CN106568539A - 基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器及制备方法，包括：柔性基底，所述柔性基底上设有压力传感器、温度传感器以及湿度传感器，其中：所述压力传感器是导电填料填充PDMS复合材料作为压敏介质的压力传感器，所述温度传感器是由对温度敏感的金属电阻形成的温度传感器，所述湿度传感器为聚酰亚胺湿度传感器。本发明导电填料填充PDMS复合材料具有良好的导电性能和机械性能，并具有压阻特性；金属电阻温度传感器测量精度高、重复性好、可靠性高；聚酰亚胺湿度传感器其耐热、力学、介电性能好，因而本发明能够实现低成本、制备工艺简单、重量轻、可阵列化和可以使用在弯曲表面等要求，实现产业化应用。

Description

基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器及制备方法

技术领域

本发明涉及微传感器技术领域，具体地，涉及一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器及制备方法。

背景技术

随着科学技术的发展，机器人、智能传感等技术的发展越来越快，而传感器技术是其发展的基础。目前的传感器大多为分体式传感器，即需要分别单独安装某一特性功能的传感器，如测量温度、压力、湿度、检测气体等。因此所需的面积大、成本高，尤其不利于安装在一些对尺寸要求严格的场合。为此，集成化和微型化是传感器未来发展的必然趋势。集成化是指将一个(多个)功能相同(不同)的传感器或者集成电路集成在一个模块当中，达到减小系统尺寸、降低系统功耗、简化封装、降低成本、器件更微型化等目的。

目前的集成型传感器中的压力传感器，主要分为压阻式压力传感器和电容式压力传感器。压阻式传感器的主要结构是用电镀或扩散的方法在平面硅薄膜上最大应变的位置形成电阻，来提高灵敏度。这些传感器的压阻实际测量的是薄膜边缘的应变；此外还有采用金属应变片，利用金属的应变效应来检测压力的变化。但这类压阻式传感器为增大输出信号而采用桥路的方式进行布置，并且为增大应变率而往往需要在薄膜下面刻蚀出一个空腔，因此增大了工艺复杂性和工艺难度。电容式压力传感器通常采用多电容结构，一个作为参考电容，另一个作为测量电容检测电容随压力变化量。压力电容也需要开空腔，并且工艺复杂，灵敏度比较低。而这些结构都不具备柔性，不能应用在任意曲面上，这就限制了传感器的使用范围。

近些年来，柔性高分子聚合物材料如聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、环氧树脂等由于其成本低，柔性好，粘附性好、内应力低、制备工艺简单等优点，碳系材料如炭黑、石墨、碳纳米管、石墨烯等由于其良好的导电性，被用来作为导电填料。把碳系材料和高分子材料复合制备柔性压阻式传感器，或者高分子材料由于介电性能优异，用来制备柔性电容式传感器，已经被广大科研学者广泛研究。

目前的温度传感器研究已比较成熟，主要是运用金属材料随温度变化电阻率变化的特性。应用较多的是铂、钯、银和铜，可以达到较高的准确度。

用来制备湿度传感器的感湿材料主要有陶瓷、多孔硅和高分子聚合物。陶瓷作为感湿材料是利用吸附或凝聚在粒子表面上的水分子作为导电通路，吸湿量变化导致质子传导性相应改变。高分子电解质材料吸湿后，水分子偶极矩的存在使其介电常数得到很大的提高。也由于高分子聚合物具备较好的柔性和机械性能，常用来制备柔性湿度传感器。

发明内容

针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器及制备方法，利用MEMS加工技术将温湿压传感器集成，减小传感系统的体积，降低了生产成本，且具备柔性的特点可以使其应用复杂的曲面上，极大地提高了其应用范围。

根据本发明的一个方面，提供一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器，包括：柔性基底，所述柔性基底上设有压力传感器、温度传感器以及湿度传感器，其中：所述压力传感器是由导电填料填充PDMS复合材料作为压敏介质的压力传感器，所述温度传感器是由对温度敏感的金属电阻形成的温度传感器，所述湿度传感器为聚酰亚胺湿度传感器。

