一种压力传感器的制作方法

本实用新型涉及传感器技术领域，尤指一种压力传感器。

背景技术：

用来感知外界压力的压力传感器，可以采用具有平行板结构的电容式传感器，该种结构的压力传感器具有结构简单、功耗低、易于大面积制备、以及稳定性好等优点，具有广泛的应用。

其中，不同的应用场景，需要具有不同性能的传感器，例如：在探测较小的应变情况下，需要具有较高的灵敏度。

那么，如何调节压力传感器的性能，以适用于不同的应用场景，是本领域技术人员亟待解决的技术问题。

技术实现要素：

本实用新型实施例提供了一种压力传感器，用以调节压力传感器的性能，以适用于不同的应用场景。

本实用新型实施例提供了一种压力传感器，包括：相对而置的第一电极和第二电极、以及位于所述第一电极和所述第二电极之间的介质层；

所述介质层为包括导电物质和/或孔隙的弹性体。

本实用新型有益效果如下：

本实用新型实施例提供的一种压力传感器，通过将位于第一电极和第二电极之间的介质层设置为弹性体，可以降低介质层的杨氏模量，降低介质层抵抗形变的能力，使得在较小的应力时即可实现应力的探测。进一步地，通过在弹性体中增加导电物质和/或孔隙，且通过对导电物质的种类、孔隙大小及孔隙率的调节，可以进一步地调节介质层的杨氏模量，进而进一步调节介质层抵抗形变的能力，得到需要的压力测试范围和测试灵敏度，从而使得该种结构的压力传感器具有广泛的适用性。

附图说明

图1为本实用新型实施例中提供的一种压力传感器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例中提供的另一种压力传感器的结构示意图；

图3为本实用新型实施例中提供的又一种压力传感器的结构示意图；

图4为本实用新型实施例中提供的第一电极或第二电极的透光程度的示意图；

图5为本实用新型实施例中提供的压力传感器的透光程度的示意图；

图6为本实用新型实施例中提供的一种压力传感器的压力测试结果示意图；

图7为本实用新型实施例中提供的不同纺丝时间对应的电极的透光程度的示意图；

图8为本实用新型实施例中提供的第一电极或第二电极的扫描电镜图；

图9为本实用新型实施例中提供的介质层的断面扫描电镜图；

图10为本实用新型实施例中提供的不同孔隙率的介质层的透光程度的示意图。

其中，10-第一电极，11-第一透明柔性衬底，12-第一导电层，20-第二电极，21-第二透明柔性衬底，22-第二导电层，30-介质层，30a-导电物质，30b-孔隙。

具体实施方式

下面将结合附图，对本实用新型实施例提供的一种压力传感器的具体实施方式进行详细地说明。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，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，都属于本实用新型保护的范围。

本实用新型实施例提供了一种压力传感器，如图1至图3所示，可以包括：相对而置的第一电极10和第二电极20、以及位于第一电极10和第二电极20之间的介质层30；

介质层30为包括导电物质30a和/或孔隙30b的弹性体。

如此，通过将位于第一电极和第二电极之间的介质层设置为弹性体，可以降低介质层的杨氏模量，降低介质层抵抗形变的能力，使得在较小的应力时即可实现应力的探测。

进一步地，通过在弹性体中增加导电物质和/或孔隙，且通过对导电物质的种类、孔隙大小及孔隙率的调节，可以进一步地调节介质层的杨氏模量，进而进一步调节介质层抵抗形变的能力，得到需要的压力测试范围和测试灵敏度，从而使得该种结构的压力传感器具有广泛的适用性。

