CN104215354B - 一种柔性可拉伸温度传感芯片及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性可拉伸温度传感芯片及其制备方法。本发明芯片包括上层盖片(1)、下层垫片(2)和电极层(3)；所述上层盖片(1)内设有微流道，所述微流道为一蛇形回路(5)；所述微流道的两端分别设有进液口和出液口；所述上层盖片(1)与所述下层垫片(2)贴合配合，进而对所述微流道进行密封；且所述上层盖片(1)上于所述进液口和所述出液口的相应位置处均设有通孔；所述电极层(3)上设有金属薄膜(4)；所述电极层(3)与所述上层盖片(1)贴合配合，且所述金属薄膜(4)覆盖住所述进液口和出液口；所述微流道内填充有离子液体。本发明芯片柔性可拉伸，可用于制造电子皮肤；通电流不发热、温度响应信号大和检测灵敏度高。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性可拉伸温度传感芯片及其制备方法，具体涉及一种离子液体填充型柔性可拉伸温度传感芯片及其制备方法，属于温度传感器领域。
背景技术
电子皮肤是模仿人的皮肤而设计出来的一种集成的柔性可拉伸的传感系统，皮肤将温度压力等信息传给大脑，而电子皮肤将环境信号转化为电信号传输给处理装置。电子皮肤在机器人、假肢制造、可穿戴的医疗实时监测设备等领域有巨大的应用需求,推动着众多研究者参与其设计，使得其有望逐步从概念走向现实。目前，电子皮肤主要研究的是两个方面传感，一是触觉传感，这一方面美籍华裔科学家鲍哲楠等人已经设计出了高灵敏度的柔性传感装置。另一方面是温度传感，美国伊利诺伊大学香槟分校的John A Rogers等人在这方面开展了很多工作，但是由于其工作主要是基于金属薄片作为传感基元，这种设计一方面无法实现可拉伸的性能，另一方面金属通电后其本身产生的焦耳热使得测量的精度受到了限制。
发明内容
本发明的目的是提供一种柔性可拉伸温度传感芯片及其制备方法，该传感芯片结合离子液体和蛇形回路结构而设计，具有柔性可拉伸、本身不发热且温度检测十分灵敏等特点，该传感芯片可用于人体表面温度检测及电子皮肤的制备。
本发明提供的柔性可拉伸温度传感芯片，它包括上层盖片、下层垫片和电极层；
所述上层盖片内设有微流道，所述微流道为一蛇形回路；所述微流道的两端分别设有进液口和出液口；
所述上层盖片与所述下层垫片贴合配合，进而对所述微流道进行密封；且所述上层盖片上于所述进液口和所述出液口的相应位置处均设有通孔；
所述电极层上设有金属薄膜；所述电极层与所述上层盖片贴合配合，且所述金属薄膜覆盖住所述进液口和出液口；
所述微流道内填充有离子液体，离子液体的电导率随温度升高而显著变大，因此可以用于精确的温度检测，而作为一种流体，其流动性保障了一定区域内的连续性，不会出现拉伸弯折时断裂的情况，因此可以用于柔性可拉伸器件的设计。
上述温度传感芯片中，所述进液口和所述出液口位于所述蛇形回路的同侧。
所述电极层上设有2个条带状的所述金属薄膜，每个所述条带状的金属薄膜分别仅覆盖住所述进液口和所述出液口，以降低芯片厚度，使芯片具有更好的柔性和可拉伸性。
上述温度传感芯片中，所述上层盖片的厚度可为1.5～2mm；所述下层垫片的厚度可为200～300μm。
上述温度传感芯片中，所述微流道可为一蛇形回路，所述蛇形回路为圆弧首尾连接形成的回路，所述蛇形回路的总长度在拉伸过程中保持不变或者变化很小，因此，本发明提供的温度传感芯片，在对温度进行测定时，其响应信号不会受到拉伸导致的电阻变化的影响；
所述蛇形回路的宽度具体可为150μm，高度具体可为100μm。
上述温度传感芯片中，所述离子液体为1-辛基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐和1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐中任一种；
