CN106441646A - 一种柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种柔性压力传感器，包括柔性衬底、柔性上盖和间隔设置在所述柔性衬底和所述柔性上盖之间的电极，所述电极之间设置包含有半导体电阻和导电沟道的电路。本发明由于采用微纳米加工技术结合现代印刷电子技术，可在纯柔性衬底上实现惠斯通电桥式压力传感器的构建，避免传统半导体工艺制备硬质衬底(如硅)压力传感器的工艺流程复杂、高温工艺影响大等方面的缺陷，实现柔性传感器的一体化制备。通过采用微纳米加工技术、现代印刷电子技术、纳米碳材料和聚合物材料等相结合，在柔性衬底上制备具有惠斯通电桥结构式的柔性压力传感器，其制备工艺简单、成本较低、性能良好、适于规模化生产。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性压力传感器及其制备方法，属于半导体技术领域。
背景技术
二十世纪八十年代以来，基于微机电系统(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技术的传感器得到非常迅速的发展。与传统的传感器相比，MEMS传感器具有体积小、重量轻、成本低、功耗低、可靠性高、适于批量化生产、易于集成和实现智能化的特点。同时，微米量级的特征尺寸使得它可以完成某些传统机械传感器所不能实现的功能。
其中，MEMS压力传感器是最早开始研制的微机电系统产品，也是微机电技术中最成熟、最早开始产业化的产品。从信号检测方式来看，MEMS压力传感器分为压阻式和电容式两类，分别以体微机械加工技术和牺牲层技术为基础制造。从敏感膜结构来看，有圆形、方形、矩形、E形等多种结构。压阻式压力传感器的精度可达0.05％～0.01％，年稳定性达0.1％/F.S，温度误差为0.0002％，耐压可达几百兆帕，过压保护范围可达传感器量程的20倍以上，并能进行大范围下的全温补偿。
MEMS压力传感器广泛应用于汽车电子：如轮胎压力监测系统(Tire PressureMonitoring System，TPMS)、发动机机油压力传感器、汽车刹车系统空气压力传感器、汽车发动机进气歧管压力传感器(TMAP)、柴油机共轨压力传感器；消费电子：如胎压计、血压计、橱用秤、健康秤，洗衣机、洗碗机、电冰箱、微波炉、烤箱、吸尘器用压力传感器，空调压力传感器，洗衣机、饮水机、洗碗机、太阳能热水器用液位控制压力传感器；工业电子：如数字压力表、数字流量表、工业配料称重等。
典型的MEMS硅压阻式压力传感器采用周边固定的圆形的应力杯硅薄膜内壁，采用MEMS技术直接将四个高精密半导体应变片刻制在其表面应力最大处，组成惠斯通测量电桥，作为力电变换测量电路，将压力这个物理量直接变换成电信号，其测量精度能达0.01％～0.03％F.S。硅压阻式压力传感器结构一般上下二层是玻璃体，中间是硅片，硅片中部做成一应力杯，其应力杯硅薄膜上部有一真空腔，使之成为一个典型的绝压压力传感器。应力杯硅薄膜与真空腔接触这一面经光刻生成电阻应变片电桥电路。当外面的压力经引压腔进入传感器应力杯中，应力杯硅薄膜会因受外力作用而微微向上鼓起，发生弹性变形，四个电阻应变片因此发生电阻变化，破坏原先的惠斯通电桥电路平衡，电桥输出与压力成正比的电压信号。
近几年来，随着微纳米加工制造水平的不断提高，以及半导体及材料领域的不断扩展，可以通过不同的高精度制造工艺和方法来实现柔性电子器件的制备。此类柔性电子器件具有在拉、压、弯和扭等变形下保持良好性能的能力，以及良好的便携性和适应性。
而柔性压力传感器因其柔软、高弹性、可拉伸等优点成为许多柔性电子器件的重要组成部分，广泛用于可穿戴电子、环境监测、人机接口等领域，更是受到国内外广泛的关注。
目前，常用的柔性压力传感器大部分都是基于柔性材质上形成一层金属电极，然后在电极之间设置半导体或纳米材料，形成压敏电阻层。例如，中国专利申请(公开号：CN105758562A)公开了一种基于柔性衬底的压力传感器，该专利申请公开了在柔性衬底上利用转移的方式制作碳纳米管薄膜(CNT)，然后分别将柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)材质将碳纳米管薄膜包覆在中间，形成具有压阻效应的柔性压力传感器。虽然该专利实现了在柔性衬底上制备柔性传感器，但是由于碳纳米管本身容易团聚的特点，其单独作为敏感材质有操控性差、重复精度低、稳定性差等方面的缺陷。
发明内容
本发明的目的是针对背景技术中所述的现有技术所存在的问题和缺陷，提供一种柔性压力传感器及其制备方法，以克服现有技术中的不足。
