专利摘要

本发明公开了一种同层式的多级阵列压力传感器。包含三个压力传感单元：柔性基底上表面设有三个沿圆周方向均匀分布的阶梯型传感凸起结构，阶梯型传感凸起结构的顶面和台阶面分别设有柔性基底第一、第二电极；隔空层中设有三个通孔，三个阶梯型传感凸起结构分别嵌装于三个通孔中；受力层下表面设有三个沿圆周方向均匀分布的圆柱盲孔，圆柱盲孔的孔底面设有受力层第一电极，圆柱盲孔的孔周围的受力层下表面设有受力层第二电极。本发明能够在一个传感单元的垂直方向上检测多个压力阈值，提高了检测效率，降低了制造成本和难度，增强了其实用性。

权利要求

1.一种同层式的多级阵列压力传感器，其特征在于：包含由柔性基底(1)、隔空层(6)和受力层(11)依次从下到上紧密层叠构成的压力传感单元；柔性基底(1)上表面设有三个沿圆周方向间隔均匀分布的阶梯型传感凸起结构，阶梯型传感凸起结构为顶部小端、底部大端的结构，阶梯型传感凸起结构的顶面和台阶面分别设有柔性基底第一电极(5)和柔性基底第二电极(4)；隔空层(6)中设有分别与三个阶梯型传感凸起结构位置对应的三个通孔，三个阶梯型传感凸起结构分别嵌装于三个通孔中；受力层(11)下表面设有分别与三个阶梯型传感凸起结构位置对应的三个圆柱盲孔，圆柱盲孔的孔底面设有受力层第一电极(10)，圆柱盲孔的孔周围的受力层下表面设有受力层第二电极(9)；

当受力层(11)的上表面受到均布力作用时，受力层第一电极(10)和柔性基底第一电极(5)先接触获得第一压力阈值，受力层第二电极(9)和柔性基底第二电极(4)后接触获得第二压力阈值，从而实现多级压力检测；

三个所述的柔性基底第一电极(5)和柔性基底第二电极(4)分别通过柔性基底(1)上的柔性基底第一电极导线(2)和柔性基底第二电极导线(3)串联后引出至外部；

三个所述的受力层第一电极(10)通过受力层第一电极导线(7)串联引出至外部，三个受力层第二电极(9)通过受力层第二电极导线(8)串联引出至外部，受力层第一电极导线(7)和受力层第二电极导线(8)串联输出电路接通信号。

2.根据权利要求1所述的一种同层式的多级阵列压力传感器，其特征在于：

所述的隔空层(6)的通孔直径大于等于柔性基底(1)的阶梯型传感凸起结构的底部大端直径，受力层(11)的圆柱盲孔的直径介于柔性基底(1)的阶梯型传感凸起结构的底部大端直径和顶部小端直径之间。

3.根据权利要求1所述的一种同层式的多级阵列压力传感器，其特征在于：

所述的阶梯型传感凸起结构的底部大端的高度小于隔空层(6)的厚度，且阶梯型传感凸起结构的总高度小于隔空层(6)的厚度和受力层(11)圆柱盲孔的孔深度之和。

4.根据权利要求1所述的一种同层式的多级阵列压力传感器，其特征在于：

所述多级阵列压力传感器包括至少一个所述压力传感单元。

5.根据权利要求1所述的一种同层式的多级阵列压力传感器，其特征在于：

制成所述的柔性基底(1)及其阶梯型传感凸起结构、隔空层(6)和受力层(11)的柔性衬底材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

6.根据权利要求1所述的一种同层式的多级阵列压力传感器，其特征在于：

制成所述的柔性基底第一电极(5)、柔性基底第二电极(4)、受力层第一电极(10)和受力层第二电极(9)所用材料包含银纳米线薄膜电极。

说明书

技术领域

本发明涉及了一种传感装置，特别是涉及了一种同层式的多级阵列压力传感器。

背景技术

随着柔性电子、智能纳米材料和微纳制造等领域的不断进步，具有轻薄便携、可弯折拉伸、电学性能优异和集成度高等特点的柔性压力传感器在软体机器人、医疗器械、可穿戴设备等领域展现出了很大的应用前景，是最受关注的传感器技术之一。

