CN106501376A - 一种柔性无源无线声表面波传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性无源无线声表面波传感器及其制备方法。本发明采用传统的工艺得到压电层，再通过减薄工艺或刻蚀牺牲层转印的方法制备小尺寸的SAW传感器，既保留了在硬基底上生长的高质量压电层，又实现了其柔性化；将平面螺旋天线通过转印技术印制在柔性基底上，SAW传感器印制在应变隔离体上，实现了无线无源功能并使整体结构紧凑、柔软，可以工作在曲面上，可穿戴如皮肤上实时探测人体温度等，具有广泛的应用前景；本发具有晶体质量高性能优异的特点；实现了SAW传感器和平面螺旋天线的柔性化，具有无线无源功能、整体结构紧凑、柔软、可穿戴，拓宽了SAW传感器的应用领域；本发明的应变隔离体及系统也可以为其他柔性电子器件的制备提供借鉴。

Description

一种柔性无源无线声表面波传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于无线通信领域，具体涉及一种柔性无源无线声表面波传感器及其制备方法。

背景技术

声表面波SAW传感器的核心部件包括压电基底和沉积在基底上的叉指换能器，叉指换能器是类似手指交叉状的金属图案，可以实现声电之间的相互转换。声表面传感器具有体积小、结构简单、可靠性高、测量精度高等特点，可以用其测量温度、湿度、压力、气体和生物参数等多种指标。与传统传感器相比，其最突出的特点就是可以实现无源无线，因此在高温高速、强磁强电等苛刻环境下工作，而实现其柔性化可以继续拓宽其适用条件。

柔性声表面波器件由于其轻便、柔软可弯曲的特点，是一种值得研究并很有前景的一种柔性电子器件。已有报道的做法是在柔性有机聚合物上沉积或溅射一层压电薄膜从而实现柔性化，但由于柔性基底和压电薄膜之间晶格不匹配严重、两者热膨胀系数相差太大、制备工艺复杂苛刻等原因，得到的压电层的晶格质量和表面粗糙度通常比直接在硬基底上生长的压电层性能差很多，除此之外，能够用这种方法生长的柔性压电薄膜很有限。

发明内容

针对以上现有问题中存在的问题，本发明提出一种柔性无源无线声表面波传感器及其制备方法。

本发明的一个目的在于提出一种柔性无源无线声表面波传感器。

本发明的柔性无源无线声表面波传感器包括：SAW传感器、平面螺旋天线、应变隔离体和柔性基底；其中，柔性基底的中间设置有应变隔离体；SAW传感器通过粘附层印制在应变隔离体的表面，SAW传感器的平面形状为矩形，平面尺寸小于应变隔离体的平面尺寸；在柔性基底的表面并且位于应变隔离体的周围，印制有平面螺旋天线；平面螺旋天线的形状为平面的两条对称的螺旋线，围绕在SAW传感器的周围；SAW传感器和平面螺旋天线电学连接；SAW传感器包括压电层和顶电极，压电层的厚度为10～100μm；或者SAW传感器包括顶电极、压电层和底电极，压电层的厚度为1～10μm；应变隔离体为在柔性基底中间的突起结构，通过3D打印技术、表面涂覆法或表面聚合接枝法制备的梯度聚合物，弹性模量由下而上逐渐减小；平面螺旋天线接收外部的信号激励和接收装置发射的激励信号，使得SAW传感器发生谐振经逆压电效应将电信号转化为声信号，声信号在压电层传播过程中受到外部环境参数的调制，被调制的声信号再经压电效应转化为电信号即传感信号，该信号经由平面螺旋天线辐射出去，被外部的信号激励和接收装置接收，并由计算机处理后得到外部环境参数。

SAW传感器的厚度为1～10μm，顶电极厚度为100～200nm；平面螺旋天线的厚度为13～15μm；应变隔离体的厚度为0.3～0.5mm；柔性基底的厚度为0.3～0.5mm。

