一种柔性多量程电容式压力传感器及其制备方法和应用

摘要

本发明属于压力传感器设计与制造领域，并具体公开了一种柔性多量程电容式压力传感器及其制备方法和应用，该传感器包括从下至上依次设置的柔性基底、多级支撑岛和感压薄膜，多级支撑岛由位于感压薄膜中间的中间圆凸台以及设置在感压薄膜上并与中间圆凸台同心设置的n级环形凸台组成，中间圆凸台与感压薄膜之间设置有顶电极，n级环形凸台由内至外高度依次增大，且最外层环形凸台与柔性基底贴合，柔性基底中部设置有位于中间圆凸台正下方的底电极。本发明传感器在保持高灵敏度的同时拥有宽泛的测压范围，解决了压力传感器量程和灵敏度的矛盾，可满足不同风洞试验对测压范围和灵敏度的需求。

权利要求

1.一种柔性多量程电容式压力传感器，其特征在于，包括从下至上依次设置的柔性基底(1)、多级支撑岛(2)和感压薄膜(3)，其中，所述多级支撑岛(2)由位于感压薄膜中间的中间圆凸台以及设置在感压薄膜上并与中间圆凸台同心设置的n级环形凸台组成，所述中间圆凸台与感压薄膜(3)之间设置有顶电极(5)，n级环形凸台由内至外依次定义为第一级环形凸台至第n级环形凸台，且高度依次增大，所述第n级环形凸台与柔性基底(1)贴合，而其他环形凸台与柔性基底(1)不接触，所述柔性基底(1)的中部设置有位于中间圆凸台正下方的底电极(4)；当传感器受到压力作用时，第n-1级环形凸台首先与柔性基底(1)接触，随着压力的增大，各级环形凸台依次接触柔性基底(1)，中间圆凸台作为电极有效区域，在受压时平行向下移动不发生弯曲变形。

2.如权利要求1所述的柔性多量程电容式压力传感器，其特征在于，所述柔性基底(1)由聚酰亚胺制成，厚度为6～10μm；所述多级支撑岛(2)由聚酰亚胺制成，高度为30～80μm；

所述感压薄膜(3)由聚酰亚胺制成，厚度为6～10μm。

3.如权利要求1所述的柔性多量程电容式压力传感器，其特征在于，相邻环形凸台间的间距为150～200μm，相邻环形凸台间的高度差为10～20μm；环形凸台的圆环厚度为30～50μm。

4.如权利要求1所述的柔性多量程电容式压力传感器，其特征在于，所述底电极(4)和顶电极(5)均设计为叉指结构电极，该叉指结构电极包括沿水平左右方向布置的叉指电极和沿水平前后方向布置的叉指电极，且顶电极与底电极中对应方向的叉指电极部分重叠，以构成沿水平左右方向的差分电容以及沿水平前后方向的差分电容。

5.如权利要求1所述的柔性多量程电容式压力传感器，其特征在于，中间圆凸台的半径为200～500μm，高度至少为感压薄膜厚度的6倍。

6.一种如权利要求1-5任一项所述柔性多量程电容式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：S1在柔性基底(1)上制备底电极(4)，在感压薄膜(3)上制备顶电极(5)；

S2在制备有顶电极(5)的感压薄膜(3)上旋涂柔性材料，前烘固化后旋涂光刻胶，然后前烘、光刻、显影以将旋涂的柔性材料图案化，去除剩下的光刻胶，在180℃下亚胺化处理完成多级支撑岛的中间圆凸台制作；

S3重复步骤S2，依次完成第一级环形凸台至第n级环形凸台的制作，以此在感压薄膜(3)上直接完成多级支撑岛(2)的制备；

S4将步骤S1制备有底电极(4)的柔性基底(1)与步骤S3制备的多级支撑岛(2)键合，以使多级支撑岛的第n级环形凸台与柔性基底(1)贴合在一起，以此完成柔性多量程电容式压力传感器的制备。

