[发明专利]一种基于压阻效应的自供电加速度传感器及其制造方法

说明书

本发明公开了属于加速度传感器领域的一种基于压阻效应的自供电加速度传感器及其制造方法。该自供电加速度传感器采用叠层式结构，依次叠放集流体‑正电极‑隔膜‑负电极‑集流体。该自供电加速度传感器通过复合材料电极薄膜的压阻效应实现加速度冲击信号的传感。本发明的集流体采用钛等金属材料，通过激光焊接完成极针与集流体的可靠连接。多孔电极的制备采用干法工艺，通过聚四氟乙烯与碳材料的复合制备具有压阻特性的电极材料。该自供电加速度传感器采用柔性封装结构和工艺，采用层间气密封装和柔性树脂胶灌封将器件封装在金属或塑料外壳中。本发明解决了高g加速度信号的自供电传感问题，在汽车工业、航空航天和武器装备领域具有广阔应用潜力。

技术领域

本发明属于加速度传感器领域，特别涉及一种基于压阻效应的自供电加速度传感器及制备方法。

技术背景

加速度传感器是一种基础传感器，广泛应用于汽车工业、航空航天、武器装备等领域。目前上述应用领域正经历快速的产业发展和技术进步，对于加速度传感器的性能提出了以下三点迫切的发展需求：一、高达数万g的加速度信号的测量范围，应用于汽车碰撞实验、侵彻武器等领域；二、少或无杂峰震荡的加速度传感器输出信号，应用于侵彻武器领域对间隔时间较短的连续多个加速度冲击信号的识别等场景；三、自供电加速度传感器件，无源化的加速度传感器能够显著减小系统的功耗和体积，提高系统的集成度，从而满足汽车、航空航天等领域高系统集成程度的要求。

针对上述领域对于加速度传感器自供电、高量程的需求，目前发展较为成熟的压电式加速度传感器、压阻式加速度传感器、电容式加速度传感器和电化学加速度传感器均存在缺陷，难以直接应用。压电式加速度计基于压电效应，其代表性专利如绵阳铭宇电子有限公司的《一种微型压电加速度传感器》(CN 103364582 B)。压电式加速度传感器的主要不足在于压电效应的弛豫时间较长，在一次冲击后零点恢复需要较长的时间，传感信号的杂峰震荡较多，在经历连续多次加速度冲击时传感信号粘连严重。压阻式加速度传感器、电容式加速度传感器和电化学加速度传感器分别利用加速度冲击时的压阻效应、电容结构变化、溶液离子浓度敏感效应实现加速度信号的测量，其代表性专利如中北大学的《压阻式单片集成四梁三轴加速度计》(CN 102768291 B)、南京信息工程大学的《Z轴电容式微机械加速度计》(CN 103675348 B)和中国科学院电子学研究所的《基于MEMS技术的电化学地震检波器》(CN 103048680 B)。但是，这三种类型的加速度传感器均存在共同的缺点，即它们均需要外部电源供电，不利于提高微系统整体的集成度。

针对目前对于自供电高量程加速度传感器的需求，本发明提出了一种基于压阻效应的自供电加速度传感器及其制造方法。

发明内容

本发明的目的是提出了一种基于压阻效应的自供电加速度传感器及其制造方法，其特征在于，基于压阻效应的自供电加速度传感器采用叠层式结构，依次层叠集流体、正电极、隔膜、负电极和集流体为一个加速度传感器单体，其中，采用钛或其他金属材料(如铂、不锈钢等)作为集流体；采用聚四氟乙烯-碳材料复合压阻薄膜作为正负电极，采用聚四氟乙烯或其他聚合物多孔材料(如聚丙烯等)作为隔膜；采用硫酸或硫酸钠作为电解质溶液，填充于正负电极和隔膜的孔隙中；然后各层之间经过气密封装后由柔性树脂胶灌封在金属或塑料壳体中；该自供电加速度传感器通过双电层效应实现电能的存储和释放；双电层效应是指电极和电解液中的正负离子在静电吸附力的作用下，在电极材料的表面形成有序的双电层结构；由于正负电极为高比表面积的孔隙结构，因此器件可以通过双电层效应实现大能量密度的电能存储。

所述基于压阻效应的自供电加速度传感器的制作步骤如下：

(1)集流体的制造工艺

1)金属表面的表面处理。采用体积分数的硫酸溶液，将金属集流体材料钛片或其他(如铂、不锈钢等)浸泡个小时；

2)切割，将处理后的钛片按照所设计尺寸切割成集流体；