压力传感器、压力传感阵列及其制备方法

本发明涉及传感，尤其涉及一种压力传感器、压力传感阵列及其制备方法。

背景技术：

1、近年来，随着可穿戴产品的迅速发展，柔性传感器组件成为研究人员探索的热点课题之一。其中，柔性压力传感器尤其受到广泛的关注，在包括人工电子皮肤、柔性触屏、智能机器人以及医疗健康领域具有非常广阔的市场前景。

2、目前，对柔性压力传感器的研究可基于多种工作原理，主要包括：电容式、电阻式、压电式和薄膜晶体管式。其中，电阻式压力传感器具有结构简单、不受外界电磁干扰等优点而被广泛采用。然而，在电阻式压力传感器降低敏感薄膜的厚度后，存在传感范围增大导致灵敏度下降的问题。

3、因此，如何在降低电阻式压力传感器厚度的前提下，同时提高电阻式压力传感器的灵敏度和传感范围，是当前亟待解决的技术问题。

技术实现思路

1、本发明提供一种压力传感器、压力传感阵列及其制备方法，用于解决现有的超薄压力传感器不能兼具高灵敏度和大传感范围的问题，以改善压力传感器的性能，扩展压力传感器的应用领域。

2、根据一些实施例，本发明提供了一种压力传感器，包括：

3、第一衬底，包括相对分布的上表面和下表面；

4、第一传感电极，位于所述第一衬底的上表面上；

5、第一压敏层，位于所述第一传感电极背离所述第一衬底的表面上，所述第一压敏层为具有微相分离结构且背离所述第一衬底的表面粗糙的第一压阻膜层；

6、第二衬底，包括相对分布的上表面和下表面，所述第二衬底的下表面朝向所述第一衬底的上表面设置；

7、第二传感电极，位于所述第二衬底的下表面上；

8、第二压敏层，位于所述第二传感电极背离所述第二衬底的表面上，所述第二压敏层为具有微相分离且背离所述第二衬底的表面粗糙的第二压阻膜层。

9、在一些实施例中，所述第一压阻膜层背离所述第一衬底的表面的粗糙度和所述第二压阻膜层背离所述第二衬底的表面的粗糙度均为100纳米～50微米。

10、在一些实施例中，所述第一压阻膜层的材料和所述第二压阻膜层的材料均为掺杂导电纳米材料的嵌段聚合物或是掺杂导电纳米材料的热塑性聚合物与热固性聚合物的混合材料，所述热塑性聚合物包括聚乙烯、聚丙烯聚、氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜，所述热固性聚合物材料包括酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、环氧树脂、不饱和树脂、聚氨酯、聚酰亚胺。

11、在一些实施例中，所述导电纳米材料为纳米碳粉、纳米石墨、碳纳米管和纳米石墨烯中的任一种或者两种以上的组合，所述导电纳米材料直径为20纳米～10微米；

12、掺杂在聚合物中的导电纳米材料包括多种不同的直径，且掺杂的所述导电纳米材料的最大直径小于最小直径的3倍或者掺杂的所述导电纳米材料的最大直径是最小直径的5倍以上。

13、在一些实施例中，所述导电纳米材料在聚合物中的掺杂浓度为0.5％～10％，所述热塑性聚合物和热固性聚合物中导电纳米材料的掺杂浓度相同或不同。

14、在一些实施例中，所述第一压阻膜层和所述第二压阻膜层中均包括流平剂、消泡剂、稀释剂和导电纳米材料分散剂。

15、在一些实施例中，所述第一传感电极和所述第二传感电极的材料均为导电聚合物、碳基导电物、金属氧化物、金属纳米线、金属和金属氧化物纳米颗粒、及其基于碳基导电物、金属纳米线、金属和金属氧化物纳米颗粒的导电浆料中的任一种。

16、根据另一些实施例，本发明还提供了一种压力传感阵列，包括：

17、多个如上任一项所述的压力传感器，且多个所述压力传感器呈阵列排布；

18、排布于同一行的多个所述压力传感器中的所述第一传感电极电连接并共同作为行电极；

19、排布于同一列的多个所述压力传感器中的第二传感电极电连接并共同作为列电极，所述列电极与所述行电极呈正交排列；

20、所述压力传感阵列中还包括粘合层，所述粘合层夹设于所述第一衬底和所述第二衬底之间，且所述粘合层中具有与多个所述压力传感器一一对应的多个开口，每个所述压力传感器中的所述第一压敏层和所述第二压敏层均位于与其对应的所述开口内，且每一所述开口的位置与一个所述压力传感器中的所述第一传感电极和所述第二传感电极均对准。

