CN111024213B - 柔性电容式振动传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性电容式振动传感器及其制作方法。该柔性电容式振动传感器包括第一振动敏感单元、第二振动敏感单元以及隔离层，所述第一振动敏感单元、第二振动敏感单元分别设置在所述隔离层的两侧，并经所述隔离层密封结合成一体。本发明实施例提供的一种柔性电容式振动传感器，结构简单、制备工艺简便、灵敏度高、性能稳定、一致性好、成本低；以及，本发明提供的制作工艺可靠性更高，大大提高了柔性振动传感器的灵敏度；而且提高了器件的稳定性和良率。

Description

柔性电容式振动传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及一种振动传感器，特别涉及一种柔性电容式振动传感器及其制作方法，属于柔性电子器件技术领域。

背景技术

高度发展的现代工业中，现代测试技术向数字化、信息化方向发展已成必然发展趋势，而测试系统的最前端是传感器，它是整个测试系统的灵魂，被世界各国列为尖端技术，特别是近几年快速发展的IC技术和计算机技术，为传感器的发展提供了良好与可靠的科学技术基础。使传感器的发展日新月益，且数字化、多功能与智能化是现代传感器发展的重要特征。

振动传感器是一种目前广泛应用的报警检测传感器，传统的振动传感器是通过内部的压电陶瓷片加弹簧重锤结构感受机械运动振动的参量(如振动速度、频率、加速度等)，并转换成可用输出信号，然后经过放大器等运放放大并输出控制信号。

振动传感器可用于机械中的振动和位移、转子与机壳的热膨胀量的长期监测；生产线的在线自动检测和自动控制；科学研究中的多种微小距离和微小运动的测量等。振动传感器在测试技术中是关键部件之一，它具有成本低、灵敏度高、工作稳定可靠，振动检测可调节范围大的优点，广泛应用于能源、化工、医学、汽车、冶金，机器制造，军工，科研教学等诸多领域。

柔性传感器通过柔性复合材料作为传感单元，具有电极布置灵活，无需复杂的传感结构，工艺简单，成本低等特点，更是目前传感器领域重点发展的趋势。CN105387927A中公开了一种新型柔性振动传感器，其主要包括三维石墨烯和弹性高分子基体，所述三维石墨烯被包覆在弹性高分子基体内部，三维石墨烯的两端设置有导线并穿出弹性高分子基体，导线通过银胶与三维石墨烯连接；该柔性振动传感器在一定程度上可以测量振动信号，但是由于纳米材料自身属性的影响，导致该柔性振动传感器的稳定性、一致性和可控性较弱，而且其灵敏度也难以达到高精度要求。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种柔性电容式振动传感器及其制作方法，以克服现有技术中的不足。

为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：

本发明实施例提供了一种柔性电容式振动传感器，其包括第一振动敏感单元、第二振动敏感单元以及隔离层，所述第一振动敏感单元、第二振动敏感单元分别设置在所述隔离层的两侧，并经所述隔离层密封结合成一体，

所述第一振动敏感单元包括第一振动敏感结构，所述第一振动敏感结构包括间隔设置的第一电容极板和第二电容极板以及设置在第一电容极板和第二电容极板之间的第一介质材料层，所述第一电容极板和第二电容极板之间能够产生第一电容信号；

所述第二振动敏感单元包括第二振动敏感结构，所述第二振动敏感结构包括间隔设置的第三电容极板、第四电容极板以及设置在第三电容极板和第四电容极板之间的第二介质材料层，所述第三电容极板和第四电容极板之间能够产生第二电容信号。

进一步的，所述第一介质材料层和第二介质材料层均包括空气介质。

进一步的，所述第一振动敏感单元还包括第一基底，所述第二振动敏感单元还包括第二基底，所述隔离层设置在所述第一基底和第二基底之间并与所述第一基底和第二基底封装结合成一体；所述第一振动敏感结构被封装于所述第一基底与所述隔离层之间；所述第二振动敏感单元还包括第二基底，所述第二振动敏感结构被封装于所述第二基底与所述隔离层之间。

进一步的，所述第一基底的第一面设置有第一收容槽，所述第一电容极板、第二电容极板间隔设置在所述第一收容槽内，进而在所述第一电容极板和第二电容极板之间围合形成第一空腔，所述第一空腔中填充有空气介质；所述第二基底的第三面设置有第二收容槽，所述第三电容极板、第四电容极板间隔设置在所述第二收容槽内，进而在所述第三电容极板和第四电容极板之间围合形成第二空腔，所述第二空腔中填充有空气介质。

