CN105612588A - 一种具有裂纹的导电薄膜的高灵敏度传感器及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种具有裂纹的高灵敏度传感器。本发明的高灵敏度传感器通过在形成于载体上的导电薄膜上形成细微裂纹获得，所述细微裂纹形成一个电性变化的微连接结构，形成短路或者开路产生电阻值的变化，从而将外界刺激转化为电信号。本发明的高灵敏度传感器能够有效的应用于位移传感器、压力传感器、振动传感器、人造皮肤、声音识别系统等。

Description

一种具有裂纹的导电薄膜的高灵敏度传感器及其制作方法
技术领域
本发明涉及一种具有裂纹的导电薄膜的高灵敏度传感器及其制作方法，特别地，本发明涉及一种多功能的、利用具有细微裂纹的导电薄膜来感应位移、振动和/或压力的高灵敏度传感器，以及通过简单且经济的制造方法制造本发明的传感器。
背景技术
一般说来，高灵敏度传感器往往用于感应微小的信号并将感应信号转换为像电信号这样的数据。高灵敏度传感器是现代工业的基本组成部分，如已知的用于测量压力或拉力的电容传感器、压电传感器以及拉力仪。
然而，这些传感器只能应用于特定的场景下，或者这些传感器受到除压力之外多种环境因素的影响，导致测定值不精确，难以保证重复测定的测定值的一致性。这些传感器固有的结构性问题阻碍了柔性结构的制造。
因用于语音识别的传统麦克风缺乏过滤噪声的能力，在极端噪声环境中，其存在识别率低的问题。
在这样的背景下，为免受先前技术存在的问题，发展新型的高灵敏度传感器和声音识别系统势在必行。
发明内容
技术问题
本发明提供一种减少环境因素影响并能够感应位移、振动和/或压力以及极其细微的变化并保持重复测定的测定值的精确性的多功能、高灵敏度传感器。
本发明还提供了一种制造本发明的高灵敏度传感器的制造方法。
解决问题
本发明一方面，提供一种高灵敏度传感器包括：
载体；
形成于所述载体至少一面上的导电薄膜；
所述导电薄膜包括裂纹，至少部分所述裂纹具有彼此部分接触的相对的裂纹面，
在外界的物理刺激下，所述相对的裂纹面相对移动，使所述相对的裂纹面的接触面积变化或者使所述相对的裂纹面的接触断开-再重新接触，引起所述导电薄膜的电阻变化，所述传感器通过检测所述电阻变化以测量所述外界物理刺激。
本发明另一方面，提供一种制造高灵敏度传感器的方法，其方法包括：
在载体的至少一面上形成一导电薄膜，及
在导电薄膜中形成裂纹。
本发明的有益效果
本发明的高灵敏度传感器利用形成在载体至少一面上的带有裂纹的导电薄膜来高灵敏度地测量压力和/或振动。本发明的高灵敏度传感器能够应用于多种用途中，如振动传感器、压力传感器以及拉力仪；
本发明的高灵敏度传感器能够应用于多种领域，如人造皮肤和声音识别系统，归因于本发明具有形成一种弹性结构的能力；
本发明的高灵敏度传感器能够在一定的工业规模下，通过一种简单的方法制得，具备经济上的优势。
附图简要说明
图1展示本发明的一个实施例涉及的细微裂纹形成在铂金薄膜中的高灵敏度传感器；
图2为本发明的一个实施例涉及的高灵敏度传感器的示意图；
图3展示示例1制造的高灵敏度传感器；
图4为示例1制造的高灵敏度传感器的局部放大图；
图5为示例1制造的高灵敏度传感器的裂纹部分的局部放大图；
图6为示例1制造的高灵敏度传感器的展示裂纹部分的原子力显微镜图像；
图7展示示例1制造的高灵敏度传感器的电阻变化取决于弯曲次数；
图8展示示例1制造的高灵敏度传感器在增大拉力作用下的裂纹面相互相对移动的状态；
图9展示示例1制造的图案化的高灵敏度传感器在变化的拉力作用下电阻变化；
图10展示示例1制造的图案化的高灵敏度传感器在变化的拉力作用下电导系数的变化；
图11阐释示例2制造的图案化的高灵敏度传感器；
图12展示示例2制造的图案化的高灵敏度传感器测量压力的步骤；
图13展示示例2制造的图案化的高灵敏度传感器测量压力的结果；
图14展示具体应用例3的小提琴频率测量的结果；
