CN105783696A - 一种基于柔性电容的应变传感器及其制造和测试方法 - Google Patents
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Abstract
一种基于柔性电容的应变传感器及其制造和测试方法，包括衬底，衬底上由下至上依次设置有底层金属极板、SiO介质层和上层金属极板，衬底上还设置有将底层金属极板、SiO介质层和上层金属极板全部覆盖在内的SU_8隔离屏蔽层，SU_8隔离屏蔽层的上端面分别设置有底层金属极板引出端头和上层金属极板引出端头，SU_8隔离屏蔽层内设置有用于底层金属极板与底层金属极板引出端头相连接的底层金属通孔，及用于上层金属极板与上层金属极板引出端头相连接的上层金属通孔。本发明可有效测量器件表面微小的应变变化，灵敏度高。大大提高了传感器的测量范围。具有成膜质量高、附着性好、厚度薄、内应力小等优点，能有效解决电容应变传感器与基底的附着性问题。
Description
技术领域
本发明涉及一种应变传感器。特别是涉及一种基于柔性电容的应变传感器及其使用和制造方法。
背景技术
应变传感器在各种零部件力学性能以及力学行为研究中发挥着重要的作用。目前，应变传感器已有丝式、箔式、薄膜式、金属、半导体等多种类型，大部分是基于压阻效应，即电阻随应变的变化而成比例的变化。例如专利CN104006735A公开了一种采用厚膜工艺，将电阻、介质以及导体涂料印刷在陶瓷基片上所形成的电阻。当厚膜电阻因外力而产生形变时，导电颗粒在基体内的分布就会发生变化，进而引起材料电阻值的变化。专利CN104880143A公开了一种桥式电阻应变传感器，利用金属弹性体作为弹性元件，通过将其粘贴在弹性体敏感部位组成惠斯通电桥，并在外加电源的激励下将形变转换为电信号。专利CN101435747公开了一种基于应变动态量测的裂缝计设计方法，其特征是从裂缝侧立面引出两个嵌套的弧型金属应变载片，以载片上的应变片作为唯一测值来分析裂缝的动态变化。但是电阻应变传感器对温度过于敏感，受到温度变化影响后，将产生零点漂移和灵敏度漂移，增大测量误差，而添加温度补偿电路往往导致系统变得庞大且复杂。电容应变传感器作为将被测非电量的变化转换为电容量变化的一种传感器,结构简单，成本低，可以在高温、辐射和强烈振动等恶劣条件下工作，且灵敏度高，响应时间短，适合在线和动态测量。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是，提供一种构成简单，成本低，能够方便快捷的进行应变测量的基于柔性电容的应变传感器及其制造和测试方法。
本发明所采用的技术方案是：一种基于柔性电容的应变传感器，包括衬底，所述的衬底上由下至上依次设置有底层金属极板、SiO介质层和上层金属极板，所述的衬底上还设置有将所述的底层金属极板、SiO介质层和上层金属极板全部覆盖在内的SU_8隔离屏蔽层，所述SU_8隔离屏蔽层的上端面分别设置有底层金属极板引出端头和上层金属极板引出端头，所述的SU_8隔离屏蔽层内设置有用于底层金属极板与所述底层金属极板引出端头相连接的底层金属通孔，及用于上层金属极板与所述上层金属极板引出端头相连接的上层金属通孔。
所述的衬底为PET塑料衬底或PEN塑料衬底。
所述的底层金属极板和上层金属极板是由钛与金构成。
所述的底层金属通孔和上层金属通孔内依次注入有钛与金金属。
一种基于柔性电容的应变传感器的制造方法，包括如下步骤：
1)衬底准备：选用塑料材质，用异丙醇和去离子水超声震荡清洗五分钟取出，氮气吹干，热板加热烘干残余溶液形成衬底；
2)在衬底表面淀积底层金属极板；
3)在底层金属极板上分别淀积SiO介质层和上层金属极板；
