CN105627905B - 一种金属薄膜柔性应变传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种金属薄膜柔性应变传感器及其制备方法，所述传感器包括金属薄膜、柔性基材和至少两个触点电极；金属薄膜附着在柔性基材上，两者之间为弱贴合；金属薄膜中具有至少一条贯通的定向长裂纹，该定向长裂纹的宽度为纳米尺度，在厚度方向裂纹贯穿金属薄膜甚至扩展进入柔性基材，所述贯通的定向长裂纹的方向垂直于拉伸方向；当金属薄膜随柔性基材产生拉伸形变时，金属薄膜裂纹展宽甚至断裂，在所述柔性基材拉伸形变释放时，金属薄膜裂纹缩窄最终回到初始状态。本发明的金属薄膜柔性应变传感不仅具有结构简单、灵敏度较高的特点，且制备工艺简单，原材料来源丰富，与现有的集成电路技术相兼容，便于大规模的生产。

Description

一种金属薄膜柔性应变传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种传感元件及其制备方法，特别涉及一种柔性应变传感器及其制备，属于材料及测量科学技术领域。

背景技术

在传感技术领域中，本领域技术人员针对形变、振动已经开发出了多种传感系统。传统的应变片式传感元件结构简单，但是灵敏系数较低，难以满足测量微弱变形信号的需要。压阻式应变传感元件结构复杂，价格相对昂贵，无法适应低成本大规模应用的需求。

所以，有必要提供一种结构简单，且电阻应变灵敏系数较高的传感器装置，能够对微弱形变、振动等进行有效的感应，便于本领域技术人员的操作使用和分析。

本领域技术人员针对构建高灵敏度的应变传感器，以探测微弱的形变或振动，进行了一些尝试。现阶段，高灵敏的应变传感器通常包括两种构型：一是使用本征压阻系数较大的材料作为敏感材料以构建应变传感器，但受材料种类和特性的限制，这种应变传感器存在一定的缺陷，或是柔性不足，或是只能在微观尺度下工作，宏观尺度则失去高灵敏的特性；二是选择合适的材料，设计巧妙的宏/微观结构，使得在小变形下，器件构型产生突变，从而实现灵敏的电学响应。然而，这类尝试往往使用了昂贵的材料，不成熟的制造工艺，复杂的器件结构，增加了成本，也带来了重复性及可靠性的问题。

综上所述，在高灵敏柔性应变传感的技术中，有必要提供一种结构简单，且制造工艺与现阶段最成熟的大规模集成电路制备技术相容的柔性传感器，使得受到微弱形变或振动刺激时具有灵敏的响应，能够产生大幅的电学信号变化。

发明内容

本发明的目的是提供一种金属薄膜柔性应变传感器及其制备方法，使该传感器不仅具有结构简单、灵敏度较高的特点，且制备工艺简单，便于大规模的生产。

本发明的技术方案如下：

一种金属薄膜柔性应变传感器，其特征在于，该应变传感器包括金属薄膜、柔性基材和至少两个触点电极；所述金属薄膜附着在所述柔性基材上，两者之间为弱贴合；金属薄膜中具有至少一条贯通的定向长裂纹，所述贯通的定向长裂纹的宽度为纳米尺度，在厚度方向裂纹贯穿金属薄膜甚至扩展进入柔性基材，所述贯通的定向长裂纹的方向垂直于拉伸方向；在所述金属薄膜随所述柔性基材产生拉伸形变时，所述裂纹展宽甚至断裂，但在拉伸形变释放后，裂纹处恢复原样；所述触点电极设置在所述金属薄膜上，在触点电极上设有引线。

本发明的技术特征还在于，所述金属薄膜为大面积致密、局部断裂的多晶薄膜，其膜厚度为30nm～30μm。

优选地，所述柔性基材包覆所述金属薄膜，以使所述金属薄膜与外部隔离。

优选地，所述金属薄膜为金、铂、铜、银或铝金属薄膜。

优选地，所述触点电极分布在所述金属薄膜的端部位置。

本发明提供的一种金属薄膜柔性应变传感器的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)在柔性基材表面进行预处理，以减弱所述金属薄膜对所述柔性基材的粘附性；

