CN107894293A - 一种高灵敏度的柔性无源无线压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种高灵敏度的柔性无源无线压力传感器，包括两个线圈电极，位于线圈电极之间的介质层与位于线圈电极之外的封装层，线圈电极、介质层与封装层采用绝缘柔性的高分子聚合物材料制成；所述的线圈电极为带有平板电极的螺旋电感，上下平板电极之间构成平行板电容器，与电感并联形成LC谐振电路；所述的介质层经微处理设有对应的凸起结构。并公布了该传感器的制作方法。相比现有技术，本发明提供一种由柔性材料制成、结构简单、灵敏度与可靠性高的压力传感器。
Description
技术领域
本发明涉及压力传感器领域，尤其涉及一种高灵敏度的柔性无源无线压力传感器。
背景技术
随着医疗健康产业的迅猛发展，人们对与可穿戴电子产品的柔软性与舒适性提出了越来越高的要求。
目前市场上已有的压力传感器，大多以硅或陶瓷为衬底，硬度很高，适用于传统的手机、汽车的电子产品，却不能适应满足医疗健康市场对柔软性与舒适性的要求。少数柔性压力传感器，却大多需要电路连接，在许多应用场合下极为不便。
无线传感器主要分为以下两种：一种是射频信号通过天线收发，其利用电磁波在空间中的收发来传输信号，其传输距离较长，但必须携带电源，发展受到限制，且因其电路结构复杂难以做成全柔性传感器。另一种是电感近场耦合，这种方法通常利用LC并联谐振回路，利用敏感电容随外界参数变化，谐振回路的谐振频率发生改变，通过外界读数线圈直接测得谐振频率即可得到待测参量。与前者相比，LC式无线传感器无需电源，使用寿命不受限制，同时结构简单，适应性强，可以根据需求设计成柔性或非柔性器件，充分满足不同环境的需求。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足与缺陷，本发明提供一种由柔性材料制成、结构简单、灵敏度与可靠性高的压力传感器及其制作方法。
技术方案：本发明的一种高灵敏度的柔性无源无线压力传感器，其特征在于：包括两个线圈电极，位于线圈电极之间的介质层与位于线圈电极之外的封装层，线圈电极、介质层与封装层采用绝缘柔性的高分子聚合物材料制成；所述的线圈电极为带有平板电极的螺旋电感，上下平板电极之间构成平行板电容器，与电感并联形成LC谐振电路；所述的介质层内表面经微处理设有对应的凸起结构。
其中，所述的介质层包含上下对应的两层，其经过微处理的内表面凸起结构相向贴合。介质层对应层上微处理设置的凸起结构为微米尺度的金字塔阵列；所述的金字塔凸起结构的尺寸为10-100um。
其中，所述的封装层厚度为10-100um。
一种高灵敏度的柔性无源无线压力传感器的制作步骤如下：
(1)取一块硅基片，通过各向异性湿法刻蚀出凸起结构凹槽阵列，其间距为10-100um；
(2)将预先调配的热塑性树脂溶液涂覆到硅衬底表面并固化制成介质层，介质层材料包括聚二甲基硅氧烷PDMS、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物SBS；
(3)通过印刷技术将线圈电极印刷到介质层的上表面，印刷浆料包括导电的银浆、铜浆、碳浆；
(4)在线圈电极上表面在涂覆一层封装材料并固化，封装材料将线圈电极覆盖制作成封装层，封装层材料包括聚酰胺纤维PA、聚二甲基硅氧烷PDMS、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物SBS；
(5)移除硅衬底，取下介质-电极-封装层聚合结构；
(6)取两块步骤(5)制得的聚合结构相向对准并键合，其中含有凸起结构的介质层在内，封装层在外；获得最终的压力传感器。
工作原理：当本发明传感器受到外界压力时，介质层内表面的对应的凸起结构，金字塔阵列发生形变，引起两线圈电极之间的间距变化，等效并联电容随之改变，进而引起LC谐振回路的谐振频率发生偏移；频率偏移量可通过外界读数线圈直接读出，不需要引线连接。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明提供一种高灵敏度的柔性无源无线压力传感器，所用材料皆为柔性材料，通过介质层内表面的对应的凸起结构的形变使电容改变，适用于多种对传感器柔软性有要求的场合，如伤口检测、食品包装等。同时具有结构简单，灵敏度与可靠性高，无需通过电气连接即可读取数据等优势，使用方便，易于推广。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的工艺流程图；
图3为本发明的等效电路图；
图中1为线圈电极、2为介质层、3为封装层、4为硅基片。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的描述。
本发明的一种高灵敏度的柔性无源无线压力传感器的使用方法为：首先对传感器进行标定，确定传感器所受压力与LC谐振器的谐振峰偏移之间的对应关系。标定完成后，将传感器置于所需要的应用场景内，如人体皮肤表面、食品包装袋内等，通过读数线圈测出谐振频率变化偏移，即可得出其所受压力变化。
实施例1：