上述温度传感芯片中，所述离子液体的电导率随温度升高而显著变大，可用于温度的精确检测；同时，离子液体作为一种流体，本发明芯片在拉伸弯折的情况下，离子液体的流动性保障了一定区域内的连续性，不会出现断裂的情况，因此，本发明温度传感芯片具有柔性可拉伸的性能。
上述温度传感芯片中，所述上层盖片、所述下层垫片和所述电极层均由聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成，具体可为预聚体和交联剂(美国道康宁公司)以质量比为10：1的比例混合后，在65℃下加热2个小时得到。
上述温度传感芯片中，所述金属薄膜为依次沉积的钛膜和金膜，其中，钛膜的沉积时间具体可为1分钟，沉积速度具体可为金膜的沉积时间具体可为3分钟，沉积速度具体可为
上述制备方法，步骤(3)中，在所述键合之前，所述方法还包括对所述上层盖片与所述下层垫片进行真空氧等离子体处理的步骤；
步骤(4)中，在所述键合之前，所述方法还包括对所述电极层与所述上层盖片进行真空氧等离子体处理的步骤。
上述真空氧等离子体处理具体可采用去胶机，条件具体可为PR-4型去胶机在功率330W下，极少量空气存在下起辉，去胶2分钟，去胶速度≥
上述制备方法，步骤(4)中，在蒸镀所述金属膜之前，所述基底上需要蒸镀所述条带状的金属薄膜之外的区域用胶带覆盖。
本发明具有如下有益效果：
与现有的金属传感材料相比，本发明提供的柔性可拉伸温度传感芯片实现了柔性可拉伸的特性，与皮肤相似度更高，可以实现关节等传统传感器无法覆盖部位的传感，有望实现全覆盖的面传感，用于制造机器人的“皮肤”。
本发明同时具有通电流不发热、温度响应信号大和检测灵敏度高的优势，适用于长时间连续的温度精确测定，可用于医疗检测设备中。
本发明制备过程所用技术成熟，所用材料易得，制备成本低，可实现大面积生产。
附图说明
图1为本发明提供的柔性可拉伸温度传感芯片的结构示意图。
图2为本发明上层盖片的微流道全局示意图。
图3为本发明所用的离子液体的ΔG/G0+1与温度关系拟合曲线图，其中内嵌图为35-45℃精细测量的ΔG/G0响应图。
图4为本发明提供的柔性可拉伸温度传感芯片的温度响应循环曲线图。
图5为本发明提供的柔性可拉伸温度传感芯片在不同拉伸量下的电阻相对变化图及对照图，其中内嵌图为X,Y方向变化的放大图。
图6为本发明提供的柔性可拉伸温度传感芯片弯曲前后的电流图，所加电压均为1V。
图中各标记如下：
1、上层盖片，2、下层垫片，3、电极层，4、金属薄膜，5、蛇形回路，6、进/出液口。
具体实施方式
下述实施例中所使用的实验方法如无特殊说明，均为常规方法。
下述实施例中所用的材料、试剂等，如无特殊说明，均可从商业途径得到。
下面结合附图对本发明做进一步的说明，但本发明并不局限于下述实施例。
实施例1、柔性可拉伸温度传感芯片的制备
图1为本发明制备得到的柔性可拉伸温度传感芯片的结构示意图，由图1可知，它包括上层盖片1、下层垫片2和电极层3。
图2为上层盖片1的微流道全局示意图，由图2可以看出，上层盖片1内设有微流道，微流道为一蛇形回路5，微流道的两端分别设有进/出液口6。
图1中上层盖片1与下层垫片2贴合配合，进而对微流道进行密封；且上层盖片1上于所述进/出液口6的相应位置处均设有通孔。电极层3上设有金属薄膜4，电极层3与上层盖片1贴合配合，且金属薄膜4仅覆盖住进/出液口6。微流道内填充有离子液体。
本发明芯片具体可通过如下步骤得到：
1、光刻制备蛇形回路微流道模版
(1)处理硅片：将硅片先后在丙酮、乙醇中超声15分钟，完成后吹干，再放入双氧水和浓硫酸体积比为3：7的溶液中，在热台加热至无气泡冒出为止。
(2)涂光胶：将处理好的硅片放到匀胶机吸住，在其表面倒入适量光胶(SU-8，美国Micro Chem公司)，然后开始甩胶，具体操作为在500r/min下维持9秒，后将转速调至1500r/min下维持30秒即完成。最后，在热台上于65℃条件下加热6分钟，95℃下加热60分钟。