进一步的，所述第一基底的第二面还设置有第一电极和第二电极，所述第一电极与所述第一电容极板电连接，所述第二电极与所述第二电容极板电连接；所述第二基底的第第四面还设置有第三电极和第四电极，所述第三电极与所述第三电容极板电连接，所述第四电极与所述第四电容极板电连接，其中，所述第一面与第二面背对设置，所述第三面与第四面背对设置。

更进一步的，所述第一电容极板、第二电容极板、第三电容极板、第四电容极板的材质包括金属或导电聚合物。

优选的，所述金属包括Pt、W、Cu、Ni中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

优选的，所述导电聚合物包括导电橡胶，但不限于此。

进一步的，所述第一电容极板、第二电容极板、第三电容极板、第四电容极板的厚度均为10-1000μm。

进一步的，所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极均为金属电极。

优选的，所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极的材质包括Au、Cu、Al中的任意或两种以上的组合，但不限于此。

优选的，所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极的厚度为10-1000μm。

进一步的，所述第一基底和第二基底均为柔性基底。

优选的，所述第一基底和第二基底的材质包括聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯中的任意一种或两种以上的组合，但不限于此。

进一步的，所述第一基底和第二基底的厚度均为100-10000μm。

进一步的，所述隔离层的材质包括柔性的绝缘聚合物，但不限于此。

进一步的，所述隔离层30包括二维栅格结构及设置在二维栅格结构相背对的两侧表面的覆盖层，所述两个覆盖层都具有平整表面，且所述两个覆盖层还与填充在二维栅格结构的各栅格内的填充体一体成型；其中，所述二维栅格结构可以由聚乙烯、玻璃纤维等形成，而所述覆盖层及填充体可以由质量比为100：0.01-0.1的交联聚乙烯和氮化硼气凝胶组成。

优选的，所述柔性的绝缘聚合物包括有机硅填充纳米陶瓷、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺中的任意一种，但不限于此。

优选的，所述隔离层的厚度为10-1000μm。

本发明实施例还提供了所述柔性电容式振动传感器的制作方法，其包括：分别制作形成第一振动敏感单元和第二振动敏感单元，将所述第一振动敏感单元和第二振动敏感单元通过隔离层密封结合成一体。

进一步的，所述柔性电容式振动传感器的制作方法具体包括：

提供第一基底，所述第一基底的第一面具有第一收容槽，在所述第一收容槽的底部设置第一电容极板，在所述第一收容槽的开口处密封设置第二电容极板，进而在所述第一电容极板和第二电容极板之间围合形成第一空腔；

在所述第一基底的第二面设置第一电极、第二电极，并使所述第一电极与所述第一电容极板电连接，所述第二电极与所述第二电容极板电连接，其中，所述第一面与所述第二面背对设置；

提供第二基底，所述第二基底的第三面具有第二收容槽，在所述第二收容槽的底部设置第三电容极板，在所述第二收容槽的开口处密封设置第四电容极板，进而在所述第三电容极板和第四电容极板之间围合形成第二空腔，其中，所述第三面与所述第四面背对设置；

在所述第二基底的第四面设置第三电极、第四电极，并使所述第三电极与所述第三电容极板电连，所述第四电极与所述第四电容极板电连接；

提供隔离层，将所述隔离层设置与第一基底的第一面与第二基底的第三面之间，并使所述隔离层与所述第一基底、第二基底封装结合成一体。

与现有技术相比，本发明实施例提供的一种柔性电容式振动传感器结构简单、制备工艺简便、灵敏度高、性能稳定、一致性好、成本低；以及，本发明实施例提供的一种柔性电容式振动传感器为具有差分式电容结构的振动传感器，其在柔性基底上通过压铸工艺制备上、下两部分振动敏感结构，然后采用柔性材料进行隔离，形成柔性电容振动传感基础结构，最后通过热压键合形成差分式电容振动传感器；其制作工艺可靠性更高，大大提高了柔性振动传感器的灵敏度，而且提高了器件的稳定性和良率。

