压力传感器与用于压力传感器的介电层及其制作方法与流程

1.本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种压力传感器及其制作方法、电子装置。


背景技术：

2.压力传感器是能感受压力信号，并能按照一定的规律将压力信号转换成可用、可输出的电信号的器件。
3.目前常用的压力传感器有电容式压力传感器。电容式压力传感器具有结构简单、响应速度较快、功耗低、灵敏度较高等优点。
4.电容式压力传感器的作用机理是：通过施加在电容式压力传感器上的压力来改变介电层的厚度，从而使介电层产生了电容的变化，并将电容的变化转换成电信号，进而通过电信号来确定压力的大小。
5.但是，这种电容式压力传感器采用了薄型设计时，介电层的厚度不会发生明显的变化。这导致了现有的电容式压力传感器的电容变化不明显，进而限制了现有的电容式压力传感器的灵敏度。而且，由于电容式压力传感器结构的空间限制，介电层只能具有有限的最大厚度。这意味着电容式压力传感器的介电层的厚度变化范围是有限的，因此当前的电容式压力传感器的检测范围无法满足更高的要求。


技术实现要素：

6.鉴于现有技术存在的不足，本发明采用了如下的技术方案：
7.根据本发明的一方面提供了一种用于压力传感器的介电层的制作方法，所述制作方法包括：在离子凝胶材料层的彼此背对的两个表面上分别制作形成微纳结构，以形成用于压力传感器的介电层。
8.优选地，所述在离子凝胶材料层的彼此背对的两个表面上制作形成微纳结构，包括：
9.在第一微纳结构模板的具有微纳结构的第一表面上涂覆离子液体预聚物溶液；
10.使第二微纳结构模板的具有微纳结构的第二表面压置于所述离子液体预聚物溶液上，以面向所述第一表面；
11.对所述离子液体预聚物溶液进行固化处理，以形成彼此背对的两个表面上分别具有微纳结构的离子凝胶材料层；
12.将所述第一微纳结构模板和所述第二微纳结构模板移除。
13.根据本发明的另一方面提供了一种由上述的制作方法制作得到的用于压力传感器的介电层。
14.根据本发明的又一方面提供了一种压力传感器的制作方法，所述制作方法包括：
15.制作形成彼此面对的第一电极层和第二电极层；
16.在离子凝胶材料层的彼此背对的两个表面上分别制作形成微纳结构，以形成介电层；
17.将所述介电层夹设于所述第一电极层和所述第二电极层之间。
18.优选地，所述在离子凝胶材料层的彼此背对的两个表面上制作形成微纳结构，包括：
19.在第一微纳结构模板的具有微纳结构的第一表面上涂覆离子液体预聚物溶液；
20.使第二微纳结构模板的具有微纳结构的第二表面压置于所述离子液体预聚物溶液上，以面向所述第一表面；
21.对所述离子液体预聚物溶液进行固化处理，以形成彼此背对的两个表面上分别具有微纳结构的离子凝胶材料层；
22.将所述第一微纳结构模板和所述第二微纳结构模板移除。
23.优选地，所述介电层的数量为至少两个，至少两个所述介电层彼此叠层夹设于所述第一电极层和所述第二电极层之间。
24.优选地，相邻的两个介电层的彼此面对的表面上的微纳结构之间具有空隙。
25.根据本发明的又一方面提供了一种压力传感器，所述压力传感器包括：
26.彼此面对的第一电极层和第二电极层；以及
27.夹设于所述第一电极层和所述第二电极层之间的介电层；
28.其中，所述介电层由离子凝胶材料制成，并且所述介电层面向所述第一电极层的表面以及面向所述第二电极层的表面上都形成有微纳结构。
29.优选地，所述介电层的数量为至少两个，至少两个所述介电层彼此叠层夹设于所述第一电极层和所述第二电极层之间。
30.优选地，相邻的两个介电层的彼此面对的表面上的微纳结构之间具有空隙。
31.本发明中，由离子凝胶材料构成的介电层的反离子与电极层的电子之间相互吸引能够形成离子-电子电容界面。即本发明中介电层与两个电极层形成了两处离子-电子电容，提高了电容的可变化范围，以此提高了压力传感器的检测范围。
32.此外，离子-电子电容的大小是随着电极层与介电层之间接触面积的大小的变化而改变。本实施例中将微纳结构和电极层相互接触，使得介电层与电极层之间的接触面积在较小的压力变化下也能发生改变，从而引起了电容的改变，以此提高了压力传感器的灵敏度。