7.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，底电极(4)和顶电极(5)采用如下相同方式制备：在柔性基底(1)或感压薄膜层(3)上旋涂光刻胶，在掩模版下曝光、显影，磁控溅射金属电极，去除剩下的光刻胶，得到图案化的底电极层。

8.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤S2中旋涂柔性材料后前烘固化的温度为100℃，时间为90s；旋涂光刻胶之后前烘的温度为90℃，时间为60s。

9.如权利要求6所述的制备方法，其特征在于，步骤S4中键合的工艺为在键合机或光刻机下，将底电极和顶电极对准，在键合剂的作用下，使第n级环形凸台与柔性基底(1)压合在一起。

10.一种多量程智能蒙皮，其特征在于，包括如权利要求1-5任一项所述的柔性多量程电容式压力传感器。

说明书

一种柔性多量程电容式压力传感器及其制备方法和应用

技术领域

[0001] 本发明属于压力传感器设计与制造领域，更具体地，涉及一种柔性多量程电容式压力传感器及其制备方法和应用。

背景技术

[0002] 智能蒙皮是一种具有自诊断、自适应、自学习、自修复等能力的智能材料结构，一般由特定信息的传感器(神经)、控制器(大脑)和驱动器(肌肉)组成，具备信息传递、信息处理和驱动三种功能，在航天、航空、航海、高铁、风洞、机器人皮肤等领域都有很大的应用前景。尤其在航天、航空领域，能够极大提高飞行器的飞行速度、操作机动性、环境感知和安全维护能力。而飞行器表面压力测量对研究飞行器的气动特性尤为重要，压力分布测量目的是测量飞行器各部件，如机翼、尾翼、机身、操纵面、外挂物等表面的压力分布，为飞行器及其各部件结构强度计算提供载荷；为飞行器及其各部件的性能，研究绕模型的流动特性提供数据。通过压力分布测量可以确定机翼上最小压力点位置、激波位置、气流是否分离，以及作用在飞行器上的升力、压差阻力和压力中心的位置等。

[0003] 目前，常规的压力分布通过压力孔测量。在风洞试验中，压力传感器一般有表面安装、嵌入安装和通过管路系统外接至扫描阀三种方式。但是测压孔的存在破坏了模型的整体性，增加了模型的加工难度，且造价高、周期长。对于1.2m量级的跨超音速风洞，在模型表面上一般最多安置500个测压点，在模型的有些部位(如翼尖、翼面后缘、翼身结合处、外挂物挂架、腹鳍等)由于受结构的限制安置测压点也十分困难，这导致所测模型压力分布的空间分辨率不高。另外测压孔改变了附近的流线曲率以及孔内存在漩涡，从而导致压力孔所测压力比真实压力要高，并且不同的孔径和孔缘不规则也会对测量产生不同的影响。另一种测压方法是光学压力测量系统(Optical Pressure Measurement System，OPMS)，利用压敏涂料PSP(Pressure Sensitive Paint)的发光强度随涂层表面压力而变化来实现表面压力的测量，该方法能提供空间分辨率很高的，比常规测压大几个数量级近似连续的压力分布测量。但是压敏涂料PSP对表面温度敏感，必须做修正，而且其在提高测量精度、减少测量时间等方面仍需要深入研究。

