关系，因而可以根据感应电压的大小获知压强的相关信息，由于摩擦起电原理，起电层可以感应很小的压强，因而本发明实施例的压力传感器具备较高的压力测量灵敏度；此外，当在压力传感器的起电层上施加的压力大于第一压力阈值，即外界压强较大时，发光层对应起电层施加压力处的位置将会发光，通过发光层的发光信息可以实现对外界压力的测量，发光层可以工作在千帕至兆帕的压强条件下，因而本发明实施例的压力传感器的压力测量范围较大。综上，本发明实施例的压力传感器既具备较高的压力测量灵敏度，也具有较大的压力测量范围，因而压力传感器的产品品质较佳。

值得一提的是，本发明实施例提供的压力传感器在工作时无需任何能源供给，因而可以实现自驱动，在当今能源频频告竭的大环境下，本发明实施例的压力传感器无疑具有极大的应用前景和广阔的发展空间。

需要说明的是，第一压力阈值的具体数值不限，具体应用时，当在起电层表面施加压力后，第一电极和第二电极输出的感应电压值不再增大，此时的压力值即为第一压力阈值，本申请的发明人经过多次试验得知，第一压力阈值的数值通常在500kpa～700kpa之间，具体的，第一压力阈值为600kpa。

其中，透明衬底层10的具体材质不限，例如可以聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚甲基丙烯酸甲酯、聚二甲基硅氧烷、环氧树脂等高分子材料。类似的，起电层40的具体材质也不限，例如可以采用橡胶(pdms)，或者高分子材料薄膜如聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、尼龙或聚四氟乙烯等。

可以理解的，请结合图1～图3所示，第一电极21与第二电极22在交叉处绝缘设置可以通过在第一电极21与第二电极22之间设置绝缘层23实现。其中，第一电极21和第二电极22的材质均不限，例如可以为银等可以导电的金属电极，优选的，可以采用氧化铟锡(ito)作为第一电极21和第二电极22的材质，氧化铟锡由于具有透明特性，利用其作为第一电极21和第二电极22的材质有利于增强压力传感器的透光性。

具体的，压力传感器在较低压强条件下的工作原理为：

以施力物体的材质为铝，起电层的材质为pdms，第一电极和第二电极的材质均为银为例，当铝材质的施力物体在起电层表面施加压力后，由于摩擦起电效应，施力物体和起电层的表面均会产生一定的电荷，由于铝失电子的能力远远强于pdms，因而施力物体的表面会产生负电荷，起电层的表面会产生正电荷，当施力物体逐渐远离起电层表面时，根据静电感应现象，第一电极和第二电极的电子会流向大地，以保持压力传感器的静电平衡，由于第一电极和第二电极发生电子的移动，因而第一电极和第二电极会输出感应电流，当施力物体完全离开压力传感器时，感应电流为零；当施力物体重新靠近起电层时，为再次保持静电平衡，会有电子重新从大地流向第一电极和第二电极，此时，第一电极和第二电极会输出与之前的感应电流方向相反的感应电流，直至施力物体重新接触起电层，至此，完成一个循环。

在本发明的一个优选实施例中，起电层40表面具有微观结构。其中，微观结构的具体形状、尺寸不限，例如可以为多个金字塔形结构。采用这样的设计，可以在一定程度上增加起电层表面的接触面积，由于在相同的压强下，接触面积越大，压力传感器测量的压力越大，因而可以大大提高压力传感器的压力测量范围；此外，当在起电层表面施加相同的压力时，增加起电层表面的接触面积，可以使压力传感器具有可调节的压力灵敏度。具体的，起电层表面的微观结构的密度越大，压力传感器具有的可调节的压力灵敏度的范围越大，同时其压力测量范围也越大。

在一种具体实施方式中，发光层为按照设定比例混合的发光材料粉末和光刻胶固化后形成的层结构。其中，发光材料的具体材质类型不限，可以根据实际需求选择具有不同发光颜色、不同弛豫时间的发光材料，例如可以选择能够发出橘黄色可见光的掺锰硫化锌(zns:mn)，也可以选择掺铜硫化锌(zns:cu)或者掺杂稀土金属的铝酸盐体系的发光材料。

需要说明的是，发光材料粉末与光刻胶的具体混合比例不限，本申请的发明人经过多次试验得知，当发光材料粉末与光刻胶的混合比例在0.5g/ml～2.5g/ml范围内时，可以使压力传感器具备较佳的产品品质。

如图2和图3所示，基于上述实施例的一个优选实施例中，发光层30包括阵列排布的多个发光单元300。由上述实施例可知，第一电极21与第二电极22的交叉点24将电极层20分隔为多个网格结构25，因而，优选的，每个网格结构25内对应设置有一个发光单元300。采用这样的设计，当在起电层表面施加压力时，发光单元可以准确检测到压力的位置信息，因而有利于提高压力传感器的灵敏度；此外，每个发光单元对应设置于一个网格结构内，可以极大程度地提高压力传感器的平整度，同时可以使压力传感器具有较好的透光性，发光层30发出的可见光能够较大程度地透过压力传感器。