4)在形成有底层金属极板、SiO介质层和上层金属极板的衬底上均匀地旋涂一层厚度为1.3～1.5um的SU_8光刻胶，形成SU_8隔离屏蔽层，在SU_8隔离屏蔽层，进行光刻形成两个分别连通底层金属极板和上层金属极板的通孔，然后对SU_8隔离屏蔽层进行紫外线曝光45～60秒使SU_8隔离屏蔽层发生交联反应，再将旋涂有SU_8隔离屏蔽层的衬底放在115～120℃热板上坚膜1小时；
5)在所形成的两个通孔内采用真空电子束蒸发淀积30nm厚度的Ti，再蒸发淀积Au填满通孔形成金属通孔，用于底层金属极板和上层金属极板与外部电极连接；
6)在SU_8隔离屏蔽层的上表面旋涂负性光刻胶并光刻，依次采用真空电子束蒸发淀积30nm厚度的Ti和800nm厚度的Au形成应变传感器的电极层，然后用丙酮和超声发生器对应变传感器的电极层进行剥离，进而形成柔性电容应变传感器的电极。
步骤1)所述的塑料材质是PET塑料或PEN塑料。
步骤2)包括：在衬底表面旋涂负性光刻胶，用形成底层金属极板的掩模板进行光刻，并依次采用真空电子束蒸发淀积30nm厚度的Ti和400nm厚度的Au形成底层金属，然后用丙酮溶液和超声发生器剥离掉底层金属中非底层金属极板的金属层，形成底层金属极板作为电容的底层电极。
步骤3)包括：采用负性光刻胶，光刻窗口并采用真空电子束蒸发淀积形成200nm厚度的SiO介质层，然后依次蒸发淀积30nm厚度的Ti和400nm厚度的Au形成上层金属，然后用丙酮溶液和超声发生器将SiO介质层和上层金属极板一起进行剥离，形成上层金属极板作为电容的上层电极。
一种基于柔性电容的应变传感器的测试方法，将基于柔性电容的应变传感器紧密贴附于待测物体的表面，基于柔性电容的应变传感器的两个电极引出端通过互连线与电容检测电路相连，随着待测物体发生形变，基于柔性电容的应变传感器的容值发生实时变化，电容检测电路实时得到基于柔性电容的应变传感器当前的电容值并将电容值转化成电压值，从而得到被测物体的形变量。
本发明的基于柔性电容的应变传感器及其制造和测试方法，采用柔性电容作为应变测量传感器器件。柔性电容对弯曲反馈灵敏，可有效测量器件表面微小的应变变化，灵敏度高。且衬底采用柔性衬底，大大提高了传感器的测量范围。本发明采用电子束真空蒸发镀膜与光刻工艺相结合的技术制备传感器，相比丝网印刷技术，本发明具有成膜质量高、附着性好、厚度薄、内应力小等优点，能有效解决电容应变传感器与基底的附着性问题，避免高温下器件膜层过厚从而内部应力过大导致脱落的问题，提高了器件的可靠性和使用寿命，有利于器件在大应变和高温环境下的应用。该应变传感器构成简单，有效降低了成本，并且操作便捷。
附图说明
图1是本发明的基于柔性电容的应变传感器的结构示意图；
图2是本发明的基于柔性电容的应变传感器测量示意图。
图中
1：衬底2：底层金属极板
3：SiO介质层4：上层金属极板
5：底层金属通孔6：上层金属通孔
7：SU_8隔离屏蔽层8：底层金属极板引出端头
9：上层金属极板引出端头10：基于柔性电容的应变传感器
11：待测物体12：互连线
13：电容检测电路
具体实施方式
下面结合实施例和附图对本发明的基于柔性电容的应变传感器及其制造和测试方法做出详细说明。
如图1所示，本发明的一种基于柔性电容的应变传感器，包括衬底1，所述的衬底1为PET塑料衬底或PEN塑料衬底，起到了支撑基于柔性电容的应变传感器的主体部分的作用。所述的衬底1上由下至上依次设置有底层金属极板2、SiO介质层3和上层金属极板4，所述的衬底1上还设置有将所述的底层金属极板2、SiO介质层3和上层金属极板4全部覆盖在内的SU_8隔离屏蔽层7，所述SU_8隔离屏蔽层7的上端面分别设置有底层金属极板引出端头8和上层金属极板引出端头9，所述的SU_8隔离屏蔽层7内设置有用于底层金属极板2与所述底层金属极板引出端头8相连接的底层金属通孔5，及用于上层金属极板4与所述上层金属极板引出端头9相连接的上层金属通孔6。