[0004] 传感器的灵敏度和量程是一对矛盾的关系，在高超音速的风洞试验中，模型表面压力跨度大，向风面和背风面压力甚至相差几个数量级，并且在不同的总压下，模拟飞机的不同飞行高度，压力差别也很大，目前只能采用不同型号、具有不同量程和灵敏度的传感器来测量。专利CN103644985A和CN102798498A分别公布了一种多量程MEMS压力传感器芯片，通过在芯片上集成多个独立的传感单元实现了多量程，但是该方法有如下缺点：多个独立的传感器单元分布在不同位置，实际测量不同位置的压力；传感器非柔性，需要在模型表面打孔安装，破环了模型的整体性。汪俊等人提出的多层次微结构压力传感器，通过掩模图案化硅片刻蚀区域，得到具有不同高度的金字塔微结构，即提高了低压灵敏度，又拓宽了测量范围。但是该传感器不可用于绝对压力的测量，而且采用PDMS为感压材料，其力学性能受温度影响较大，不适用于飞行器表面压力测量。美国南佛罗里达州坦帕大学的Shyam Aravamudhan等人基于平膜结构设计了一种集成双惠斯通电桥敏感单元的压力传感器芯片背面刻蚀有台阶状背腔形成两层膜片，组成双惠斯通电桥的压敏电阻分别位于内膜片和外膜片四周边缘处。当小压力作用时，内膜片挠曲变形明显对压力敏感，而外膜片不敏感。当大压力作用时，内膜片承受张力，此时外膜片上压敏电阻阻值变化可用于测量压力。但是该传感器以硅为衬底，不具有柔性，同样存在打孔安装的问题，无法与曲面共形安装。

[0005] 因此，针对目前飞行器表面测压的局限和传感器量程与灵敏度的问题，研制一种适用于飞行器智能蒙皮的柔性多量程电容式压力传感器在本领域具有重要的意义。

发明内容

[0006] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种柔性多量程电容式压力传感器及其制备方法和应用，该压力传感器能够适应不同的曲面测量，多级岛膜结构的设计使传感器保持高灵敏度的同时拥有宽泛的测压范围，可满足不同风洞试验对测压范围和灵敏度的需求，解决了压力传感器量程和灵敏度的矛盾，且通过大面积、阵列化制备，可以实现压力的全局测量，克服了常规压力测量需要测压孔和离散式测量的缺点。

[0007] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提出了一种柔性多量程电容式压力传感器，其包括从下至上依次设置的柔性基底、多级支撑岛和感压薄膜，其中，所述多级支撑岛由位于感压薄膜中间的中间圆凸台以及设置在感压薄膜上并与中间圆凸台同心设置的n级环形凸台组成，所述中间圆凸台与感压薄膜之间设置有顶电极，n级环形凸台由内至外依次定义为第一级环形凸台至第n级环形凸台，且高度依次增大，所述第n级环形凸台与柔性基底贴合，而其他环形凸台与柔性基底不接触，所述柔性基底的中部设置有位于中间圆凸台正下方的底电极；当传感器受到压力作用时，第n-1级环形凸台首先与柔性基底接触，随着压力的增大，各级环形凸台依次接触柔性基底，中间圆凸台作为电极有效区域，在受压时平行向下移动不发生弯曲变形。

[0008] 作为进一步优选的，所述柔性基底由聚酰亚胺制成，厚度为6～10μm；所述多级支撑岛由聚酰亚胺制成，高度为30～80μm；所述感压薄膜由聚酰亚胺制成，厚度为6～10μm。

[0009] 作为进一步优选的，相邻环形凸台间的间距优选为150～200μm，相邻环形凸台间的高度差优选为10～20μm；环形凸台的圆环厚度优选为30～50μm。

[0010] 作为进一步优选的，所述底电极和顶电极均设计为叉指结构电极，该叉指结构电极包括沿水平左右方向布置的叉指电极和沿水平前后方向布置的叉指电极，且顶电极与底电极中对应方向的叉指电极部分重叠，以构成沿水平左右方向的差分电容以及沿水平前后方向的差分电容。

[0011] 作为进一步优选的，中间圆凸台的半径优选为200～500μm，高度至少为感压薄膜厚度的6倍。

[0012] 按照本发明的另一方面，提供了一种所述柔性多量程电容式压力传感器的制备方法，其包括如下步骤：

[0013] S1在柔性基底上制备底电极，在感压薄膜上制备顶电极；

[0014] S2在制备有顶电极的感压薄膜上旋涂柔性材料，前烘固化后旋涂光刻胶，然后前烘、光刻、显影以将旋涂的柔性材料图案化，去除剩下的光刻胶，在180℃下亚胺化处理完成多级支撑岛的中间圆凸台制作；

