CN106098927A - 一种三明治式柔性电容式压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种三明治式柔性电容式压力传感器，所述柔性基底层、下金属电极层、柔性介质层、上金属电极层从下至上依次排列；所述下金属电极层包括多个电容、电极；所述上金属电极层包括多个电容、电极；所述电容包括：电容片、弯曲线、电容电极，所述电容片与多个电容电极之间通过弯曲线相连接；所述柔性基底层、柔性介质层均采用PDMS聚二甲基硅氧烷或PI聚酰亚胺或PET聚对苯二甲酸乙二醇酯或柔性玻璃或金属箔或试纸。本发明柔性性能使得该器件可以更好地适应多变化的表面结构，因而具有广泛的应用前景。

Description

一种三明治式柔性电容式压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种三明治式柔性电容式压力传感器及其制备方法，属于微电子技术领域。

背景技术

柔性电子是一门新兴的技术。在人们的印象中，有机材料，如塑料等，都是很好的绝缘体，很少有人会想到塑料也能导电。近年来，由于对导电高分子的研究有了新突破，有机材料可以从传统的绝缘体变成可导电的半导体，柔性电子（Flexible Electronics）便应运而生。现代化学等技术的发展，促进了柔性电子这样一门学科的发展。柔性电子制造的关键包括制造工艺、基板和材料等，其核心是微纳米图案化（Micro-and Nanopatterning）制造，涉及机械、材料、物理、化学、电子等多学科交叉研究。

柔性电子技术是一场全新的电子技术革命，引起全世界的广泛关注并得到了迅速发展。美国《科学》杂志将有机电子技术进展列为2000年世界十大科技成果之一，与人类基因组草图、科隆技术等重大发现并列。美国科学家艾伦黑格、艾伦•马克迪尔米德和日本科学家白川英树由于他们在导电聚合物领域的开创性工作而获得2000年诺贝尔化学奖。

柔性电子技术目前正处于起步阶段，又称为塑料电子（Plastic Electronics）、印刷电子（Printed Electronics）、有机电子（Organic Electronics）、聚合体电子（PolymerElectronics）等；而关于其定义，目前还没有统一明确的概念，可概括为将有机/无机材料电子器件制作在柔性/可延性塑料和薄金属基板上的新兴电子技术。柔性电子以其独特的柔性/延展性以及高效、低成本制造工艺，在信息、能源、医疗、国防等领域具有广泛应用前景，如柔性电子显示器、有机发光二极管OLED、印刷RFID、薄膜太阳能电池板、电子报纸、电子皮肤/人工肌肉等。柔性电子除整合电子电路、电子组件、材料、平面显示、纳米技术等领域技术外，同时横跨半导体、封测、材料、化工、印刷电路板、显示面板等产业，可协助传统产业，如塑料、印刷、化工、金属材料等产业的转型，提升产业附加价值，因此柔性电子技术的发展必将为产业结构和人类生活带来革命性的变化。

目前，部分柔性电子技术应用于相关压力电容中，但其在处理金属电极的延展性时还存在很大问题，如何提升柔性材料上的金属电极的伸缩延展性将是柔性电子技术一个需要重点突破的问题。

发明内容

目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明提供一种三明治式柔性电容式压力传感器及其制备方法。

技术方案：为解决上述技术问题，本发明采用的技术方案为：

一种三明治式柔性电容式压力传感器，包括：柔性基底层、下金属电极层、柔性介质层、上金属电极层，所述柔性基底层、下金属电极层、柔性介质层、上金属电极层从下至上依次排列；所述下金属电极层包括多个电容、电极，所述电容呈矩阵结构排列在柔性基底层顶面，所述电极呈对称结构设置在柔性基底层顶面；所述上金属电极层包括多个电容、电极，所述电容呈矩阵结构排列在柔性介质层顶面，所述电极呈对称结构设置在在柔性介质层顶面；所述电容包括：电容片、弯曲线、电容电极，所述电容片与多个电容电极之间通过弯曲线相连接；所述柔性基底层、柔性介质层均采用PDMS聚二甲基硅氧烷或PI聚酰亚胺或PET聚对苯二甲酸乙二醇酯或柔性玻璃或金属箔或试纸。