目前，国内外关于柔性压力传感器已经做了许多的研究，绝大多数的柔性压力传感器应用于检测连续力范围，而且如何实现该柔性触觉传感器的高灵敏度、低迟滞性、溶液环境下的鲁棒性、高装载可靠性、高机械疲劳强度和高的空间分辨率仍然是一大挑战；相反的，少有出现离散型的柔性压力传感装置，其检测原理是通过传感器内部电极的导通情况来检测压力阈值，适用于不需要测量连续测量范围下的应用场合。这种测量有限压力点的传感器，功能简单，设计制造简单，数据分析容易，可通过材料和具体结构的不同，定制化所需检测的压力值，不需要模拟-数字转换器，可简化其相应的信号处理模块，从而加快读取和处理速度，应用前景很大。

发明内容

为了简化传感器的结构设计和制造难度，增强传感器对关键压力信息的获取，提高传感信号的检测、传输和处理效率。本发明提出一种同层式的多级阵列压力传感器，实现在一个压力传感单元的垂直方向上，检测多个压力阈值点。

本发明解决上述问题所采用的技术方案为：

本发明包含主要由柔性基底、隔空层和受力层依次从下到上紧密层叠构成的压力传感单元；柔性基底上表面设有三个沿圆周方向间隔均匀分布的阶梯型传感凸起结构，阶梯型传感凸起结构为顶部小端、底部大端的结构，阶梯型传感凸起结构的顶面和台阶面分别设有柔性基底第一电极和柔性基底第二电极；隔空层中设有分别与三个阶梯型传感凸起结构位置对应的三个通孔，三个阶梯型传感凸起结构分别嵌装于三个通孔中；受力层下表面设有分别与三个阶梯型传感凸起结构位置对应的三个圆柱盲孔，圆柱盲孔的孔底面设有受力层第一电极，圆柱盲孔的孔周围的受力层下表面设有受力层第二电极。

所述的柔性基底的阶梯型传感凸起结构、隔空层的通孔和受力层的圆柱盲孔均位于同一轴线上。

所述的隔空层的通孔直径大于等于柔性基底的阶梯型传感凸起结构的底部大端直径，受力层的圆柱盲孔的直径介于柔性基底的阶梯型传感凸起结构的底部大端直径和顶部小端直径之间。

所述的阶梯型传感凸起结构的底部大端的高度小于隔空层的厚度，且阶梯型传感凸起结构的总高度小于隔空层的厚度和受力层圆柱盲孔的孔深度之和。

当受力层的上表面受到均布力作用时，受力层第一电极和柔性基底第一电极先接触获得第一压力阈值，受力层第二电极和柔性基底第二电极后接触获得第二压力阈值，从而实现多级压力检测。

本发明通过在柔性基底和在受力层上均布置阶梯电极结构，并利用阶梯电极结构的高度差实现了在同一个传感单元中多个压力阈值的检测，在小尺寸传感单元中大大提高了检测效率。

三个所述的柔性基底第一电极和柔性基底第二电极分别通过柔性基底上的柔性基底第一电极导线和柔性基底第二电极导线串联后引出至外部，柔性基底第一电极导线和柔性基底第二电极导线接通输入恒定电平信号。

三个所述的受力层第一电极通过受力层第一电极导线串联引出至外部，三个受力层第二电极通过受力层第二电极导线串联引出至外部，受力层第一电极导线和受力层第二电极导线串联输出电路接通信号。

所述多级阵列压力传感器包括至少一个所述压力传感单元。

制成所述的柔性基底及其阶梯型传感凸起结构、隔空层和受力层的柔性衬底材料包括但不限于聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