[0015] S3重复步骤S2，依次完成第一级环形凸台至第n级环形凸台的制作，以此在感压薄膜上直接完成多级支撑岛的制备；

[0016] S4将步骤S1制备有底电极的柔性基底与步骤S3制备的多级支撑岛键合，以使多级支撑岛的第n级环形凸台与柔性基底贴合在一起，以此完成柔性多量程电容式压力传感器的制备。

[0017] 作为进一步优选的，底电极和顶电极采用如下相同方式制备：在柔性基底或感压薄膜层上旋涂光刻胶，在掩模版下曝光、显影，磁控溅射金属电极，去除剩下的光刻胶，得到图案化的底电极层。

[0018] 作为进一步优选的，步骤S2中旋涂柔性材料后前烘固化的温度为100℃，时间为90s；旋涂光刻胶之后前烘的温度为90℃，时间为60s。

[0019] 作为进一步优选的，步骤S4中键合的工艺为在键合机或光刻机下，将底电极和顶电极对准，在键合剂的作用下，使第n级环形凸台与柔性基底(1)压合在一起。

[0020] 按照本发明的另一方面，提供了一种多量程智能蒙皮，其包括所述的柔性多量程电容式压力传感器。

[0021] 总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：

[0022] 1.本发明设计了多级岛膜结构，使得传感器具有多级量程和灵敏度，即低压范围内具有高的灵敏度，便于低压的测量，同时又具有高的量程，满足不同风速下的风洞试验对测压范围和灵敏度的需求，并且通过各级岛膜几何参数的设计，可获得任意级量程的压力传感器。

[0023] 2.本发明多级岛膜结构的中心岛膜为电极有效区域，几乎不发生弯曲变形，通过叉指电极设计，可以解耦出水平方向扰动和垂直压力带来的电容变化，解决了水平方向扰动带来的测量误差。

[0024] 3.本发明的传感器采用柔性材料，整体具有柔性，能够很好地共形于模型表面，不需要打孔，因此不会破坏模型的整体性，且消除了打孔带来的测量误差。

附图说明

[0025] 图1为柔性多量程电容式压力传感器的结构示意图；

[0026] 图2为柔性多量程电容式压力传感器的受力示意图，其中，(a)为受正压力作用；(b)为受水平方向扰动；

[0027] 图3(a)-(g)为柔性多量程电容式压力传感器的制备工艺流程图；

[0028] 图4为集成有柔性多量程电容式压力传感器的智能蒙皮系统测量飞机机翼表面压力的示意图。

具体实施方式

[0029] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明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发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

[0030] 本发明实施例提供的一种柔性多量程电容式压力传感器，包括从下至上依次设置的柔性基底1、多级支撑岛2和感压薄膜3，柔性基底1上表面的中部设置有底电极4，感压薄膜3下表面的中部设置有顶电极5，底电极4与顶电极5构成了平行板电容，其中，多级支撑岛2包括中间圆凸台和n级环形凸台，n根据需要进行限定，一般至少包括两级，多级支撑岛的上表面与感压薄膜3的下表面贴合，所述中间圆凸台和n级环形凸台设于感压薄膜的下表面，其中，中间圆凸台位于感压薄膜下表面的中部，n级环形凸台设于感压薄膜下表面上并与中间圆凸台同心设置，将n级环形凸台由内至外依次定义为第一级环形凸台、第二级环形凸台、第三级环形凸台、……、第n级环形凸台，且第一级环形凸台至第n级环形凸台高度依次增大，第n级环形凸台与柔性基底1贴合，柔性基底1上的底电极4位于中间圆凸台的正下方。传感器初始为第一级量程，当传感器上部受到压力作用时，第n-1级环形凸台首先与柔性基底1接触，进入第二级量程，随着压力的增大，各级环形凸台由外至内依次接触柔性基底1，即第n-2级环形凸台与柔性基底1接触，然后是第n-3级环形凸台，直至第1级环形凸台与柔性基底1接触，以依次进入第三级量程、第四级量程、……、第n级量程，相当于集成了多个不同量程、灵敏度的压力传感器，故传感器兼具高灵敏度和高量程，而中间圆凸台作为电极有效区域，在受压时，电极有效区域几乎不发生弯曲变形，平行向下移动。

