一种压力感应装置的制作方法

本发明涉及压力感应，具体涉及一种电容式压力感应装置，尤其是一种能够抑制人体对地电容干扰的压力感应装置。

背景技术：

1、电容式压力传感器因其结构简单、功耗低、对温度和湿度不敏感等优点，在可穿戴设备、柔性电子、人机交互等领域得到了广泛应用。其中，基于水平互电容检测原理的电容式压力传感器，通过检测同一平面内并列设置的两个电极之间的互电容来实现压力测量。具体地，该类传感器通常在电路基板上设置沿第一方向延伸的多条第一导线和沿第二方向延伸的多条第二导线，二者交叉形成包含多个交叉点的二维阵列网络，在每个交叉点附近，第一导线与第二导线分别延伸出两个相互共面且并列的电极，利用两电极之间的水平边缘场来感应弹性介电层的介电特性变化。该结构不仅简单，而且易于实现大面积阵列式探测，更重要的是，由于其采用类似电容触摸屏互容的探测原理，在多点探测时，其不会产生类似自容式电容触摸屏的鬼影效应，因此特别适用于需要多点同时检测的压力感应场景。

2、然而，上述现有技术普遍存在一个被忽视的问题：当手指直接按压弹性介电层表面时，手指作为导体，其与地之间存在着对地电容（通常约为100pf）。该人体对地电容会与感应电极之间形成寄生耦合路径，使得原本应反映弹性介电层内部介电特性变化的互电容信号中掺杂了手指对地电容的干扰分量。特别是在用户接地不良的情况下，这种干扰会进一步加剧，导致压力检测精度下降甚至产生误判。

3、此外，现有基于水平互电容的压力传感器设计中，电极尺寸（包括电极宽度和电极间距）往往仅从提高灵敏度或增大电容值的角度进行优化，而并未考虑电极尺寸与弹性层厚度之间的相对关系对电场分布及抗干扰性能的影响。当电极宽度或电极间距过大时，电极产生的水平边缘场会穿透弹性介电层而泄露至其表面之外，使得手指对地电容更容易耦合进入测量回路，从而干扰互电容的准确测量。

技术实现思路

1、本发明旨在提供一种压力感应装置，其能够通过合理的电极尺寸设计，将电极产生的电场有效约束于弹性介电层内部，从而抑制手指对地电容对互电容测量的干扰，使互电容信号主要反映弹性介电层受压后的内部介电特性变化，提高压力检测的精度和可靠性。

2、为实现上述目的，本发明提供一种压力感应装置，包括电路基板及其上的弹性介电层。所述电路基板上设有沿第一方向延伸的多条第一导线和沿第二方向延伸的多条第二导线，第一导线与第二导线相互交叉，形成包含多个交叉点的网络，所述交叉点呈二维阵列排布，每个交叉点对应一个感应单元区。在各感应单元区内，第一导线与第二导线分别延伸出共面且呈线状的第一电极和第二电极，二者并列设置构成电极对。所述第一电极和第二电极的宽度均不大于弹性介电层的厚度，且在该感应单元区的至少一部分区域内，所述第一电极与第二电极之间的间隙宽度小于弹性介电层的厚度。

3、基于上述方案，由于第一电极和第二电极的宽度及间隙均被限定为不大于（或部分小于）弹性介电层厚度，电极在弹性介电层中产生的电场被有效约束于弹性介电层内部，大幅减少穿出弹性介电层表面的电场。当手指在弹性介电层上方按压时，人体对地电容对第一导线与第二导线之间互电容的干扰被显著抑制，互电容信号主要反映弹性介电层受压后的内部介电特性变化，从而提高了检测精度。

4、本发明的工作原理如下：当手指按压弹性介电层时，按压区域的弹性介电层受到压缩作用而发生形变。一方面，弹性介电层的本征弹性系数在压缩状态下发生变化，导致其介电常数相应改变；另一方面，若弹性介电层内部预先设置有不均匀的介电结构（例如将不同介电常数的介电材料混合分布），则压缩作用会改变该区域内的介电材料分布状态，使其平均或有效介电常数发生变化。上述任一种或两种机制的共同作用，均会导致按压位置处第一电极与第二电极之间的互电容发生改变。需要指出的是，由于第一电极与第二电极共面布置，二者之间的电场主要以水平方向的边缘场为主，因此互电容的变化主要反映的是弹性介电层内部平行于电极排布方向的介电特性变化，而非垂直于电极方向的电容耦合。通过外部电路检测各感应单元区互电容的变化量，即可确定按压位置及按压力度。

5、需要强调的是，上述相邻交叉点的间距大于第一电极和第二电极的宽度，即第一导线和第二导线的数量或布线密度是小于，甚至是远小于第一电极和第二电极的数量或布线密度的，电路通过第一导线和第二导线连出，其外围电路通道数并不会增加。

