CN104523231B - 柔性压力传感件、传感器及其制造方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种柔性压力传感件、传感器及其制造方法，将低成本的半导体加工工艺应用于高灵敏度的压阻式柔性压力传感件、传感器的制造工艺中，通过在半导体刚性基底上制作的沟槽形成柔性基底的齿状结构，并在柔性基底表面涂布导电材料层以及制作电极，制得柔性压力传感件；本发明还可实现对柔性压力传感器灵敏度的有效调控；可按不同需求实现对器件尺寸的定制，从而容易实现器件的小型化；此外，本发明还可非常方便地实现柔性压力传感器与其他器的智能连接，从而为实现器件的智能化提供了保证。

Description

柔性压力传感件、传感器及其制造方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种柔性压力传感件、传感器及其制造方法。
背景技术
近年来，随着智能可穿戴产品的迅速发展，柔性传感器逐渐成为研究人员探索的热点课题之一，其中，柔性压力传感器尤其受到越来越多的关注，其可潜在应用于构建人造电子皮肤，在未来健康医疗领域具有非常广阔的市场前景，此外，柔性压力传感器还是柔性触屏显示以及智能机器人应用中的核心元器件，这些都表明了柔性压力传感器的潜在应用价值。
目前，对于柔性压力传感器的研究可基于多种工作原理，包括电容式、压阻式、压电式等，其所用的基础材料也是种类繁多，包括纳米线、碳纳米管、聚合物纳米纤维、金属纳米颗粒、石墨烯等。
中国专利CN 102410895 B公开了一种织物型压力传感器的制造方法以及制造工具，其将传感织物裁剪成预定的尺寸，通过缝纫的方法连接柔性导电线与所述传感织物的导线；通过夹持定位器在预定的张力下固定所述传感织物；通过下转换层定位盒粘合下转换层和所述传感织物；通过上转换层定位盒粘合调节柱和所述传感织物，通过上转换层定位盒粘合上转换层和所述调节柱。该专利虽能解决织物型压力传感器制造困难的技术问题，但成本较高、工艺较复杂，无法实现器件的小型化，也未对传感器与其他器件智能连接给出启示。
最近有研究结果报道了利用丝绸作为模板制备了高灵敏度的柔性压力传感器，并用于监测人体的脉搏、心跳等健康指标(X.Wang,et.al,Adv.Mater.2014,26,1336–1342)，这是对柔性压力传感器应用研究的一大突破，它充分利用了低成本的制备工艺实现了高灵敏度的柔性传感器，但其面临的主要问题是无法进一步实现器件的小型化，并且在后续应用中如何实现传感器与其他器件的智能连接也将面临很大挑战。
综上所述，如何提供一种低成本、智能化、小型化以及高灵敏度的柔性压力传感器是本领域技术人员亟待解决的技术问题之一。
发明内容
本发明的目的在于弥补上述现有技术的不足，提供一种柔性压力传感件、传感器及其制造方法，以实现传感器的小型化、高灵敏度。
为实现上述目的，本发明提供一种柔性压力传感件，其包括柔性基底，所述柔性基底上具有包括多个齿状结构的齿状结构区域以及电极区域，所述齿状结构区域表面与电极区域表面覆盖有相连的导电材料层，所述电极区域的导电材料层表面还设有电极。
本发明还提供一种柔性压力传感器，其包括两个上述柔性压力传感件，所述两个柔性压力传感件的齿状结构区域的多个齿状结构相互交叉耦合连接，以使得齿状结构区域表面的导电材料层相互接触，所述两个柔性压力传感件的电极分别电连接至电源，以形成回路。
本发明还提供一种柔性压力传感件的制造方法，其包括以下步骤：
步骤S01，提供刚性基底，并在所述刚性基底表面制备具有多个沟槽的沟槽阵列结构；