[0031] 具体的，柔性基底1、多级支撑岛2和感压薄膜3的制备材料均为对温度不敏感的聚酰亚胺，稳定性好，具有优良的抗腐蚀、抗酸碱能力，其中，柔性基底1的厚度为6～10μm，多级支撑岛2的高度为30～80μm，感压薄膜3的厚度为6～10μm，以此基底不会因太薄而容易卷曲，不易于后续的工艺，也不会太厚导致灵敏度太低，并使传感器的整体厚度控制在百微米内，使整个传感器具有很好的柔性，可共形于曲面。进一步的，相邻环形凸台间的间距优选为150～200μm，相邻环形凸台间的高度差优选为10～20μm，环形凸台的圆环厚度优选为30～50μm，以此使各级量程和灵敏度分布均匀适当。更具体而言，中间圆凸台的半径优选为200～500μm，高度至少为感压薄膜厚度的6倍，以此待测电容值不会太小，便于后续的测量，也不会太大而降低阵列化测量的密度，同时其弯曲刚度远大于感压薄膜，保证在受压过程中几乎不发生弯曲变形，平行向下移动。

[0032] 本发明的传感器采用平行板电容式测量原理，感压薄膜和柔性基底之间为参考空腔层，作为测压的参考压力腔。

[0033] 根据平行板电容公式：

[0034]

[0035] 其中，ε0为真空介电常数，A为上下极板(即底电极4与顶电极5)正对面积，εl为多级支撑岛中间圆凸台的相对介电常数、εair为参考空腔的相对介电常数，dl为多级支撑岛的中间圆凸台和感压薄膜的总厚度、dair为多级支撑岛的中间圆凸台和柔性基底之间的空腔厚度，dair随压力变化。

[0036] 当外界压力变化时，感压薄膜变形，导致两极板间距发生变化，电容也随之改变，从而实现压力的测量。通过在感压薄膜上制作环形凸台，构成了多级岛膜结构。在低压时，感压薄膜的跨径大，容易变形，电容变化也大，灵敏度高。随着压力增大，环形凸台与柔性基底层接触，减小了感压薄膜的跨径，相对低压时，难以变形，电容变化小，提高了测压量程。类似的，基于由内至外、从高到低、逐级设计的准则，嵌套多个环形凸台，即可实现多量程的测压传感器。理论上，可以实现的量程数不受限制，使其在低压时具有高的灵敏度，同时又具有大的量程，满足风洞飞行器表面对测压范围和灵敏度的需求。

[0037] 由于风洞测试中传感器表面不可避免会受到水平剪切力的作用，导致上下电极发生水平方向的位移，为了解耦水平方向扰动和垂直方向压力造成的电容变化。将中间岛的厚度设计为感压薄膜厚度的数倍，因此中间岛膜的弯曲刚度远大于感压薄膜的弯曲刚度，故中间岛膜在受力过程中几乎不会发生弯曲变形，将该区域定义为电极的“有效区域”，可以通过叉指电极的设计，从理论上实现解耦。

[0038] 本发明还提供了柔性多量程电容式压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

[0039] S1底电极4和顶电极5的制备

[0040] 取一干净的柔性薄膜作为柔性基底1，清洗、烘干，优选的，考虑到不同风洞试验温度跨度很大，选用高温和低温耐性均很好的聚酰亚胺，可长期使用温度范围-200℃～300℃；在柔性基底1上旋涂光刻胶，在掩模版下曝光、显影，为底电极的图案化作准备，优选的，可以选用AZ5214或AZ4620等正性光刻胶；然后磁控溅射金属电极，去除剩下的光刻胶，得到图案化的底电极层，该电极层可以选用导电性好的铜或金，由于铜或金电极与柔性基底的黏附性不好，所以需要先溅射一层金属铬作为黏附层；