可选地，在本实用新型实施例中，介质层的透光率不小于40％；

第一电极和第二电极均采用透明柔性材料制作。

如此，可以使得压力传感器为具有较高透光率的柔性传感器，进而可以应用到具有一定透光要求的场景中，例如医用场景中，从而可以扩大该压力传感器的应用领域，拓展应用范围。

1、对介质层的设置：

可选地，在本实用新型实施例中，制作弹性体的材料包括：硅胶脂肪族芳香族无规共聚酯或聚二甲基硅氧烷；

导电物质包括：金属纳米线(如图1所示)和/或导电颗粒(未给出图示)。

如此，可以使得介质层具有一定的透光率，从而可以满足透光应用场景的需要，同时由于导电物质的存在，可以加宽应力的探测范围。

其中，金属纳米线可以但不限于为银纳米线，且金属纳米线的长度可以设置为50微米至100微米，金属纳米线的直径可以设置为30微米左右，以便于在弹性体中包括金属纳米线时，可以使得弹性体具有较高的透光率，同时具有较宽的应力探测范围。

导电颗粒可以但不限于为金属颗粒，例如金属银等，以便于加宽应力的探测范围。

并且，在制作弹性体时，所采用的制作材料并不限于上述内容的限定，还可以是除硅胶脂肪族芳香族无规共聚酯或聚二甲基硅氧烷之外的其他弹性体，在此并不限定。

可选地，在本实用新型实施例中，弹性体包括导电物质；

导电物质在弹性体中掺杂的质量比为1％至8％。

也就是说，在弹性体中包括导电物质时，需要限定导电物质的掺杂浓度，以保证弹性体具有较高的透光率，从而得到具有高透光率和高灵敏度的柔性压力传感器。

可选地，在本实用新型实施例中，弹性体包括孔隙；

孔隙率为8％-65％。

其中，孔隙率与灵敏度正相关，但孔隙率与透光率负相关。

也就是说，在弹性体中包括孔隙时，需要限定孔隙率，以保证弹性体具有较高的透光率，从而得到具有高透光率和高灵敏度的柔性压力传感器。

当然，在具体实施时，还可以在弹性体中既掺杂导电物质，又设置孔隙，并且，需要保证导电物质在弹性体中掺杂的质量比为1％至8％，同时需要保证孔隙率为8％-65％，以便于保证弹性体具有较高的透光率。

可选地，在本实用新型实施例中，孔隙的直径可以设置为30微米至500微米。

如此，通过对孔隙的直径的设置，可以调节压力传感器的杨氏模量，从而调节压力传感器的灵敏度和探测范围。

其中，该孔隙的制作方法可以包括：

在制作弹性体时添加可溶性颗粒；其中，可溶性颗粒可以包括：食盐颗粒、乳糖颗粒、蔗糖颗粒等；

在弹性体固化后，将固化后的弹性体放置于水中并引入超声，使得可溶性颗粒溶于水，可溶性颗粒所在的位置形成对应的孔隙，最后得到具有孔隙的弹性体。

并且，若弹性体中包括孔隙和导电物质时，制作方法可以包括：

在可溶性颗粒表面包覆导电物质；

将包覆有导电物质的可溶性颗粒添加至制作弹性体的前驱体中；

在进行固化处理后，得到掺杂有包覆有导电物质的可溶性颗粒的弹性体；

将固化后的弹性体放置于水中并引入超声，使得可溶性颗粒溶于水，可溶性颗粒所在的位置形成对应的孔隙，最后得到具有孔隙和导电物质的弹性体。

此外，孔隙的直径与可溶性颗粒的直径相同，所以如果要限定孔隙的直径，可以选择对应直径的可溶性颗粒，因此，若要控制孔隙的直径为30微米至500微米，可以通过研磨和过筛的方式，选择出直径为30微米至500微米的可溶性颗粒。