附图说明

图1是本发明一典型实施案例中一种柔性电容式振动传感器的结构示意图；

图2是本发明一典型实施案例中一种柔性电容式振动传感器的制作流程示意图。

具体实施方式

鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。

请参阅图1，本发明实施例提供的一种柔性电容式振动传感器，为差分式电容振动传感器，其包括第一振动敏感单元10、第二振动敏感单元20以及隔离层30，所述第一振动敏感单元10、第二振动敏感单元20分别设置在所述隔离层30的两侧，并经所述隔离层30密封结合成一体，

具体的，该第一振动敏感单元10包括第一基底11以及第一振动敏感结构，该第一基底11的第一面设置有第一收容槽，该第一振动敏感结构设置在所述第一收容槽内，隔离层与第一基底11的第一面封装结合，进而在第一基底11与隔离层30之间围合形成第一封装腔体，该第一振动敏感结构被封装在该第一封装腔体内。

具体的，该第一振动敏感结构包括间隔设置的第一电容极板12和第二电容极板13以及设置在第一电容极板12和第二电容极板13之间的第一介质材料层，所述第一电容极板12和第二电容极板13之间能够产生第一电容信号，其中，第一电容极板12设置在第一收容槽的底部，第二电容极板13设置在第一收容槽的开口处并与第一基底11密封配合，进而在第一电容极板12和第二电容极板13之间围合形成第一空腔14，该第一空腔14内填充有空气介质而形成第一介质材料层。

具体的，第一基底11的第二面还设置有第一电极15和第二电极16，所述第一电极15通过设置在第一基底11内的第一导电通道与第一电容极板电连接，所述第二电极16通过设置在第一基底11内的第二导电通道与第二电容极板电连接，该第一基底的第一面与第二面背对设置，该第一导电通道和第二导电通道均包括沿厚度方向贯穿第一基底的通孔以及填充在在该通孔内的导电材料。

具体的，所述第二振动敏感单元20包括第二基底21以及第二振动敏感结构，所述第二基底21的第三面设置有第二收容槽，该第二振动敏感结构设置在所述第二收容槽内，隔离层与第二基底21的第三面封装结合，进而在第二基底21与隔离层30之间围合形成第二封装腔体，该第二振动敏感结构被封装在该第二封装腔体内。

具体的，该第二振动敏感结构包括间隔设置的第三电容极板22和第四电容极板23以及设置在第三电容极板22和第四电容极板23之间的第二介质材料层，所述第三电容极板22和第四电容极板23之间能够产生第二电容信号，其中，第三电容极板22设置在第二收容槽的底部，第四电容极板23设置在第二收容槽的开口处并与第二基底21密封配合，进而在第三电容极板22和第四电容极板23之间围合形成第二空腔24，该第二空腔24内填充有空气介质而形成第二介质材料层。

具体的，该第二基底21的第四面还设置有第三电极25和第四电极26，第三电极25通过设置在第二基底21内的第三导电通道与第三电容极板22电连接，所述第四电极26通过设置在第二基底21内的第四导电通道与第四电容极板23电连接，该第二基底的第三面与第四面背对设置，该第三导电通道和第四导电通道均包括沿厚度方向贯穿第二基底的通孔以及填充在在该通孔内的导电材料。

具体的，该第一基底11的第一面与第二基底21的第三面分别与隔离层30的相背对的两个侧面封装结合，其中隔离层30还分别与第二电容极板13、第四电容极板23封装结合。

具体的，该隔离层30包括二维栅格结构及设置在二维栅格结构相背对的两侧表面的覆盖层，该两个覆盖层都具有平整表面，且该两个覆盖层还与填充在二维栅格结构的各栅格内的填充体一体成型；其中，所述二维栅格结构可以由聚乙烯、玻璃纤维等形成，而所述覆盖层及填充体可以由质量比为100∶0.01-0.1的交联聚乙烯和氮化硼气凝胶组成。

具体的，所述第一电容极板12、第二电容极板13、第三电容极板22、第四电容极板23的材质包括金属或导电聚合物，其中，所述金属包括Pt、W、Cu、Ni中的任意一种或两种以上的组合，所述导电聚合物包括导电橡胶，所述第一电容极板12、第二电容极板13、第三电容极板22、第四电容极板23的厚度均为10-1000μm；所述第一电极15、第二电极16、第三电极25、第四电极26均为金属电极；所述第一电极15、第二电极16、第三电极25、第四电极26的材质包括Au、Cu、Al中的任意或两种以上的组合，所述第一电极15、第二电极16、第三电极25、第四电极26的厚度为10-1000μm。