[0041] 取一干净的柔性薄膜作为感压薄膜3，清洗、烘干，优选的，选用高温和低温耐性均很好的聚酰亚胺薄膜，在柔性封装层上旋涂光刻胶，在掩模版下曝光、显影，为顶电极的图案化作准备，优选的，可以选用AZ5214或AZ4620等正性光刻胶；然后磁控溅射金属电极，去除剩下的光刻胶，得到图案化的顶电极层，该电极层可以选用导电性好的铜或金，由于铜或金电极与柔性基底的黏附性不好，所以需要先溅射一层金属铬作为黏附层；

[0042] S2多级支撑岛2的制备

[0043] 同样地，考虑到不同风洞试验温度跨度很大，选用高温和低温耐性均很好的聚酰亚胺来制作多级支撑岛，采用由内至外多次光刻图案化的方式依次制作各级岛膜，具体包括如下步骤：

[0044] S21在制备有顶电极5的感压薄膜3上旋涂柔性材料溶液(聚酰亚胺前驱体溶液)，在温度100℃下前烘90s时间以使得柔性材料溶液固化，然后在固化的柔性材料层上旋涂光刻胶，然后光刻、显影以将光刻胶和旋涂的柔性材料同时图案化(或直接采用光敏性聚酰亚胺树脂)，去除剩下的光刻胶，在180℃下亚胺化处理完成多级支撑岛中间圆凸台的制作，由于旋涂的柔性材料是聚酰亚胺的前驱体溶液，为了得到耐高温、耐低温、抗腐蚀、抗酸碱优良的聚酰亚胺，需要在高温180℃下，使旋涂的聚酰亚胺前驱体脱水亚胺化，反应得到聚酰亚胺，以此保证制备下一级环形凸台的显影环节时不会把上一级已制备的环形凸台去除掉；

[0045] S22重复步骤S21，依次完成第一级环形凸台至第n级环形凸台的制作，即在感压薄膜3上除已制备中间圆凸台的部位旋涂柔性材料溶液(聚酰亚胺前驱体溶液)，在温度100℃下前烘90s时间以使得柔性材料溶液固化，然后在固化的柔性材料层上旋涂光刻胶，然后光刻、显影以将旋涂的柔性材料图案化，去除剩下的光刻胶，在180℃下亚胺化处理完成感压薄膜的第一级环形凸台的制作；在感压薄膜3上除已制备的中间圆凸台和第一级环形凸台的部位旋涂柔性材料溶液完成第二级环形凸台的制作，各级制备工艺相同，以此在感压薄膜3上直接完成多级支撑岛2的制备；

[0046] S3将制备有底电极4的柔性基底1与多级支撑岛2键合，以使感压薄膜上的第n级环形凸台与柔性基底1贴合在一起，以此完成柔性多量程电容式压力传感器的制备。优选的，键合剂可采用AZ4620、SU-8或环氧树脂，如在超高音速风洞中，压力往往很低，绝对压力通常只有几百帕，此时可在真空氛围下键合。

[0047] 下面以三级岛膜结构为例对本发明所设计的柔性多量程电容式压力传感器进行说明，如图1所示，主要由5层组成：柔性基底层1，作为整个器件的支撑；底电极层4与顶电极层5，构成了平行板电容；多级支撑岛2，为传感器的感压部分，也是本发明的关键所在，具有三级支撑岛结构，使传感器具有三级量程，其中最内层(靠近中间圆凸台)的环形凸台为第一级岛膜、最外层环形凸台为第三级岛膜、位于最内层和最外层之间的环形凸台为第二级岛膜，中间圆凸台的高度为H1、半径为a1，中间圆凸台的中心到第一级岛膜的距离为A1，感压薄膜厚度为h，第一级岛膜的高度为H2、内径为A1、外径为a2，第二级岛膜的高度为H3、内径为A2、外径为a3，第三级岛膜的高度为H4、内径为A3、外径为a4，按照由内至外、从高量程到低量程、逐级设计的原则，依次设计各级岛膜的尺寸，实现不同量程和灵敏度。