其中，在过筛时，采用不同目数的筛子，可以得到不同尺寸大小的可溶性颗粒，例如，采用360目的筛子，可以筛选出直径约为40微米的可溶性颗粒。

可选地，在本实用新型实施例中，如图1所示，介质层的厚度d0为500微米至800微米。

如此，通过对介质层厚度的控制，可以调节弹性体的杨氏模量，进而调节压力传感器的灵敏度，以满足不同应用场景的需要。

2、对第一电极和第二电极的设置：

情况1：第一电极和第二电极均为透明柔性电极。

可选地，在本实用新型实施例中，如图1所示，第一电极10包括：第一透明柔性衬底11、以及位于第一透明柔性衬底11表面的第一导电层12，且第一导电层12位于第一透明柔性衬底11面向第二电极20的一侧；

第二电极20包括：第二透明柔性衬底21、以及位于第二透明柔性衬底21表面的第二导电层22，且第二导电层22位于第二透明柔性衬底21面向第一电极10的一侧；

第一导电层11和第二导电层21采用相同材料制作。

如此，可以使得第一电极和第二电极具有较高的透光率和具有柔性，进而使得压力传感器为具有高透光率的柔性传感器，可以应用至电子皮肤场景中，从而可以拓展该压力传感器的应用范围。

可选地，在本实用新型实施例中，制作第一透明柔性衬底和第二透明柔性衬底的材料均包括以下一种或多种：对苯二甲酸乙二醇酯、聚对二甲苯、聚二甲基硅氧烷、聚萘二甲酸乙二醇酯、以及聚酰亚胺；

制作第一导电层的材料包括：石墨烯和/或金属纳米纤维。

其中，在实际情况中，在选择第一透明柔性衬底和第二透明柔性衬底的制作材料时，除了上述给出的各材料之外，还可以采用其他透明柔性的材料，在此并不限定。

并且，在采用石墨烯和/或金属纳米纤维制作第一导电层和第二导电层时，得到的第一导电层和第二导电层的厚度很小，即很薄，所以可以通过湿法转移的方式，将第一导电层和第二导电层转移至对应的透明柔性衬底之上，形成第一电极和第二电极。

可选地，在本实用新型实施例中，石墨烯的层数可以设置为5层至10层。

其中，在第一导电层和第二导电层包括石墨烯时，石墨烯的层数与导电性正相关，但石墨烯的层数与透光率负相关。

例如，若石墨烯的层数为5层至10层时，第一导电层的透光率为70％至85％。

并且，可选地，选择的石墨烯可以为单层石墨烯，还可以为多层石墨烯，只要保证石墨烯的总层数在5层至10层即可。

因此，在采用石墨烯制作第一导电层和第二导电层时，需要限定石墨烯的层数，以使得制作得到的第一电极和第二电极具有较高的透光率和较高的导电性。

可选地，在本实用新型实施例中，以第一导电层为例，若制作第一导电层的材料包括金属纳米纤维时，第一导电层可以采用静电纺丝的方式制作，其中，静电纺丝的时间可以但不限于控制在5分钟至30分钟，此时得到第一导电层具有较高的透光率和较好的导电性。

以第一导电层中包括的金属纳米纤维为银纳米纤维为例，在静电纺丝5分钟至30分钟时，第一导电层的透光率可以为72％至90％，第一导电层的导电性较高。

也就是说，静电纺丝的时间与透光率负相关，但与导电性正相关。

因此，为了得到高性能、高透光率、高灵敏度、柔性的压力传感器，需要控制静电纺丝的时间，以使得压力传感器具有较优的性能。

其中，在采用静电纺丝的方式制作第一导电层时，具体的过程可以包括：

对聚乙烯醇溶液，采用静电纺丝的方式，得到聚乙烯醇纳米纤维；其中，聚乙烯醇溶液中，聚乙烯醇的质量分数可以但不限于为10wt％；

在得到的聚乙烯醇纳米纤维表面制作一电极层；其中，该电极层可以但不限于通过磁控溅射的方式制作，且该电极层可以但不限于为银电极层；

通过湿法转移的方式，将聚乙烯醇溶解，将银纳米纤维转移至第一透明衬底之上，得到第一电极。

情况2：第一电极和第二电极为柔性电极。

也就是说，在此情况2中，对第一电极和第二电极无透光率的要求，此时：

可选地，在本实用新型实施例中，可以采用柔性印刷技术、蒸镀技术或电镀技术制作第一电极和第二电极。

如此，制作的第一电极和第二电极不仅具有较好的导电性，还具有较高的稳定性；同时，采用柔性印刷技术制作得到的第一电极和第二电极，还可以具有个性化定制的焊接孔，以便于后续将压力传感器与测量仪器连接，简化后续应用时的处理过程。