图15是示例1的高灵敏度传感器贴附于声带上的状态图；
图16是具体应用例4的声音识别系统的测量结果图；
图17按照图式展示具体应用例5中的水滴下落的压力测量系统；
图18是具体应用例5中水滴下落的测量结果图；
图19展示具体应用例6中的脉搏测量结果；
图20是具体应用例7的压力测量系统示意图；
图21是具体应用例7的压力测量结果图；
图22是具体应用例7的压力测量结果图。
最佳实施例
因发明本身允许各种变化和多种实施例，特别的实施例将会以附图形式说明，并且通过书面说明进行细节上的描述。然而，这并非意在将本发明限制在某种特定的使用模式下，而是为了领会到所有的变化、同等体或替代物而不会偏离它本身包含的精髓和技术范畴。在本发明的描述中，当相关技术不会造成对本发明的实质不清楚时，相关技术的详细解释会被省略。
本发明的一个实施例涉及的基于裂纹的高灵敏度传感器，其更详细的说明会被给出。
本发明的高灵敏度传感器包括载体和形成于载体至少一面上的导电薄膜，导电薄膜包括细微裂纹，其相对的裂纹面相对运动以响应外界环境变化，从而导致裂纹的电气特性变化。该传感器利用其电气特性的变化。
一般地，金属薄膜由小的金属粒子沉积形成，金属粒子生长成薄膜而形成晶界。通过外界刺激致使压力在晶界处积累，使得金属晶界变形，导致裂纹沿晶界形成。这样的裂纹一直被认为是导致许多不完美的缺陷，并且现今相当大的研究成果都致力于将裂纹减少到最低限度。
在本发明中，导电薄膜上的裂纹由人工制成，以形成细微的相互连接，使得高灵敏度传感器能够通过其电气变化感应到位移、压力或振动极其细微的变化。即是说，在形成导电薄膜过程中，沿晶界创建的至少部分裂纹具有彼此部分接触的相对的表面。在受到外界刺激时，如被施加一变化的振动或压力刺激时，彼此接触的相对的裂纹面相对运动。此时，裂纹面的接触面积发生变化，致使导电薄膜的电阻发生变化，或者裂纹发生电意义上的短路或是开路，致使导电薄膜的电阻值剧烈的变化。此变化通过导电薄膜的结构检测。因此，高灵敏度传感器能够被用作位移传感器、振动传感器、压力传感器或者拉力仪。
依据一实施例，在导电薄膜中的裂纹可能具有多种形态，其取决于导电薄膜晶界的形态。裂纹的数量并没有特别的限定，其数量的变化取决于多种因素，如导电薄膜的厚度和形成条件。
图1示范性地展示出形成在一个约20纳米厚的铂金薄膜上的裂纹。图1也展示了通过弯曲设于载体上的铂金薄膜以形成纳米尺寸的裂纹结构的部分放大图像。此处，裂纹形成在一个方向上，即使说，其形成在垂直于纸平面的一个方向上，并且裂纹具有互不相连的裂纹线(见虚线框)或是裂纹线被延长(见实线框)的结构。
在实线框中的裂纹线放大图显示，裂纹面彼此相对且彼此接触，裂纹面的面缘被一定间距的相邻的裂纹间隔开来。彼此接触的裂纹面在外界物理刺激作用于裂纹时相对移动。此时，裂纹面接触面积可能发生变化或是被间隔开，由此，导电薄膜的电阻可能发生变化，导致电气短路。被外界刺激分离开的裂纹面在其它外界刺激的作用下，重新与其它裂纹面接触，导致电阻变化。在裂纹面彼此接触之前，外界刺激致使裂纹面相对移动，导致电阻增大，可通过测量电阻的变化以确定外界刺激的存在或是外界刺激的作用大小。在外界刺激之前，相互间隔开几纳米的裂纹面也可通过外界刺激彼此接触，导致电阻的变化。
对能够用作具有裂纹的导电薄膜的金属材料不作限定，只要其具有粒子且能够生长成为晶体薄膜，即使说，只要是多晶体便可。例如，导电薄膜的材料可以是铂金、镍、铜、黄金、银、铁、铬、镁、锌、锡、铝、钴、锰、钨、镉、钯、碳或者它们的混合物或是合金。为了提升传感器的灵敏度，优选的导电薄膜、其在没有外界刺激时该导电薄膜为低电阻；在外界刺激时、随着导电薄膜裂纹面之间接触程度变化导电薄膜电阻发生显著变化。有鉴于此，使用高导电率的金属如铂金、铜或者铝生成的导电薄膜来制作高灵敏度传感器是有益的。
依据一个实施例，导电薄膜不限于某个特定的厚度，但最好具有足够通过机械方法如增大拉力和弯曲力以形成裂纹的厚度。裂纹的形成条件根据金属的种类可能有所不同。例如，导电薄膜的厚度可能有20纳米至40纳米或者有60纳米。