附图说明
33.图1a至图1d是根据本发明的实施例的用于压力传感器的介电层的制程图；
34.图2根据本发明的实施例的压力传感器的制作方法的流程图；
35.图3是根据本发明的实施例的压力传感器的结构示意图；
36.图4是根据本发明的另一实施例的压力传感器的结构示意图。
具体实施方式
37.为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。
38.在此，还需要说明的是，为了避免因不必要的细节而模糊了本发明，在附图中仅仅
示出了与根据本发明的方案密切相关的结构和/或处理步骤，而省略了与本发明关系不大的其他细节。
39.实施例1
40.本实施例提供了用于压力传感器的介电层的制作方法以及通过该方法来制作的用于压力传感器的介电层。
41.所述的用于压力传感器的介电层的制作方法为：
42.在离子凝胶材料层的彼此背对的两个表面上分别制作形成微纳结构。
43.其中，可选地，本实施例中所述微纳结构为规则或不规则地分布的凹陷结构或者凸出结构。
44.采用本实施例的介电层来形成压力传感器时(即常规的电极层/介电层/电极层的三明治结构)，介电层与电极层之间会形成离子-电子电容界面，电极层上的电子与介电层中的反离子之间相互吸引，从而形成了离子-电子电容，也就是说，采用本实施例的介电层制作压力传感器时，介电层与两个电极层之间能够形成两处电容。
45.采用本实施例的介电层的压力传感器的总电容的计算公式如下：
[0046][0047][0048][0049]
其中c为采用本实施例的介电层的压力传感器的总电容，c1为一电极层与所述介电层之间形成的电容，c2为另一电极层与所述介电层之间形成的电容，ε为介电常数，a1为一电极层与所述介电层之间接触面积，a2为另一电极层与所述介电层之间接触面积，d为两个电极层之间的距离。
[0050]
根据上述公式可知，采用本实施例的介电层的压力传感器的总电容是跟电极与介电层之间的接触面积有着密切的关系。从上述的关系式中可以看出，在无外部压力作用的情况下，介电层与电极层之间理论上可以有极小的接触面积。例如：介电层的微纳结构锥形结构或者曲面凸出结构，从而与电极层形成了点接触。这意味着采用本实施例的介电层的压力传感器可具有极小的最小总电容值。而且，根据上述公式还可知，减小两个电极层之间的距离有利于提高采用本实施例的介电层的压力传感器的最大总电容值，也就是说，适当地减小本实施例的介电层的厚度能够使压力传感器具有较大的最大总电容值。
[0051]
由此可知，采用本实施例的介电层的压力传感器的总电容具有较宽的变化范围，从而可具有较宽的检测范围。
[0052]
此外，采用本实施例的介电层的压力传感器中，压力传感器的电容是随着电极层与介电层之间接触面积的大小变化而改变的，而本实施例的介电层的微纳结构使得介电层与电极层之间的接触面积在较小的压力变化下也能发生改变，从而引起电容的变化，以此提高了采用本实施例的介电层的压力传感器的灵敏度。
[0053]
实施例2
[0054]
本实施例提供了如实施例1所述的在离子凝胶材料层的彼此背对的两个表面上制
作形成微纳结构的优选方法。
[0055]
如图1a至图1d所示，该方法包括：
[0056]
在第一微纳结构模板1的具有微纳结构的第一表面上涂覆离子液体预聚物溶液2；
[0057]
使第二微纳结构模板3的具有微纳结构的第二表面压置于所述离子液体预聚物溶液2上，以面向所述第一表面；
[0058]
对所述离子液体预聚物溶液2进行固化处理，以形成彼此背对的两个表面上分别具有微纳结构的离子凝胶材料层21；
[0059]
将所述第一微纳结构模板1和所述第二微纳结构模板3移除。
[0060]
需要说明的是，本实施例仅仅是在离子凝胶材料层的彼此背对的两个表面上制作形成微纳结构的优选方法。有必要时，还可以采用现有的工艺在离子凝胶材料层上形成微纳结构。例如：对离子凝胶材料层进行光刻处理或者激光刻蚀处理来形成所述微纳结构。
[0061]
在本实施例中，所述离子液体预聚物溶液可以将预定量的交联剂和引发剂溶于预选的离子液体中而获得。其中，所述交联剂在所述离子液体预聚物溶液中的质量分数控制在5％～10％之间。
[0062]