2)采用物理或化学气相沉积方法，在所述柔性基材上形成一层多晶的金属薄膜；

3)对沉积在柔性基材上的金属薄膜进行可控程度的预拉伸，再释放预拉伸，以使得所述金属薄膜上产生贯通的定向长裂纹；

4)在所述金属薄膜上设置触点电极，并在触点电极上连接引线。

本发明提供的另一种述金属薄膜柔性应变传感器的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)在柔性基材表面进行预处理，以减弱所述金属薄膜对所述柔性基材的粘附性；

2)在所述柔性基材上沉积一层金属薄膜，形成多晶金属薄膜；

3)对沉积在柔性基材上的金属薄膜进行可控程度的预拉伸，再释放预拉伸，以使得所述金属薄膜上产生贯通的定向长裂纹；

4)在所述金属薄膜上设置触点电极，并在触点电极上连接引线；

5)在所述金属薄膜的上面再包覆所述柔性基材，以使所述金属薄膜与外部隔离。

本发明所述制备方法中，其特征在于，步骤2)中所述的物理气相沉积方法采用蒸镀或溅射方法。采用蒸镀或溅射时的沉积速率为金属薄膜厚度为30nm～30μm。

本发明的方法中，其步骤4)中采用在金属薄膜上涂覆导电银胶，形成所述触点电极。

本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：

本发明提供的金属薄膜柔性应变传感器中使用金属薄膜作为压敏传感元件，金属薄膜含有贯穿的定向长裂纹结构，能够通过裂纹的开闭对环境中的力学刺激作出形变响应，从而引起电阻迅速变化。本发明的金属薄膜柔性应变传感不仅具有结构简单、灵敏度较高的特点，且制备工艺简单，原材料来源丰富，与现有的集成电路技术相兼容，便于大规模的生产。

附图说明

图1是本发明具体实施例中所述金属薄膜柔性应变传感器的俯视示意图。

图2是本发明具体实施例中所述金属薄膜柔性应变传感器的侧视示意图。

图3是本发明具体实施例中所述金属薄膜柔性应变传感器的拉伸应变-电阻测试曲线。

具体实施方式

下面结合附图进一步说明本发明的具体结构、工作原理、工作过程。

本发明提供了一种金属薄膜柔性应变传感器，其中包括金属薄膜1、柔性基材2、至少两个触点电极3以及引线4。

所述金属薄膜成分为多晶薄膜，在所述金属薄膜中含有贯通的定向长裂纹11，如图1所示。特别的，在所述定向长裂纹11处，裂纹方向垂直于拉伸方向，裂纹从器件的一边贯通到了器件的另一边，而裂纹宽度只在纳米尺度甚至更小，即裂纹初始状态可能是闭合的，而沿着厚度方向，裂纹贯穿金属薄膜甚至有可能扩展进入柔性基材。因此，金属薄膜在所述定向长裂纹11处，力学结构上虽不再连续，其导电性能依然得到了保持。当所述金属薄膜1产生拉伸形变时，所述定向长裂纹11处容易产生较宽的裂纹甚至断裂分离，带来导电特性的急剧变化，造成金属薄膜整体的电阻迅速增大。当拉伸形变释放时，张开的裂纹重新缩小直到恢复初始状态，金属薄膜整体电阻恢复。所述触点电极3设置在所述金属薄膜1上，用于在金属薄膜上连接导线，触点电极最好分布在所述金属薄膜的端部位置，便于通入监测信号。在金属薄膜1上可以设置多个触点电极，以增强对金属薄膜形变的监测，一片金属薄膜上至少应在两个端部分别设置一个触点电极，以使监测电流流经所述金属薄膜。