当在电极层20表面形成发光层30后，为了提高压力传感器的机械强度，可以在发光层30与起电层40之间设置保护层50。其中，保护层50的具体材质不限，例如可以采用聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)等。

如图4所示，本发明实施例还提供一种压力传感器的制造方法，包括：

步骤101：形成透明衬底层；

步骤102：在透明衬底层上形成电极层，电极层包括交叉设置的第一电极和第二电极，第一电极和第二电极在交叉处绝缘设置；

步骤103：在电极层上形成发光层；

步骤104：在发光层上形成起电层。

采用本发明实施例提供的制造方法制造的压力传感器，当在起电层上施加的压力不大于第一压力阈值，即外界压强较小时，根据摩擦起电和静电感应的耦合效应，第一电极和第二电极会输出相应的感应电压，感应电压与压强具备一定的对应关系，因而可以根据感应电压的大小获知压强的相关信息，由于摩擦起电原理，起电层可以感应很小的压强，因而采用该方法制造的压力传感器具备较高的压力测量灵敏度；此外，当在起电层上施加的压力大于第一压力阈值，即外界压强较大时，发光层对应起电层施加压力处的位置将会发光，通过发光层的发光信息可以实现对外界压力的测量，发光层可以工作在千帕至兆帕的压强条件下，因而采用该方法制造的压力传感器的压力测量范围较大。综上，采用本发明实施例的制造方法制造的压力传感器，其压力测量灵敏度较高，压力测量范围也较大，因而压力传感器的产品品质较佳。

在具体实施时，为了提高压力传感器的机械强度，可以在发光层与起电层之间形成保护层。其中，保护层的具体材质不限，例如可以采用聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)。

可以理解的，为了使第一电极和第二电极在交叉处绝缘设置，可以在第一电极与第二电极之间形成绝缘层。

其中，步骤103具体包括：

将发光材料粉末与光刻胶按照设定比例混合；

将混合后的发光材料粉末和光刻胶涂覆于电极层表面，曝光后形成发光层。

以下仅举一个具体实施例来说明本发明压力传感器的制造方法，但读者应知，压力传感器的制造方法并不局限于此，凡是基于本发明构思的制造方法，均在本发明的保护范围内。

在一个具体实施例中，压力传感器的制造方法包括：

第一步：形成透明衬底层；

第二步：在透明衬底层上形成电极层，电极层包括交叉设置的第一电极和第二电极，第一电极和第二电极在交叉处绝缘设置；

具体的，可以在第一电极与第二电极之间形成绝缘层；

第三步：将发光材料粉末与光刻胶按照设定比例混合；

将混合后的发光材料粉末和光刻胶涂覆于电极层表面，曝光后形成发光层；

第四步：在发光层表面形成保护层；

第五步：在保护层表面形成起电层。

其中，上述制造方法共包括四次套刻工艺，第一次为形成第一电极，具体可以采用磁控溅射技术；第二次为形成绝缘层，具体可以采用等离子增强化学气相沉积技术；第三次为形成第二电极，具体可以采用磁控溅射技术；第四次为形成发光层，具体可以采用将发光材料粉末与光刻胶混合后固化的工艺实现。

本发明实施例还提供一种压力测量系统，包括前述任一实施例的压力传感器、与压力传感器电连接的a/d转换器以及对应发光层设置的图像采集装置，其中：

a/d转换器用于将第一电极和第二电极输出的数字电信号转换为模拟电信号，图像采集装置用于采集发光层的发光信息。

通过创建上述压力测量系统，压力传感器可以实现在较大跨度的压力值下实现压力的测量，并能较好地完成的压力的成像以及运动物体的轨迹跟踪。具体的，当起电层上施压的压力不大于第一压力阈值时，可以通过a/d转换器实现对第一电极和第二电极数字电信号的读取，并将数字电信号转换为模拟电信号，然后再通过单片机或者计算机软件的定位分析实现压力的数字成像；当起电层上施加的压力大于第一压力阈值时，可以通过图像采集装置实现对发光层发光信息的采集，由于发光层是在应力的作用下发光，并且发光强度与应力的大小具备一定的对应关系，因而可以通过分析图像采集设备采集的每帧图像中亮点的灰度值，进而确定外界的压力大小，并实现对外界压力的可视化观察。上述压力测量系统在电子皮肤以及人机互动系统等领域具有较为可观的应用前景。

具体的，图5所示为压力传感器工作在不大于第一压力阈值的条件下，测量系统测量的压力成像示意图；图6所示为压力传感器工作在大于第一压力阈值的条件下，测量系统测量的压力成像示意图。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。