SAW传感器的结构由SAW传感器的制备方法决定；采用减薄工艺制备的SAW传感器包括压电层和顶电极，对压电层进行减薄加工，厚度为10～100μm，而SAW传感器水平尺寸为1*1mm～4*4mm比较小，因此具有一定的柔性；采用刻蚀牺牲层转印工艺制备的SAW传感器包括顶电极、压电层和底电极，采用半导体制备工艺形成的压电层厚度为1～10μm；压电层的材料采用铌酸锂、锆钛酸铅、铌镁酸铅PMNPT和氧化锌中的一种。顶电极为叉指电极，通过调整叉指电极的形状尺寸来调整SAW传感器的工作频率。SAW传感器可以测量质量、温度、湿度、压力和扭矩；当涂覆特定敏感薄膜层时可测量气体及生化指标。

平面螺旋天线的平面形状为两条对称的螺旋线，纵向为三明治结构，包括两层保护层以及二者中间的金属层；其中，保护层起到支撑保护的作用，中间的金属层为功能层，接收激励信号并发射传感信号。进一步，平面螺旋天线在螺旋线的基础上，弯曲成正旋波形，能够在具有柔性的同时兼备一定的延展性。

应变隔离体和柔性基底采用柔性有机聚合物，如聚酰亚胺PI、聚二甲基硅氧烷PDMS或共聚酯。应变隔离体下表面的弹性模量为2～3MPa，上表面的弹性模量为1～1.5MPa。

平面螺旋天线与SAW传感器相连，为了使激励源工作在最大功率输出状态，在平面螺旋天线与SAW传感器之间添加阻抗匹配网络，阻抗匹配网络采用L型、π型或T型匹配网络。SAW传感器通过粘附层印制在应变隔离体上，柔性天线印制在SAW周围的柔性基底上，阻抗匹配网络设置在柔性基底上。

本发明通过减小SAW传感器的弯曲刚度EI，实现SAW传感器的柔性，其中，惯性距I与SAW传感器的厚度的三次方成正比，因此可以通过减小SAW传感器的厚度来减小弯曲刚度从而实现柔性化。

本发明采用应变隔离体隔离应变的原理在于：在柔性基底发生弯曲变形的时候，应变能大部分集中在柔性基底上，通过有限元验证，应变隔离体产生形变很小，在整体结构弯曲时，SAW传感器只产生很小的弯曲变形，更好的保护柔性SAW传感器不被破坏。

本发明的另一个目的在于提出一种柔性无源无线声表面波传感器的制备方法。

本发明的柔性无源无线声表面波传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)提供柔性基底，柔性基底的厚度为0.3～0.5mm；

2)在柔性基底的表面，且位于中间的位置，采用3D打印技术、表面涂覆法或表面聚合接枝法制备梯度聚合物，在柔性基底上形成突起结构，作为应变隔离体；

3)采用减薄工艺，或者刻蚀牺牲衬底转印工艺，制备SAW传感器：

a)减薄工艺制备SAW传感器：

i.提供块状压电层；

ii.在块状压电层上形成顶电极；

iii.采用研磨技术对压电层进行减薄加工，使得厚度为10～100μm，得到柔性的SAW传感器；

b)刻蚀牺牲衬底转印工艺制备SAW传感器：

i.提供硬基底；

ii.在硬基底上，采用半导体制备工艺，制备层状材料，层状材料从下至上依次为牺牲层、底电极、压电层和顶电极，其中，顶电极厚度为100～200nm，压电层的厚度为1～10μm；

iii.顶电极的表面通过光刻并结合刻蚀技术完成图案化，图案的形状为插指形状，形成顶电极，压电层和底电极通过干法刻蚀曝露出牺牲层，压电层和底电极的形状为正方形，平面尺寸为1*1mm～4*4mm，然后用湿法刻蚀的方法去掉牺牲层，从而底电极与硬基底分离；