所述柔性基材2用于承载所述金属薄膜1和触点电极3。由于所述金属薄膜结构较脆弱，不适于直接使用，所述柔性基材2对所述金属薄膜起保护作用，并有助于其产生与被监测环境中相应的形变和振动。所述柔性基材2具有良好的弹性形变能力，其与所述金属薄膜弱贴合，所述金属薄膜能够随所述柔性基材2一同产生形变。当柔性基材2产生拉伸形变时，与柔性载体弱贴合的所述金属薄膜也会产生相同的拉伸形变，当拉伸作用力消失后，所述柔性基材2恢复到初始形状，协助所述金属薄膜回到初始形状。

所述引线4连接在所述触点电极3上，从所述金属薄膜柔性应变传感器中向外引出，用于连接外部监测设备，将监测电流引入所述金属薄膜中。至少有两支所述引线4分别连接在两个触点电极上，以使监测电流正常导通。

所述金属薄膜1上的定向长裂纹11由单根贯通长裂纹组成或者由多条贯通长裂纹并排排列而成。特别的，由于成型方法的不同，所述裂纹的形状可以呈现线型、波浪型等。

本发明所述的金属薄膜柔性应变传感器在工作状态下，金属薄膜中通有监测电流，当所述金属薄膜产生拉伸形变时，所述定向长裂纹处裂纹展开甚至断裂，金属薄膜的电阻大幅上升从而对监测电流产生影响。当所述金属薄膜产生振动时，所述定向长裂纹的结构受到振动影响，引起金属薄膜的电阻变化从而影响监测电流。本发明的金属薄膜，通过裂纹结构受形变影响导致其电学性能产生突变的作用，获得较大的电阻应变灵敏系数。本发明提供的金属薄膜柔性应变传感器适用于对形变和振动的同时监测，并且结构简单，便于本领域技术人员的使用和分析。

本发明所述的金属薄膜为大面积致密、局部断裂的多晶薄膜，其膜厚度为30nm～30μm。可选用金、铂、铜、银或铝等金属。在本实施例中金属薄膜1为金，本领域技术人员可以根据传感器的实际使用情况，对金属薄膜的化学成分进行选择，本发明不对金属种类进行限制

在具体的实施例中，优选所述金属薄膜厚度为50nm。厚度太薄难以均匀成膜；厚度太厚，其与柔性基材之间易产生相对滑动，影响器件的长期使用稳定性。

在本发明的一个实施例中，如图1、2所示，所述触点电极3分布在所述金属薄膜1的端部。一个触点电极3覆盖在所述金属薄膜1的一端，另一个触点电极3覆盖在与上述触点电极3位置相对的另一端，监测电流可以从金属薄膜的一边导入，另一边导出。当所述金属薄膜1产生整体形变时，电阻的变化会影响监测电流的大小，外部设备可以监测到整体形变的情况。特别的，在本实施例中，所述触点电极3由导电银胶构成，本领域技术人员可以在金属薄膜1的端部涂覆一层导电银胶，导电银胶与所述金属薄膜紧密贴合，构成导电电极。所述触点电极3还可以用其它材料形成，本发明不对此进行限制，只要满足可靠的导电性能即可。

优选的，所述柔性基材2可以将所述金属薄膜完全密封。由于所述金属薄膜较脆弱，而所述金属薄膜柔性应变传感器可能需要在恶劣的环境中使用，所以，所述柔性基材2可以包覆在所述金属薄膜的周围，将金属薄膜与外界完全隔离。特别的，所述触点电极3以及引线4的连接端也可以密封在所述柔性基材2中，所述金属薄膜柔性应变传感器的导电部分与外界绝缘。

本发明提供了一种上述金属薄膜柔性应变传感器的制备方法，其包括如下步骤：

1)在柔性基材表面进行预处理，以减弱所述金属薄膜对所述柔性基材的粘附性；

2)采用物理或化学气相沉积方法，在所述柔性基材1上形成一层多晶的金属薄膜；物理气相沉积可采用蒸镀或溅射方法，也可以采用化学气相沉积方法，可选用金、铂、铜、银或铝等金属，金属薄膜厚度为30nm～30μm；采用蒸镀或溅射时的沉积速率为