下面结合具体实施例，对压力传感器的制作过程进行说明。

实施例一：

以第一电极和第二电极均采用柔性透明的单层石墨烯和聚对苯二甲酸乙二醇酯(可以简写为pet)制作，半透明的介质层采用掺杂有银纳米线的硅胶脂肪族芳香族无规共聚酯(可以简写为ecoflex)制作为例。

具体制备过程如下：

(1)第一电极和第二电极的制作：

①在铜基(例如但不限于为铜片)上生长单层石墨烯片，在生长有石墨烯片的铜基上旋涂一层薄薄的光刻胶并烘干，之后将烘干后的铜基放入5mol/l的fecl3溶液中，以溶解铜基；

②在fecl3溶液中放置约10min后，铜基溶完全被溶解，此时采用透明pet衬底捞起悬浮在溶液上载有单层石墨烯的光刻胶；

③采用丙酮，对于附着在pet衬底表面的单层石墨烯的光刻胶进行清洗多次(例如但不限于三次)，以冲掉光刻胶，之后放入烘箱中，待烘干后得到柔性、透明且导电性良好的第一电极和第二电极。

其中，参见图4所示，虚线框1所示的区域表示单层石墨烯所在区域，在该区域内，仍然可以看到作为背景的白纸bz，虚线圈2表示透明柔性衬底(即pet)的透光性，如此说明通过上述方法得到的电极具有较高的透光率。

(2)介质层的制作：

①选取等质量的1.2g的ecoflexa和1.2g的ecoflexb混合并搅拌至均匀；

②以m(ecoflex):m(agnws)＝1:0.055％的质量比例，掺入长度为30μm的agnws(即银纳米线)，混合搅拌均匀后抽滤气泡，再倒入3d凹槽(4cm×6cm×1cm)中，静置30min后烘干；

③待烘干后从3d凹槽中剥离，得到透明度和灵敏度较好的介质层。

最后将上述第一电极、第二电极和介质层进行组装，得到电容式的压力传感器。

其中，参见图5所示，虚线圈3表示压力传感器所在位置，从图中可见，在将压力传感器覆盖在图案之上时，依然能够看清背景图案，说明通过上述方法得到的压力传感器具有较高的透光率。

并且，在对上述得到的压力传感器进行压力测试后，得到的结果如图6所示，该压力传感器在不同的压强(也可以理解为压力，此时压力大小用压强大小来表示)下，均可以表现出较明显的响应；也就是说，通过上述方法得到的压力传感器的压强测试范围可以为：5.7kpa至95.5kpa。

如此，实现了对较小压强的检测，提高了压强检测的灵敏度，同时还可以实现较大范围的检测，从而可以将该压力传感器应用到各个领域，拓展了该压力传感器的应用范围。

当然，图6所示的测试结果，只是采用上述工艺参数制作得到的压力传感器的性能，并且，通过对工艺参数的调整，例如银纳米线的掺杂量、银纳米线的长度等参数，可以调整压力传感器的测试范围和测试灵敏度，从而可以根据实际需要，对工艺参数进行设计，以满足各种应用场景的需要，提高设计的灵活性。