iv.通过印章或机械剥离的方法将底电极、压电层和顶电极从硬基底上撕起，得到SAW传感器；

4)在应变隔离体上涂覆一层粘附层，然后将SAW传感器印制在应变隔离体上，二者充分贴合；

5)制备平面螺旋天线；

6)将平面螺旋天线印制在应变隔离体周围的柔性基底上，平面螺旋天线围绕在SAW传感器的周围，并且关于SAW传感器左右对称；

7)将平面螺旋天线与SAW传感器电学连接。

其中，在步骤5)中，制备平面螺旋天线，包括以下步骤：

i.在天线基底上制备天线牺牲层；

ii.在天线牺牲层上旋涂保护层，沉积金属层，再旋保护层，得到两层保护层夹着金属层的三明治结构；

iii.通过光刻和刻蚀工艺完成图案化，图案为平面的两条对称的螺旋线；

iv.去掉天线牺牲层；

v.将三明治结构从天线基底上撕起，得到平面螺旋天线。

在步骤7)中，进一步，在平面螺旋天线与SAW传感器之间添加阻抗匹配网络，阻抗匹配网络采用L型、π型或T型匹配网络。

本发明的优点：

本发明采用传统的工艺得到压电层，再通过减薄工艺或刻蚀牺牲层转印的方法制备小尺寸的SAW传感器，既保留了在硬基底上生长的高质量压电层，又实现了其柔性化；除此之外，将平面螺旋天线通过转印技术印制在柔性基底上，SAW传感器印制在应变隔离体上，实现了无线无源功能并使整体结构紧凑、柔软，可以工作在曲面上，可穿戴如皮肤上实时探测人体温度等，具有广泛的应用前景。本发明不用考虑晶格失配、热胖胀系数相差太大和压电层制备工艺的限制等问题，直接在硬基底制备压电层，通过减薄或刻蚀牺牲层转印技术制备柔性SAW传感器，具有晶体质量高性能优异的特点；实现了SAW传感器和平面螺旋天线的柔性化，具有无线无源功能、整体结构紧凑、柔软、可穿戴，拓宽了SAW传感器的应用领域；本发明的应变隔离体及系统也可以为其他柔性电子器件的制备提供借鉴。

附图说明

图1为本发明的柔性无源无线声表面波传感器的一个实施例的示意图，其中，(a)为俯视图，(b)为侧视图；

图2为本发明的柔性无源无线声表面波传感器的平面螺旋天线改进后的螺旋形状；

图3为本发明的柔性无源无线声表面波传感器的制备SAW传感器的层状材料的剖面图；

图4为本发明的柔性无源无线声表面波传感器的SAW传感器印制在应变隔离体上的剖面图；

图5为本发明的柔性无源无线声表面波传感器的平面螺旋天线的剖面图。

具体实施方式

下面结合附图，通过具体实施例，进一步阐述本发明。

如图1所示，本实施例的柔性无源无线声表面波传感器包括：SAW传感器1、平面螺旋天线2、应变隔离体3和柔性基底4；其中，柔性基底4的中间设置有应变隔离体3；SAW传感器1通过粘附层印制在应变隔离体3的表面；在柔性基底的表面并且位于应变隔离体的周围，印制有平面螺旋天线2；平面螺旋天线的形状为平面的两条对称的螺旋线，围绕在SAW传感器的周围；SAW传感器1和平面螺旋天线2电学连接。

进一步，可在平面螺旋天线在螺旋线的基础上，弯曲成正旋波形，如图2所示。

本实施例中采用刻蚀牺牲衬底转印工艺制备SAW传感器1，如图4所示，从下至上依次包括底电极13、压电层12和顶电极11，厚度依次为200nm、5μm、200nm，材料分别采用金、铌酸锂和金。平面螺旋天线2包括两层保护层21，采用塑料PI，厚度4μm；两层保护层之间的金属层采用铜，厚度5μm。应变隔离体采用共聚酯聚合物，厚度0.5mm，弹性模量由下而上逐渐减小，下表面的弹性模量为2MPa，上表面的弹性模量为1MPa。柔性基底4采用共聚酯，厚度0.5mm。

