压力传感器的制作方法

1.本技术属于传感器技术领域，更具体地说，是涉及一种压力传感器。


背景技术：

2.压力传感器作为一种重要的传感器，广泛应用在各个领域。常见压力传感器分为箔式压力传感器和mems(micro-electro-mechanical systems)压力传感器，其中mems传感器的体积更小，灵敏度更高，是未来的发展方向。
3.mems传感器，通常叫做微机电系统。其核心为微型的机电结构，并通过特定的机电结构，实现特定的功能。典型的应用场景有陀螺仪、加速度计、磁力传感器、麦克风、压力传感器等。当mems技术应用于压力传感器时，其工作原理为外界受力变化导致传感器发生结构变形，结构变形导致电气参数(电容/电阻等)变化。通过检测电气参数变化，作为受力变化的指征。
4.由于常见mems压力传感器的材料为硅，而硅的杨氏模量很高，难以发生变形。为提高传感器灵敏度，mems的做法为在设计功能电路的前提下，通过加工出机械结构(例如空腔等)，使得目标区域更容易发生变形，以获取更大的实用级别的灵敏度性能。这也是“微机电系统”的典型特征，即电气功能需要搭配一定的机械结构，才可以发挥特定的功能。
5.由于存在这样的微型结构，且硅自身又是脆性材料，故其抗过载能力很差。当外界有较大冲击变形时，传感器很容易自身发生破损。有鉴于此，需要对现有的压力传感器进行改进，以提高其抗过载能力。