实施例二：

以第一电极和第二电极均采用银纳米纤维(简写为agnfs)和pet制作，介质层采用多孔泡沫结构ecoflex制作为例。

具体制备过程如下：

(1)第一电极和第二电极的制作：

①采用高压静电纺丝的方式，且选取质量分数为10wt％的聚乙烯醇(可以简写pva)溶液，制作得到pvanfs前驱体；

其中，在静电纺丝的过程中，可以通过调节纺丝时间，以调控后续agnfs的透明度。

②采用磁控溅射的方式，在pvanfs前驱体表面溅射金属银，再在蒸馏水中溶解掉pva，即可得到具有空心结构的agnfs；

③将具有空心结构的agnfs转移到透明衬底pet上，即可得到第一电极和第二电极。

其中，参见图7所示，图中示出了采用不同的纺丝时间，得到的电极(如第一电极或第二电极)的透光率，(a)图对应的纺丝时间为5分钟，(b)图对应的纺丝时间为15分钟，(c)图对应的纺丝时间为30分钟；虚线框均表示电极所在位置。

从图中可知：随着纺丝时间的延长，电极的透光率逐渐降低。

因此，在实际情况中，可以根据对透光率的要求调节纺丝时间，以满足应用场景的需要，提高设计的灵活性。

并且，参见图8所示，该图示出了通过上述方式得到的电极(如第一电极或第二电极)的扫描电镜图，从图中可知：银纳米纤维的直径约为600nm至700nm，且大量的银纳米纤维之间交错叠加，可以使得电极具有较高的导电性，从而有利于提高信号的传输，保证压力传感器的正常工作。

(2)具有多孔泡沫结构的介质层：

①选取等质量的1.2g的ecoflexa和1.2g的ecoflexb混合并搅拌至均匀；

②用研磨杵研磨nacl颗粒约10min，再采用180目的筛子进行筛选，可以得到孔径大小较为均一且直径约为80μm的nacl颗粒；

③以混合比例为m(ecoflex):m(nacl)＝1:1，掺入nacl颗粒，再倒入3d凹槽中，静置30min后烘干；

其中，可以通过调节掺入的nacl颗粒的比例，调节介质层的孔隙率。

④待烘干后从3d凹槽中剥离，将剥离出的半成品放入蒸馏水中进行超声处理，且处理温度为80℃，直至nacl颗粒完全溶解为止；之后进行烘干，即可得到孔径大小约为80μm且孔隙率约为50％的多孔泡沫结构弹性体，该弹性体即为介质层。

最后将上述第一电极、第二电极和介质层进行组装，得到电容式的压力传感器。

其中，参见图9所示，图中示出了具有多孔泡沫结构弹性体的断面扫描电镜图，从图中可见，该弹性体中充满了孔隙30b，该孔隙可以降低弹性体的杨氏模量，进而降低该弹性体对应力的抵抗能力，使得较小的应力即可使得弹性体发生形变，从而可以增加包括该种弹性体的压力传感器的检测灵敏度。

并且，参见图10所示，图中示出了具有不同孔隙率的介质层的透光率，(a)图表示孔隙率为0的介质层的透光率，(b)图表示孔隙率为12％的介质层的透光率，(c)图表示孔隙率为28％的介质层的透光率，(d)图表示孔隙率为30％的介质层的透光率。

从图中可知：随着孔隙率的增加，介质层的透光率逐渐降低。

因此，在实际情况中，可以根据对透光率的要求和对灵敏度的要求，调节介质层中的孔隙率，以满足应用场景的需要，提高设计的灵活性。

综上，通过将位于第一电极和第二电极之间的介质层设置为弹性体，可以降低介质层的杨氏模量，降低介质层抵抗形变的能力，使得在较小的应力时即可实现应力的探测。

进一步地，通过在弹性体中增加导电物质和/或孔隙，且通过对导电物质的种类、孔隙大小及孔隙率的调节，可以进一步地调节介质层的杨氏模量，进而进一步调节介质层抵抗形变的能力，得到需要的压力测试范围和测试灵敏度，从而使得该种结构的压力传感器具有广泛的适用性。

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