(3)光刻：将已经涂了光胶的硅片放入紫外深度光刻机(URE-2000/25)，真空条件下使其与如图2所示蛇形回路结构的掩模板紧贴后紫外曝光50秒。然后将其放置于热台上65℃下3分钟，95℃下20分钟。
(4)显影：将硅片放入洗胶液中洗胶，直至完全显影，取出，用氮气冲去残液后置于热台上，110℃下加热10分钟使其固化。
2、传感芯片的制备
(1)将预聚体与交联剂比例为10：1的PDMS(Sylgard184，美国道康宁公司)分别倒入放有光刻得到的蛇形回路模版和空白模版的盘中，用于制备上层盖片1和下层垫片2。
(2)放入烘箱，65℃下加热2个小时。
(3)取出，冷却到室温，再将固化得到的PDMS层与模版分离，即得蛇形回路5；在上层盖片中蛇形回路5的两端用打孔器打孔，即得进/出液口6，并将上层盖片和下层垫片切成合适大小。
(4)将上层盖片1与下层垫片2用真空氧等离子体处理，条件具体可为PR-4型去胶机在功率330W下，极少量空气存在下起辉，去胶2分钟，去胶速度≥2分钟后取出室温下迅速键合，放置10分钟以上，使键合牢固。
(5)将上述得到的芯片基底与电极层3用PR-4型去胶机用与(4)相同方法进行真空氧等离子体处理后，迅速往基底微流道中灌注1-辛基-3-甲基咪唑醋酸盐(中科院兰州物化所)，灌满后，将二者室温下键合，使金属薄膜4完全覆盖住进/出液口6，至此，即完成本发明温度传感芯片的制备。
其中，电极层3具体可通过如下步骤制备得到：
1)在PDMS薄片(Sylgard184，美国道康宁公司)上，除了需要镀上金属条带电极部分，其余部分用胶带粘上。
2)将上述薄片放入磁控溅射镀膜仪(ICP-200)中镀钛，时间为1分钟，沉积速度为
3)换金属靶头，将上述薄片镀金，时间为3分钟，沉积速度为
4)取出薄片，剥下胶带，至此，即得到镀有金属薄膜4的电极层3。
实施例2、传感芯片的性能测试
(1)离子液体温度响应测试：将盛有离子液体1-辛基-3-甲基咪唑醋酸盐的试样瓶油浴加热至不同温度，待温度稳定30分钟后用电导率仪进行测试，每隔5分钟测量一次电导率，每个温度下测量4组，得到电导率值σ后，以20℃电导率为σ0，利用公式ΔG/G0+1＝σ/σ0得到各温度下的响应值ΔG/G0+1；以温度为横坐标，以该温度下的响应值的平均值为纵坐标，偏差作为误差棒使用Origin作图。最后进行关系拟合，相关性达到0.99471，结果如图3所示。由图3中的ΔG/G0+1与温度关系拟合曲线以及35-45℃精细测量的ΔG/G0响应图(内嵌图)可知，随着温度的增大，离子液体的响应值明显增大，说明离子液体可用于对温度的检测。
(2)芯片温度响应测试：维持室温20℃不变，将热台温度设定为人体正常温度37℃，将实施例1制备得到的温度传感芯片连上电化学工作站(CHI660E)，选择电流-时间曲线模式，加1V电压，室温下测试芯片2分钟后将芯片放到热台，2分钟后在放到室温下，如此持续6个循环，其中，响应值(ΔG/G0)利用公式ΔG/G0＝I/I0-1，其中I表示实测电流；I0为同样电压下20℃的电流值。以温度为横坐标，响应值为纵坐标，Origin处理后作图，如图4所示，其中，Heat On表示温度变为37℃，Heat Off表示温度降为20℃。
由图4可知，响应变化达250.1％，且在6个循环中，每个循环的响应值基本一致。因此，本发明温度传感芯片可用于人体表面温度检测及电子皮肤的制备。
(3)拉伸性能测试：将实施例1制备得到的芯片连上电化学工作站(CHI660E)，选择电流-时间曲线模式，加1V电压，然后将芯片放到拉伸仪分别延相互垂直的X,Y轴方向拉伸，测试电流变化，每个拉伸状态停留2分钟，取其中稳定后的1分钟的600个电流数据点作为电流数据；同样的，作为对照，将离子液体灌入硅胶软管中，两头套上铁金属电极封住后连上电化学工作站进行拉伸测试。以拉伸比(拉伸比＝(拉伸后的长度/原长-1)×100％)为横坐标，ΔR/R0为纵坐标作图，如图5所示。其中，电阻由所加电压(1V)除以电流数据得到，ΔR为电阻的变化值即拉伸后的电阻减去拉伸前的电阻，R0为拉伸前的电阻。