制成所述的柔性基底第一电极、柔性基底第二电极、受力层第一电极和受力层第二电极所用材料包含但不限于银纳米线薄膜电极(AgNWs)。

本发明装置用于测取多个压力阈值，但不限制于具体实施所测取两个阈值，而且是顺序性地离散测量多个压力阈值。通过上层电极受到一定压力导致上下电极层相接触使得连接导通，从而来检测所受外力是否达到压力阈值。

多个压力阈值的测量是通过调整阶梯型传感凸起结构的两层阶梯高度差，两层高度差的凸起表面电极发生接触的压力条件不一样而获得。首先由给出的压力阈值要求，来具体选择何种杨氏弹性模量的材料和设定传感凸起结构的几何尺寸，最终在不同的阶梯型传感凸起结构建立不同上下电极层相接触的压力测量标定和压力阈值设定。

使用时，当传感器受到的压力到达最小的检测阈值时，阶梯型传感凸起结构顶面的电极连接受力层的电极构成通路，产生电信号输出。以此类推当压力足够增加时，阶梯型传感凸起结构下方台阶面的电极连接受力层的电极构成通路，产生新的电信号输出。

本发明阶梯型传感凸起结构、通孔沿圆周阵列分布的数目为包括但不限于3个，并且垂直方向的压力阈值检测数目为包括但不限于2个。

本发明同层式的多级阵列压力传感器由受力层、隔空层和柔性基底组成，其中在受力层和柔性基底上均布置了相应的电极，随着在受力层上表面施加的力的增加，相应的电极接触，通过外部检测电路来检测电路是否导通来推测是否达到某个压力点，从而实现在一个传感单元的垂直方向间断地检测两个压力阈值。

本发明的有益效果为：

本发明结构简单，能够在一个传感单元的垂直方向上检测多个压力阈值。相比于连续测量范围的传感器，多级阵列传感器只检测感兴趣的压力阈值点，从而在功能、结构、测试和制造上都简单很多，降低了制造成本和难度，也同样降低了后续的数据处理分析难度，也可通过选择不同杨氏弹性模量的材料和设定传感凸起结构的几何尺寸来定制客户所感兴趣的压力阈值点，增大了传感器的应用范围。

本发明相比于普通的压力传感器来说，多级阵列传感器在垂直方向上能检测多个压力阈值，即能够在降低材料损耗的同时实现更多压力阈值的检测，增强了其实用性。

附图说明

图1为本发明同层式多级阵列压力传感器相互剥离后的轴测图。

图2为本发明同层式多级阵列压力传感器静态图。

图3为本发明同层式多级阵列压力传感器一级动态示意图。

图4为本发明同层式多级阵列压力传感器二级动态示意图。

图中：1、柔性基底，2、柔性基底第一电极导线，3、柔性基底第二电极导线，4、柔性基底第二电极，5、柔性基底第一电极，6、隔空层，7、受力层第一电极导线，8、受力层第二电极导线，9、受力层第二电极，10、受力层第一电极，11、受力层。

具体实施方式

下面结合附图对本发明进一步说明。

如图1所示，本发明包含主要由柔性基底1、隔空层6和受力层11依次从下到上紧密层叠构成的压力传感单元；柔性基底1上表面设有三个沿圆周方向均匀分布的阶梯型传感凸起结构，阶梯型传感凸起结构为顶部小端、底部大端的结构，具体实施的阶梯型传感凸起结构是由底部大径轴颈和顶部小径轴颈同轴布置构成，阶梯型传感凸起结构的顶面和台阶面分别设有柔性基底第一电极5和柔性基底第二电极4；隔空层6中设有分别与三个阶梯型传感凸起结构位置对应的三个通孔，三个阶梯型传感凸起结构分别嵌装于三个通孔中；受力层11下表面设有分别与三个阶梯型传感凸起结构位置对应的三个内凹的圆柱盲孔，圆柱盲孔的孔底面设有受力层第一电极10，圆柱盲孔的孔周围的受力层下表面设有受力层第二电极9。