底层金属极板2、SiO介质层3和上层金属极板4构成基于柔性电容的应变传感器的主要部分，是在发生应变时的主要容值变化区域。基于柔性电容的应变传感器的上下极板通过上层金属通孔6和底层金属通孔5引出至传感器的顶端，便于测量电路进行测量，SU_8隔离屏蔽层7可大大减小顶层的金属或其他互联线与基于柔性电容的应变传感器上极板产生的寄生电容。
所述的底层金属极板2和上层金属极板4是由钛与金构成。所述的底层金属通孔5和上层金属通孔6内注入有钛和金金属。
本发明的一种基于柔性电容的应变传感器的制造方法，采用基于柔性高速器件的工艺制作，包括如下步骤：
1)衬底准备：选用塑料材质，所述的塑料材质是PET塑料或PEN塑料。对塑料材质用异丙醇和去离子水(DI)超声震荡清洗五分钟取出，氮气吹干，热板加热烘干残余溶液形成衬底；
2)在衬底表面淀积底层金属极板；包括：在衬底表面旋涂负性光刻胶，可以采用型号为AZ5214或SUNLIFT130或ENPI202的负胶，用形成底层金属极板的掩模板进行光刻，并依次采用真空电子束蒸发淀积30nm厚度的Ti和400nm厚度的Au形成底层金属，然后用丙酮溶液和超声发生器剥离掉底层金属中非底层金属极板的金属层，形成底层金属极板作为电容的底层电极。
3)在底层金属极板上分别淀积SiO介质层和上层金属极板；包括：采用负性光刻胶，可以采用型号为AZ5214或SUNLIFT130或ENPI202的负胶，光刻窗口并采用真空电子束蒸发淀积形成200nm厚度的SiO介质层，然后依次蒸发淀积30nm厚度的Ti和400nm厚度的Au形成上层金属，然后用丙酮溶液和超声发生器将SiO介质层和上层金属极板一起进行剥离，形成上层金属极板作为电容的上层电极。
4)在形成有底层金属极板、SiO介质层和上层金属极板的衬底上均匀地旋涂一层厚度为1.3～1.5um的SU_8光刻胶，形成SU_8隔离屏蔽层，在SU_8隔离屏蔽层，进行光刻形成两个分别连通底层金属极板和上层金属极板的通孔，然后对SU_8隔离屏蔽层进行紫外线曝光45～60秒使SU_8隔离屏蔽层发生交联反应，再将旋涂有SU_8隔离屏蔽层的衬底放在115～120℃热板上坚膜1小时；
5)在所形成的两个通孔内采用真空电子束蒸发淀积30nm厚度的Ti，再蒸发淀积Au填满通孔形成金属通孔，用于底层金属极板和上层金属极板与外部电极连接；
6)在SU_8隔离屏蔽层的上表面旋涂负性光刻胶，并光刻，可以采用型号为AZ5214或SUNLIFT130或ENPI202的负胶，依次采用真空电子束蒸发淀积30nm厚度的Ti和800nm厚度的Au形成应变传感器的电极层，然后用丙酮和超声发生器对应变传感器的电极层进行剥离，进而形成柔性电容应变传感器的电极。
如图2所示，本发明的一种基于柔性电容的应变传感器的测试方法，将基于柔性电容的应变传感器10紧密贴附于待测物体11的表面，基于柔性电容的应变传感器10将随待测物体11曲率而弯曲。基于柔性电容的应变传感器10的两个电极引出端，即，底层金属极板引出端头8和上层金属极板引出端头9通过互连线12与电容检测电路13相连，电容检测电路13可选用IrvineSensor公司的MS3110芯片。
测量时，将基于柔性电容的应变传感器紧密贴附于被测物体的表面，基于柔性电容的应变传感器的两个引出端通过互连线与电容检测电路相连，随着待测物体11发生形变，基于柔性电容的应变传感器的容值发生实时变化，电容检测电路可实时得到基于柔性电容的应变传感器当前的电容值并将电容值转化成电压值。提取的基于柔性电容的应变传感器的形变量与电容值的变化对应关系，由此得到形变量—电容值—电压值的关系模型，因此通过检测电路得到的电压值即可得到被测物体的形变量。
Claims (9)