由如图5可知，拉伸到20％时，软管ΔG/G0变化了45.1％，这主要是由于电阻率不变的情况下，拉伸导致长度增加，横截面积减小，电阻相应增加，而芯片的X,Y方向分别只改变了1.4％和2.2％，因此拉伸对本发明芯片温度测试的影响可忽略，即可认为本发明芯片不受拉伸条件的影响。
(4)柔性测试：将芯片贴到手指关节处，测试关节弯曲对其电阻的影响，将芯片连上电化学工作站(CHI660E)，选择电流-时间曲线模式，加1V电压，然后分别在手指伸直和弯曲的状态下，测试电流变化，每个状态停留2分钟，取其中稳定后的1分钟的600个电流数据点作为电流数据。
实验结果如图6所示，伸直状态电流平均为45.9nA，而弯曲状态为45.1nA，电流变化很小，说明芯片对温度的测试基本不受芯片弯曲的影响。
(5)发热情况测试：将芯片连上电化学工作站(CHI660E)，选择电流-时间曲线模式，加5V电压后用红外相机(分辨率0.1℃)测试芯片温度，10分钟后，再次测试其温度，没有发现温度变化，说明本发明芯片在使用过程中自身不会发热进而影响对温度的测定。
Claims (10)
1.一种柔性可拉伸温度传感芯片，其特征在于：它包括上层盖片、下层垫片和电极层；
所述上层盖片内设有微流道，所述微流道为一蛇形回路；所述微流道的两端分别设有进液口和出液口；
所述上层盖片与所述下层垫片贴合配合，进而对所述微流道进行密封；且所述上层盖片上设有两个通孔，两个所述通孔分别与所述进液口和所述出液口的位置相应；
所述电极层上设有金属薄膜；所述电极层与所述上层盖片贴合配合，且所述金属薄膜覆盖住所述进液口和出液口；
所述微流道内填充有离子液体。
2.根据权利要求1所述的柔性可拉伸温度传感芯片，其特征在于：所述进液口和所述出液口位于所述蛇形回路的同侧；
所述电极层上设有2个条带状的所述金属薄膜，每个所述条带状的金属薄膜分别仅覆盖住所述进液口和所述出液口。
3.根据权利要求1或2所述的柔性可拉伸温度传感芯片，其特征在于：所述离子液体为1-辛基-3-甲基咪唑醋酸盐、1-丁基-3-甲基咪唑醋酸盐和1-乙基-3-甲基咪唑醋酸盐中任一种。
4.根据权利要求3所述的柔性可拉伸温度传感芯片，其特征在于：所述上层盖片、所述下层垫片和所述电极层均由PDMS制成。
5.根据权利要求4所述的柔性可拉伸温度传感芯片，其特征在于：所述金属薄膜为依次沉积的钛膜和金膜。
6.权利要求1-5中任一项所述柔性可拉伸温度传感芯片的制备方法，包括如下步骤：
(1)利用蛇形回路模板制备所述上层盖片；
(2)在所述上层盖片上的所述蛇形回路的两端分别打孔，得到所述进液口和所述出液口；
(3)将所述上层盖片与所述下层垫片进行键合，进而得到所述微流道；并向所述微流道内灌注所述离子液体；
(4)在一基底上镀上所述金属薄膜得到所述电极层；并将所述电极层与所述上层盖片键合，且使所述金属薄膜覆盖住所述进液口和所述出液口；至此，即完成所述柔性可拉伸温度传感芯片的制备。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤(3)中，在所述键合之前，所述方法还包括对所述上层盖片与所述下层垫片进行真空氧等离子体处理的步骤；
步骤(4)中，在所述键合之前，所述方法还包括对所述电极层与所述上层盖片进行真空氧等离子体处理的步骤。
8.根据权利要求6或7所述的制备方法，其特征在于：步骤(4)中，在蒸镀所述金属薄膜之前，所述基底上需要蒸镀所述金属薄膜之外的区域用胶带覆盖。
9.权利要求1-5中任一项所述柔性可拉伸温度传感芯片在组装温度传感器中的应用。
10.权利要求1-5中任一项所述柔性可拉伸温度传感芯片在制备电子皮肤中的应用。
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