优选地，所述柔性基底包括玻璃基底，在玻璃基底上先旋涂聚合物粘附层，再贴干膜聚酰亚胺PI而形成。采用该基底可以使器件具有良好的柔性。

更优选地，所述聚合物粘附层为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、环氧树脂中的一种。使用该种材料，既可以起到粘结的作用，固化后，也可以使上层器件进行很好的脱离，简化了工艺步骤。

优选地，所述导电填料为炭黑、石墨、碳纳米管、石墨烯或其复合填料的一种。由于其具有很好的导电性，和PDMS混合工艺简单，其复合材料因隧道效应具有很好的压阻性。

优选地，所述对温度敏感的金属电阻的材料为铂金、钯、银或铜，其电阻率对温度变化敏感，且具有很高的准确度和较宽的测量范围，制备工艺比较简单。

优选地，所述压力传感器、温度传感器、湿度传感器均阵列化，通过多次甩胶光刻图形化形成，并批量生产。

根据本发明的另一个方面，提供一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器的制备方法，所述方法包括如下步骤：

第一步、在玻璃基片上甩一层聚合物粘附层，并在聚合物粘附层上粘贴聚酰亚胺PI干膜以形成柔性基底；

第二步、在聚酰亚胺PI干膜上甩胶，光刻图形化感温电阻丝；之后溅射1-3微米厚的金属电阻丝和衬底接出引线，并去除图形化留下的光刻胶，以形成温度传感器；

第三步、旋涂光刻胶做掩膜层以遮盖金属电阻丝，光刻图形化湿度传感器电极和衬底接出引线；溅射湿度传感器电极和衬底接出引线，并去除图形化留下的光刻胶；旋涂聚酰亚胺PI并烘干，之后旋涂光刻胶，光刻图形化湿敏介质PI，显影去除图形化留下的聚酰亚胺PI和光刻胶；之后固化湿敏介质PI并去除光刻胶，以形成湿度传感器；

第四步、旋涂光刻胶以遮盖温度传感器和湿度传感器，对压力传感器进行光刻图形化；旋涂压敏复合材料，烘干；溅射Cr/Cu金属层，再旋涂光刻胶，光刻图形化压力传感器电极和衬底接出引线；最后去除图形化留下的光刻胶和Cr/Cu金属层以形成压力传感器；

第五步，把聚酰亚胺PI干膜从玻璃基底上揭下来，最终形成以柔性聚合物PI为基底的单片集成温度、湿度和压力的柔性传感器。

优选地，第一步中，所述聚合物粘附层的厚度为5-20微米。

优选地，第三步中，所述掩膜层的光刻胶的厚度大于3微米。

优选地，第三步中，所述湿度传感器电极为叉指型、平板型、螺旋形、蛇形中的一种。

更优选地，所述湿度传感器电极的材料为Cr/Cu，其中Cr作为种子层，其很好的粘结作用。

优选地，第三步中，所述烘干的温度为110-150℃；所述固化的温度为210-270℃。

优选地，第四步中，所述压敏复合材料的制备方法为：

将导电填料和PDMS预聚物按照质量比(1～4):100混合，加入稀释剂(比如OS-20)，之后球磨10-24h使其混合均匀，再加入PDMS固化剂，球磨1-3h后脱气，从而形成压敏复合材料。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明先通过光刻显影工艺进行图形化，溅射形成金属电阻丝，进行Lift-off工艺去除多余光刻胶，制备温度传感器；然后通过多次重复甩胶光刻显影和溅射工艺，从而形成一种单片集成温湿压的柔性传感器。该制备过程的工艺流程简单，成本较低，可用于工业化生产。本发明通过使用导电填料填充PDMS复合材料制备压阻性柔性传感器，使传感器的制作成本降低了很多，其柔性得到了很大的提升，其极强的柔性使其可以应用在各种复杂的曲面上，扩大了其使用范围。