3)对沉积在柔性基材上的金属薄膜进行可控程度的预拉伸，再释放预拉伸，以使得所述金属薄膜上产生贯通的定向长裂纹11；

4)在所述金属薄膜上设置触点电极3，例如采用在金属薄膜上涂覆导电银胶，形成所述触点电极，并在触点电极上连接引线4。

本发明还提供了的另一种制备方法，与第一种方法所不同的是在所述金属薄膜的上面再包覆所述柔性基材，以使所述金属薄膜与外部隔离。

所述金属薄膜的形状、尺寸等根据实际使用需求进行选择，本实施例中金属薄膜形状为长方形，长度为1cm，宽度为5mm,厚度为50nm。

在所述步骤1中，提供的柔性基材可以采用聚对苯二甲酸乙二酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或者其它聚合物，本实施例中柔性基材为聚二甲基硅氧烷。由于不同金属与不同的聚合物之间相互作用千差万别，应针对具体的金属和聚合物组合选择相应的脱附预处理，以减弱金属薄膜对柔性基材的粘附。

在所述步骤2中，在所述柔性基材上沉积薄膜金属，形成覆盖在所述柔性基材上的金属薄膜。沉积方法可以是蒸发、溅射或其它方法，本发明并不对沉积步骤的方法和原料进行限制，本领域技术人员可以根据实际情况使用不同的沉积方法。本实施例中所述沉积方式为电子束蒸发：首先，将聚二甲基硅氧烷衬底放入高真空电子束蒸发系统中；在蒸发系统腔体密封后，抽真空到真空度10^-5Pa；开始蒸镀操作，金属沉积速率为设定薄膜厚度为50nm，整个蒸镀过程聚合物衬底温度为20℃；金属薄膜达到设定厚度后，停止蒸镀，放入惰性气体如氮气增大腔体气压；直到腔体气压到达大气压，打开腔体舱门，取出蒸镀好金属薄膜的样品。

在所述步骤3中，对沉积后的金属薄膜进行可控程度的预拉伸，本实施例中预拉伸速率为5％/s,预拉伸幅度为10％，再释放预拉伸，释放速率可以和预拉伸速率保持一致。在这一过程中，在垂直于预拉伸的方向上，所述金属薄膜产生贯通的定向长裂纹，该裂纹可进一步扩展进入柔性基底，裂纹的密度随着拉伸速率和拉伸幅度增加而增加，最终形成单根或者一组平行的贯通的定向长裂纹；

在所述步骤4中，在本发明的实施例中，在所述金属薄膜上形成触点电极，例如在所述金属薄膜的端部涂覆导电银胶。

在所述步骤5中，在所述触点电极上连接引线，如银导线或者铜导线。

在所述步骤6中，可以在已设置好触点电极的金属薄膜周围注塑柔性基材进行封装，所述柔性基材可以是聚二甲基硅氧烷，聚甲基丙烯酸甲酯及其它。本发明并不对所述柔性基材的材料进行具体限制，柔性基材只需具有良好的形变能力、易于成型的性质且抗环境氧化、腐蚀等相应工作条件所需要的化学惰性。所述柔性基材可以完全包覆在所述金属薄膜周围，将其完全与外界隔离。本实施例中封装材料为聚二甲基硅氧烷。

按照本实施例中所选择的材料和制备参数，将得到的样品进行单拉测试，拉伸方向与预拉伸金属薄膜的方向保持一致。其应变-电阻测试曲线如图3所示，相应的应变灵敏系数在1％应变范围内超过1000，堪比同类型器件中的最高水平。

以上是本发明提供的金属薄膜柔性应变传感器及其制备方法，虽然已经通过例子对本发明的一些特定实施例进行了详细说明，但是本领域的技术人员应该理解，以上例子仅是为了进行说明，而不是为了限制本发明的范围。本领域的技术人员应该理解，可在不脱离本发明的范围和精神的情况下，对以上实施例进行修改。