[0048] 图2为三级岛膜结构的柔性多量程电容式压力传感器的受力示意图，如图2(a)所示，在低压作用下，感压薄膜变形区域为半径r≤A3的圆形区域，容易弯曲变形，灵敏度高，便于低压测量，随着压力的增大，当第二级岛膜的环形区域接触到柔性基底1后，该第二级岛膜作为薄膜弯曲变形的支撑边界，进入第二级量程，感压薄膜变形区域变为半径r≤A2的圆形区域，抗弯曲能力提高，量程增大；当第一级岛膜环形区域接触到柔性基底1后，该第一级岛膜作为薄膜弯曲变形的支撑边界，进入第三级量程，感压薄膜变形区域变为半径r≤A1的圆形区域，抗弯曲能力进一步提高，量程继续增大，直到中间的岛区域(即中间圆凸台)接触到柔性基底1，相当于集成了三个不同量程的压力传感器。理论上，可以做n个岛膜，组成具有n级量程的压力传感器。

[0049] 在风洞中，传感器不可避免地会受到水平方向剪切力的干扰，而剪切力会使感压薄膜水平移动，顶电极与底电极发生横向位移，也会导致电容变化，如图2(b)所示。为了解耦正方向压力和水平方向干扰带来的电容变化，本发明在感压薄膜中间制作了一个半径为a1的岛，且保证H1≥6h，使该部分的弯曲刚度远大于薄膜部分的弯曲刚度，这样薄膜在受压变形过程中，r≤a1部分的岛几乎不会弯曲，将该区域定义为电极的有效区域。在有效区域内，将电极做成叉指型结构。

[0050] 如图2(b)所示，顶电极和底电极均由两个叉指电极组成，其中一个叉指电极的两叉指沿水平左右方向(定义为x向)分布，另一个叉指电极的两叉指沿水平前后方向(定义为y向)分布，并且顶电极与底电极对应方向的叉指部分重叠，即顶电极水平左右分布的两叉指与底电极水平左右分布的两叉指部分重叠，顶电极水平前后分布的两叉指与底电极水平前后分布的两叉指部分重叠，以此构成沿水平左右方向和水平前后方向分布的差分电容，具体的，顶电极水平左右分布的两叉指分别与底电极水平左右分布的两叉指构成电容C1和C2，顶电极水平前后分布的两叉指分别与底电极水平前后分布的两叉指构成电容C3和C4，C1与C2构成水平左右方向的差分电容，C3与C4构成水平前后方向的差分电容，当受到壁面剪切力的干扰时，则有：

[0051]

[0052]

[0053] 式中，ε0为真空介电常数，εl为多级支撑岛中间圆凸台的相对介电常数、εair为空腔的相对介电常数，dl为多级支撑岛的中间圆凸台加上感压薄膜的总厚度、dair为多级支撑岛的中间圆凸台和柔性基底之间的空腔厚度，Δd为在压力作用下两极板(即底电极和顶电极)间下降的距离，Ax0为两极板间x方向叉指电极的初始正对面积、Ay0为两极板间y方向叉指电极的初始正对面积，Ax、Ay分别为由于水平方向扰动导致两极板沿x、y方向正对面积的变化。

[0054] 则：

[0055]

[0056] 式中， 分别为各电容的初始电容量， 只是Δd的函数，反应了电容与压力的对应关系，另外，注意到 与Ax、Ay都无关，说明该电极设计能够解耦出正方向和水平方向带来的电容变化，即消除了水平方向的扰动。