具体的，所述第一基底11和第二基底21均为柔性基底；所述第一基底11和第二基底21的材质包括聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯中的任意一种或两种以上的组合；所述第一基底11和第二基底21的厚度均为100-10000μm；所述隔离层30的材质包括柔性的绝缘聚合物；所述柔性的绝缘聚合物包括有机硅填充纳米陶瓷、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺中的任意一种；所述隔离层的厚度为10-1000μm。

请参阅图2，在一些较为具体的实施方案中，所述柔性电容式振动传感器的制作方法具体包括：

1)提供一金属衬底(例如镍衬底)，清洗该金属衬底后采用光刻、电铸等方法制作金属模板，然后采用该金属模板压铸出柔性的第一基底和第二基底，该第一基底的第一面具有第一收容槽，第二基底的第三面具有第二收容槽；

2)采用蒸镀、印刷或溅射等工艺在第一基底的第一收容槽的槽底制作形成第一电容极板，采用蒸镀或溅射等工艺在第一基底的第二面设置第一电极和第二电极，并所述第一电极与所述第一电容极板电连接，所述第二电极由第一基底的第一面露出；

3)提供隔离层，并采用印刷或光刻工艺在隔离层背对设置的两侧分别制作形成第二电容极板、第四电容极板；具体的，所述隔离层包括二维栅格结构及设置在二维栅格结构相背对的两侧表面的覆盖层，该两个覆盖层都具有平整表面，且该两个覆盖层还与填充在二维栅格结构的各栅格内的填充体一体成型；其中，所述二维栅格结构可以由聚乙烯、玻璃纤维等形成，而所述覆盖层及填充体可以由质量比为100∶0.01-0.1的交联聚乙烯和氮化硼气凝胶组成；其制备工艺可以是：在熔融的交联聚乙烯中均匀掺入氮化硼气凝胶，再涂覆在二维栅格结构表面，之后使其冷却固化；采用这种隔离层，一则可以使得第二电容极板、第四电容极板与隔离层更好的结合，避免在环境温度剧烈变化等情况下出现第二电容极板、第四电容极板与隔离层因应力脱离的问题，二则还可更好的对两个电容进行隔离，消除其相互干扰；

4)采用蒸镀、印刷或溅射等工艺在第二基底的第二收容槽的槽底制作形成第三电容极板，采用蒸镀或溅射等工艺在第二基底的第三面设置第三电极和第四电极，并所述第三电极与所述第三电容极板电连接，所述第四电极由第二基底的第三面露出；

5)通过热压键合等方式将第一基底、第二基底与隔离层封装结合为一体，并使所述第二电极与所述第二电容电极电连接，所述第四电极与所述第四电容极板电连接。

当然，该柔性电容式振动传感器的制作方法中可以先依次在第一基底的第一收容槽中制作第一电容极板、第二电容极板，并使第一电容极板、第二电容极板与第一基底结合而在第一电容极板、第二电容极板之间形成第一空腔作为空气介质层，进而形成第一振动敏感结构；以及，依次在第二基底的第二收容槽中制作第三电容极板、第四电容极板，并使第三电容极板、第四电容极板与第二基底结合而在第三电容极板、第四电容极板之间形成第二空腔作为空气介质层，进而形成第二振动敏感结构，之后再将该第一振动敏感结构、第二振动敏感结构与隔离层封装结合。

本发明实施例提供的一种柔性电容式振动传感器，结构简单、制备工艺简便、灵敏度高、性能稳定、一致性好、成本低。

本发明实施例提供的一种柔性电容式振动传感器为具有差分式电容结构的振动传感器，其在柔性基底上，通过压铸工艺制备上、下两部分振动敏感结构，然后采用柔性材料进行隔离，形成柔性电容振动传感基础结构，最后通过热压键合形成差分式电容振动传感器；此发明的制作工艺可靠性更高，大大提高了柔性振动传感器的灵敏度；而且提高了器件的稳定性和良率。

应当理解，上述实施例仅为说明本发明的技术构思及特点，其目的在于让熟悉此项技术的人士能够了解本发明的内容并据以实施，并不能以此限制本发明的保护范围。凡根据本发明精神实质所作的等效变化或修饰，都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种柔性电容式振动传感器，其特征在于包括第一振动敏感单元、第二振动敏感单元以及柔性隔离层，

