CN103630762A - 基于柔性衬底的微型三维电场传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种基于柔性衬底的微型三维电场传感器，包括：柔性衬底；多个敏感单元分别形成于所述柔性衬底上，折叠柔性衬底实现电场传感器的三维结构。本发明可测量空间电场的三维矢量，测量精度更加准确，并且具有质量轻、体积小的优点。另外，该三维电场传感器的制备工艺简单且成本低廉，有利于批量化生产。

Description

基于柔性衬底的微型三维电场传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，简称MEMS)领域，尤其涉及一种基于柔性衬底的微型三维电场传感器及其制备方法。

背景技术

电场传感器是测量电场强度和电势的装置，它广泛应用于国防、航空航天、气象探测、电力、地震预报、科学研究以及工业生产等多个领域，具有非常重要的作用。

目前大多数电场传感器仅限于一维矢量的测量。在实际测量中，由于待测电场的方向通常不确定，测量数据仅能反映电场三维矢量某一个方向分量的大小，容易造成测量误差。

发明内容

为解决上述问题，本发明提供了一种基于柔性衬底的微型电场传感器及其制备方法。

根据本发明的一个方面，一种基于柔性衬底的微型三维电场传感器，包括：

柔性衬底；

多个敏感单元分别形成于所述柔性衬底上；

折叠柔性衬底实现电场传感器的三维结构。

根据本发明的另一个方面，一种基于柔性衬底的微型三维电场传感器的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1至10中任一项所述的微型电场传感器，包括：

将配制好的的柔性衬底材料旋涂在硬性基底上；

待所述柔性衬底材料固化形成柔性衬底后，在所述硬性基底的预设位置制备敏感单元，并去除敏感单元位置之外的硬质基底；以及

对柔性衬底进行折叠，使敏感单元分别位于不同的平面上，完成三维电场传感器的制备。

本发明的三维电场传感器可测量空间电场的三维矢量，测量精度更加准确，并且具有质量轻、体积小的优点。本发明的三维电场传感器的制备工艺简单且成本低廉，有利于批量化生产。

附图说明

图1A-图1D为依据本发明实施例基于柔性衬底的微型电场传感器制备方法中执行完各个步骤后元件的剖面图；

图2为依据本发明以三个敏感单元为实施例基于柔性衬底的微型电场传感器制备方法中执行折叠步骤之前元件的立体图；

图3为依据本发明以三个敏感单元为实施例基于柔性衬底的微型电场传感器的立体图。

图4为依据本发明以四个敏感单元为实施例基于柔性衬底的微型电场传感器的立体图。

图5为依据本发明以六个敏感单元为实施例基于柔性衬底的微型电场传感器的立体图

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。需要说明的是，在附图或说明书描述中，相似或相同的部分都使用相同的图号。附图中未绘示或描述的实现方式，为所属技术领域中普通技术人员所知的形式。另外，虽然本文可提供包含特定值的参数的示范，但应了解，参数无需确切等于相应的值，而是可在可接受的误差容限或设计约束内近似于相应的值。

本发明利用柔性衬底20可折叠的特性，基于柔性衬底20加工制作敏感单元1，并形成传感器三维结构。

在本发明的第一个示例性实施例中，提供了一种基于柔性衬底的微型三维电场传感器。如图2所示，该三维电场传感器包括：可折叠的柔性衬底20，三个敏感单元1分别形成于所述柔性衬底20上，通过折叠柔性衬底20，形成如图3所示的三维电场传感器，即在X、Y和Z方向分别形成一个敏感单元1，其中，三个敏感单元1相互垂直。

固定架，位于柔性衬底20的内侧，与柔性衬底20固定连接。用于支撑折叠后的柔性衬底20，增加其稳定性。

以下分别对本实施例基于柔性衬底的微型三维电场传感器的各个部件进行详细说明。

柔性衬底20可选用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、或聚酰亚胺(PI)、或聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、或其混合物、或其他柔性材料。该柔性衬20底的厚度可为0.1μm～10000μm，当然也可根据制造者所需要求自行选择厚度。

