柔性薄膜压力传感器

柔性薄膜压力传感器的量程选择方法

随着科学技术的不断发展,传感器已经从最简单的电阻、电容,发展到目前各种特殊的、功能多样的传感器。其中,传感器在测量过程中所需时间最短,精度最高,测量范围广,因此发展出了许多具有较高精度和应用范围广泛的传感器。由于受材料、工艺技术等因素的影响,传感器的精度和尺寸越来越小,并且由于薄膜材料本身含有弹性,导致其测量性能远远小于传统电阻型传感。因此采用多种方式来提高传感器的精度和体积非常重要。通常将柔性表面压力检测所需测量元件分为以下几类:基板材料为特殊半导体或有机薄膜类,如超薄碳化硅基板;用于检测弹性元件的压敏电阻、热敏或超声(超声波)压力;应用于弹性元件表面和基板表面的柔性压力检测薄膜材料以及利用高精度传感器的集成系统实现传感器性能测试等。柔性表面压力检测由于具有灵敏度高、体积小,无磁性等优点,成为一种应用广泛的电阻式传感技术。

柔性薄膜压力传感器的量程选择

1柔性传感器测量原理

在传感器的实际应用中,通常是利用柔性材料制成的柔性压力检测传感器,将传感器固定在基板表面上进行操作。通过改变不同类型的柔性材料对压敏胶体材料、温度、密度等参数的敏感性和容忍度,从而改变柔性薄膜和基板之间的压敏胶体尺寸。通常通过在基板表面均匀涂覆两层绝缘涂层、涂覆透明导电胶或者在基板上涂抹一定厚度的导电薄膜(如导电陶瓷)形成柔性薄膜来实现。使用这些方法可将测量误差减至最小。将所测得的数值转换成标准电压信号(通过计算机处理可得到其真实值)。通常将数字信号转换成标准电压信号时使用电压法求得的标准电压信号所需功率较大,通常选用电感耦合元件作为电压转换器。

2不同量程下的柔性压力

根据上述实验结果,为了提高传感器的测得压力的精度,需要对传感器的量程进行选择。例如,对于纳米硅基柔性薄膜压力传感器(BGP),其测得压力范围为0~0.05 MPa。由于 PI材质不具备与硅基材料相容的特性,所以选择量子点作为传感器的测量光标将使计算结果更加准确。但是量子点并不具有与硅基材料相容的特性,因此选择量程需要综合考虑 PI体系的物理性质、环境条件及工艺技术等因素,才能确定量程。另外在测量过程中要对薄膜材料、膜厚等进行严格控制,以免发生膜变形和破坏而影响性能。因此在考虑温度、光学性质时,应优先选择对 PI薄膜结构进行精确调控的最佳量程来获得较好的柔性压力信号。

3量程选择方法

为了获得较高的压力传感器精度,需要对影响传感器精度的因素进行考虑和分析,如温度因素,测量元件尺寸因素,测量装置质量因素,测试过程参数因素以及环境因素等。下面主要介绍一下影响因素对线性量程选择的影响。对于线性度敏感的薄膜压力传感器,如图3所示。由于柔性薄膜表面材料在不同种类和不同制备方法的影响下都有不同,因此线性量程选择主要通过测量元件质量分数对线性度敏感量进行计算。此外,测量原理不同还会对线性度敏感量产生影响。因此可根据测量误差不同进行选择不同量程。