载体可以是高分子材料，其上形成有导电薄膜。载体可为单层或多层结构。例如，载体可为一种由基膜和形成于基膜上的柔性高分子层组成的多层结构。例中适用的柔性高分子包括，但不限于聚氨酯、聚苯乙烯、聚乙二醇以及诺兰光学胶(NorlandOpticalAdhesive,NOA)。适用于例中基膜的材料包括，但不限于聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺以及聚二甲硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)。
载体的厚度可为20微米至50微米，但并不局限于此厚度。
在具有多层结构的载体中，基膜的厚度可为20微米至50微米，但并不局限于此厚度。柔性高分子层的厚度可为1微米至10微米，但并不局限于此厚度。
在导电薄膜上可进一步形成一层附加层，该附加层形成在载体至少一面上。附加层可以采用与柔性高分子层相同的材料形成。
本发明的基于裂纹的高灵敏度传感器能够通过如下步骤制成。
首先，用通用技术制成载体，然后，通过适当的技术如沉积技术使导电薄膜形成在载体的至少一面上，此后，在导电薄膜上生成裂纹。
依据一个实施例，载体的材料可为一种薄膜形式的基膜，如，一种厚度为20微米至50微米的聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或者聚二甲硅氧烷膜。任何非导电材料均可用作载体。选择恰当地载体取决于施加的张力大小或者刺激物的种类，例如，高灵敏度传感器对拉力/压力或者振动的响应。选择恰当地载体厚度也可取决于其用途。
导电薄膜可直接依附于具有单层结构的载体上。作为一种选择，为达到增强载体与导电薄膜间的附着力和优化载体的弯曲性能的目的，在载体上可进一步形成一种柔性高分子层。柔性高分子层还有控制裂纹的密度和形态的功能。高分子层使得导电薄膜与载体的结合更加牢固并更易于拉伸或是弯曲，使裂纹的形成变得容易。进一步地，高分子层控制基膜和金属之间的模量差来改变裂纹的密度、长度以及形状。高分子层在控制传感器的灵敏度和振动频率识别范围方面能够起着重要的作用。
高分子层可采用高分子物如聚氨酯丙烯酸脂(polyurethaneacrylate,PUA)、聚苯乙烯(polystyrene,PS)、聚乙二醇、诺兰光学胶(NorlandOpticalAdhesive,NOA)或者聚二甲硅氧烷(polydimethylsiloxane,PDMS)，以及其他可形成高分子层的材料。高分子层可采用适当的涂层技术形成。涂层技术可能不同，其取决于高分子层的材料。在采用紫外线固化材料如为聚氨酯丙烯酸脂、聚乙二醇或者诺兰光学胶的情况下，其在初始阶段为液态，经紫外光(I-line；360nm)照射后变得坚固，旋转涂布可用于形成具有厚度一致的薄膜。旋转涂布是一种基于快速旋转以形成厚度一致的薄膜的技术，涂层的厚度可通过旋转速度来调整，并且可能受到材料的粘度或者环境湿度的影响。
此外，硅晶片可用于形成高分子层。此种情况下，硅片极小的表面粗糙度使得平整表面形成成为可能。例如，在一预定量的高分子紫外线固化液用滴液管喷洒至载体层至少一面上之后，硅晶片被附着并压在载体层上以得到平整一致的高分子液态层。高分子层的厚度通过控制压力大小来调整至一个期望水平。例如，在10分钟至60分钟内、10帕至30帕的压力条件下，高分子层的厚度范围为1微米至10微米。压力可致使溢出的液态高分子被限制于硅片与载体层之间。一种适用的材料如棉纸或油纸也可用于吸附液态高分子。涂布的高分子层位于紫外线腔体中(波长为365纳米)且在预定时间如30秒到5分钟内，通过紫外线固化处理形成薄膜。
进一步地，聚苯乙烯可作为高分子层的一种材料。此种情况下，聚苯乙烯溶于作为一种有机溶剂的甲苯中，然后通过旋转涂布技术将聚苯乙烯溶液稀薄地涂布在载体层上。在涂布之后，用电热板加热或是用30摄氏度到80摄氏度烘烤1分钟至30分钟的方式蒸发甲苯以得到薄膜。