为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种柔性压力传感器，包括柔性衬底、柔性上盖和间隔设置在所述柔性衬底和所述柔性上盖之间的电极，所述电极之间设置包含有半导体电阻和导电沟道的电路。
进一步，所述电路为惠斯通电桥。
进一步，所述电极的导电材料为金属材料或导电聚合物，所述金属材料优选为Au、Ag、或Ti，所述导电聚合物优选为聚吡略、聚乙炔、聚酯和聚酰胺。
进一步，所述电极的厚度优选为0.1～10μm。
进一步，所述半导体电阻采用碳纳米管/聚酰亚胺、碳纳米管/聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、石墨烯/聚酰亚胺、石墨烯/聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、碳纳米管/石墨烯复合材料中的一种或几种。
进一步，所述半导体电阻的厚度优选为0.05～10μm。
进一步，所述柔性衬底和所述柔性上盖的材料优选为聚酰亚胺(PI)，聚苯二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
进一步，所述柔性衬底的厚度优选为1～50μm。
本发明的一种柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
a、在硬质衬底上以旋涂而后固化的方式形成所述柔性衬底或直接使用柔性材料作为所述柔性衬底；
b、在所述柔性衬底上制备形成间隔设置的所述电极和电路；
c、制备所述半导体电阻所用的复合材料；
d、在所述电极之间置入所述导电沟道和所述半导体电阻，使所述电极之间形成电连接；
e、制备所述柔性上盖；
f、将所述柔性盖板和所述柔性衬底进行粘接或热压固化；
g、进行整体剥离。
进一步，所述半导体电阻所用的复合材料的制备步骤包括：
I、利用酸、碱溶液对碳纳米管材料进行除杂处理；
II、利用超声、清洗、离心工艺步骤，对碳纳米管材料进行纯化、分散处理；
III、对纯化后的碳纳米管材料进行抽滤处理，获得经提纯过的碳纳米管材料；
IV、取适量聚合物前驱体，进行充分混合、搅拌、抽气，形成聚合物基体；
V、将提纯后的碳纳米管材料与聚合物基底混合在一起，进行充分研磨、搅拌，即形成具有半导体性质的复合材料。
有益效果：
本发明由于采用微纳米加工技术结合现代印刷电子技术，可在纯柔性衬底上实现惠斯通电桥式压力传感器的构建，避免传统半导体工艺制备硬质衬底(如硅)压力传感器的工艺流程复杂、高温工艺影响大等方面的缺陷，实现柔性传感器的一体化制备。通过采用微纳米加工技术、现代印刷电子技术、纳米碳材料和聚合物材料等相结合，在柔性衬底上制备具有惠斯通电桥结构式的柔性压力传感器，其制备工艺简单、成本较低、性能良好、适于规模化生产。
附图说明
图1为本发明实施例的结构示意图；
图中：1、柔性衬底；2、导电沟道；3、半导体电阻；4、电极；5、柔性上盖。
具体实施方式
为了更加清楚的说明本发明的技术方案，下面结合附图和具体实施例进行详细的描述。
实施例一
如图1所示：一种柔性压力传感器，包括柔性衬底1、柔性上盖5和间隔设置在所述柔性衬底1和所述柔性上盖5之间的电极4，所述电极4之间设置包含有半导体电阻3和导电沟道2组成的电路。
所述电路为惠斯通电桥,所述电极4的材料为Au。
所述半导体电阻3采用碳纳米管/聚酰亚胺复合材料。
所述柔性衬底1和所述柔性上盖5的材料为聚酰亚胺。
制备方法
一种柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
1、在硬质衬底上以旋涂而后进行固化的方式形成所述柔性衬底1，具体的，硬质衬底采用硅衬底，首先，对硅衬底进行清洗，利用稀硫酸溶液、丙酮溶液等进行污染物处理，然后经过去离子水超声清洗，去除表面的颗粒和污染物，然后利用旋涂工艺在硅衬底表面旋涂一层液体聚酰亚胺，在程控烘箱中进行固化处理，温度100～180摄氏度，获得厚度在1～20μm级别的聚酰亚胺薄膜；
2、在所述柔性衬底1上制备形成间隔设置的所述电极4和电路，具体的，在制备的好的聚酰亚胺薄膜上面，旋涂一层1～10μm的正性光刻胶，经过坚膜、后烘等工艺后，进行紫外曝光，图形化出惠斯通电桥电路结构，在图形化的惠斯通电桥电路结构上，进行磁控溅射金属Au，厚度在100～500nm，利用溶液法对所溅射的金属Au进行剥离，形成以金属Au为电极电路的惠斯通电桥电路结构；
3、制备所述半导体电阻3所用的复合材料，具体包括：
I、利用盐酸和双氧水的混合溶液去除碳纳米管材料中的金属杂质；
II、利用超声、清洗、离心工艺步骤，对纳米级的碳纳米管材料进行纯化、分散处理；
III、对纯化后的碳纳米管材料进行抽滤处理，提取出具有高纯度的半导体型单壁碳纳米管；