技术实现要素：

6.为实现上述目的，本技术采用的技术方案是：一种压力传感器，包括基底、设置于所述基底上的承压层以及设置于所述承压层上的应变层，所述承压层包括第一承压层和嵌入所述第一承压层的第二承压层，其中，所述第一承压层的刚度高于所述第二承压层的刚度。
7.可选地，所述第一承压层为刚性层，所述刚性层上设置有用于容纳所述第二承压层的容纳槽，所述容纳槽具有朝向所述应变层的开口。
8.可选地，所述第二承压层为柔性层，所述柔性层设置于所述容纳槽中。
9.可选地，所述刚性层的刚度比所述柔性层的刚度大五倍以上。
10.可选地，所述柔性层与所述容纳槽相适配。
11.可选地，所述第二承压层与所述应变层之间设置有间隙。
12.可选地，所述间隙的厚度小于所述应变层的最大允许变形量。
13.可选地，所述间隙的厚度为0μm-10μm。
14.可选地，所述应变层与所述承压层之间设置有结合层，所述结合层用于连接所述应变层与所述承压层。
15.可选地，所述结合层设置于所述第一承压层与所述应变层之间。
16.可选地，所述结合层为胶水、胶膜、共晶粘合剂、无机粘合剂中的一种或多种。
17.可选地，所述刚性层由硬质金属材料、硬质合金材料或者硬质非金属材料制成。
18.可选地，所述硬质金属材料包括金、银、铜、铝、镍和铁中的一种或多种。
19.可选地，所述硬质合金材料包括碳化钨、铝合金、镁合金和钢中的一种或多种。
20.可选地，所述硬质非金属材料包括碳纤维、玻璃纤维中的一种或多种。
21.可选地，所述柔性层由高分子材料制成。
22.可选地，所述高分子材料包括环氧树脂、聚氨酯、橡胶和硅胶中的一种或多种。
23.可选地，所述基底为pcb、fpc、陶瓷基板、铝基板中的一种。
24.可选地，所述应变层由金属细线、多晶或非晶半导体、碳纳米管或复合导电材料构成。
25.可选地，所述承压层的厚度为1μm-50μm。
26.本技术提供的压力传感器的有益效果在于：与现有技术相比，本技术提供的压力传感器包括依次层叠设置的基底、承压层和应变层，其中承压层包括第一承压层和嵌入第一承压层的第二承压层，且第一承压层的刚度高于第二承压层的高度，在应变层受到压力发生形变时，承压层作为支撑层也会受力形变，但是由于第一承压层和第二承压层的刚度不同，二者的形变程度也会不同，其中刚度较低的第二承压层形变程度大于刚度较高的第一承压层形变程度，这样，通过第二承压层可以使得应变层保持对压力的灵敏感应，同时第二承压层还可以对应变层的形变进行缓冲，提升压力传感器的抗过载能力，防止压力传感器因过载而损坏。
附图说明
27.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
28.图1为本技术实施例提供的压力传感器的结构示意图。
29.其中，图中各附图标记：
30.应变层1、结合层2、承压层3、第一承压层31、第二承压层32、基底4。
具体实施方式
31.为了使本技术所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本技术进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本技术，并不用于限定本技术。
32.需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
33.需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有
特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。
34.此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本技术的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。
35.请参阅图1，现对本技术实施例提供的压力传感器进行说明。一种压力传感器，包括基底4、设置于基底4上的承压层3以及设置于承压层3上的应变层1，承压层3包括第一承压层31和嵌入第一承压层31的第二承压层32，其中，第一承压层31的刚度高于第二承压层32的刚度。
36.以图1中所示方向为例，第一承压层31和第二承压层32设置在应变层1的下方，用于承担应变层1受到的压力。应变层1位于第二承压层32上方的部分发生形变，挤压第二承压层32，将压力传递给第二承压层32。由于第二承压层32的刚度小于第一承压层31的刚度，因此第二承压层32在受到压力后发生的变形量更大，因此第二承压层32可以对应变层的形变进行缓冲，提升压力传感器的抗过载能力，防止压力传感器因过载而损坏。应变层1在受到同等压力的情况下，与原有结构相比，形变量更小，因此可以大幅度提高压力传感器的抗过载能力。
37.在本技术的一些实施例中，如图1所示，第一承压层31为刚性层，刚性层上设置有用于容纳第二承压层32的容纳槽，容纳槽具有朝向应变层1的开口。第二承压层32为柔性层，柔性层设置于容纳槽中。
38.通过在容纳槽上方(以图1中所示的方向为例)的开口可将应变层1受到的压力直接传递给柔性层。当应变层1受力发生形变时，应变层1受到的压力一部分由自身承担，导致其发生形变，另一部分压力传递给柔性层，柔性层对应变层1进行支撑，以防止应变层1产生过大的形变，从而避免了应变层1发生损坏，提高了传感器的抗过载能力。
39.在本实施例中，如图1所示，容纳槽为贯穿设置在刚性层的中部的通孔，柔性层受到的压力可直接传递给下方的基底4。通孔的形状可以是圆形、矩形、梯形、椭圆形，但不限于此。
40.在本技术的另一实施例中，容纳槽为设置在刚性层上的槽状结构，上端(即朝向应变层1的一侧)开口，下端不开口，柔性层受到的压力被传递给刚性层，然后由刚性层传递给基底4，使基底4受到的压力更加均匀。
41.在本技术的另一实施例中，容纳槽贯穿刚性层，但容纳槽的侧壁设置有凹凸结构(图未示)，通过凹凸结构可将柔性层受到的压力传递给刚性层，然后由刚性层传递给基底4。
42.在本技术的一些实施例中，刚性层的刚度比柔性层的刚度大五倍以上。例如，刚性层的刚度为10gpa及以上，柔性层的刚度为2gpa及以下。刚性层与柔性层的刚度差异，决定了在受到相同压力时，柔性层相较于刚性层会产生更大的变形，从而为应变层1提供变形的空间，避免影响压力传感器的正常工作。
43.在本技术的一些实施例中，柔性层与容纳槽的尺寸相匹配，即柔性层将容纳槽完全填充满。应变层1受压变形后，产生微小的变形，应变层1将部分压力传递给柔性层，柔性层受到压力后，其自身体积被压缩，为应变层1让出变形空间。
