一种电容式压力感应装置的制作方法

本发明涉及压力传感器技术，尤其涉及一种电容式压力感应装置。

背景技术：

1、电容式压力传感装置通常通过压力作用引起电极间距离、电极间介质分布或介电常数变化，从而改变电容值，并通过检测电路读取电容变化来获得压力信息。根据检测方式不同，电容式压力传感装置可分为自电容式和互容式。互容式检测通常检测第一电极与第二电极之间的互电容变化，具有抗干扰能力较好、适合阵列化扫描等优点。

2、现有的一些电容式压力传感方案中，往往需要在共面电极上方设置导体层，并将导体层接地或连接参考电压，以与共面电极构成垂直电容。此类方案虽然可以获得电容变化，但需要额外的导电层、接地连接或参考电压连接，结构和制造工艺较复杂，且存在导体层与电极短路的风险。另一些方案采用压阻材料，通过压力引起电阻变化来检测压力，但压阻材料通常存在迟滞、温漂、功耗和重复性等问题。

3、此外，在阵列式压力检测中，若每个检测点均需要独立布线或独立连接，会导致硬件复杂度高、难以高密度集成。因此，需要一种结构简单、灵敏度较高、信号变化方向明确且便于阵列化集成的互容式压力感应装置。

技术实现思路

1、一种电容式压力感应装置，包括：

2、电路基板，其上设有共面且相互靠近的第一电极和第二电极，所述第一电极与所述第二电极之间存在水平电容；

3、低介电系数层（低k层），覆盖于所述第一电极和所述第二电极之上；

4、高介电系数层（高k层），覆盖于所述低介电系数层之上；以及

5、检测电路，连接至所述第一电极和所述第二电极，用于检测所述第一电极与所述第二电极之间的互电容；

6、其中，所述低介电系数层为可压缩变形的绝缘弹性层，所述高介电系数层是相对介电常数大于所述低介电系数层的可变形绝缘层；当所述压力感应装置受到按压力时，所述低介电系数层被压缩，使所述高介电系数层与所述第一电极和所述第二电极之间的距离减小，所述高介电系数层更靠近所述第一电极与第二电极之间的电极间隙，更多边缘电场穿过所述高介电系数层，使所述第一电极与第二电极之间的等效互电容增大，所述检测电路通过检测所述互电容的变化来探测所述按压力。

7、在本技术中，第一电极与第二电极共面且相互邻近，二者之间一般不存在正对区域。当在第一、第二电极之间施加电压差时，电场线由电极边缘向外延展，形成边缘电场，并由此在第一电极与第二电极之间建立起直接的电容耦合，该固有物理电容定义为水平电容。水平电容的大小主要取决于第一、第二电极之间的相邻间距、电极图案的相邻边长度以及周围介质的综合介电常数。

8、低介电系数层覆盖于第一电极和第二电极之上，其相对介电常数较低，作为可压缩变形的绝缘介质层。高介电系数层覆盖于低介电系数层之上，其相对介电常数显著高于低介电系数层。高介电系数层为绝缘介电层，而不是导电电极层，因此其不接地、不连接参考电压，也不与检测电路电连接；其不作为垂直电容的极板，但可与第一电极和第二电极之间存在介质耦合。

9、在未受压状态下，高介电系数层与第一电极、第二电极之间由低介电系数层隔开，边缘电场主要经过低介电系数层及电路基板附近介质分布。当压力作用于高介电系数层时，低介电系数层发生可逆压缩形变，高介电系数层向电路基板方向靠近，尤其向第一电极与第二电极之间的电极间隙区域靠近。由于高介电系数层的相对介电常数高于低介电系数层，其靠近电极间隙后，电极间隙处的等效介电常数增大，边缘电场更多地从高介电系数层中通过，从而增强第一电极与第二电极之间的电容耦合。

10、在电路等效模型中，检测电路实际测得的互电容cm可表示为水平电容ch与高介电系数层引入的介电调制电容ck之和：

11、cm≈ch+ck

12、其中，ck为高介电系数层靠近电极间隙后对边缘电场耦合的增强贡献。ck可近似表示为：

13、ck≈η·ε0·(εh-εl)·aeff/deff

14、式中，η为几何因子，ε0为真空介电常数，εh为高介电系数层的相对介电常数，εl为低介电系数层的相对介电常数，aeff为受高介电系数层影响的等效电场作用面积，deff为高介电系数层至电极间隙的等效距离，其主要由低介电系数层的厚度tl决定。上述公式为等效模型，用于说明变化趋势，不作为对本发明保护范围的严格数学限定。