附图说明

通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：

图1为本发明一实施例的结构俯视图；

图2为本发明一实施例的结构正视图；

图3为本发明一实施例的柔性压阻传感器的结构示意图，其中：(a)为正视图，(b)为A-A剖视图；

图4为本发明一实施例的柔性温度传感器的结构示意图，其中：(a)为正视图，(b)为B-B剖视图；

图5为本发明一实施例的柔性湿度传感器的结构示意图，其中：(a)为正视图，(b)为C-C剖视图；

图中：柔性基底1、感压材料2、压敏传感器电极3、感温电阻丝4、叉指电极5、感湿介质6。

具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进。这些都属于本发明的保护范围。

实施例1

如图1-图5所示，一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器，包括柔性基底1，以及制作在所述柔性基底1上的感压材料2、压敏传感器电极3、感温电阻丝4、叉指电极5、感湿介质6，其中：

所述感压材料2、压敏传感器电极3构成压力传感器；

所述感温电阻丝4构成温度传感器；

所述叉指电极5、感湿介质6构成湿度传感器。

图1中所示压力、湿度和温度传感器的位置依次从左到右布置，当然在其他实施例中，这些传感器的位置可以交换，这对本发明并没有实质性的影响。

作为优选的实施方式，所述柔性基底1的厚度为60-100微米。

作为优选的实施方式，所述感压材料2为炭黑、石墨、碳纳米管、石墨烯或其复合填料填充PDMS的复合材料的一种。

进一步的，所述感压材料2的厚度为10-100微米。

作为优选的实施方式，所述压敏传感器电极3的材料为Cr/Cu，Cr作为种子层，和压敏材料2及电极Cu层有较好的粘结，起到连接作用。

进一步的，所述压敏传感器电极3的厚度为1-3微米。

作为优选的实施方式，所述感温电阻丝4的材料为铂或铜。

进一步的，所述感温电阻丝4的厚度为1-4微米。

作为优选的实施方式，所述叉指电极5的材料为Cr/Cu。

进一步的，所述叉指电极5的厚度为1-3微米。

作为优选的实施方式，所述感湿介质6的材料为聚酰亚胺。

进一步的，所述感湿介质6的厚度为1-5微米。

本发明巧妙的应用各个材料和器件的性能，将温度、湿度和压力集成在单片形成单片集成温湿压柔性传感器，减小传感系统的体积，降低了生产成本。由于PDMS成本低，柔性好，粘附性好、内应力低、制备工艺简单等，碳系材料如炭黑、石墨、碳纳米管、石墨烯等由于其良好的导电性，用来制备柔性压力传感器简化了制备工艺步骤，降低了成本。聚酰亚胺由于其耐高温、绝缘性能好、高温介电常数稳定性好等，作为吸湿层，吸收水分后其介电常数发生变化，其原理简单，工艺简单，且器件具有很好的柔性。这样将温度、湿度和压力集成在单片上，采用MEMS加工工艺，减小了尺寸，缩小了系统体积，良好的柔性扩大了其应用范围。

实施例2

一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器的制备方法，所述方法包括：

第一步、在玻璃基片上甩一层5微米厚聚合物粘附层，在聚合物粘附层上粘贴PI干膜；所述聚合物粘附层为聚二甲基硅氧烷层；

第二步、在PI干膜上甩胶，光刻图形化Pt电阻丝，之后溅射1-4微米厚的Cr/Pt电阻丝和衬底接出引线；去除图形化留下的光刻胶，从而形成温度传感器；

第三步、旋涂大于3微米厚的光刻胶做掩膜层，遮盖Pt电阻丝，光刻图形化湿度传感器Cr/Cu电极和衬底接出引线；溅射1-4微米厚的Cr/Cu电极和衬底接出引线并去除图形化留下的光刻胶；旋涂聚酰亚胺，130℃烘干，之后旋涂光刻胶，光刻图形化湿敏介质PI，显影去除图形化留下的PI和光刻胶；之后在250℃固化湿敏介质PI，并去除光刻胶，从而形成湿度传感器；