导电薄膜可利用通用沉积技术形成在单层结构或多层结构的载体上，例如，化学气相沉积(chemicalvapordeposition,CVD)技术，喷溅涂覆技术，电子枪蒸发技术或者热蒸发技术。导电薄膜还可用前述一种或多种的金属形成。裂纹形态可变，其既取决于影响层材料的状态的沉积环境，又取决于金属的种类和金属层的厚度。在本发明中，金属层由高导电率的铂金喷溅涂覆形成。金属被沉积为预定的、更容易形成裂纹的较小厚度。由于厚度极薄的导电薄膜会导致低导电性，因此，要求导电薄膜具有适当的厚度。
金属穿过具有中心孔的金属掩膜被沉积在高分子层上。此沉积使得自由地改变传感器的形状变得容易。例如，具有预定大小的刻痕可形成在薄膜纵向方向上的中心部分，形成的刻痕的形状以标记裂纹形成的位置。刻痕的形成是非必要的，为可选项。
导电薄膜在载体上形成后，裂纹便可形成在导电薄膜中。裂纹的位置并没有特殊地限制，例如，裂纹可沿晶界形成。裂纹可在多种形态下不规则地形成。然而，外界条件可能影响到裂纹的一般形态。裂纹的制作方法概括地分为两种：物理方法，如拉伸和弯曲；化学方法，如蚀刻溶液。用高分子材料制作的载体优选物理方法。例如，将薄膜缠绕到直径为1毫米到10毫米的玻璃棒上以纯弯曲方法形成裂纹。此时，应该理解，裂纹形态的可变取决于金属层厚度和层材料的状态。
在载体是可拉伸的情况下，拉伸是一种有效的形成裂纹的机械方法。此种情况下，拉伸力(如拉力)作用于载体的两端。然后，形成于载体上且具有一定结构强度的导电薄膜受到一个大于其拉伸极限的力，从而形成裂纹。拉伸力的大小由薄膜的厚度确定。如果拉伸力不够大，形成的裂纹就不符合要求。与此同时，如果拉伸力太大，可能损坏导电薄膜。弯曲方法可作为可拉伸的载体的另一种机械方法。
在采用拉伸方法形成裂纹时，整个导电薄膜上可形成一致地裂纹。此时，通过适当地控制拉伸力的大小以改变裂纹的大小和数量。甚至在移除拉伸力的状态下，裂纹可继续保持细微的相互连接关系。
载体也可为一种不可拉伸的膜。在这种情况下，即使在拉伸力作用于膜的两端时，由于膜的拉伸性能有限，导致在导电薄膜上形成的裂纹数量可忽略不计。弯曲方法可作为一种供选择的机械方法，通过弯曲的方法，多数的裂纹形成在导电薄膜的弯曲、容易控制裂纹的区域。控制弯曲角度使得改变裂纹的大小、数量以及裂纹形成的区域变得容易。
通过此种方法形成的裂纹可具有在纳米范围内的极小厚度，例如，从0.1纳米到400纳米。裂纹的厚度可通过测量在纵向方向上的形成的最大的一个裂纹的厚度来确定。
裂纹的长度和数量并不受限制，且其变化取决于所用到的薄膜尺寸、薄膜拉伸程度或弯曲角度。裂纹细微的相互连接及其导致的电气特性变化取决于裂纹的物理因素(如厚度和长度)。
图2为本发明的一个实施例涉及的高灵敏度传感器的示意图。如图2所示，导电薄膜3形成在包括基膜1的载体上。如有需要，柔性高分子层2进一步形成在基膜1上。导电薄膜3的两端经由检测器4相互连接。检测器4的主要功能是检测导电薄膜的电阻，且检测器4需能够测量低电阻值。为了这个目的，检测器4与导电薄膜串联，如一个通用安培表。
本发明基于裂纹的高灵敏度传感器是一种具有超低电阻的、可电反接的传感器，利用纳米级的裂纹来测量外界刺激。本发明的高灵敏度传感器为一种多功能传感器，能够测量压力、位移以及振动。采用柔性材料作为载体以支撑导电薄膜，使得高灵敏度传感器具备弹性。本发明的高灵敏度传感器对超低的压力和应力反应敏感，并且通过检测器高灵敏度地测量在压力和应力范围内的细微的变化。
此外，纳米级相互连接的裂纹在测量后会恢复到它原始状态。因此，在重复使用期间，其测定值并没实质性的不同。本发明的高灵敏度传感器由于材料价格低廉且结构简单，因而能够通过简单的制作方法制作出来。为此，本发明的高灵敏度传感器能够广泛地应用于多种领域。