Claims (11)

1.一种金属薄膜柔性应变传感器，其特征在于，该应变传感器包括金属薄膜(1)、柔性基材(2)和至少两个触点电极(3)；所述金属薄膜(1)附着在所述柔性基材(2)上，使两者之间形成弱贴合；对柔性基材上的金属薄膜进行可控程度的预拉伸,预拉伸速率为5％/s,预拉伸幅度为10％，再释放预拉伸，释放速率和预拉伸速率保持一致；金属薄膜(1)中具有至少一条贯通的定向长裂纹(11)，所述贯通的定向长裂纹的宽度为纳米尺度，在厚度方向裂纹贯穿金属薄膜甚至扩展进入柔性基材，所述贯通的定向长裂纹的方向垂直于拉伸方向；在所述金属薄膜(1)随所述柔性基材(2)产生拉伸形变时，所述裂纹展宽甚至断裂，但在拉伸形变释放后，裂纹处恢复原样；所述触点电极(3)设置在所述金属薄膜(1)上，在触点电极上设有引线(4)。

2.根据权利要求1所述的一种金属薄膜柔性应变传感器，其特征在于，所述柔性基材(2)包覆所述金属薄膜(1)，以使所述金属薄膜(1)与外部隔离。

3.根据权利要求1所述的一种金属薄膜柔性应变传感器，其特征在于，所述金属薄膜为大面积致密、局部断裂的多晶薄膜，其膜厚度为30nm～30μm。

4.根据权利要求1、2或3所述的一种金属薄膜柔性应变传感器，其特征在于，所述金属薄膜为金、铂、铜、银或铝金属薄膜。

5.根据权利要求1、2或3所述的一种金属薄膜柔性应变传感器，其特征在于，所述触点电极(3)分布在所述金属薄膜的端部位置。

6.一种如权利要求1所述金属薄膜柔性应变传感器的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)在柔性基材表面进行预处理，以减弱所述金属薄膜对所述柔性基材的粘附性；

2)采用物理或化学气相沉积方法，在所述柔性基材(1)上形成一层多晶的金属薄膜；

3)对沉积在柔性基材上的金属薄膜进行可控程度的预拉伸，预拉伸速率为5％/s,预拉伸幅度为10％，再释放预拉伸，释放速率和预拉伸速率保持一致,以使得所述金属薄膜上产生贯通的定向长裂纹(11)；

4)在所述金属薄膜上设置触点电极(3)，并在触点电极上连接引线(4)。

7.根据权利要求6所述的一种金属薄膜柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，步骤4)中采用在金属薄膜上涂覆导电银胶，形成所述触点电极。

8.根据权利要求6所述的一种金属薄膜柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，步骤2)中所述的物理气相沉积方法采用蒸镀或溅射方法。

9.根据权利要求8所述的一种金属薄膜柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，采用蒸镀或溅射时的沉积速率为金属薄膜厚度为30nm～30μm。

10.一种如权利要求2所述金属薄膜柔性应变传感器的制备方法，其特征在于该方法包括如下步骤：

1)在柔性基材表面进行预处理，以减弱所述金属薄膜对所述柔性基材的粘附性；

2)在所述柔性基材上沉积一层金属薄膜，形成多晶金属薄膜；

3)对沉积在柔性基材上的金属薄膜进行可控程度的预拉伸，预拉伸速率为5％/s,预拉伸幅度为10％，再释放预拉伸，释放速率和预拉伸速率保持一致,以使得所述金属薄膜上产生贯通的定向长裂纹(11)；

4)在所述金属薄膜上设置触点电极(3)，并在触点电极上连接引线(4)；

5)在所述金属薄膜的上面再包覆所述柔性基材，以使所述金属薄膜与外部隔离。

11.根据权利要求10所述的一种金属薄膜柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，步骤4)中采用在金属薄膜上涂覆导电银胶，形成所述触点电极。