15、需要特别说明的是，本技术中的高介电系数层不是导体层，不作为垂直电容的极板，也不通过接地或参考电压形成参考电势层。其可与第一电极和第二电极之间存在不可避免的介质耦合，但检测电路主要检测的是第一电极与第二电极之间的互电容。其核心功能是作为高介电系数介质层，通过受压时与共面电极及电极间隙之间距离的变化，改变边缘电场的介质分布，从而主动调制第一电极与第二电极之间的互电容。

16、由上式可知，当压力使低介电系数层压缩、高介电系数层靠近电极间隙时，deff减小，ck增大，检测电路测得的互电容cm相应增大。检测电路通过检测该互电容的增大量来反推按压力大小。该数学模型明确了本发明的信号变化方向为受压时互电容增大，而非减小。

17、为便于描述，定义所述第一电极和第二电极的线宽各自为a1和a2，二者之间的相邻间距为b。在优选实施方式中，所述第一电极与所述第二电极具有相同的线宽，即a1=a2=a；所述电极间隙b为所述第一电极与所述第二电极之间的相邻边缘间距。以下基于a1=a2=a的情况进行参数优化说明，但本领域技术人员应当理解，当a1≠a2时，可将a取为二者的平均值或较小值进行参照设计。

18、在本技术所述结构中，压力灵敏度主要取决于低介电系数层被压缩时，检测电路所测互电容的变化率。基于电场分布特性与力学-电学耦合机理，电极宽度a、电极间隙b、低介电系数层厚度tl以及高k层与低k层的介电常数关系优选如下：

19、（1）低介电系数层厚度tl与电极间隙b的关系

20、共面电极所产生的边缘电场在电极间隙上方呈拱形分布，其有效作用深度与电极间隙b处于同一数量级。若低介电系数层厚度tl远大于b，则高介电系数层距离电极间隙过远，边缘电场在到达高介电系数层前已大幅衰减，压力引起的介电调制作用微弱，灵敏度降低；若tl远小于b，则高介电系数层在未受压时已过于靠近电极间隙，初始互电容值过高，且压力作用下易进入饱和区，线性度变差。

21、优选地，所述低介电系数层的厚度tl与所述电极间隙b满足如下关系：0.3b≤tl≤1.5b。在该范围内，高介电系数层在受压时能够进入边缘电场强度较大的空间区域，既能保证足够的初始互电容信号值，又能使压缩形变有效调制电场分布，获得较高的相对灵敏度。

22、（2）电极宽度a与电极间隙b的关系

23、电极宽度a决定了水平电容的绝对值基准。若a过小，水平电容绝对值过低，信噪比下降；若a过大，则边缘电场的分布减少，互电容对电极间隙处局部介电环境变化的敏感度减弱。

24、优选地，所述电极宽度a与所述电极间隙b满足如下关系：1≤a/b≤5。该范围内，水平电容的绝对值维持在可检测水平，且边缘电场分布占比保持在较高比例，有利于提升压力检测的灵敏度。

25、（3）低k层与高k层的介电常数协同选取

26、低介电系数层的相对介电常数εl较低，有利于使未受压状态下的初始互电容保持适中，并提高高k层靠近时的介电对比度。高介电系数层的相对介电常数εh较高，有利于在相同距离变化下产生更大的互电容变化。

27、优选地，所述低介电系数层的相对介电常数εl为1.5～3，进一步优选为1.8～2.8。所述高介电系数层的相对介电常数εh为10～1000，进一步优选为20～200。所述高介电系数层与低介电系数层的相对介电常数之比优选满足：εh/εl≥5，进一步优选满足：εh/εl≥10。

28、优选地，所述低介电系数层和所述高介电系数层的厚度总和大于电极间隙b的4倍，即tl+th>4b，由此可使边缘电场主要分布在低介电系数层和高介电系数层构成的介质区域内，减少其向外围空气或基板方向的过度扩散。在所述低介电系数层的厚度tl与所述电极间隙b满足0.3b≤tl≤1.5b的情况下，所述高介电系数层的厚度th优选满足：th≥2.5b，进一步优选满足：th≥3.7b。所述高介电系数层应具有柔顺性，以将外部压力有效传递至低介电系数层；其厚度可在满足上述电场分布要求的前提下兼顾压力传递效率。