具体地，本实施例中，所述离子液体采用1-乙基-3甲基咪唑三氟甲烷磺酸盐、1-乙基-3甲基咪唑三氟乙酸盐、1-乙基-3甲基咪唑双三氟甲磺酰亚胺盐、1-乙基-3甲基咪唑高氯酸盐、1-乙基-3甲基咪唑二腈胺盐、1-乙基-3甲基咪唑硫氰酸盐、1-乙基-3甲基咪唑糖精盐、1-乙基-3甲基咪唑对甲基苯磺酸盐、1-乙基-3甲基咪唑醋酸盐、1-乙基-3甲基咪唑九氟丁磺酸盐、1-乙基-3甲基咪唑三氰甲盐和1-乙基-3甲基咪唑六氟锑酸盐中的一种。
[0063]
较佳地，本实施例中，所述交联剂采用n，n'-亚甲基双丙烯酰胺或者聚偏氟乙烯-六氟丙烯。
[0064]
优选地，本实施例中，所述引发剂采用过硫酸铵、(2，4，6-(三甲基苯甲酰基)二苯基氧化膦、2，4，6-三甲基苯甲酰基苯基膦酸乙酯、2-羟基-2-甲基-1-[4-(2-羟基乙氧基)苯基]-1-丙酮、1-羟基环己基苯基甲酮和2-甲基-2-(4-吗啉基)-1-[4-(甲硫基)苯基]-1-丙酮中的至少一种。
[0065]
实施例3
[0066]
本实施例提供了一种压力传感器的制作方法，如图2所示，所述制作方法包括：
[0067]
步骤s1、制作形成彼此面对的第一电极层和第二电极层；
[0068]
步骤s2、在离子凝胶材料层的彼此背对的两个表面上分别制作形成微纳结构，以形成介电层；
[0069]
步骤s3、将所述介电层夹设于所述第一电极层和所述第二电极层之间。
[0070]
在本实施例中，步骤s1具体包括如下：
[0071]
步骤s11、采用氧等离子体，对柔性基底进行亲水性处理，从而增加乙醇对所述柔性基底表面的润湿性；
[0072]
步骤s12、在所述柔性基底上旋涂1mg/ml～51mg/ml浓度的银纳米线乙醇分散液，其中旋涂的转速为1000rpm/min～2000rpm/min；
[0073]
步骤s13、对所述银纳米线乙醇分散液进行真空烘干后采用脉冲氙灯光照进行退火1min～5min，以形成所述第一电极层。
[0074]
重复步骤s11至步骤s13，以形成所述第二电极层。
[0075]
在本实施例中，较佳地，步骤s2可以直接采用实施例2的制作方法。
[0076]
此外，为了提高压力传感器的检测范围，在本实施例中，还可以将所述介电层的数量设置为至少两个，将至少两个所述介电层彼此叠层夹设于所述第一电极层和所述第二电极层之间，且使相邻的两个介电层的彼此面对的表面上的微纳结构之间具有空隙。这样做的目的是为了将外部施加的压力均匀地分布在各个介电层中，以此来提高介电层的受力均匀性，进而提高压力传感器的检测范围。
[0077]
实施例4
[0078]
本实施例提供了一种压力传感器，如图3所示，所述压力传感器包括：
[0079]
彼此面对的第一电极层4和第二电极层5；以及
[0080]
夹设于所述第一电极层4和所述第二电极层5之间的介电层6；
[0081]
其中，所述介电层6由离子凝胶材料制成，并且所述介电层面向所述第一电极层4的表面以及面向所述第二电极层5的表面上都形成有微纳结构。所述微纳结构可以是规则或不规则地分布的凹陷结构或者凸出结构。较佳地，所述微纳结构可选为锥形结构或者曲面凸出结构。
[0082]
优选地，本实施例所提供的压力传感器可以结合实施例1和实施例2来进行制作。
[0083]
此外，为了提高压力传感器的检测范围，在本实施例中，还可以将所述介电层的数量设置为至少两个，将至少两个所述介电层彼此叠层夹设于所述第一电极层和所述第二电极层之间，且使相邻的两个介电层的彼此面对的表面上的微纳结构之间具有空隙。这样做的目的是为了将外部施加的压力均匀地分布在各个介电层中，以此来提高介电层的受力均匀性，进而提高压力传感器的检测范围。
[0084]
需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个
……”
限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。
[0085]
尽管已经示出和描述了本发明的实施例，对于本领域的普通技术人员而言，可以理解在不脱离本发明的原理和精神的情况下可以对这些实施例进行多种变化、修改、替换和变型，本发明的范围由所附权利要求及其等同物限定。