1.一种基于柔性电容的应变传感器，包括衬底(1)，其特征在于，所述的衬底(1)上由下至上依次设置有底层金属极板(2)、SiO介质层(3)和上层金属极板(4)，所述的衬底(1)上还设置有将所述的底层金属极板(2)、SiO介质层(3)和上层金属极板(4)全部覆盖在内的SU_8隔离屏蔽层(7)，所述SU_8隔离屏蔽层(7)的上端面分别设置有底层金属极板引出端头(8)和上层金属极板引出端头(9)，所述的SU_8隔离屏蔽层(7)内设置有用于底层金属极板(2)与所述底层金属极板引出端头(8)相连接的底层金属通孔(5)，及用于上层金属极板(4)与所述上层金属极板引出端头(9)相连接的上层金属通孔(6)。
2.根据权利要求1所述的一种基于柔性电容的应变传感器，其特征在于，所述的衬底(1)为PET塑料衬底或PEN塑料衬底。
3.根据权利要求1所述的一种基于柔性电容的应变传感器，其特征在于，所述的底层金属极板(2)和上层金属极板(4)是由钛与金构成。
4.根据权利要求1所述的一种基于柔性电容的应变传感器，其特征在于，所述的底层金属通孔(5)和上层金属通孔(6)内依次注入有钛与金金属。
5.一种权利要求1所述的基于柔性电容的应变传感器的制造方法，其特征在于，包括如下步骤：
1)衬底准备：选用塑料材质，用异丙醇和去离子水超声震荡清洗五分钟取出，氮气吹干，热板加热烘干残余溶液形成衬底；
2)在衬底表面淀积底层金属极板；
3)在底层金属极板上分别淀积SiO介质层和上层金属极板；
4)在形成有底层金属极板、SiO介质层和上层金属极板的衬底上均匀地旋涂一层厚度为1.3～1.5um的SU_8光刻胶，形成SU_8隔离屏蔽层，在SU_8隔离屏蔽层，进行光刻形成两个分别连通底层金属极板和上层金属极板的通孔，然后对SU_8隔离屏蔽层进行紫外线曝光45～60秒使SU_8隔离屏蔽层发生交联反应，再将旋涂有SU_8隔离屏蔽层的衬底放在115～120℃热板上坚膜1小时；
5)在所形成的两个通孔内采用真空电子束蒸发淀积30nm厚度的Ti，再蒸发淀积Au填满通孔形成金属通孔，用于底层金属极板和上层金属极板与外部电极连接；
6)在SU_8隔离屏蔽层的上表面旋涂负性光刻胶并光刻，依次采用真空电子束蒸发淀积30nm厚度的Ti和800nm厚度的Au形成应变传感器的电极层，然后用丙酮和超声发生器对应变传感器的电极层进行剥离，进而形成柔性电容应变传感器的电极。
6.根据权利要求5所述的基于柔性电容的应变传感器的制造方法，其特征在于，步骤1)所述的塑料材质是PET塑料或PEN塑料。
7.根据权利要求5所述的基于柔性电容的应变传感器的制造方法，其特征在于，步骤2)包括：在衬底表面旋涂负性光刻胶，用形成底层金属极板的掩模板进行光刻，并依次采用真空电子束蒸发淀积30nm厚度的Ti和400nm厚度的Au形成底层金属，然后用丙酮溶液和超声发生器剥离掉底层金属中非底层金属极板的金属层，形成底层金属极板作为电容的底层电极。
8.根据权利要求5所述的基于柔性电容的应变传感器的制造方法，其特征在于，步骤3)包括：采用负性光刻胶，光刻窗口并采用真空电子束蒸发淀积形成200nm厚度的SiO介质层，然后依次蒸发淀积30nm厚度的Ti和400nm厚度的Au形成上层金属，然后用丙酮溶液和超声发生器将SiO介质层和上层金属极板一起进行剥离，形成上层金属极板作为电容的上层电极。
9.一种权利要求1所述的基于柔性电容的应变传感器的测试方法，其特征在于，将基于柔性电容的应变传感器(10)紧密贴附于待测物体(11)的表面，基于柔性电容的应变传感器(10)的两个电极引出端通过互连线(12)与电容检测电路(13)相连，随着待测物体(11)发生形变，基于柔性电容的应变传感器(10)的容值发生实时变化，电容检测电路(13)实时得到基于柔性电容的应变传感器(10)当前的电容值并将电容值转化成电压值，从而得到被测物体的形变量。
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