基于裂纹的高灵敏度传感器适用于一种可电反接传感器，采用纳米级相互连接的裂纹且超低的电阻，从而实现高灵敏度。即是说，具有可电反接相互电连接系统的传感器能显示出非常高的灵敏度的原因在于，在外界物理刺激物的作用下相对移动的纳米级的裂纹面接触面积发生变化，或者接触面断开再重新接触，导致的电气特性的剧烈变化。例如，高灵敏度传感器可具有一个大约为1到5×108的应变灵敏度因子和大约0.1到1000kPa-1高的压力灵敏度范围。本发明的高灵敏度传感器应用于多种领域如弹性支撑物，且能够重复使用。
人造皮肤可为本发明的高灵敏度传感器涉及的另一种应用例。在进化树中，处于较低分支处的生物体上具有较强的皮肤再生功能。相反地，那些位于进化树较高分支处的生物体的皮肤再生能力较弱。人类相较其他生物体而言，皮肤再生功能较弱。较小的皮肤伤口可以自然愈合，但是较大的皮肤伤口如烧伤则不能愈合恢复。此种情况下，人造皮肤被用及。人造皮肤对外界刺激的感应能力是相关领域当前面对的最大问题。归因于胶原的特性，用胶原制作的人造皮肤不能感应到外界刺激。皮肤作为生物体最外层的组织，因而有必要具有感应刺激的能力。本发明的高灵敏度传感器利用单层导电薄膜中细微的相互连接呈现的电阻变化，因而能够做得很薄。本发明的高灵敏度传感器适用于能感应非常细微的刺激的人造皮肤。本发明的高灵敏度传感器能够同时感应压力、拉力以及振动，与真实皮肤的功能相同，并且能够感应重复地刺激。此外，本发明的高灵敏度传感器是可弯曲的，原因在于其由弹性材料制作，便于高灵敏度传感器应用于人造皮肤中。
声音识别系统可为本发明的高灵敏度传感器涉及的另一种应用例。常见的声音识别系统通过如下方式运作：麦克风识别经空气传播的声音信号；识别的信号被分为音节单元或音素单元；单元与数据库中存在的数据进行匹配。常见的声音识别系统在安静环境中具有非常高的识别率。然而，当说话者声音掺杂有噪声时，很难将噪声从声音中分离开，导致识别率低。相对地，当本发明的高灵敏度振动传感器贴附于皮肤上时，其能够过滤从空中传来的噪声，并识别经由说话者皮肤传递的声音，实现识别率的显著提升。
在接下来的示例中，本发明将会提供更详细的说明，包括相对的示例。然而，这些例子只是用于说明发明的目的，并不意在限定发明的范围。
示例1
在70毫米×70毫米大小、50微米厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基膜上涂覆液态聚氨酯丙烯酸脂，然后在其上依序放置硅晶片和约2千克重的书(book)。保持该结构约30分钟。在除去书(book)后，与硅晶片压和的载体层才可允许用紫外灯照射，并用波长为365纳米的紫外线照射约1分钟，以在基膜上形成约3微米厚的柔性高分子层。
将8毫米×35毫米大小且在其中心部位有一个约5毫米的空洞的SUS投影掩膜贴附于载体的一面上，然后在其上通过喷溅系统(MHS-1500，Moohan真空公司)沉积铂金，以形成20纳米厚的铂金薄膜。沉积条件如下：
电源：RF3000W,基准压力：3.0×10-6Torr，加工压力：5mTorr，距离：140mm，时间：36-40sec。
随后，金属穿过掩膜沉积在基膜上，该基膜被刀具或是剪具沿距掩膜形状1毫米的位置处切成10毫米×37毫米的矩形，形成的矩形膜的两端被固定，并且将其中部的空洞部位缠绕在半径为1毫米、2毫米、3毫米的玻璃棒上以形成纳米级的裂纹，从而完成高灵敏度传感器的制作。裂纹的形态取决于拉力的大小。在本示例中，用纯弯曲的方式形成裂纹。
接下来，将一种作为导电材料的银膏涂抹在传感器的两端并用导线连接两端。
图3是扫描式电子显微镜下的高灵敏度传感器的图像。
图4是高灵敏度传感器的局部放大图。
图5是中部空洞区域的放大图。
图5显示出，细微的裂纹形成在铂金导电薄膜上。
图6是原子力显微镜下的铂金上的细微裂纹的图像。图中清楚地显示出形成在铂金薄膜上的纳米级裂纹。
第一具体应用例：重复的弯曲试验。