IV、将单壁碳纳米管分散在乙二醇溶液中，进行超声分散处理；
V、加入液体聚酰亚胺进行混合，形成碳纳米管/聚酰亚胺混合溶液；
4、在所述电极4之间置入所述导电沟道2和所述半导体电阻3，使所述电极4之间形成电连接，具体的，将制备好的的碳纳米管/聚酰亚胺混合溶液，利用气溶胶打印工艺，在所述电极4之间形成所述导电沟道2和所述半导体电阻3；
5、制备所述柔性上盖5，具体的，在硅衬底上旋涂正性光刻胶2～5μm，通过坚膜、后烘等工艺，利用紫外曝光形成所要刻蚀的区域；利用反应离子刻蚀技术，先将硅片表层的二氧化硅层刻蚀完毕，然后利用深反应离子技术将硅衬底刻蚀10～100μm，作为所述柔性上盖5的母版，将聚酰亚胺溶液旋涂在刻蚀好的母版上，经过100～150摄氏度固化处理，然后进行机械剥离，形成所述柔性上盖5；
6、将所述柔性盖板5和所述柔性衬底1进行粘接或热压固化，具体的，将所述柔性上盖5通过紫外固化的工艺与惠斯通电桥进行键合，形成整体的柔性压力传感器。
7、进行整体剥离,利用机械剥离的方法，将柔性压力传感器从硬质衬底上释放出来，获得完整的柔性压力传感器。
实施例二
一种柔性压力传感器，包括柔性衬底1、柔性上盖5和间隔设置在所述柔性衬底1和所述柔性上盖5之间的电极4，所述电极4之间设置包含有半导体电阻3和导电沟道2组成的电路。
所述电路为惠斯通电桥。所述电极4的材料为Ti/Cu。
所述半导体电阻3采用碳纳米管/聚对苯二甲酸乙二酯(PET)复合材料。
所述柔性衬底1和所述柔性上盖5的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。
制备方法
一种柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
1)在硬质衬底上以旋涂而后进行固化的方式形成所述柔性衬底1，具体地，硬质衬底采用硅衬底，首先，对硅衬底进行清洗，利用稀硫酸溶液、丙酮溶液等进行污染物处理，然后经过去离子水超声清洗，去除表面的颗粒和污染物，然后利用旋涂工艺在硅衬底表面旋涂一层液体聚二甲基硅氧烷(PDMS)，在程控烘箱中进行固化处理，温度100～180摄氏度，获得厚度在1～20μm级别的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜；
2)在所述柔性衬底1上制备形成间隔设置的所述电极4和电路，具体的,在固化好的PDMS薄膜上溅射一层金属Ti/Cu作为金属引导层，其中Ti层厚度30nm～50nm，Cu厚度在150nm～300nm；在Ti/Cu金属层上旋涂一层正性光刻胶，通过坚膜、后烘等工艺，利用紫外曝光形成惠斯通电桥区域，利用精密电沉积技术，在惠斯通电桥区域，衬底5～20μm的金属Cu，形成金属化的惠斯通电桥电路，在沉积好惠斯通电桥电路之后，利用丙酮溶液、去离子水等将多余的光刻胶去除，然后再次进行正性光刻胶的旋涂，通过坚膜、后烘等工艺，利用紫外曝光形成半导体电阻区域；
3)制备所述半导体电阻3所用的复合材料，具体包括如下步骤：
I、利用盐酸和双氧水的混合溶液去除碳纳米管材料中的金属杂质；
II、利用超声、清洗、离心工艺步骤，对纳米级的碳纳米管材料进行纯化、分散处理；
III、对纯化后的碳纳米管材料进行抽滤处理，提取出具有高纯度的半导体型单壁碳纳米管；
IV、PDMS前驱体进行充分混合，并进行抽滤、除气等方面的工艺步骤；
V、然后将制备好的的碳纳米管与一定粘度的聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液相混合，然后经过充分的掩膜，搅拌，形成均匀分散的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合溶液；
4)在所述电极4之间置入所述导电沟道2和所述半导体电阻3，使所述电极4之间形成电连接，具体的，将制备好的的碳纳米管/聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合溶液，旋涂在惠斯通电桥电路区域，再旋涂一层光刻胶，经过曝光后，进行等离子体刻蚀，形成所述半导体电阻3；
5)制备所述柔性上盖5，具体的，在硅衬底上旋涂正性光刻胶2～5μm，通过坚膜、后烘等工艺，利用紫外曝光形成所要刻蚀的区域；利用反应离子刻蚀技术，先将硅片表层的二氧化硅层刻蚀完毕，然后利用深反应离子技术将硅衬底刻蚀10～100μm，作为所述柔性上盖5的母版，将聚酰亚胺溶液旋涂在刻蚀好的母版上，经过100～150摄氏度固化处理，然后进行机械剥离，形成所述柔性上盖5；
6)将所述柔性盖板5和所述柔性衬底1进行粘接或热压固化，具体的，将所述柔性上盖5通过紫外固化的工艺与惠斯通电桥进行键合，形成整体的柔性压力传感器。