29、作为本发明的优选实施方式，所述第一电极与第二电极可采用叉指电极结构或迂回电极/卷绕电极结构，以增加二者之间的有效边缘长度，从而提高压力感应的灵敏度。在前述参数优化关系的基础上，所述第一电极与第二电极之间的相邻间距即为前述电极间隙b，电极自身的线宽即为前述电极宽度a，上述结构的线宽a与间隙b的选取应与低介电系数层厚度tl相配合，遵循前述参数优化关系。

30、在叉指电极结构中，所述第一电极包括第一公共引线和自所述第一公共引线向所述第二电极方向延伸出的多个第一指状子电极；所述第二电极包括第二公共引线和自所述第二公共引线向所述第一电极方向延伸出的多个第二指状子电极。所述第一指状子电极与所述第二指状子电极沿电极间隙方向交替排列且彼此间隔，形成叉指对。每个第一指状子电极与其相邻的第二指状子电极之间的间隙构成水平电容的有效作用区域。由于水平电容的强度与相邻电极边缘的总长度呈正相关，采用叉指结构后，在相同的电极布局面积下，有效边缘总长度显著增加，水平电容的绝对值增大，互电容对低介电系数层厚度变化的相对灵敏度相应提高。

31、在迂回电极或卷绕电极结构中，所述第一电极和所述第二电极各自为一根连续的线状电极，二者均以迂回曲折走线方式或卷绕走线方式在所述电路基板所在平面内延伸。所述迂回电极结构中，第一电极和第二电极平行且相邻地呈蛇形或回字形折返布置，二者之间的间距保持恒定，每一段折返走线的相邻线段之间均构成耦合电容的有效边缘；所述卷绕电极结构中，第一电极和第二电极以螺旋形相互卷绕布置，二者沿卷绕路径保持恒定间距，沿整个卷绕路径形成连续的电容耦合有效边缘。上述迂回或卷绕电极结构均通过增加线状电极的总长度来增大水平电容的绝对值，进而提高压力检测的灵敏度。

32、作为本发明的优选实施方式，所述压力感应装置可采用阵列式结构以实现多点压力检测。

33、具体地，所述电路基板上设有多条沿第一方向延伸的驱动线和多条沿第二方向延伸的感应线，所述第一方向与所述第二方向相交，优选为垂直相交，使得所述驱动线与所述感应线在投影上形成多个交叉点。所述驱动线与所述感应线设置于不同导电层，或者在同层交叉处设置绝缘隔离层或桥接绝缘结构，以避免交叉点处短路。在每一个所述交叉点处，所述驱动线连接出一个第一电极，所述感应线连接出一个第二电极，所述第一电极与所述第二电极共面且相互靠近，二者之间存在水平电容。所述低介电系数层覆盖于各所述交叉点处的所述第一电极和所述第二电极之上，所述高介电系数层覆盖于所述低介电系数层之上。每个所述交叉点处的第一电极、第二电极与该处的低介电系数层和高介电系数层共同构成一个独立的压力感应单元。

34、当外部压力作用于所述高介电系数层的某一位置时，该位置对应的一个或多个压力感应单元中的低介电系数层发生压缩变形，使高介电系数层靠近对应交叉点处的电极间隙，对应感应单元的互电容增大。通过设置与各驱动线和各感应线分别电连接的检测电路，以时分扫描方式依次向各驱动线施加激励信号，并在每条驱动线被激励时从所有感应线上读取耦合信号，即可获得对应于各交叉点的互电容数据矩阵。将该矩阵与无压力状态下的基准矩阵进行比较，即可识别出所有发生互电容变化的交叉点及其变化量，从而同时检测出多个压力作用点的位置和压力大小，实现多点压力分布检测。所述检测电路的扫描帧率优选不低于50hz，以实现实时检测。

35、作为本发明的优选实施方式，在所述阵列式结构中，各驱动线和感应线及其所连接出的第一电极和第二电极可采用如下基板与电极制造方案：

36、在一种基础实施方式中，所述电路基板采用pcb硬质电路板或fpc柔性电路板，所述驱动线、感应线、第一电极和第二电极通过常规的电路板蚀刻工艺形成。该方案工艺成熟、成本较低，适用于一般的压力分布检测应用。