将在示例1中形成的基于裂纹的高灵敏度传感器固定于在几十微米范围内可微调拉力的拉力试验机(英斯特朗电子拉力机)上。(标准长度＝25毫米，由于传感器是薄膜类，定位刻度线被消除)。传感器在收缩方向上的0、2、4以及6毫米四个位置处重复地弯曲10000次。在1次、10次、1000次以及1000次弯曲后测定电阻的变化，实验结果在图7中示出。由于夹住薄膜两端的拉力实验机抓爪具有导电性，因而将传感器两端抓爪夹住位置处的金属层剥离掉。
在本实验中，传感器两端的电极延伸后与检测器连接，其经由计算机专用线缆与计算机连接，且其电阻值被收集在文本文件中。使用PXI-4071(NI公司)作为检测器采样率设置为每秒100。
从图7可以看出，尽管传感器经过10000次的弯曲，但其电阻值并没有实质性的改变。该结果证明重复使用示例1中的高灵敏度传感器并不会导致裂纹结构上的实质性变化。
当传感器被拉伸时，易观察到裂纹面相互分开。在增大的拉力作用下，相对的裂纹面分得更开。结果如图8所示。在初始阶段，裂纹面之间的间隔只有几纳米，在1％的拉力作用下，裂纹面之间的间隔增加到60至70纳米。然而，一些裂纹面甚至在1.5％的拉力作用下仍保持与其它裂纹面的彼此接触(见图8实线框)。即是说，彼此接触的裂纹面在拉力作用下相互相对移动时，接触面积发生变化，或在施加更大的拉力的时候间隔开。
第二具体应用例
图2显示出，在给传感器提供电流的情况下，通过拉伸在一定状态下的传感器来测量传感器电阻值的变化。图9显示，传感器在变化的拉伸力作用下，传感器的电阻发生变化。特别地，图9a显示，以每分钟1毫米的速度拉伸传感器至最大拉力的2％，并允许传感器恢复到初始状态(如为拉力的0％时)的测量的传感器电阻变化。并且图9a显示，以每分钟0.1毫米的速度拉伸传感器至最大拉力的2％，并允许传感器恢复到初始状态(如为拉力的0％时)的测量的传感器电阻变化。
如图9a所示，电阻增加到初始状态的35倍并且可重复地获得相同的电阻曲线。该结果的出现是因为相互连接的裂纹面在增大的拉力作用下相对移动，导致它们的接触面积减少，最终使得它们相互分隔开，致使电阻值的剧烈变化。当拉力被移除时，传感器收缩，此收缩会导致，相互分隔开的裂纹面重新彼此接触，并且它们的接触面积增大，导致电阻减小。最终，传感器恢复到初始状态。传感器的电阻测定值通过以每分钟0.1毫米的速度拉伸传感器测得。其结果在图9b中显示。传感器在2％拉力大小时的电阻是在初始状态时的电阻的40倍。当移除拉力时(非负载状态)，传感器的电阻恢复到原始电阻阻值。即是说，传感器是一种可电反接的传感器。电阻的改变取决于拉伸的速度。在速度为每分钟0.1毫米时，在2％拉力大小时，传感器的灵敏度被发现超过2000.灵敏度由电阻的变化/初始电阻/拉力所定义。
插入的图9b显示示例1中无图案化的铂金薄膜的电阻变化值。无裂纹的铂金薄膜的数据表明，其在电阻上并没有显著变化。在图9b中的“原理”表示出理论模型与实验数据相符合一致。
图10显示示例1中制成的高灵敏度传感器，在变化的拉力作用下的导电系数的变化。特别地，图10a展示了示例1中制作的高灵敏度传感器导电系数(如初始电阻/电阻比(R0/R),S)值的图像，图10b展示了负的导电系数的导数对应的拉力(10b)。
参见图10a，在施加一拉力时，间隔的裂纹面趋向于增多，导致有裂纹的薄膜的导电系数降低。图10a为展示初始导电系数变化的放大图，从图10a可以看出，导电系数的波动取决于施加的拉力。图10b显示关于拉力的波动的导电系数的导数，其显示出多个正值和负值的峰值，其归因于在施加拉力时，导电系数值的波动。
在图10b中，正值的峰值表示对传感器施加拉力时，被相互分隔开的相对的裂纹面彼此接触，同时正值的峰值表示当传感器在一个与拉力方向垂直的方向上收缩时，被相互间隔开的裂纹面再次与其他裂纹面接触。在拉伸传感器时，具有正泊松比的高分子载体在一个与拉伸方向垂直的方向上收缩。在100个数据中，正峰值和负峰值的平均值用红色表示且为正值，结果表明，在拉伸传感器时，相对的裂纹面相互间隔开来，并再次彼此接触。该过程导致薄膜的导电系数普遍减小。这结果与图9中在传感器被拉伸时，薄膜的电阻倾向于增加的结果相一致。