6、优选地，所述第一导线、第二导线、第一电极和第二电极由同一导电膜图形化而成。由此，简化了制造工艺，降低了成本，同时保证了第一电极与第二电极的良好共面性，第一电极和第二电极之间没有对位误差，其间隙宽度可控，从而能有效形成所需的边缘场。

7、进一步优选地，所述第一导线、第二导线、第一电极和第二电极为采用光刻工艺形成的电路图案。由此，基于同一导电膜的光刻工艺，第一电极和第二电极不仅没有对位误差，还可以实现10μm级甚至更高的图案精度，有利于减小电极尺寸，增强边缘场效应。

8、优选地，在所述交叉点处，所述第一导线与第二导线之间设有跳线结构。由此，有效避免第一导线与第二导线在交叉点处发生短路，保证了交叉网络的完整性和可靠性。

9、优选地，所述电路基板为玻璃基板，所述导电膜为镀制在该玻璃基板上的导电膜。由此，利用玻璃基板优异的平坦性，进一步提升了第一电极和第二电极的共面性，保证了各感应单元区之间的一致性和重复性。

10、优选地，所述交叉点的间距为1mm～10mm。由此，该间距与手指按压时的接触面积相适配，使各感应单元区的空间分辨率与人体工学需求匹配良好。

11、优选地，所述弹性介电层的厚度不大于1mm。由此，保证了装置整体的轻薄性，适合集成于便携式电子设备中。更优选地，所述弹性介电层的厚度不大于0.5mm。由此，在保证轻薄性的同时进一步提升了电极电场对弹性层内部变化的响应灵敏度。

12、优选地，所述第一电极和第二电极的宽度均不大于0.2mm。由此，使得从电极发散的电场中包含更多的水平成分，边缘场效应增强，有利于提高互电容对弹性层内部变化的灵敏度。

13、优选地，在所述感应单元区的至少一部分区域内，所述第一电极与第二电极之间的间隙宽度不大于0.2mm。由此，使边缘场被有效约束于弹性介电层内部而不超出其表面，进一步抑制了手指对地电容的干扰。

14、优选地，所述导电膜为单层或多层的金属或合金薄膜。由此，电极具有较低的电阻率，保证了线状电极具有足够的导电性。更优选地，所述导电膜为mo-al-mo三层合金薄膜。由此，该材料体系既易于图形化又具有高导电率，兼顾了工艺便利性和电学性能。

15、优选地，所述弹性介电层为掺杂有导电材料的硅胶层，其介电常数为15～30。由此，掺杂导电材料能够显著增大弹性介电层在受压时弹性系数变化的效应幅度，从而进一步提高介电常数对压力的响应灵敏度，在相同压力下可获得更大的互电容变化量。

16、优选地，所述第一电极和第二电极均为梳状电极。具体地，所述第一电极包括以第一导线或其支线为母线延伸出的多根平行排列的第一梳齿导线，所述第二电极包括以第二导线或其支线为母线延伸出的多根平行排列的第二梳齿导线，且所述第一梳齿导线与第二梳齿导线相互穿插。由此，第一电极与第二电极之间具有更大的边缘场分布区域，互电容值更高，信号强度更大，进一步提升了信噪比。

17、更优选地，所述第一电极和第二电极的节距（即单个电极宽度与相邻间隙宽度之和）不大于弹性介电层厚度的60%。由此，穿透至弹性介电层表面之外的电场比例可控制在约20%以下，电场绝大部分被约束于弹性介电层内部，手指对地电容对互电容的干扰被进一步有效抑制。

18、进一步优选地，所述第一电极和第二电极的节距不大于弹性介电层厚度的50%。由此，穿透至弹性介电层之外的电场比例可降至约17%以下，电场基本被完全约束于弹性层内部，抗干扰效果尤为显著。

19、进一步优选地，所述第一电极和第二电极的节距不大于弹性介电层厚度的40%。由此，穿透至弹性介电层之外的电场比例可降至约13%以下，实现了最优的电场约束效果。

20、（三）有益效果

21、本发明具有以下有益效果：

22、通过将第一电极和第二电极的宽度及间隙限定为不大于（或部分小于）弹性介电层的厚度，使得电极在弹性介电层中产生的电场被有效约束于弹性介电层内部，大幅减少穿出弹性介电层表面的垂直电场和边缘电场。当手指按压时，人体对地电容对互电容的干扰被显著抑制，互电容信号主要反映弹性介电层受压后的内部介电特性变化，从而提高了检测精度。

23、基于上述尺寸限定与共面电极结构，互电容主要来源于第一、二电极之间的水平边缘场，而非穿出弹性层的垂直电场。当弹性介电层受压导致其介电常数发生变化时，水平边缘场所在的介电环境发生改变，互电容随之变化，从而实现按压检测。该机制使得检测信号的本质来源是弹性层内部的介电响应，而非手指本身的电气特性，从根本上规避了人体对地电容的影响。

24、各项优选方案可根据实际需求灵活组合，各方案之间的协同作用将进一步增强本发明整体的抗干扰性能和检测灵敏度，同时保持良好的工艺兼容性和轻薄化特性。