37、在一种优选实施方式中，为进一步提高感应阵列的检测一致性和压力灵敏度，所述电路基板采用玻璃基板，所述驱动线、感应线、第一电极和第二电极通过磁控溅射或蒸镀工艺在所述玻璃基板表面形成金属薄膜，再经光刻与蚀刻工艺对所述金属薄膜进行图案化加工而成。当驱动线与感应线采用正交阵列时，可在交叉点设置过孔或桥接结构。与pcb蚀刻工艺相比，玻璃基板具有极高的表面平整度，结合光刻工艺可获得更精确的电极图形和更均匀的电极表面，从而保证各交叉点处第一电极与第二电极的共面性高度一致，使得各感应单元在无压力状态下的初始互电容值趋于一致，有利于简化基准标定和后续信号处理。同时，高平整度的玻璃基板配合高精度的光刻电极图形，为低介电系数层的设置提供了平坦且均匀的基底，有利于保证低介电系数层在各交叉点区域的厚度均匀性。进一步地，所述玻璃基板可选自钠钙玻璃、硼硅玻璃或无碱玻璃，厚度为0.1mm至3mm；所述金属薄膜的材料选自铜、铝、钼、铬、钛或上述金属的叠层组合，厚度为50nm至500nm。

38、所述低介电系数层可通过印刷、涂覆、流延、层压或固化等工艺形成于电路基板之上。

39、所述低介电系数层应选用具有良好弹性、电绝缘性能和较低相对介电常数的可压缩材料，其在受到压力时能够发生可逆压缩形变，并在压力移除后恢复至初始厚度。需特别强调的是，本发明的低介电系数层为绝缘弹性材料，其作用为提供可逆压缩形变并构成低介电系数介质环境，而非压阻材料或半导体材料。

40、在一种基础实施方式中，所述低介电系数层可采用低介电弹性聚合物材料，例如聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、硅橡胶、热塑性聚氨酯弹性体、天然橡胶、丁苯橡胶、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物等。所述低介电系数层还可以采用上述材料的发泡体，例如聚氨酯泡沫、硅橡胶泡沫等，以降低有效介电常数并提高可压缩性。上述材料可通过选择低介电牌号、发泡或多孔化处理，使其有效相对介电常数满足前述εl范围。

41、在一种优选实施方式中，所述低介电系数层采用低介电聚氨酯弹性体或低介电硅橡胶。这两种材料具有较小的压缩永久变形率，即多次受压后仍能较好地恢复至初始厚度，有利于保证装置在长期反复使用中的检测稳定性和重复性。所述低介电系数层的邵氏a硬度优选为20至60。

42、在进一步提高灵敏度的优选方案中，所述低介电系数层可采用多孔弹性体材料，例如聚氨酯泡沫、多孔pdms等。多孔结构使低介电系数层具有更低的压缩模量和更大的压缩形变能力，且介电常数更低，在相同压力下能够产生更大的厚度变化，使高介电系数层更显著地靠近电极间隙。同时，多孔结构通常有利于降低弹性层的有效介电常数，增大与高介电系数层之间的介电对比度，从而有效提高压力检测的灵敏度。所述多孔弹性体的孔隙率优选为30%至95%，压缩模量优选为3kpa至500kpa。

43、在进一步提高灵敏度的优选方案中，所述低介电系数层可在特定位置设置留空或镂空，以增强其在受力时的局部形变能力，同时其留空或镂空构成空气层，其介电常数更低（空气层也可看成是低介电系数层的一部分），由此可进一步提高压力检测的灵敏度。具体地，所述低介电系数层在对应于所述第一电极和第二电极的间隙位置处，可部分镂空、减薄或形成空腔，其需使高介电系数层跨过该空腔而在自然状态下不凹陷。由于该区域为边缘电场集中分布区域，对该区域低介电系数层的留空或镂空处理可有效降低该位置的结构刚度，使高介电系数层在受到按压力时能够在该区域产生更大的局部形变，从而增大互电容的变化量，显著提高压力检测灵敏度。

44、从力学性能角度，所述低介电系数层优选具有以下特性：压缩永久变形率不大于5%，以减小长期使用后的零点漂移；力-形变曲线的滞后回线面积尽量小，以降低压力检测中的迟滞误差；在目标压力范围内具有较为线性的压缩形变特性，以简化压力-电容映射关系的标定。上述力学性能参数可通过材料选择、交联度调节、填料添加或发泡工艺进行调控。

45、在阵列式结构中，为确保各感应单元的一致性，所述低介电系数层在各交叉点区域的厚度偏差优选控制在±10%以内，进一步优选控制在±5%以内。

46、综合而言，所述低介电系数层的材料选择需兼顾压缩形变能力、回弹性、低介电常数和工艺适应性。聚氨酯泡沫兼具较低的压缩模量、较低的有效介电常数和良好的回弹性，适用于需要较高灵敏度的场景；硅橡胶和pdms具有优异的回弹性和化学稳定性，适用于需要长期稳定性和重复性的场景；多孔弹性体材料通过降低压缩模量和增加形变能力可显著提高灵敏度，适用于高灵敏度检测需求的场景。具体材料及形态可根据目标压力检测范围、灵敏度要求和制造工艺条件进行选择。