插入的图10b展示了示例1中制作的未图案化的铂金薄膜的负的导电系数的导数对应的拉力(10b)。术语“未图案化”指的是缺少裂纹。无裂纹的薄膜的导电系数的导数值远远小于具有裂纹的导电薄膜的导电系数的导数值。
示例2
图11表示图案化的、高灵敏度传感器。传感器由以下步骤制成。
首先，在70毫米×70毫米大小、50微米厚的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基膜上涂覆液态聚氨酯丙烯酸脂，然后在其上依序放置硅晶片和约2千克的书(book)依序放置在基膜上。保持该结构约30分钟。之后将书(book)移除，与硅晶片压和的载体层才可允许用紫外灯照射，并用365纳米的紫外光照射约1分钟，以在基膜上形成3微米厚的柔性高分子层。
将一个约200微米厚的SUS光掩模贴附在载体的表面上，用喷溅系统(MHS-1500，Moohan真空公司)在一个较大的区域上沉积20纳米厚的铂金。其沉积条件见下：
电源：RF3000W,基准压力：3.0×10-6Torr，加工压力：5mTorr，距离：140mm，时间：36-40sec。
随后，将基膜的两端夹住，并将其中间的空洞部位缠绕在曲率半径为1毫米的玻璃棒，以在图案化后的铂金薄膜上形成细微裂纹。
将一个200微米厚的SUS光掩模贴附在形成有裂纹的铂金薄膜的载体上，用热蒸发器在一个区域上沉积一层60纳米厚的黄金薄膜形成第一电极。将一个200微米厚的SUS光掩模贴附在黄金薄膜上，用热蒸发器在一个区域上形成一200微米厚的硅氧层以形成绝缘层。此后，用热蒸发器在绝缘层上通过一200微米厚的SUS光掩模形成一厚度为60纳米的黄金导电薄膜以形成第二电极。
随后，如示例1，两端的第一电极和第二电极通过银膏与导线连接，以形成一个多通道敏感元件系统。
多通道系统由64个(8×8)传感器组成，传感器间相互非电性连接。因每个传感器均要求具有一对电极，因此该系统包括总计128个电极。如第一具体应用例而言，被夹紧的电极通过并行总线(采购自美国国家仪器公司NationalInstruments)连接，并且其与检测器连接(PXI-4071)，用于连接至计算机以收集数据。
第二具体应用例
图12表明，将重0.02克的瓢虫和与瓢虫重量相同的聚二甲基硅氧烷片放在示例2中的多通道系统的不同区域中。通过检测器测量在64个传感器中的与压力有关的电阻值的方法与示例2中所提到的方法相一致。因为相互间的通道不与其他通道连接，因而可独立地保存64个通道的数据。因此，在昆虫和聚二甲基硅氧烷片被放置的位置处，电阻值独立地改变，如图13所示。其证明，高灵敏度传感器能够灵敏地感应出细微的压力变化和定位出变化的位置。
第三具体应用例
采用示例1制成的高灵敏度传感器的两末端被双面胶固定在小提琴的琴体上。此后，用四根弦演奏小提琴。用计算机测量传感器的电阻值，如第一具体应用例，其结果在图14中显示。
从图14可以看出，在演奏小提琴期间，特别的振动频率被高灵敏度传感器感应，并用计算机测量电阻的变化和振动的强度。通过使用MATLAB程序对电阻数据进行傅立叶变换以标绘形成频率曲线图。电阻数据通过PXI-4071收集。采样率被设为10000。
第四具体应用例
在采用示例1制作的高灵敏度传感器用透气薄膜(3M)贴附于人体的声带上之后，如图15所示，一种声音识别实验由此产生。
人被要求对“go”、“stop”、“jump”以及“shoot”四个英文单词进行发音。通过PXI-4071(NI公司设备)获取存储在计算机的电阻值，并通过MATLAB程序转换成声谱图，采样率设定为10000，且声谱窗设定为500。通过C++的MFC库的学习过程形成的声谱图构建出声音识别模型。通过声音识别模型的分析表明，采用高灵敏度的传感器对声音的识别是精确的，如图16所示。
第五具体应用例
如图17所阐释的，采用示例1制作的高灵敏度传感器被放置在一个设有超疏水表面的槽的底部，且一3微升的水滴从离槽表面30毫米高的位置处滴落。结果被展示于图18中。动态影像在每秒1000帧时拍摄所得，如图18所示，水滴在超疏水表面弹跳的任何时候，高灵敏度传感器的电阻值都是变化的。