还包括牺牲层，所述柔性基底层底部设置有牺牲层，所述牺牲层周边与柔性基底层底部设置有1-10mm的空隙；所述牺牲层采用光刻胶层或镁铝层或镍铝层。

作为优选方案，所述柔性基底层、柔性介质层的厚度设置为200nm-1000nm。

作为优选方案，所述下金属电极层、上金属电极层的厚度设置为1um-5um。

作为优选方案，所述弯曲线的线宽设置为200nm-500nm。

一种三明治式柔性电容式压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

步骤一：采用匀胶机在硅片上匀涂一层光刻胶，然后烘烤固化，擦净边缘的一圈形成牺牲层；

步骤二：采用匀胶机将PDMS聚二甲基硅氧烷液体在牺牲层上涂上均匀一层，然后烘烤固化形成柔性基底层；

步骤三：利用Auto CAD 软件绘制电容和电极布局图，并制作成菲林掩膜片；电容片与多个电容电极之间通过弯曲线相连接；电容呈矩阵结构排列，电极呈对称结构排列；然后，采用光刻、溅射，外加电镀法，将电容和电极沉积在柔性基底层顶面上成为下金属电极层；

步骤四，采用匀胶机在下金属电极层上匀涂一层PDMS聚二甲基硅氧烷液体，然后烘烤固化而成柔性介质层；

步骤五：利用Auto CAD 软件绘制电容和电极布局图，并制作成菲林掩膜片；电容片与多个电容电极之间通过弯曲线相连接；电容呈矩阵结构排列，电极呈对称结构排列；然后，采用光刻、溅射，外加电镀法，将电容和电极沉积在柔性介质层顶面上成为上金属电极层。

有益效果：本发明提供的一种三明治式柔性电容式压力传感器，采用柔性基底层、柔性介质层，并用柔性材料PDMS聚二甲基硅氧烷或PI聚酰亚胺或PET聚对苯二甲酸乙二醇酯或柔性玻璃或金属箔或试纸制成。下金属电极层、上金属电极层采用铜或铝。牺牲层可以是光刻胶、镁铝层、镍铝层。本设计创新性地提出在柔性高分子材料上直接沉积金属电极而制备柔性器件的新方案。其中，采用弯曲线连接使得电容电极的延展伸缩性得到有效的提升，更好地适应柔性基底极其介质的柔性，能够在使用金属电极的前提下极大地提高器件的柔性性能。矩阵式的电容分布，通过测量附近多个电容的电压变化，可以感应并精确地测算出出受压位置及其压力大小。

本发明的优点为：

1、本发明中所介绍的柔性电子器件融合传统压力感应电容制作方法与柔性电子器件工艺于一体，构思新颖独特。

2、本发明中所介绍的器件制备工艺简单，且具备良好的柔性性能。

3、该器件作为眼里电容的一种具备压力电容的普遍性能——精确地感应测量出受压的位置及其压力大小。同时，其本身的柔性性能使得该器件可以更好地适应多变化的表面结构。

附图说明

图1为本发明的结构剖面图；

图2为本发明下金属电极层的结构示意图；

图3为本发明上金属电极层的结构示意图；

图4为电容的结构示意图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作更进一步的说明。

如图1-4所示，一种三明治式柔性电容式压力传感器，包括：柔性基底层1、下金属电极层2、柔性介质层3、上金属电极层4，所述柔性基底层1、下金属电极层2、柔性介质层3、上金属电极层4从下至上依次排列；所述下金属电极层2包括多个电容21、电极22，所述电容21呈矩阵结构排列在柔性基底层1顶面，所述电极22呈对称结构设置在柔性基底层1顶面；所述上金属电极层4包括多个电容21、电极22，所述电容21呈矩阵结构排列在柔性介质层3顶面，所述电极22呈对称结构设置在在柔性介质层3顶面；所述电容21包括：电容片211、弯曲线212、电容电极213，所述电容片211与多个电容电极213之间通过弯曲线212相连接；所述柔性基底层1、柔性介质层3均采用PDMS聚二甲基硅氧烷或PI聚酰亚胺或PET聚对苯二甲酸乙二醇酯或柔性玻璃或金属箔或试纸。