敏感单元1可选用硅基材料、金属、金属合金、压电材料或者其他适用于电极制造的材料，通过硅的刻蚀、或多晶硅溅射、或金属溅射、或金属电镀、或金属电铸等方法制造出水平振动、竖直振动或转动式敏感单元1。该敏感单元1的厚度根据具体需要进行选择，一般情况下为1μm～1mm。

固定架并不是本发明三维电场传感器所必须的，在柔性衬底20刚度足够的情况下，该固定架可以省略。在具有固定架的情况下，该固定架的尺寸由折叠后的柔性衬底20的尺寸所确定，其材料可以为金属、塑料、合金、树脂等等，其与柔性衬底20通过粘合剂粘合或机械固定等方式连接。

在本发明第二个实施例电场传感器中，其与第一实施例不同之处在于，其包括：可折叠的柔性衬底20，四个敏感单元1分别形成于所述柔性衬底20上，通过折叠柔性衬底20，形成如图4所示的三维电场传感器，即在X和Y方向分别形成两个敏感单元1，其中，四个敏感单元1两两相互垂直。两组对向面的两个敏感单元1通过差分结构布置，可以分别测量X和Y向电场，Z向电场通过两两相互垂直的四个敏感单元1输出值经过计算得到。

在本发明第三个实施例电场传感器中，其与第一实施例不同之处在于，其包括：可折叠的柔性衬底20，六个敏感单元1分别形成于所述柔性衬底20上，通过折叠柔性衬底20，形成如图5所示的三维电场传感器，即在X、Y和Z方向分别形成两个敏感单元1，其中，六个敏感单元分布在正方体六个面上。

在本发明第四个实施例电场传感器中，其与第一实施例不同之处在于，其包括：可折叠的柔性衬底20上可制作五个、七个甚至更多个敏感单元1，通过折叠柔性衬底20，形成五面体、七面体甚至更多面体的三维电场传感器结构。

在本发明的又一个实施例电场传感器中，其与上述实施例不同之处在于，其包括：可折叠的柔性衬底20，但该柔性衬底上20的多个敏感单元1并不是相互垂直的，而是呈预设的角度。

通过以上的描述，对本发明基于柔性衬底的微型三维电场传感器进行了详细说明。在下文中，将以第一实施例的基于柔性衬底的微型三维电场传感器为例，对基于柔性衬底的微型三维电场传感器的制备方法进行说明。

在本发明的一个示例性实施例中，提供了一种基于柔性衬底的微型三维电场传感器的制备方法。该制备方法包括：

步骤A，常规清洗、处理双面抛光硅片10，如图1A所示；

步骤B，将PDMS预聚物与固化剂以质量比(如10∶1)混合、搅匀，(固化剂含量的多少会影响PDMS的硬度以及柔软程度)，均匀旋涂于硅片10的背面上，厚度约为0.1μm～10000μm，如图1B所示；

步骤C，打薄硅片正面至100μm左右，甩胶、光刻出3个(也可多个)敏感单元1，此时经过刻蚀的硅片只剩所需的敏感结构部分，其他部分已被除去，如图1C所示；

步骤D，在PDMS衬底上甩光刻胶，作为刻蚀敏感单元1背面PDMS柔性衬底20的掩膜，用六氟化硫(SF₆)干法刻蚀PDMS柔性衬底20，形成敏感单元1的水平振动、竖直振动或转动式结构和用于与小型固定架固定的小孔2，如图1D所示；

执行该步骤的过程中，为了防止其他工艺步骤对敏感结构造成破坏，还需要采取必要的措施对敏感单元1进行保护，具体的手段可参见相应文献，此处不再重述。

该步骤又可以包括如下子步骤：

子步骤D1，在PDMS柔性衬底20上旋涂光刻胶，作为刻蚀PDMS柔性衬底20的掩膜，利用事先制作的掩膜版遮挡无需刻蚀的部分，曝光所需刻蚀的部分；

子步骤D2，利用六氟化硫(SF₆)干法刻蚀曝光部分的PDMS柔性衬底20，形成敏感单元1的水平振动、竖直振动或转动式结构，此时PDMS柔性衬底20上的硅敏感结构可以运动而感应所需电场。