44.在本技术的另一些实施例中，容纳槽的尺寸略大于柔性层的尺寸，例如容纳槽的宽度略大于柔性层的宽度，当应变层1受压变形后，挤压柔性层，柔性层受到压力后发生横向的变形，高度减小、宽度增大，为应变层1的竖向变形让出空间。当外力消失后，应变层1和柔性层在自身弹力的作用下恢复原来的形状。
45.在本技术的一些实施例中，第二承压层32与应变层1之间设置有间隙(图未示)。由于mems压力传感器的灵敏度与应变层1的变形能力有关，变形能力越强，灵敏度越高，由于柔性层对应变层1有支撑作用，因此会对应变层1的变形能力造成一定影响。通过在第二承压层32与应变层1之间设置间隙，可使应变层1在受压的前期，即应变层1的变形量小于间隙的厚度时，应变层1不与第二承压层32接触，当应变层1的变形量等于或大于间隙的厚度时，应变层1才与第二承压层32接触，第二承压层32为应变层1承担一部分压力，提高其抗过载能力。通过该方案，可保证压力传感器在受到的压力小于一定值时，传感器的精度不会受到影响，当压力传感器受到的压力大于某一临界值时，第二承压层32能够为应变层1提供额外的支撑力，保证压力传感器的抗过载能力。通过控制间隙的厚度，可以控制第二承压层32工作压力，即控制第二承压层32在压力传感器受到的压力达到某一值时开始工作。最理想的情况下，通过控制间隙的厚度，使第二承压层32在压力传感器受到的压力接近压力传感器的额定压力时开始工作，可以最大程度保证压力传感器的精度，同时提高压力传感器的抗过载能力。
46.在本技术的一些实施例中，第二承压层32与应变层1之间的间隙的厚度小于应变层1的最大允许变形量。应变层1产生的变形量超过最大允许变形量时，压力传感器会发生损坏，因此若间隙的厚度超过了应变层1的最大允许变形量，则柔性层将会失去作用，因为应变层1在与第二承压层32接触之前就会发生损坏。
47.在本技术的一些实施例中，间隙的厚度为0(不含)μm-10μm。例如，间隙的厚度为0.1μm。可选地，在本技术其他的实施例中，间隙的厚度也可以是0.2μm、0.3μm、5μm、10μm。可根据压力传感器的压力范围以及应变层1的变形量进行设计，本技术不做限定。
48.在本技术的一些实施例中，承压层3的厚度为30μm，在本技术其他的实施例中，承压层3的厚度也可以是1μm、10μm、20μm、50μm等，本技术不做限定。
49.在本技术的一些实施例中，应变层1的厚度为30μm，在本技术其他的实施例中，应变层1的厚度也可以是50μm、100μm、200μm等，本技术不做限定。
50.在本技术的一些实施例中，应变层1与承压层3之间设置有结合层2，通过结合层2连接应变层1与承压层3。
51.在本技术的一些实施例中，结合层2仅设置在第一承压层31与应变层1之间，用于连接第一承压层31与应变层1，在第二承压层32与应变层1之间不设置结合层2。第一承压层31与第二承压层32的厚度相同。这样，可以使得第二承压层32与应变层1之间形成一个间隙，且该间隙的厚度与结合层2的厚度相同。通过该方案，可以降低间隙制作的难度，通过控制结合层2的厚度即可控制间隙的厚度。
52.在本技术的另一些实施例中，仅在第一承压层31与应变层1之间设置结合层2，并且第二承压层32的厚度小于第一承压层31的厚度，间隙的厚度为第一承压层31与第二承压层32的厚度差值以及结合层2的厚度之和。
53.在本技术的另一实施例中，也可以不设置间隙，柔性层与刚性层的上表面齐平，且
柔性层和刚性层上均设置结合层2。
54.在本技术的一些实施例中，结合层2为胶水。
55.在本技术的其他实施例中，结合层2也可以是胶膜、共晶粘合剂、无机粘合剂，或者其他的结合剂，本技术不做限定。
56.在本技术的一些实施例中，刚性层采用高刚度的硬质金属材料制成。
57.在本技术的一些实施例中，刚性层由铝制成，铝的刚度约为70gpa，且韧性好，可提高压力传感器的抗过载能力。
58.在本技术的一些实施例中，刚性层也可以由其他高刚度的硬质金属材料制成，例如金、银、铜、镍、铁等，本技术不做限定。硬质金属材料具有较高的刚度和更高的韧性，相比于现有的mems压力传感器采用的硅材料作为承压层，可以防止在受到较大冲击荷载后刚性层发生碎裂。
59.在本技术的一些实施例中，刚性层由高刚度的硬质合金材料制成，例如铝合金，铝合金具有极高的刚度，密度较低，并且韧性好，在受压后不易发生破裂。
60.在本技术的一些实施例中，刚性层也可以采用碳化钨、镁合金、钢或者其他高刚度的硬质合金材料，本技术不做限定。
61.在本技术的一些实施例中，刚性层由高刚度的硬质非金属材料制成，例如碳纤维。
62.在本技术的另一实施例中，刚性层也可采用玻璃纤维、尼龙、涤纶、芳纶等纤维类材料或者其他刚度高的非金属材料，本技术不做限定。
63.在本技术的一些实施例中，柔性层由高分子材料制成。
64.在本技术的一些实施例中，高分子材料包括橡胶，例如硅橡胶、氟橡胶、丁基橡胶等。
65.在本技术的一些实施例中，高分子材料包括塑料，例如聚酰亚胺、pvc(polyvinyl chloride聚氯乙烯)、pc(polycarbonate聚碳酸酯)、pu(polyurethane聚氨酯)、pet(polyethylene glycol terephthalate聚对苯二甲酸乙二醇酯)、特氟龙等。
66.在本技术的一些实施例中，高分子材料也可以是环氧树脂、聚氨酯、硅胶，本技术不做限定。
67.在本技术的一些实施例中，基底为pcb(printed circuit board印刷电路板)。
68.在本技术的另一些实施例中，基底也可以采用fpc(flexible printed circuit柔性电路板)、陶瓷基板或者铝基板。
69.在本技术的一些实施例中，应变层1由金属细线构成，在本技术的其他实施例中，应变层1也可以采用多晶或非晶半导体、碳纳米管或复合导电材料构成，本技术不做限定。
70.本技术提供的压力传感器，与现有技术相比，本技术将承压层3分为第一承压层31和第二承压层32两个部分，通过刚度较高的第一承压层31以及刚度较低的第二承压层32分别对应变层1进行支撑。由于第二承压层32的刚度小于第一承压层31的刚度，第二承压层32在受压时更容易发生变形，在应变层1在受到压力发生形变后，挤压第二承压层32，使第二承压层32被压缩变形，同时第二承压层32为应变层1提供支撑力，从而提高了压力传感器的抗过载能力，防止压力传感器因过载而损坏。
71.以上仅为本技术的较佳实施例而已，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。