第四步、旋涂足够厚的光刻胶遮盖住温度和湿度传感器，对压力传感器部分进行光刻图形化；旋涂压敏复合材料，压敏复合材料采用RGO/PDMS复合材料(把0.05g还原石墨烯(RGO)加入5gPDMS预聚物中，加入稀释剂OS-20 5ml(在5-10ml之间均可以)，球磨10h左右，加入0.5gPDMS固化剂，再球磨1h，使其均匀混合，抽真空0.5h，去除气泡)，在100℃烘干；溅射Cr/Cu层，再旋涂光刻胶，光刻图形化电极和接出引线；最后去除图形化留下的光刻胶和Cr/Cu金属层以形成压力传感器；

第五步、把PI干膜从玻璃基底上揭下来，最终形成以柔性聚合物PI为基底的集成温度、湿度和压力的柔性传感器。

实施例3

一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器的制备方法，所述方法包括：

第一步、在玻璃基片上甩一层15微米厚聚合物粘附层，在聚合物粘附层上粘贴PI干膜；所述聚合物粘附层为聚酰亚胺层；

第二步、在PI干膜上甩胶，光刻图形化Pd电阻丝，之后溅射1-3微米厚的Cr/Pd电阻丝和衬底接出引线；去除图形化留下的光刻胶，从而形成温度传感器；

第三步、旋涂大于3微米厚的光刻胶做掩膜层，遮盖Pd电阻丝，光刻图形化湿度传感器Cr/Cu电极和衬底接出引线；溅射1-4微米厚的Cr/Cu电极和衬底接出引线并去除图形化留下的光刻胶；旋涂聚酰亚胺，110℃烘干，之后旋涂光刻胶，光刻图形化湿敏介质PI，显影去除图形化留下的PI和光刻胶；之后在270℃固化湿敏介质PI，并去除光刻胶，从而形成湿度传感器；

第四步、旋涂足够厚的光刻胶遮盖住温度和湿度传感器，对压力传感器部分进行光刻图形化；旋涂压敏复合材料，压敏复合材料采用碳纳米管/PDMS复合材料(把0.2g碳纳米管加入5g PDMS预聚物中，加入稀释剂OS-20 10ml，球磨15h左右，加入0.5gPDMS固化剂，再球磨3h，使其均匀混合，抽真空0.5h，去除气泡)，在100℃烘干；溅射Cr/Cu层，再旋涂光刻胶，光刻图形化电极和接出引线；最后去除图形化留下的光刻胶和Cr/Cu金属层以形成压力传感器；

第五步、把PI干膜从玻璃基底上揭下来，最终形成以柔性聚合物PI为基底的集成温度、湿度和压力的柔性传感器。

实施例4

一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器的制备方法，所述方法步骤与实施例2相同，不同之处在于：

第一步中：所述聚合物粘附层为环氧树脂层；所述聚合物粘附层的厚度为20微米；

第二步中：所述对温度敏感的金属电阻的材料为银或铜；

第三步中：所述烘干的温度为150℃；所述固化的温度为210℃。

第四步中：压敏复合材料为炭黑/PDMS复合材料，把0.1g炭黑加入5g PDMS预聚物中，加入稀释剂OS-20 5ml球磨24h左右，加入0.5gPDMS固化剂，再球磨2h，使其均匀混合，抽真空0.5h，去除气泡。

本发明所述传感器及其制备方法，在工艺流程简单、成本不高的基础上，通过使用导电填料填充PDMS复合材料制备压阻性柔性传感器，使传感器的制作成本降低了很多，其柔性得到了很大的提升。

需要指出的是，上述实施例采用微加工方法只是本发明的部分实施例，还可以改变上述金属的种类、各部分的尺寸、工艺参数等，不仅仅局限于上述实例的描述，均可实现本发明的目的。

