[实用新型]一种柔性电容式压力传感器

说明书

本实用新型提供了一种柔性电容式压力传感器，所述柔性电容式压力传感器包括上电极、下电极，夹设于上电极和下电极之间的复合电介质层，其中，复合电介质层包括与所述上电极连接的第一结构层、与所述下电极连接的第二结构层、以及设置在第一结构层和第二结构层之间的可形变层；所述可形变层具有拓扑结构。与现有技术相比，本实用新型提出了基于3D打印技术的电容式压力传感器结构，精确控制压敏材料中孔的尺寸和分布，从而改善传感器的动态范围和线性度；复合电介质层的可形变结构的设置，还充分利用了介电应变效应的特性，提高了介质材料的介电应变系数，可以进一步提高传感器的灵敏度。

技术领域

本实用新型涉及微电子技术领域，特别地涉及一种柔性电容式压力传感器。

背景技术

目前，越来越多的特殊信号和特殊环境要求传感器具有透明、柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特性。因此，研制高性能、低成本的柔性压力传感器具有十分广阔的应用前景。从敏感机制上看，目前报导出的柔性压力传感器的类型主要可以分为电阻式压力传感器和电容式压力传感器两种。从结构设计上看，这两种类型的柔性压力传感器的结构非常类似，一般都包含两层柔性电极和一层柔性压敏材料。对于电阻式柔性压力传感器，柔性压敏材料通常是一些多孔复合聚合物材料，主要包含两部分：柔性基底和增敏材料。它的制备方法主要是在柔性基底材料中掺入一定量导电的纳米颗粒或纳米线。在压力的作用下，压敏材料的电阻率和厚度发生改变，导致两个柔性电极之间的电阻值变化。通过测量器件的电阻值可以推断结构所承受的压力。电阻式柔性压力传感器的优点主要是灵敏度高，器件的制备和表征比较方便，但是，这种类型的压力传感器不适合低功耗应用。对于柔性电容式传感器，压力作用下压敏电介质受压发生形变，电容值发生变化。电容变化的因素包括两个方面：一方面，压力作用使电容的极板间距发生变化。另一方面，压力的作用使电介质的介电常数发生变化。从宏观的角度来说，压力的作用使电介质中的空气被挤压，电介质层中的固体电介质与空气的比率发生改变，电介质的介电常数发生变化。从微观的角度来说，压力的作用会使固态电介质的形态发生变化，而电介质的形态与价电子的运动密切相关。价电子的运动在很大程度上直接和间接地决定了电介质的几何性质和电极化性质，最终体现在电容极板上的极化电荷的变化。电介质分子/原子的极化状态发生变化实际上是改变了电介质的介电常数。这种现象即我们所说的“介电应变效应”。与电阻式柔性压力传感器相比，电容式柔性压力传感器具有一个典型的优点是低功耗，因此，受到越来越多的关注。

从现有的研究成果来看，电阻式和电容式柔性压力传感器都存在压力测量范围偏小的问题。主要体现在低压范围，器件灵敏度较理想，但是压力增大到一定数值(一般小于5kPa，有的甚至只有0.5kPa)，器件灵敏度迅速下降并且测试曲线呈现较明显的非线性。造成这种现象的主要原因是加工方法的局限性。多孔压敏电介质的制备多采用在柔性材料和功能粒子的共混溶液中加入如去离子水或易挥发的有机溶液的方法，然后通过加热使去离子水或者有机溶液挥发形成多孔结构。但这种加工方法会造成孔的几何尺寸及分布较随机，压敏材料的动态范围及线性特性较差。因此，需要扩展柔性压力传感器的测量范围，同时确保器件在整个压力测量范围内具有较高的灵敏度和良好的线性度。

实用新型内容

为了解决有柔性压力传感器存在压力测量范围小、线性特性差等问题，本实用新型提供了一种柔性电容式压力传感器，所述柔性电容式压力传感器包括上电极、下电极，夹设于上电极和下电极之间的复合电介质层，其中，复合电介质层包括与所述上电极连接的第一结构层、与所述下电极连接的第二结构层、以及设置在第一结构层和第二结构层之间的可形变层；所述可形变层具有拓扑结构。

优选地，所述拓扑结构包括并联的多列可形变部，该可形变部被构造成由多个空心柱体沿其截面中心轴线方向堆叠形成。

优选地，所述空心柱体的数量至少为两个；所述空心柱体的截面形状为方形、圆形或者多边形。

优选地，所述空心柱体的截面形状为方形，在同一列的多个所述空心柱体沿其对角线堆叠形成拓扑结构。