本实施例的压力传感器，包括两个线圈电极1，位于线圈电极1之间的介质层2与位于线圈电极1之外的封装层3，线圈电极1、介质层2与封装层3采用绝缘柔性的高分子聚合物材料制成；线圈电极1为带有平板电极的螺旋电感，上下平板电极之间构成平行板电容器，与电感并联形成LC谐振电路；介质层2经微处理设有对应的金字塔形凸起结构。其中，介质层2包含上下对应的两层，其经过微处理的表面金字塔形凸起结构相向贴合在一起。金字塔凸起结构的尺寸为10um。封装层3厚度为10um。该传感器的制作步骤如下：取一块硅基片4，通过各向异性湿法刻蚀出金字塔形凸起结构凹槽阵列，其间距为10um；将预先调配的热塑性树脂溶液涂覆到硅衬底表面并固化制成介质层2，介质层2材料为聚二甲基硅氧烷PDMS；通过印刷技术将线圈电极1印刷到介质层2的上表面，印刷浆料为导电的银浆；在线圈电极1上表面在涂覆一层封装材料并固化，封装材料将线圈电极1覆盖制作成封装层3，封装层3材料为聚酰胺纤维PA；移除硅衬底，取下介质-电极-封装层聚合结构；取两块步骤5制得的聚合结构相向对准并键合，其中含有金字塔形凸起结构的介质层2在内，封装层3在外；获得最终的压力传感器。
实施例2：
本实施例的压力传感器，包括两个线圈电极1，位于线圈电极1之间的介质层2与位于线圈电极1之外的封装层3，线圈电极1、介质层2与封装层3采用橡胶制成；线圈电极1为带有平板电极的螺旋电感，上下平板电极之间构成平行板电容器，与电感并联形成LC谐振电路；介质层2经微处理设有对应的圆形凸起结构。其中，介质层2包含上下对应的两层，其经过微处理的表面圆形凸起结构相向贴合在一起。圆凸起结构的尺寸为100um。封装层3厚度为100um。该传感器的制作步骤如下：取一块硅基片4，通过各向异性湿法刻蚀出圆形凸起结构凹槽阵列，其间距为100um；将预先调配的热塑性树脂溶液涂覆到硅衬底表面并固化制成介质层2，介质层2材料为聚二甲基硅氧烷PDMS；通过印刷技术将线圈电极1印刷到介质层2的上表面，印刷浆料为导电的银浆；在线圈电极1上表面在涂覆一层封装材料并固化，封装材料将线圈电极1覆盖制作成封装层3，封装层3材料为聚酰胺纤维PA；移除硅衬底，取下介质-电极-封装层聚合结构；取两块步骤5制得的聚合结构相向对准并键合，其中含有圆形凸起结构的介质层2在内，封装层3在外；获得最终的压力传感器。
实施例3：
本实施例的压力传感器，包括两个线圈电极1，位于线圈电极1之间的介质层2与位于线圈电极1之外的封装层3，线圈电极1、介质层2与封装层3采用塑料制成；线圈电极1为带有平板电极的螺旋电感，上下平板电极之间构成平行板电容器，与电感并联形成LC谐振电路；介质层2经微处理设有对应的金字塔形凸起结构。其中，介质层2包含上下对应的两层，其经过微处理的表面金字塔形凸起结构相向贴合在一起。金字塔形凸起结构的尺寸为20um。封装层3厚度为20um。该传感器的制作步骤如下：取一块硅基片4，通过各向异性湿法刻蚀出金字塔形凸起结构凹槽阵列，其间距为20um；将预先调配的热塑性树脂溶液涂覆到硅衬底表面并固化制成介质层2，介质层2材料为聚二甲基硅氧烷PDMS；通过印刷技术将线圈电极1印刷到介质层2的上表面，印刷浆料为导电的银浆；在线圈电极1上表面在涂覆一层封装材料并固化，封装材料将线圈电极1覆盖制作成封装层3，封装层3材料为聚酰胺纤维PA；移除硅衬底，取下介质-电极-封装层聚合结构；取两块步骤5制得的聚合结构相向对准并键合，其中含有金字塔形凸起结构的介质层2在内，封装层3在外；获得最终的压力传感器。
Claims (6)
1.一种高灵敏度的柔性无源无线压力传感器，其特征在于：包括两个线圈电极(1)，位于线圈电极(1)之间的介质层(2)与位于线圈电极(1)之外的封装层(3)，线圈电极(1)、介质层(2)与封装层(3)采用绝缘柔性的高分子聚合物材料制成；所述的线圈电极(1)为带有平板电极的螺旋电感，上下平板电极之间构成平行板电容器，与电感并联形成LC谐振电路；所述的介质层(2)内表面经微处理设有对应的凸起结构。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度的柔性无源无线压力传感器，其特征在于：所述的介质层(2)包含上下对应的两层，其经过微处理的内表面凸起结构相向贴合。
3.根据权利要求1或2所述的高灵敏度的柔性无源无线压力传感器，其特征在于：所述的介质层(2)对应层上微处理设置的凸起结构为微米尺度的金字塔阵列；所述的金字塔凸起结构的尺寸为10-100um。
4.根据权利要求1所述的高灵敏度的柔性无源无线压力传感器，其特征在于：所述的封装层(3)厚度为10-100um。
5.根据权利要求1所述的高灵敏度的柔性无源无线压力传感器，其特征在于：所述的制作步骤如下：
(1)取一块硅基片(4)，通过各向异性湿法刻蚀出凸起结构凹槽阵列，其间距为10-100um；
(2)将预先调配的热塑性树脂溶液涂覆到硅衬底表面并固化制成介质层(2)，介质层(2)材料包括聚二甲基硅氧烷PDMS、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物SBS；
(3)通过印刷技术将线圈电极(1)印刷到介质层(2)的上表面，印刷浆料包括导电的银浆、铜浆、碳浆；
(4)在线圈电极(1)上表面在涂覆一层封装材料并固化，封装材料将线圈电极(1)覆盖制作成封装层(3)，封装层(3)材料包括聚酰胺纤维PA、聚二甲基硅氧烷PDMS、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物SBS；
(5)移除硅衬底，取下介质-电极-封装层聚合结构；
(6)取两块步骤(5)制得的聚合结构相向对准并键合，其中含有凸起结构的介质层(2)在内，封装层(3)在外；获得最终的压力传感器。
6.根据权利要求5所述的高灵敏度的柔性无源无线压力传感器，其特征在于：所述的步骤(1)与(6)中凸起结构为金字塔形。
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