本发明的柔性无源无线声表面波传感器的制备方法，包括以下步骤：

1)提供柔性基底，柔性基底的厚度为0.5mm。

2)在柔性基底的表面，且位于中间的位置，采用3D打印技术制备梯度的共聚酯，在柔性基底上形成突起结构，作为应变隔离体。

3)采用刻蚀牺牲衬底转印工艺，制备SAW传感器：

i.提供硬基底硅片；

ii.在基底15上，通过热氧化法或干氧化法制备一层二氧化硅作为牺牲层14，再通过磁控溅射或电子束真空镀膜镀一层金属金作为底电极13，然后通过化学气相沉积制备压电层12，材料采用铌酸锂，最后磁控溅射或电子束真空镀膜镀一层金属金作为顶电极11，即完成了层状结构的制备，如图3所示；

iii.顶电极的表面通过光刻并结合刻蚀技术完成图案化，图案的形状为插指形状，压电层和底电极通过干法刻蚀曝露出牺牲层，压电层和底电极的平面尺寸为2*2mm，然后用湿法刻蚀的方法去掉牺牲层，从而底电极与硬基底分离；

iv.通过印章或机械剥离的方法将底电极、压电层和顶电极从硬基底上撕起，得到SAW传感器。

4)在应变隔离体上涂覆一层粘附层16，然后将SAW传感器印制在应变隔离体3上，二者充分贴合，如图4所示。

5)制备平面螺旋天线：

i.在硅基底上制备天线牺牲层；

ii.在天线牺牲层上旋涂保护层21，材料为PI，沉积金属层22，金属为铜，再旋保护层21，得到两层保护层夹着金属层的三明治结构，如图5所示；

iii.通过光刻和刻蚀工艺完成图案化，图案为平面的两条对称的螺旋线；

iv.去掉天线牺牲层；

v.将三明治结构从天线基底上撕起，得到平面螺旋天线。

6)将平面螺旋天线印制在应变隔离体周围的柔性基底上，平面螺旋天线围绕在SAW传感器的周围，并且关于SAW传感器左右对称；

7)将平面螺旋天线与SAW传感器电学连接，在平面螺旋天线与SAW传感器之间添加阻抗匹配网络，如图1所示。

最后需要注意的是，公布实施例的目的在于帮助进一步理解本发明，但是本领域的技术人员可以理解：在不脱离本发明及所附的权利要求的精神和范围内，各种替换和修改都是可能的。因此，本发明不应局限于实施例所公开的内容，本发明要求保护的范围以权利要求书界定的范围为准。

Claims (10)

1.一种柔性无源无线声表面波SAW传感器，其特征在于，所述声表面波SAW传感器包括：SAW传感器、平面螺旋天线、应变隔离体和柔性基底；其中，柔性基底的中间设置有应变隔离体；SAW传感器通过粘附层印制在应变隔离体的表面，SAW传感器的平面形状为矩形，平面尺寸小于应变隔离体的平面尺寸；在柔性基底的表面并且位于应变隔离体的周围，印制有平面螺旋天线；平面螺旋天线的形状为平面的两条对称的螺旋线，围绕在SAW传感器的周围；SAW传感器和平面螺旋天线电学连接；SAW传感器包括压电层和顶电极，压电层的厚度为10～100μm；或者SAW传感器包括顶电极、压电层和底电极，压电层的厚度为1～10μm；应变隔离体为在柔性基底中间的突起结构，通过3D打印技术、表面涂覆法或表面聚合接枝法制备的梯度聚合物，弹性模量由下而上逐渐减小；平面螺旋天线接收外部的信号激励和接收装置发射的激励信号，使得SAW传感器发生谐振经逆压电效应将电信号转化为声信号，声信号在压电层传播过程中受到外部环境参数的调制，被调制的声信号再经压电效应转化为电信号即传感信号，该信号经由平面螺旋天线辐射出去，被外部的信号激励和接收装置接收，并由计算机处理后得到外部环境参数。