隔空层6的通孔直径大于等于柔性基底1的阶梯型传感凸起结构的底部直径，受力层11的圆柱盲孔的直径介于柔性基底1的阶梯型传感凸起结构的底部直径和顶部直径之间。

阶梯型传感凸起结构的底部大端的高度小于隔空层6的厚度，且阶梯型传感凸起结构的总高度小于隔空层6的厚度和受力层11圆柱盲孔的孔深度之和。

柔性基底第一电极5和柔性基底第二电极4分别通过柔性基底1上的柔性基底第一电极导线2和柔性基底第二电极导线3串联后引出至外部，并提供高电势的电平。

受力层第一电极10通过受力层第一电极导线7引出至外部，受力层第二电极9通过受力层第二电极导线8引出至外部，受力层第一电极导线7和受力层第二电极导线8输出电路接通信号，以实现阈值压力的检测。

具体实施将阶梯型传感凸起结构布置了两层阶梯结构，因此可以获得两个层次压力阈值：

如图2所示，当对受力层11未施加压力时，不发生变形。

如图3所示，当对受力层11施加较小压力时，因为其柔性性质发生变形，柔性基底第一电极5和受力层第一电极10发生接触，获得第一压力阈值。

如图4所示，当对受力层11施加较大压力时，继续因为其柔性性质发生变形，柔性基底第一电极5和受力层第一电极10保持接触，获得第二压力阈值。柔性基底第一电极4和受力层第一电极9发生接触。

具体实施中，同层式的多级阵列压力传感器采用多个压力传感单元组合而成。

本发明的具体实施过程如下：

使用本发明同层式的多级阵列压力传感器时，通过预先设定好的压力阈值来设计确定传感器的结构参数，制作完毕后将柔性基底1固定，受力层11的上表面为与外界接触。其不受力状态时，整体剖面图如图2所示。由于受力层11的上表面面积小，可以认为其上表面均匀受力。

当在受力层上表面施加的力逐渐增大时，由于受力层11的柔性性质，与隔空层6通孔对应的受力层区域会发生向下凹陷，当变形累积到一定程度时，柔性基底第一电极5和受力层第一电极10接触，会发生如图3所示的变形，通过柔性基底第一电极导线2和受力层第一电极导线7实现通路，从而判断受到了一个特定的压力阈值。

当在受力层上表面施加的力持续增大时，会发生如图4所示的变形，这时，柔性基底第二电极4和受力层第二电极9发生接触，通过柔性基底第二电极导线4和受力层第二电极导线9实现通路，从而判断受到了一个更高的压力阈值。综上所述，即实现了纵向上的两个压力值的检测。

考虑到所受的力不均匀，采用三个传感单元以圆周阵列分布的方式，三个传感单元之中只要存在一个阶梯凸起结构发生接触，即检测到相应的压力信号，以此来提高测量的可靠性。

一种同层式的多级阵列压力传感器专利购买费用说明

Q：办理专利转让的流程及所需资料

A：专利权人变更需要办理著录项目变更手续，有代理机构的，变更手续应当由代理机构办理。

1：专利变更应当使用专利局统一制作的“著录项目变更申报书”提出。

2：按规定缴纳著录项目变更手续费。

3：同时提交相关证明文件原件。

4：专利权转移的，变更后的专利权人委托新专利代理机构的，应当提交变更后的全体专利申请人签字或者盖章的委托书。

Q:专利著录项目变更费用如何缴交

A：（1）直接到国家知识产权局受理大厅收费窗口缴纳,（2）通过代办处缴纳，（3）通过邮局或者银行汇款,更多缴纳方式

Q：专利转让变更，多久能出结果

A：著录项目变更请求书递交后，一般1-2个月左右就会收到通知，国家知识产权局会下达《转让手续合格通知书》。