步骤S02，在所述刚性基底表面涂布液态柔性材料，液态柔性材料填充沟槽并超过沟槽顶部，随后固化所述液态柔性材料，以形成柔性基底，所述柔性基底上具有包括多个齿状结构的齿状结构区域；
步骤S03，取下所述柔性基底，并在柔性基底表面淀积导电材料层；
步骤S04，在所述齿状结构区域的端部的导电材料层表面制备电极。
进一步地，步骤S01中所述沟槽阵列结构的沟槽与沟槽之间凸台的形状为旋转180°的轴对称，以使得制得的柔性压力传感件可以通过多个齿状结构与另一个所述柔性压力传感件的齿状结构相互交叉耦合连接。
进一步地，所述沟槽为倒梯形或倒三角形，所述沟槽之间凸台为相同形状的梯形或三角形。
进一步地，步骤S04包括在所述齿状结构区域端部齿状结构的外侧斜面上的导电材料层表面制备电极。
进一步地，步骤S01包括在所述沟槽阵列结构的端部外侧留有平坦区域，步骤S02中所述柔性基底还具有齿状结构区域端部外侧的平坦的电极区域，步骤S04包括在所述齿状结构区域端部外侧电极区域的导电材料层表面制备电极。
进一步地，所述刚性基底为半导体衬底，较佳地选自Si衬底、SiO2衬底、玻璃衬底、Ge衬底或III-V族半导体衬底。
进一步地，所述刚性基底为Si衬底，步骤S01通过光刻刻蚀工艺制备沟槽阵列结构。
进一步地，所述液态柔性材料选自聚酰亚胺(Polymide)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)，步骤S02中固化采用加热工艺。
进一步地，所述导电材料层选自金属纳米线、碳纳米管、石墨烯或金属纳米颗粒。
进一步地，所述电极选自Ti、Au、Al或Cr，步骤S04采用光刻和剥离工艺。
本发明提供的柔性压力传感件、传感器及其制造方法，将低成本的半导体加工工艺应用于高灵敏度的压阻式柔性压力传感件、传感器的制造工艺中，通过在半导体刚性基底上制作的沟槽形成柔性基底的齿状结构，并在柔性基底表面涂布导电材料层以及制作电极，制得柔性压力传感件；本发明还可通过半导体加工工艺调节柔性基底上的齿状结构的密度，实现对柔性压力传感器灵敏度的有效调控；同时，本发明利用半导体加工工艺制备齿状结构可按不同需求实现对器件尺寸的定制，从而容易实现器件的小型化；此外，本发明利用成熟的半导体加工工艺还可非常方便地实现柔性压力传感器与其他器件(如驱动器件、存储器件等)的智能连接，从而为实现器件的智能化提供了保证。
综上，本发明提供的柔性压力传感件、传感器及其制造方法可以实现柔性压力传感器的低成本、小型化和高灵敏度的发展目标，同时也为智能化提供了基础，具有非常重要的应用价值。
附图说明
为能更清楚理解本发明的目的、特点和优点，以下将结合附图对本发明的较佳实施例进行详细描述，其中：
图1是本发明一实施例柔性压力传感件的结构示意图；
图2是本发明一实施例柔性压力传感器的结构示意图；
图3至图6是本发明一实施例柔性压力传感件制造方法的各步骤示意图；
图7是本发明一实施例柔性压力传感器的测试结果示意图。
具体实施方式
请参阅图1，本实施例的柔性压力传感件包括柔性基底3，柔性基底3上具有包括多个齿状结构311的齿状结构区域31以及电极区域32，齿状结构区域31表面与电极区域32表面覆盖有相连的导电材料层4，电极区域32的导电材料层表面还设有电极5。
请继续参阅图2，本实施例的柔性压力传感器包括两个图1实施例的柔性压力传感件，两个柔性压力传感件的齿状结构区域31的多个齿状结构311相互交叉耦合连接，即齿状结构与另一传感件齿状结构之间的凹槽相配合，如图2所示，以使得齿状结构区域31表面的导电材料层4相互接触，两个柔性压力传感件的电极5分别电连接至电源，以形成回路。
请继续同时参阅图3至图6，以图1实施例的柔性压力传感件为例，说明其制造方法：
步骤S01，提供刚性基底1，并在刚性基底1表面制备具有多个沟槽2的沟槽阵列结构11，如图3所示；