步骤S410，去掉光刻胶。

步骤E：对PDMS柔性衬底20进行折叠，使敏感单元1分别位于不同的平面上，完成三维电场传感器的制备。

步骤F，将折叠后的三维电场传感器与固定架连接，用来增加三维电场传感器结构的稳定性，具体可以通过黏合剂的粘合，或者通过制作过程中刻蚀的小孔2，通过小螺丝固定或其他人工方法固定。

至此，本实施例基于柔性衬底的微型三维电场传感器制备方法介绍完毕。至于本发明其他多维电场传感器的制备，本领域技术人员依据以上的描述，进行相应的修改即可，此处不再重复描述。

需要说明的是，上述对各元件的定义并不仅限于实施方式中提到的各种具体结构或形状，本领域的普通技术人员可对其进行简单地熟知地替换，例如：

(1)PDMS还可以用PI或者其他柔性衬底来代替；

(2)敏感单元1即可以用硅来制备，也可以用金属来制备。

与一维电场传感器相比，本发明基于柔性衬底的微型电场传感器成本低、重量轻、测量精度更高，可以广泛应用于气象、智能电网、资源探测等诸多领域。并且该多维电场传感器制备方法，具有工艺加工简单、适合批量化制造等特点，非常利于推广应用。

以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (11)

1.一种基于柔性衬底的微型三维电场传感器，包括：

柔性衬底；

多个敏感单元分别形成于所述柔性衬底上；

折叠柔性衬底实现电场传感器的三维结构。

2.根据权利要求1所述的基于柔性衬底的微型三维电场传感器，所述多个敏感单元包括三个敏感单元，在X、Y和Z方向分别设置一个敏感单元。

3.根据权利要求1所述的基于柔性衬底的微型三维电场传感器，所述多个敏感单元包括四个敏感单元，其中，在X和Y方向分别设置两个敏感单元，所述四个敏感单元通过差分结构布置，分别测量X和Y向电场，Z向电场通过所述四个敏感单元的输出计算得到。

4.根据权利要求1所述的基于柔性衬底的微型三维电场传感器，所述多个敏感单元包括六个敏感单元，在X、Y和Z方向分别设置两个敏感单元。

5.根据权利要求1所述的基于柔性衬底的微型三维电场传感器，还包括：

固定架，位于所述折叠后柔性衬底的内侧，用于支撑所述柔性衬底。

6.根据权利要求5所述的基于柔性衬底的微型三维电场传感器，其特征在于，所述固定架与柔性衬底通过粘合剂粘合或机械固定的方式连接，其材料为金属、塑料、合金或树脂。

7.根据权利要求1所述的基于柔性衬底的微型三维电场传感器，其特征在于，所述柔性衬底的材料为以下材料的一种或多种：聚二甲基硅氧烷、或聚酰亚胺、或聚对苯二甲酸乙二醇酯。

8.根据权利要求1所述的基于柔性衬底的微型三维电场传感器，其特征在于，所述柔性衬底的厚度可为0.1μm～10000μm之间。

9.根据权利要求1所述的基于柔性衬底的微型三维电场传感器，其特征在于，所述敏感单元为水平振动、竖直振动或转动式敏感单元，其材料为硅基材料、金属、金属合金、或压电材料。

10.根据权利要求1所述的基于柔性衬底的微型三维电场传感器，其特征在于，所述柔性衬底折叠后，多个敏感单元成相互垂直或成预设角度。

11.一种基于柔性衬底的微型三维电场传感器的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1至10中任一项所述的微型电场传感器，包括：

将配制好的的柔性衬底材料旋涂在硬性基底上；

待所述柔性衬底材料固化形成柔性衬底后，在所述硬性基底的预设位置制备敏感单元，并去除敏感单元位置之外的硬质基底；以及

对柔性衬底进行折叠，使敏感单元分别位于不同的平面上，完成三维电场传感器的制备。

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