21、根据又一些实施例，本发明还提供了一种如上所述的压力传感阵列的制备方法，包括如下步骤：

22、提供第一衬底和第二衬底；

23、形成所述行电极于所述第一衬底的上表面上，并形成所述列电极于所述第二衬底的下表面上；

24、形成覆盖所述行电极的第一压敏层，并形成覆盖所述列电极的第二压敏层，所述第一压敏层的尺寸与所述第二压敏层的尺寸相同；

25、形成粘合层于所述第一衬底的上表面，所述粘合层中具有多个暴露所述第一压敏层的所述开口；

26、沿所述第二压敏层与所述第一压敏层对齐的方向贴合所述第二衬底于所述粘合层上，使得所述行电极和所述列电极呈正交排列。

27、在一些实施例中，所述行电极、所述列电极、所述第一压敏层和所述第二压敏层均采用丝网印刷、刮涂或者喷涂的方法制备；

28、所述粘合层采用激光切割双面粘合膜、点胶、丝网印刷、刮涂或者喷涂的方法制备。

29、本发明提供的压力传感器、压力传感阵列及其制备方法，通过在第一传感电极上以具有微相分离结构且背离所述第一衬底的表面粗糙的第一压阻膜层作为第一压敏层，并在第二传感电极上以具有微相分离且背离所述第二衬底的表面粗糙的第二压阻膜层作为第二压敏层，粗糙的所述第一压敏层的表面与粗糙的所述第二压敏层的表面在受到外界压力时的接触面积发生改变，例如在外界压力下所述第一压敏层与所述第二压敏层之间的接触面积增大，从而同时达到增大传感器的阻值，降低传感器的功耗的效果。本发明中所述第一压敏层和所述第二压敏层内的导电纳米材料在聚合物中的掺杂浓度位于逾渗区，在外界压力作用下导电纳米材料间距减小引起电导率的增加。而且，所述第一压敏层的材料和所述第二压敏层的材料均为具有一定相容性的热塑性聚合物和热固性聚合物混合物或是嵌段共聚物，在热固化过程中自发产生微相分离，器件中的压敏薄膜表面微结构相对设置，在外界压力作用下微结构界面的面积增加，从而提高所述压力传感器的灵敏性。本发明提供的压力传感阵列中存在粘合层，可提高压力传感阵列在受高压力和横向剪切力的电学稳定性。

技术特征：

1.一种压力传感器，其特征在于，包括：

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第一压阻膜层背离所述第一衬底的表面的粗糙度和所述第二压阻膜层背离所述第二衬底的表面的粗糙度均为100纳米～50微米。

3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第一压阻膜层的材料和所述第二压阻膜层的材料均为掺杂导电纳米材料的嵌段聚合物或是掺杂导电纳米材料的热塑性聚合物与热固性聚合物的混合材料，所述热塑性聚合物包括聚乙烯、聚丙烯聚、氯乙烯、聚苯乙烯、聚酰胺、聚甲醛、聚碳酸酯、聚苯醚、聚砜，所述热固性聚合物材料包括酚醛树脂、脲醛树脂、三聚氰胺-甲醛树脂、环氧树脂、不饱和树脂、聚氨酯、聚酰亚胺。

4.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，所述导电纳米材料为纳米碳粉、纳米石墨、碳纳米管和纳米石墨烯中的任一种或者两种以上的组合，所述导电纳米材料直径为20纳米～10微米；

5.根据权利要求3所述的压力传感器，其特征在于，所述导电纳米材料在聚合物中的掺杂浓度为0.5％～10％，所述热塑性聚合物和热固性聚合物中导电纳米材料的掺杂浓度相同或不同。

6.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第一压阻膜层和所述第二压阻膜层中均包括流平剂、消泡剂、稀释剂和导电纳米材料分散剂。

7.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第一传感电极和所述第二传感电极的材料均为导电聚合物、碳基导电物、金属氧化物、金属纳米线、金属和金属氧化物纳米颗粒、及其基于碳基导电物、金属纳米线、金属和金属氧化物纳米颗粒的导电浆料中的任一种。

8.一种压力传感阵列，其特征在于，包括：

9.一种如权利要求8所述的压力传感阵列的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

10.根据权利要求9所述的压力传感阵列的制备方法，其特征在于，所述行电极、所述列电极、所述第一压敏层和所述第二压敏层均采用丝网印刷、刮涂或者喷涂的方法制备；

技术总结
本发明涉及一种压力传感器、压力传感阵列及其制备方法。所述压力传感器包括：第一衬底，所述第一衬底的上表面具有第一传感电极；第一压敏层，所述第一压敏层位于所述第一传感电极表面，所述第一压敏层为具有微相分离结构且上表面粗糙的压阻薄膜；第二衬底，所述第二衬底的下表面具有第二传感电极，所述第二传感电极与所述第一传感电极相对设置；第二压敏层，所述第二压敏层位于所述第二传感电极下表面，所述第二压敏层为具有微相分离且下表面粗糙的压阻薄膜，所述第二压敏层的下表面与第一压敏层的上表面相对设置。本发明提供的压力传感器在高压和薄厚度下具有更高的灵敏度。

技术研发人员：陈苏杰,郭小军,李思莹,李骏
受保护的技术使用者：上海交通大学
技术研发日：
技术公布日：2025/3/3