技术特征：
1.一种压力传感器，其特征在于：包括基底(4)、设置于所述基底(4)上的承压层(3)以及设置于所述承压层(3)上的应变层(1)，所述承压层(3)包括第一承压层(31)和嵌入所述第一承压层(31)的第二承压层(32)，其中，所述第一承压层(31)的刚度高于所述第二承压层(32)的刚度。2.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述第一承压层(31)为刚性层，所述刚性层上设置有用于容纳所述第二承压层(32)的容纳槽，所述容纳槽具有朝向所述应变层(1)的开口。3.如权利要求2所述的压力传感器，其特征在于：所述第二承压层(32)为柔性层，所述柔性层设置于所述容纳槽中。4.如权利要求3所述的压力传感器，其特征在于：所述刚性层的刚度比所述柔性层的刚度大五倍以上；和/或，所述柔性层与所述容纳槽相适配；和/或，所述柔性层由高分子材料制成；和/或，所述刚性层由硬质金属材料、硬质合金材料或者硬质非金属材料制成。5.如权利要求1至4任意一项所述的压力传感器，其特征在于：所述第二承压层(32)与所述应变层(1)之间设置有间隙。6.如权利要求5所述的压力传感器，其特征在于：所述间隙的厚度小于所述应变层的最大允许变形量。7.如权利要求5所述的压力传感器，其特征在于：所述间隙的厚度为0μm-10μm。8.如权利要求7所述的压力传感器，其特征在于：所述应变层(1)与所述承压层(3)之间设置有结合层(2)，所述结合层(2)用于连接所述应变层(1)与所述承压层(3)。9.如权利要求8所述的压力传感器，其特征在于：所述结合层(2)设置于所述第一承压层(31)与所述应变层(1)之间。10.如权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述承压层(3)的厚度为1μm-50μm。

技术总结
本申请提供了一种压力传感器，包括基底、设置于所述基底上的承压层以及设置于所述承压层上的应变层，所述承压层包括第一承压层和嵌入所述第一承压层的第二承压层，其中，所述第一承压层的刚度高于所述第二承压层的刚度。本申请提供的压力传感器由于第一承压层和第二承压层的刚度不同，二者的形变程度也会不同，其中刚度较低的第二承压层形变程度大于刚度较高的第一承压层形变程度，这样，通过第二承压层可以使得应变层保持对压力的灵敏感应，同时第二承压层还可以对应变层的形变进行缓冲，提升压力传感器的抗过载能力，防止压力传感器因过载而损坏。感器因过载而损坏。感器因过载而损坏。


技术研发人员：李灏 吕少龙
受保护的技术使用者：深圳纽迪瑞科技开发有限公司
技术研发日：2022.12.30
技术公布日：2023/7/14