[0057] 以三级岛膜结构为例对本发明所述的传感器的制备方法进行说明，如图3所示，包括如下步骤：

[0058] (1)取厚度为6μm的PI(聚酰亚胺)薄膜，先后在丙酮、乙醇和去离子水中分别超声清洗10min，用氮气吹干，并在80℃的烘箱中烘烤4h，然后将PI薄膜贴附到2寸硅片上，将PI薄膜裁剪成2寸大小；

[0059] (2)底电极制作，在2寸的PI薄膜上旋涂一层AZ5214正性光刻胶7，转速3000rpm，时间60s；然后在热板上前烘，温度90℃，时间60s；再光刻机曝光9s，显影45s；接着磁控溅射Cu电极，由于Cu电极与柔性基底的黏附性不好，需先溅射一层金属Cr作为黏附层，具体是先磁控溅射100nmCr，溅射功率75W，预溅射3min，去除Cr靶材表面的氧化层，正式溅射5min，然后磁控溅射500nmCu作为底电极，溅射功率75W，预溅射3min，去除Cu靶材表面的氧化层，正式溅射15min，如图3(e)所示；将上述PI薄膜放在丙酮溶液中，并借助超声振荡去除剩下的光刻胶，得到图案化的底电极层，如图3(f)所示；

[0060] (3)顶电极制作，另取一片6μm厚2寸大小的PI(聚酰亚胺)薄膜，与底电极的制作工艺相同，按照步骤(2)完成顶电极的制作；

[0061] (4)多级支撑岛制作，在步骤(3)含有顶电极层的聚酰亚胺薄膜上旋涂聚酰亚胺前驱体溶液(北京波米科技有限公司生产)，匀胶速度和时间根据设计的岛膜尺寸参数设定，前烘100℃，时间90s，以初步固化，坚膜120～140℃，时间30～60分钟，以进一步固化并成膜；接着旋涂AZ5214正性光刻胶，转速3000rpm，时间60s，然后在热板上前烘，温度90℃，时间60s，光刻机曝光9s，在ZX-238显影液(含有2.38％四甲基氢氧化铵)中将聚酰亚胺前驱体和AZ5214光刻胶同时图案化，然后在丙酮溶液中去除剩余的光刻胶，最后亚胺化处理，温度180℃，时间60min，将聚酰亚胺前驱体亚胺化为聚酰亚胺，完成感压薄膜上的中间圆凸台的制作，如图3(a)所示，重复3次上述步骤，选用不同的掩模版6，分别如图3(b)、(c)、(d)所示，依次完成一级岛膜、二级岛膜和三级岛膜结构的制备；

[0062] (5)在键合机或光刻机上将步骤(2)得到的底电极聚酰亚胺薄膜和步骤(4)得到的含有三级岛膜结构的聚酰亚胺薄膜对准并键合在一起，键合剂可采用AZ4620、SU-8光刻胶或环氧树脂，AZ4620和SU-8需要加热固化，环氧树脂可以在常温常压下固化，如图3(g)所示。

[0063] 本发明的多量程电容式压力传感器可在智能蒙皮中得到应用，如图4所示，通过集成有本发明的多量程电容式压力传感器的智能蒙皮系统测量飞机机翼8的表面压力，阵列化的压力传感器薄膜共形于机翼表面，在气流压力的作用下，敏感电容产生变化，通过前端多路复用器(MUX)连接到电容数字转换器(CDC)，将电容信号直接转换为电压数字信号，从而实现整个阵列化电容的测量。一般在风洞测试中，为了防止引线对气流的影响，传感器连接线在模型内部走，然后与后面设备相连，此处为了描述，将线画在了外面。为了减小寄生电容的影响(导线、连接点等)，采用差分模式测量，每一个电容通路都采用一个虚拟参考电容。传感器阵列通过屏蔽电缆连接到电路板上。微型控制单元(MCU)对整个工作过程起到控制的作用，既要控制电容转换芯片实时采集，又要把存储测量芯片传过来的数据输出至上位机，进一步处理，还原风洞模型表面压力场分布。

[0064] 本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。