2.如权利要求1所述的声表面波传感器，其特征在于，所述SAW传感器的结构由SAW传感器的制备方法决定；采用减薄工艺制备的SAW传感器包括压电层和顶电极，对压电层进行减薄加工，厚度为10～100μm，SAW传感器水平尺寸为1*1mm～4*4mm；采用刻蚀牺牲层转印工艺制备的SAW传感器包括顶电极、压电层和底电极，采用半导体制备工艺形成的压电层厚度为1～10μm；压电层的材料采用铌酸锂、锆钛酸铅、铌镁酸铅和氧化锌中的一种。

3.如权利要求1所述的声表面波传感器，其特征在于，所述SAW传感器的厚度为1～10μm，顶电极厚度为100～200nm；平面螺旋天线的厚度为13～15μm；应变隔离体的厚度为0.3～0.5mm；柔性基底的厚度为0.3～0.5mm。

4.如权利要求1所述的声表面波传感器，其特征在于，所述平面螺旋天线的平面形状为两条对称的螺旋线，纵向为三明治结构，包括两层保护层以及二者中间的金属层。

5.如权利要求1所述的声表面波传感器，其特征在于，所述平面螺旋天线在螺旋线的基础上，弯曲成正旋波形。

6.如权利要求1所述的声表面波传感器，其特征在于，所述应变隔离体和柔性基底采用聚酰亚胺、聚二甲基硅氧烷或共聚酯。

7.如权利要求1所述的声表面波传感器，其特征在于，所述应变隔离体下表面的弹性模量为2～3MPa，上表面的弹性模量为1～1.5MPa。

8.一种柔性无源无线声表面波传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

1)提供柔性基底；

2)在柔性基底的表面，且位于中间的位置，采用3D打印技术、表面涂覆法或表面聚合接枝法制备梯度聚合物，在柔性基底上形成突起结构，作为应变隔离体；

3)采用减薄工艺，或者刻蚀牺牲衬底转印工艺，制备SAW传感器：

a)减薄工艺制备SAW传感器：

i.提供块状压电层；

ii.在块状压电层上形成顶电极；

iii.采用研磨技术对压电层进行减薄加工，使得厚度为10～100μm，得到柔性的SAW传感器；

b)刻蚀牺牲衬底转印工艺制备SAW传感器：

i.提供硬基底；

ii.在硬基底上，采用半导体制备工艺，制备层状材料，层状材料从下至上依次为牺牲层、底电极、压电层和顶电极；

iii.顶电极的表面通过光刻并结合刻蚀技术完成图案化，图案的形状为插指形状，形成顶电极，压电层和底电极通过干法刻蚀曝露出牺牲层，压电层和底电极的形状为正方形，然后用湿法刻蚀的方法去掉牺牲层，从而底电极与硬基底分离；

iv.通过印章或机械剥离的方法将底电极、压电层和顶电极从硬基底上撕起，得到SAW传感器；

4)在应变隔离体上涂覆一层粘附层，然后将SAW传感器印制在应变隔离体上，二者充分贴合；

5)制备平面螺旋天线；

6)将平面螺旋天线印制在应变隔离体周围的柔性基底上，平面螺旋天线围绕在SAW传感器的周围，并且关于SAW传感器左右对称；

7)将平面螺旋天线与SAW传感器电学连接。

9.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，在步骤5)中，制备平面螺旋天线包括以下步骤：

i.在天线基底上制备天线牺牲层；

ii.在天线牺牲层上旋涂保护层，沉积金属层，再旋保护层，得到两层保护层夹着金属层的三明治结构；

iii.通过光刻和刻蚀工艺完成图案化，图案为平面的两条对称的螺旋线；

iv.去掉天线牺牲层；

v.将三明治结构从天线基底上撕起，得到平面螺旋天线。

10.如权利要求8所述的制备方法，其特征在于，所述柔性基底的厚度为0.3～0.5mm；所述压电层和底电极的平面尺寸为1*1mm～4*4mm。