步骤S02，在刚性基底1表面涂布液态柔性材料，液态柔性材料填充沟槽阵列结构11中的沟槽2并超过沟槽2顶部，随后固化液态柔性材料，以形成柔性基底3，柔性基底3上具有包括多个齿状结构311的齿状结构区域31，如图4所示；
步骤S03，取下柔性基底3，如图5所示，并在柔性基底3表面淀积导电材料层4，如图6所示，导电材料层4覆盖柔性基底3的整个表面；
步骤S04，在齿状结构区域31的端部的导电材料层4表面制备电极，得到图1所示的柔性压力传感件。
其中，为了使两个柔性压力传感件的齿状结构区域更好、更紧密地耦合连接，步骤S01中沟槽阵列结构的沟槽与沟槽之间凸台的形状较佳地为旋转180°的轴对称，以确保沟槽内填充制得的柔性基底的齿状结构形状与凸台(即齿状结构之间的凹槽)相一致，以使得制得的柔性压力传感件可以通过多个齿状结构与另一个传感件的齿状结构相互交叉耦合连接。
更进一步地，步骤S01中的沟槽为倒梯形或倒三角形，凸台为与之相同形状的梯形或三角形，以增加耦合连接的贴合性、便捷性。在实际应用中，沟槽和凸台亦可以是其他相同形状，如矩形等。
本实施例中，电极设置于齿状结构区域端部外侧的导电材料层表面，即在步骤S01中沟槽阵列结构的端部外侧留有平坦区域(即非图形区域)，步骤S02中得到的柔性基底还具有齿状结构区域端部外侧的平坦的电极区域，步骤S04则在齿状结构区域端部外侧电极区域的导电材料层表面制备电极。在其他实施例中，也可以在步骤S01中不留有平坦区域，而在步骤S04中将电极制备于齿状结构区域端部齿状结构的外侧斜面上的导电材料层表面，也就是说，两个柔性压力传感件耦合连接时，必定各有一个最外端齿状结构的外侧斜面暴露在外，不与另一个传感件的表面相接触，那么就可以将电极设于该斜面的导电材料层表面上。
本实施例中，刚性基底采用Si衬底，步骤S01采用半导体的光刻刻蚀工艺制备沟槽阵列结构，即先在Si衬底表面通过光刻工艺定义沟槽阵列结构的图形，然后通过干法或湿法刻蚀工艺刻蚀Si衬底形成沟槽阵列结构，最后再将光刻胶去除，从而在Si衬底上形成沟槽阵列结构。本发明将低成本的半导体加工工艺应用于高灵敏度的压阻式柔性压力传感件、传感器的制造工艺中，并可通过半导体加工工艺调节沟槽密度，以调节柔性基底上齿状结构的密度，实现对柔性压力传感器灵敏度的有效调控；还可通过半导体加工工艺制备齿状结构按不同需求实现对器件尺寸的定制，从而容易实现器件的小型化；还便于实现柔性压力传感器与其他器件(如驱动器、存储器件等)的智能连接，从而为实现器件的智能化提供保证。
在其他实施例中，刚性基底还可采用其他半导体衬底，如SiO2衬底、玻璃衬底、Ge衬底或III-V族半导体衬底。
本实施例中，液态柔性材料较佳地选用聚酰亚胺(Polymide)、聚萘二甲酸乙二醇酯(PEN)或聚二甲基硅氧烷(PDMS)，步骤S02中固化采用加热工艺，如聚酰亚胺的固化温度可以为300℃左右，聚二甲基硅氧烷的固化温度可以是100℃以上。
本实施例中，导电材料层较佳地选自金属纳米线、碳纳米管、石墨烯或金属纳米颗粒，且较佳地为导电纳米材料，可采用本领域常规手段淀积而成。电极较佳地选自Ti、Au、Al或Cr，步骤S04较佳地采用光刻和剥离工艺，即先在电极区域的导电材料层表面通过光刻工艺定义电极图形，然后淀积用作电极的金属材料，最后再去除光刻胶，形成所需金属电极。