7)进行整体剥离,利用机械剥离的方法，将柔性压力传感器从硬质衬底上释放出来，获得完整的柔性压力传感器。
实施例三
一种柔性压力传感器，包括柔性衬底1、柔性上盖5和间隔设置在所述柔性衬底1和所述柔性上盖5之间的电极4，所述电极4之间设置包含有半导体电阻3和导电沟道2组成的电路。
所述电路为惠斯通电桥。所述电极4材料为Ag。
所述半导体电阻3采用碳纳米管/石墨烯复合材料。
所述柔性衬底1的材料为聚对苯二甲酸乙二酯(PET)。
所述柔性上盖5的材料为微聚酰亚胺。
制备方法
一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：
(1)在硬质衬底上以旋涂而后进行固化的方式形成所述柔性衬底1，具体地，硬质衬底采用PET衬底,首先，对PET衬底进行清洗，利用稀硫酸溶液、丙酮溶液等进行污染物处理，将清洗干净的PET衬底利用等离子体处理，增加其表面结合力；
(2)在所述柔性衬底1上制备形成间隔设置的所述电极4和电路，具体的,利用气溶胶打印技术，在PET衬底上形成金属Ag材质的柔性压力传感器的惠斯通电桥电路区域，将打印形成的Ag材质的惠斯通电桥电路在100～150摄氏度进行固化，去除Ag浆料中的添加剂，形成惠斯通电桥电路；
(3)制备所述导电沟道2复合材料，具体的包括：
I、利用盐酸和双氧水的混合溶液去除碳纳米管材料中的金属杂质；
II、利用超声、清洗、离心工艺步骤，对纳米级的碳纳米管材料进行纯化、分散处理；
III、对纯化后的碳纳米管材料进行抽滤处理，提取出具有高纯度的半导体型单壁碳纳米管；
IV、然后取适量提纯后的单壁碳纳米管结合SDS分散剂，进行噪声、离心处理；
V、将高纯度氧化石墨烯溶解在去离子水溶液，进行充分的搅拌，形成氧化石墨烯的水溶液，将SDS分散的单壁碳纳米管溶液和氧化石墨烯溶液混合，形成碳纳米管/石墨烯混合溶液；
(4)在所述电极4之间置入所述导电沟道2和所述半导体电阻3，使所述电极4之间形成电连接，具体的，利用气溶胶打印工艺，将碳纳米管/石墨烯混合溶液，在惠斯通电桥电路直接形成所述导电沟道2，利用氢碘酸对氧化石墨烯进行还原，形成石墨烯结构，与碳纳米管形成混合结构的所述半导体电阻3；
(5)制备所述柔性上盖5，具体的，在硅衬底上旋涂正性光刻胶2～5μm，通过坚膜、后烘等工艺，利用紫外曝光形成所要刻蚀的区域；利用反应离子刻蚀技术，先将硅片表层的二氧化硅层刻蚀完毕，然后利用深反应离子技术将硅衬底刻蚀10～100μm，作为所述柔性上盖5的母版，将聚酰亚胺溶液旋涂在刻蚀好的母版上，经过100～150摄氏度固化处理，然后进行机械剥离，形成所述柔性上盖5；
(6)将所述柔性盖板5和所述柔性衬底1进行粘接或热压固化，，具体的，将所述柔性上盖5通过紫外固化的工艺与惠斯通电桥进行键合，形成整体的柔性压力传感器。
(7)进行整体剥离,利用机械剥离的方法，将柔性压力传感器从硬质衬底上释放出来，获得完整的柔性压力传感器。
除上述实施例外，本发明还可以有其他实施方式，凡采用等同替换或等效变换形成的技术方案，均落在本发明要求的保护范围内。
Claims (10)
1.一种柔性压力传感器，其特征在于：包括柔性衬底(1)、柔性上盖(5)和间隔设置在所述柔性衬底(1)和所述柔性上盖(5)之间的电极(4)，所述电极(4)之间设置包含有半导体电阻(3)和导电沟道(2)的电路。
2.如权利要求1所述的一种柔性压力传感器，其特征在于：所述电路为惠斯通电桥。
3.如权利要求1所述的一种柔性压力传感器，其特征在于：所述电极(4)的导电材料为金属材料或导电聚合物，所述金属材料优选为Au、Ag、或Ti，所述导电聚合物优选为聚吡略、聚乙炔、聚酯和聚酰胺。
4.如权利要求1所述的一种柔性压力传感器，其特征在于：所述电极(4)的厚度优选为0.1～10μm。
5.如权利要求1所述的一种柔性压力传感器，其特征在于：所述半导体电阻(3)采用的碳纳米管/聚酰亚胺、碳纳米管/聚对苯二甲酸乙二酯、石墨烯/聚酰亚胺、石墨烯/聚对苯二甲酸乙二酯、碳纳米管/石墨烯复合材料中的一种或几种。
6.如权利要求1所述的一种柔性压力传感器，其特征在于：所述半导体电阻(3)的厚度优选为0.05～10μm。
7.如权利要求1所述的一种柔性压力传感器，其特征在于：所述柔性衬底(1)和所述柔性上盖(5)的材料优选为聚酰亚胺，聚苯二甲酸乙二醇酯、聚对苯二甲酸乙二酯，聚二甲基硅氧烷。
8.如权利要求1所述的一种柔性压力传感器，其特征在于：所述柔性衬底(1)的厚度优选为1～50μm。
9.如权利要求1至8任意一项所述的一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：