第六具体应用例
采用示例1制成的高灵敏度传感器的两末端用双面胶贴附于人的腕部。测量脉搏导致的电阻变化，结果如图19所示。在人的腕部上涂抹一种非极性的材料如硅油，以利于高灵敏度传感器与腕部的接触，使得传感器能够更加敏感的获取测量数据。
如图19所示，高灵敏度传感器用于感应脉搏的振动和压力，其显示它的电阻值因振动和压力的变化而变化。
第七具体应用例
如图20所示，在通过力控制器(生产于FemtoTools公司)对示例1中的高灵敏度传感器施加一2帕的压力后，测量出电阻的变化，结果如图21所示。
如图21和图22所示，改变对高灵敏度传感器施加的压力导致电阻的改变。这表明施加于高灵敏度的传感器压力的变化和电阻的变化之间几乎没有延迟，且几乎实时感应压力的变化。
虽然本发明的具体实施方式已被详细描述，但是本领域技术人员可以理解，上述的详细说明仅仅是本发明的优选实施例，而并不限定本发明的范围。因此，本发明范围由附加的权利要求和其等同方案进行限定。
工业实用性
本发明的高灵敏度传感器使用形成在载体至少一面上的带有裂纹的导电薄膜来高灵敏度地测量压力和/或振动。本发明的高灵敏度传感器能够被应用于多种应用，如振动传感器、压力传感器以及拉力仪；本发明的高灵敏度传感器能够应用于多种领域，如人造皮肤和声音识别系统，归因于本发明具有形成一种弹性结构的能力；
本发明的高灵敏度传感器能够在一定工业规模上，通过一种简单的方法制得，具备经济上的优势。

Claims (16)

1.一种高灵敏度传感器，其特征在于，包括：
载体；
形成于所述载体至少一面上的导电薄膜；
所述导电薄膜包括裂纹，至少部分所述裂纹具有彼此部分接触的相对的裂纹面；
在外界物理刺激下，所述相对的裂纹面相对移动，使所述相对的裂纹面的接触面积变化、或者使所述相对的裂纹面的接触断开-再重新接触，引起所述导电薄膜的电阻变化，所述传感器通过检测所述电阻变化以测量所述外界物理刺激。
2.根据权利要求1所述的高灵敏度传感器，其特征在于，所述裂纹沿所述导电薄膜的晶界设置。
3.根据权利要求2所述的高灵敏度传感器，其特征在于，所述裂纹为纳米级裂纹。
4.根据权利要求1所述的高灵敏度传感器，其特征在于，所述裂纹通过外界刺激形成电意义上的短路或者开路，以改变导电薄膜的电阻值。
5.根据权利要求4所述的高灵敏度传感器，其特征在于，所述外界刺激包括位移、振动、拉力、压力，以及所述位移、振动、拉力和压力的结合。
6.根据权利要求1所述的高灵敏度传感器，其特征在于，所述载体具有多层结构，包括基膜和形成于基膜上的柔性高分子层。
7.根据权利要求1所述的高灵敏度传感器，其特征在于，所述导电薄膜的厚度为0.1纳米至1微米。
8.根据权利要求1所述的高灵敏度传感器，其特征在于，所述导电薄膜由至少为一种选自铂金、镍、铜、黄金、银、铁、铬、镁、锌、锡、铝、钴、锰、钨、镉、钯以及碳中的导电材料形成。
9.根据权利要求1所述的高灵敏度传感器，其特征在于，所述传感器具有1至5×108的应变灵敏度因子。
10.根据权利要求1所述的高灵敏度传感器，其特征在于，所述传感器具有0.1KPa-1到1000KPa-1的压力灵敏度范围。
11.一种压力传感器，包括如权利要求1至10任一项所述的高灵敏度传感器。
12.一种拉力仪，包括如权利要求1至10任一项所述的高灵敏度传感器。
13.一种振动传感器，包括如权利要求1至10任一项所述的高灵敏度传感器。
14.一种人造皮肤，包括如权利要求1至10任一项所述的高灵敏度传感器。
15.一种声音识别系统，如权利要求1至10任一项所述的高灵敏度传感器。
16.一种制作高灵敏度传感器的方法，包括：
在载体的至少一面上形成导电薄膜，及
在导电薄膜中形成裂纹。
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