请接着参阅图2和图7，本实施例制造方法制得的两个柔性压力传感件耦合连接之后，电极分别引出并连接至外接电源，形成回路，得到柔性压力传感器，其工作原理为：首先在未施加任何外力的情况下测试整个回路的电阻，该电阻主要由齿状结构区域之间的两层导电材料层的接触电阻决定，然后通过在器件表面施加压力即可有效增加两层导电材料层接触的紧密程度，从而减小其接触电阻，亦即整个回路的电阻可随着外加压力的增大而减小，因此通过测试回路的电阻变化即可感知外加压力的大小，从而实现压力传感器的功能，其典型测试结果示意图如图7所示，该传感器的灵敏度可通过调节柔性基底的齿状结构密度进行有效调控。这里还需要说明的是，两层导电材料层的接触电阻并不会随着外加压力的不断增大而无限减小，而是当压力增大到一定程度后，两层导电材料层趋近于形成一个整体，从而其接触电阻趋于饱和。
此外，如图2中的箭头所示，本发明所提出的基于齿状结构的柔性压力传感器不仅可用于探测垂直于基底表面的压力，还可用于感知平行于基底表面的剪切力(shearforce)，这对于探索该柔性压力传感器在人造电子皮肤领域的应用具有非常重要的价值。

Claims (10)

1.一种柔性压力传感件，其特征在于：其包括柔性基底，所述柔性基底上具有包括多个齿状结构的齿状结构区域以及电极区域，所述齿状结构区域表面与电极区域表面覆盖有相连的导电材料层，所述电极区域的导电材料层表面还设有电极；通过调节柔性基底上的齿状结构的密度，实现对柔性压力传感器灵敏度的调控。
2.一种柔性压力传感器，其特征在于：其包括两个权利要求1所述的柔性压力传感件，所述两个柔性压力传感件的齿状结构区域的多个齿状结构相互交叉耦合连接，以使得齿状结构区域表面的导电材料层相互接触，所述两个柔性压力传感件的电极分别电连接至电源，以形成回路。
3.一种柔性压力传感件的制造方法，其特征在于，其包括以下步骤：
步骤S01，提供刚性基底，并在所述刚性基底表面制备具有多个沟槽的沟槽阵列结构；
步骤S02，在所述刚性基底表面涂布液态柔性材料，液态柔性材料填充沟槽并超过沟槽顶部，随后固化所述液态柔性材料，以形成柔性基底，所述柔性基底上具有包括多个齿状结构的齿状结构区域；
步骤S03，取下所述柔性基底，并在柔性基底表面淀积导电材料层；
步骤S04，在所述齿状结构区域的端部的导电材料层表面制备电极。
4.根据权利要求3所述的柔性压力传感件的制造方法，其特征在于：步骤S01中所述沟槽阵列结构的沟槽与沟槽之间凸台的形状为旋转180°的轴对称，以使得制得的柔性压力传感件可以通过多个齿状结构与另一个所述柔性压力传感件的齿状结构相互交叉耦合连接。
5.根据权利要求4所述的柔性压力传感件的制造方法，其特征在于：所述沟槽为倒梯形或倒三角形，所述沟槽之间凸台为相同形状的梯形或三角形。
6.根据权利要求3所述的柔性压力传感件的制造方法，其特征在于：步骤S04包括在所述齿状结构区域端部齿状结构的外侧斜面上的导电材料层表面制备电极。
7.根据权利要求3所述的柔性压力传感件的制造方法，其特征在于：步骤S01包括在所述沟槽阵列结构的端部外侧留有平坦区域，步骤S02中所述柔性基底还具有齿状结构区域端部外侧的平坦的电极区域，步骤S04包括在所述齿状结构区域端部外侧电极区域的导电材料层表面制备电极。
8.根据权利要求3所述的柔性压力传感件的制造方法，其特征在于：所述刚性基底选自Si衬底、SiO2衬底、玻璃衬底、Ge衬底或III-V族半导体衬底，步骤S01通过光刻刻蚀工艺制备沟槽阵列结构。
9.根据权利要求3所述的柔性压力传感件的制造方法，其特征在于：所述液态柔性材料选自聚酰亚胺、聚萘二甲酸乙二醇酯或聚二甲基硅氧烷，步骤S02中固化采用加热工艺。
10.根据权利要求3所述的柔性压力传感件的制造方法，其特征在于：所述导电材料层选自金属纳米线、碳纳米管、石墨烯或金属纳米颗粒，所述电极选自Ti、Au、Al或Cr，步骤S04采用光刻和剥离工艺。
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