a、在硬质衬底上以旋涂而后固化的方式形成所述柔性衬底(1)或直接使用柔性材料作为所述柔性衬底(1)；
b、在所述柔性衬底(1)上制备形成间隔设置的所述电极(4)和电路；
c、制备所述半导体电阻(3)所用的复合材料；
d、在所述电极(4)之间置入所述导电沟道(2)和半导体电阻(3)，使所述电极(4)之间形成电连接；
e、制备所述柔性上盖(5)；
f、将所述柔性盖板(5)和所述柔性衬底(1)进行粘接或热压固化；
g、进行整体剥离。
10.如权利要求9所述的一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述半导体电阻(3)所用的复合材料的制备步骤包括：
I、利用酸、碱溶液对碳纳米管材料进行除杂处理；
II、利用超声、清洗、离心工艺步骤，对碳纳米管材料进行纯化、分散处理；
III、对纯化后的碳纳米管材料进行抽滤处理，获得经提纯过的碳纳米管材料；
IV、取适量聚合物前驱体，进行充分混合、搅拌、抽气，形成聚合物基体；
V、将提纯后的碳纳米管材料与聚合物基底混合在一起，进行充分研磨、搅拌，即形成具有半导体性质的复合材料。
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Legal Events
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|---|---|---|---|
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
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| TR01 | Transfer of patent right | ||
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Effective date of registration: 20211110 Address after: 224000 north area (CNK), floor 4, building 1, South District, big data Industrial Park, No. 26, Xinyue Road, Yannan high tech Zone, Yancheng City, Jiangsu Province Patentee after: JIANGSU KEHUA INTELLIGENT CONTROL EQUIPMENT CO.,LTD. Address before: 224000 room 206, xifuhe digital intelligent innovation community Exhibition Center building, 49 Wengang South Road, Yannan high tech Zone, Yancheng City, Jiangsu Province (CNx) Patentee before: Yancheng Yannan high tech Zone xifuhe digital intelligent industry development Co.,Ltd. |
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Effective date of registration: 20231218 Address after: North Area, Floor 4, Building 1, South Area, Big data Industrial Park, No. 26, Xinyue Road, Kecheng Street, Yannan High tech Zone, Yancheng, Jiangsu Province, 224000 (CNK) Patentee after: Jiangsu Kehua Haoxiang Software Technology Co.,Ltd. Address before: 224000 north area (CNK), floor 4, building 1, South District, big data Industrial Park, No. 26, Xinyue Road, Yannan high tech Zone, Yancheng City, Jiangsu Province Patentee before: JIANGSU KEHUA INTELLIGENT CONTROL EQUIPMENT CO.,LTD. |