本发明由于聚合物材料价格低、质量轻、柔性好等特性，同时导电填料填充PDMS复合材料具有良好的导电性能和机械性能，并具有压阻特性；金属电阻温度传感器由于其测量精度高、重复性好、可靠性高等特点；聚酰亚胺湿度传感器其耐热、力学、介电性能好，因而本发明所述传感器能够实现低成本、制备工艺简单、重量轻、可阵列化和可以使用在弯曲表面等要求，实现产业化应用。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变形或修改，这并不影响本发明的实质内容。

Claims (10)

1.一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器，所述传感器包括：柔性基底，其特征在于，所述柔性基底上设有压力传感器、温度传感器以及湿度传感器，其中：所述压力传感器是由导电填料填充聚二甲基硅氧烷PDMS复合材料作为压敏介质的压力传感器，所述温度传感器是由对温度敏感的金属电阻形成的温度传感器，所述湿度传感器为聚酰亚胺湿度传感器。

2.根据权利要求1所述的一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器，其特征在于，所述柔性基底包括玻璃基底，在玻璃基底上先旋涂聚合物粘附层，再贴干膜聚酰亚胺PI而形成。

3.根据权利要求2所述的一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器，其特征在于，所述聚合物粘附层为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、环氧树脂中的一种。

4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器，其特征在于，所述导电填料为炭黑、石墨、碳纳米管、石墨烯或其复合填料的一种。

5.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器，其特征在于，所述对温度敏感的金属电阻的材料为铂金、钯、银或铜中的一种。

6.一种权利要求1-5任一项所述的基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

第一步、在玻璃基片上甩一层聚合物粘附层，并在聚合物粘附层上粘贴聚酰亚胺PI干膜以形成柔性基底；

第二步、在聚酰亚胺PI干膜上甩胶，光刻图形化感温电阻丝；之后溅射金属电阻丝和衬底接出引线，并去除图形化留下的光刻胶，以形成温度传感器；

第三步、旋涂光刻胶做掩膜层以遮盖金属电阻丝，光刻图形化湿度传感器电极和衬底接出引线；溅射湿度传感器电极和衬底接出引线，并去除图形化留下的光刻胶；旋涂聚酰亚胺PI并烘干，之后旋涂光刻胶，光刻图形化湿敏介质PI，显影去除图形化留下的聚酰亚胺PI和光刻胶；之后固化湿敏介质PI并去除光刻胶，以形成湿度传感器；

第四步、旋涂光刻胶以遮盖温度传感器和湿度传感器，对压力传感器进行光刻图形化；旋涂压敏复合材料，烘干；溅射Cr/Cu金属层，再旋涂光刻胶，光刻图形化压力传感器电极和衬底接出引线；最后去除图形化留下的光刻胶和Cr/Cu金属层以形成压力传感器；

第五步，把聚酰亚胺PI干膜从玻璃基底上揭下来，最终形成以柔性聚合物PI为基底的单片集成温度、湿度和压力的柔性传感器。

7.根据权利要求6所述的一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器的制备方法，其特征在于，第一步中，所述聚合物粘附层的厚度为5-20微米。

8.根据权利要求6所述的一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器的制备方法，其特征在于，第三步中：

所述做掩膜层的光刻胶的厚度大于3微米；

所述烘干的温度为110-150℃；

所述固化的温度为210-270℃。

9.根据权利要求6所述的一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器的制备方法，其特征在于，所述湿度传感器电极为叉指型、平板型、螺旋形、蛇形中的一种；所述湿度传感器电极为Cr/Cu。

10.根据权利要求6所述的一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器的制备方法，其特征在于，第四步中，所述压敏复合材料的制备方法为：

将导电填料和PDMS预聚物按照质量比(1～4):100混合，加入稀释剂，之后球磨10-24h使其混合均匀，再加入PDMS固化剂，球磨1-3h后脱气，从而形成压敏复合材料。