所述第一振动敏感单元包括第一振动敏感结构和第一基底，所述第一振动敏感结构包括第一电容极板和第二电容极板，所述第一基底的第一面设置有第一收容槽，所述第一电容极板、第二电容极板间隔设置在所述第一收容槽内，进而在所述第一电容极板和第二电容极板之间围合形成第一空腔，所述第一空腔中填充有空气介质，所述第一电容极板和第二电容极板之间能够产生第一电容信号，所述第一基底的第二面还设置有第一电极和第二电极，所述第一电极与所述第一电容极板电连接，所述第二电极与所述第二电容极板电连接，所述第一面与第二面背对设置；

所述第二振动敏感单元包括第二振动敏感结构和第二基底，所述第二振动敏感结构包括第三电容极板、第四电容极板，所述第二基底的第三面设置有第二收容槽，所述第三电容极板、第四电容极板间隔设置在所述第二收容槽内，进而在所述第三电容极板和第四电容极板之间围合形成第二空腔，所述第二空腔中填充有空气介质，所述第三电容极板和第四电容极板之间能够产生第二电容信号，所述第二基底的第四面还设置有第三电极和第四电极，所述第三电极与所述第三电容极板电连接，所述第四电极与所述第四电容极板电连接，所述第三面与第四面背对设置；

所述隔离层设置在所述第一基底和第二基底之间并与所述第一基底和第二基底封装结合成一体；所述第一振动敏感结构被封装于所述第一基底与所述隔离层之间；所述第二振动敏感结构被封装于所述第二基底与所述隔离层之间；

所述第一电容极板、第二电容极板、第三电容极板、第四电容极板的材质均为导电聚合物，所述第一基底和第二基底均为柔性基底；

所述隔离层包括二维栅格结构及设置在二维栅格结构相背对的两侧表面的覆盖层，所述两个覆盖层都具有平整表面，且所述两个覆盖层还与填充在二维栅格结构的各栅格内的填充体一体成型；其中，所述二维栅格结构由聚乙烯或玻璃纤维形成，而所述覆盖层及填充体均由质量比为100：0.01-0.1的交联聚乙烯和氮化硼气凝胶组成；

其中，所述第一电容极板、第二电容极板、第三电容极板、第四电容极板、隔离层的厚度均为10-1000μm。

2.根据权利要求1所述柔性电容式振动传感器，其特征在于：所述导电聚合物包括导电橡胶。

3.根据权利要求1所述柔性电容式振动传感器，其特征在于：所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极均为金属电极。

4.根据权利要求3所述柔性电容式振动传感器，其特征在于：所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极的材质包括Au、Cu、Al中的任意或两种以上的组合。

5.根据权利要求3所述柔性电容式振动传感器，其特征在于：所述第一电极、第二电极、第三电极、第四电极的厚度为10-1000μm。

6.根据权利要求1所述柔性电容式振动传感器，其特征在于：所述第一基底和第二基底的材质包括聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚乙烯中的任意一种或两种以上的组合。

7.根据权利要求1所述柔性电容式振动传感器，其特征在于：所述第一基底和第二基底的厚度均为100-10000μm。

8.如权利要求1-7中任一项所述柔性电容式振动传感器的制作方法，其特征在于包括：提供第一基底，所述第一基底的第一面具有第一收容槽，在所述第一收容槽的底部设置第一电容极板，在所述第一收容槽的开口处密封设置第二电容极板，进而在所述第一电容极板和第二电容极板之间围合形成第一空腔；

在所述第一基底的第二面设置第一电极、第二电极，并使所述第一电极与所述第一电容极板电连接，所述第二电极与所述第二电容极板电连接，所述第一面与所述第二面背对设置；

提供第二基底，所述第二基底的第三面具有第二收容槽，在所述第二收容槽的底部设置第三电容极板，在所述第二收容槽的开口处密封设置第四电容极板，进而在所述第三电容极板和第四电容极板之间围合形成第二空腔，所述第三面与所述第四面背对设置；

在所述第二基底的第四面设置第三电极、第四电极，并使所述第三电极与所述第三电容极板电连，所述第四电极与所述第四电容极板电连接；

提供隔离层，将所述隔离层设置与第一基底的第一面与第二基底的第三面之间，并使所述隔离层与所述第一基底、第二基底封装结合成一体。

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