47、所述高介电系数层为覆盖于低介电系数层之上的绝缘高介电层。所述高介电系数层需兼具较高的相对介电常数和适当的柔顺性，以确保其能够顺应低介电系数层的压缩形变并将外部压力有效传递至低介电系数层。优选地，所述高介电系数层为连续覆盖的绝缘介电层，而非网格状或栅格状结构，以确保与电极之间形成均匀、稳定的电场调制。

48、在一种基础实施方式中，所述高介电系数层采用高介电无机颗粒填充的柔性聚合物复合层。例如，将钛酸钡、钛酸锶、钛酸锶钡、锆钛酸铅、氧化钛、氧化钽、氧化铪、氧化锆、氮化硅等高介电颗粒分散于聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、硅橡胶、聚偏氟乙烯或聚偏氟乙烯-三氟乙烯共聚物等聚合物基体中，形成柔顺的高k复合层。该高k复合层可通过印刷、涂覆、流延、层压或固化工艺形成于低介电系数层上表面。所述高介电系数层的体积电阻率优选不小于1012ω·cm，以保证其为绝缘介电层而非导电层。

49、在一种优选实施方式中，所述高介电系数层采用高介电聚合物层，例如聚偏氟乙烯及其共聚物层。该材料具有较高的相对介电常数和良好的柔顺性，能够与低介电系数层形成良好的界面结合，并在反复受压过程中保持稳定的介电调制性能。

50、在另一种优选实施方式中，所述高介电系数层采用高k颗粒梯度分布或局部富集结构。例如，高k颗粒可在高介电系数层中靠近电极间隙的一侧富集，以在受压时更有效地提高电极间隙处的等效介电常数，从而增强互电容变化量。该结构可通过多次印刷等方式形成。

51、上述各方案中，所述高介电系数层均不接地、不连接参考电压，也不需要与检测电路电连接。其作为绝缘介电层覆盖于低介电系数层之上，通过受压时的空间位置变化改变边缘电场分布。由于无需设置接地连接结构，本发明的结构更简单，制造工序更少，且不会引入导体层与电极之间的短路风险。

52、与现有技术相比，本发明具有以下突出优点：

53、1、本发明的高介电系数层为绝缘介电层，不作为垂直电容极板，不需要接地或连接参考电压。因此，高介电系数层无需额外电连接结构，其整体结构更简单。

54、2、在本发明中，低介电系数层作为可压缩低k介质层，高介电系数层作为高k介质层。当压力作用时，低介电系数层压缩，高介电系数层靠近共面电极及其间隙，使电极间隙处等效介电常数增大，第一电极与第二电极之间的互电容增大。检测电路通过检测互电容的增大量来探测压力，信号变化方向明确，便于后续信号处理。

55、3、本发明通过共面设置的第一电极和第二电极形成水平电容，并通过高介电系数层与低介电系数层之间的介电常数差异形成介电调制。当压力作用时，低介电系数层被压缩使高介电系数层靠近电极间隙，更多边缘电场穿过高介电系数层，导致检测电路测得的互电容增大。通过合理设计电极宽度a、电极间隙b与低介电系数层厚度tl的尺寸关系，优选0.3b≤tl≤1.5b，1≤a/b≤5，并选择高k层与低k层的介电常数比，可进一步提高检测灵敏度。

56、4、本发明仅需在电路基板上制作共面设置的第一电极和第二电极，再依次覆盖低介电系数层和高介电系数层即可构成完整的压力感应单元。无需复杂的微结构加工工艺，也无需设置导体层的接地连接，与成熟的pcb、fpc及半导体光刻工艺高度兼容，制造成本低、良率高。通过采用玻璃基板配合光刻工艺的优选方案，可进一步提高电极精度和阵列一致性。

57、5、本发明可通过在电路基板上设置多条驱动线和多条感应线形成交叉点阵列，每个交叉点构成一个独立的压力感应单元。以时分扫描方式依次驱动各驱动线并并行读取所有感应线，即可同时获取全阵列各点的压力信息，无需为每个检测点独立布线，大幅简化了阵列的硬件复杂度，有利于实现高密度集成和小型化。

58、6、通过将第一电极和第二电极设计为叉指电极结构或迂回/卷绕电极结构，可在不改变感应点阵列密度的前提下显著增加电极的有效边缘长度，从而增大水平电容的绝对值，提高互电容对低介电系数层厚度变化的相对灵敏度。