还包括牺牲层5，所述柔性基底层1底部设置有牺牲层5，所述牺牲层5周边与柔性基底层1底部设置有1-10mm的空隙；所述牺牲层5采用光刻胶层或镁铝层或镍铝层。

具体制作工艺如下：：

牺牲层：目的是便于器件与基片的脱离，采用匀胶机在洁净基片上涂一层均匀的光刻胶，再擦去边缘部分，然后烘烤固化形成。

柔性基底层：在牺牲层上用匀胶机匀涂一层聚二甲基硅氧烷（PDMS）液体，然后90℃烘烤30 min固化形成。

下金属电极层：对聚二甲基硅氧烷（PDMS）柔性基底层做一次亲疏水性处理，在真空清洗仪中用氧等离子轰击PDMS表层，射频8W，持续10 min，再利用做好的菲林掩膜片底层上做光刻，显影，然后溅射沉积一层铜，接着采用电镀工艺加厚金属层。最后，用丙酮清洗去除非电容和电极部分，形成金属下电极层。

柔性介质层：首先，在金属下电极层上匀涂光刻胶，按照菲林片掩膜片图形，做光刻，显影，再将未显露出的电极用PI胶带粘贴上。然后，用匀胶机在上述金属下电极层表面均匀的涂一层聚二甲基硅氧烷（PDMS）液体，然后90℃烘烤30 min固化而成。

上金属电极层：对聚二甲基硅氧烷（PDMS）柔性介质层做一次亲疏水性处理，在真空清洗仪中用氧等离子轰击PDMS表层，射频8W，持续10 min，再利用做好的菲林掩膜片底层上做光刻，显影，然后溅射沉积一层铜，接着采用电镀工艺加厚金属层。最后，用丙酮清洗去除非电容和电极部分，形成金属上电极层。

沿基片边缘用刀片划破至露出牺牲层，将器件浸泡在丙酮溶液中，牺牲层（光刻胶）溶解，器件从脱落基片，取出完整的器件。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出：对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (6)

1.一种三明治式柔性电容式压力传感器，包括：柔性基底层、下金属电极层、柔性介质层、上金属电极层，其特征在于：所述柔性基底层、下金属电极层、柔性介质层、上金属电极层从下至上依次排列；所述下金属电极层包括多个电容、电极，所述电容呈矩阵结构排列在柔性基底层顶面，所述电极呈对称结构设置在柔性基底层顶面；所述上金属电极层包括多个电容、电极，所述电容呈矩阵结构排列在柔性介质层顶面，所述电极呈对称结构设置在在柔性介质层顶面；所述电容包括：电容片、弯曲线、电容电极，所述电容片与多个电容电极之间通过弯曲线相连接；所述柔性基底层、柔性介质层均采用PDMS聚二甲基硅氧烷或PI聚酰亚胺或PET聚对苯二甲酸乙二醇酯或柔性玻璃或金属箔或试纸。

2.根据权利要求1所述的一种三明治式柔性电容式压力传感器，其特征在于：还包括牺牲层，所述柔性基底层底部设置有牺牲层，所述牺牲层周边与柔性基底层底部设置有1-10mm的空隙；所述牺牲层采用光刻胶层或镁铝层或镍铝层。

3.根据权利要求1所述的一种三明治式柔性电容式压力传感器，其特征在于：所述柔性基底层、柔性介质层的厚度设置为200nm-1000nm。

4.根据权利要求1所述的一种三明治式柔性电容式压力传感器，其特征在于：所述下金属电极层、上金属电极层的厚度设置为1um-5um。

5.根据权利要求1所述的一种三明治式柔性电容式压力传感器，其特征在于：所述弯曲线的线宽设置为200nm-500nm。

6.一种三明治式柔性电容式压力传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

步骤一：采用匀胶机在硅片上匀涂一层光刻胶，然后烘烤固化，擦净边缘的一圈形成牺牲层；

步骤二：采用匀胶机将PDMS聚二甲基硅氧烷液体在牺牲层上涂上均匀一层，然后烘烤固化形成柔性基底层；

步骤三：利用Auto CAD 软件绘制电容和电极布局图，并制作成菲林掩膜片；电容片与多个电容电极之间通过弯曲线相连接；电容呈矩阵结构排列，电极呈对称结构排列；然后，采用光刻、溅射，外加电镀法，将电容和电极沉积在柔性基底层顶面上成为下金属电极层；

步骤四，采用匀胶机在下金属电极层上匀涂一层PDMS聚二甲基硅氧烷液体，然后烘烤固化而成柔性介质层；

步骤五：利用Auto CAD 软件绘制电容和电极布局图，并制作成菲林掩膜片；电容片与多个电容电极之间通过弯曲线相连接；电容呈矩阵结构排列，电极呈对称结构排列；然后，采用光刻、溅射，外加电镀法，将电容和电极沉积在柔性介质层顶面上成为上金属电极层。