CN106813811B

CN106813811B - 一种高灵敏度电容型柔性压力传感器

Info

Publication number: CN106813811B
Application number: CN201710042874.7A
Authority: CN
Inventors: 潘力佳; 汪俊; 程文; 马仲; 施毅
Original assignee: Nanjing University
Current assignee: Nanjing University
Priority date: 2017-01-20
Filing date: 2017-01-20
Publication date: 2019-04-05
Anticipated expiration: 2037-01-20
Also published as: CN106813811A

Abstract

本发明公开了一种高灵敏度的电容型柔性压力传感器，具有多层次微结构材料，附着于多层次微结构材料表面上为电容器上电极、电介质材料和电介质材料下表面的电容器下电极；多层次微结构材料和电介质材料平面平行叠合；所述多层次微结构材料，多层次微结构材料为如下结构：纵截面的形状为面分布且排列的若干金字塔形或边缘平滑的类金字塔形、半球形、椭球形、圆锥形、V字形形状；多层次微结构材料采用聚合物弹性材料。

Description

一种高灵敏度电容型柔性压力传感器

技术领域

本发明涉及了一种能应用于可穿戴器件、健康监测及电子皮肤领域的对极小压力有响应的高灵敏度电容型柔性压力传感器。

背景技术

模仿人类皮肤功能的电子皮肤在很多领域如机器人皮肤、人类假肢及健康监测等领域都有很广泛的应用前景。近些年来，应用于电子皮肤的柔性压力传感器在很多性能如测力范围、灵敏度、可拉伸性等都接近或超过了人类皮肤的感知性能。

柔性压力传感器一般分为以下几种类型：(1)电阻型，利用压阻型材料在受压过程中电阻的改变感知压力，其结构简单，但弛豫时间较长，易受温度影响。(2)压电型，在受压过程中，压电材料内部会产生极化电荷。压电型压力传感器可以有效检测震动和很短时间内力的变化，但无法测静压力。(3)电容型，通过一定的器件结构，使得在受压过程中，电容器两极板间距离改变或两极板间正对面积改变，从而得到电容的改变。电容型压力传感器有温度影响小，输出温度，动态响应好等优点。(4)光电型，表面声波型等。

柔性压力传感器的主要性能指标有：(1)灵敏度(2)测力的范围(3)迟滞(4)抗干扰性(5)可重复性。

现有的电容型柔性压力传感器一般通过设计一定结构的介电层材料，在受压过程中介电层材料发生形变，从而改变电容极板间间距，从而得到电容的改变。但这种设计方法使得介电层厚度不可能变得很小，从而电容值不能达到很大，限制了电容的改变空间，也限制了传感器的测力范围及灵敏度。

发明内容

本发明目的是，提供了一种电容型柔性压力传感器，可应用于可穿戴设备、健康监测或电子皮肤等领域。

本发明的技术方案是，一种电容型柔性压力传感器，结构如下：多层次微结构材料，附着于多层次微结构材料表面上的电容器上电极，电介质材料和电介质材料下表面的电容器下电极；多层次微结构材料和电介质材料平面平行叠合；所述多层次微结构材料，多层次微结构材料为如下结构：纵截面的形状为面分布且排列的若干金字塔形或边缘平滑的类金字塔形、半球形、椭球形、圆锥形、V字形形状；总之，多层次微结构材料采用聚全物弹性材料；柔性电容压力传感器的电容上电极，由多层次的弹性微结构以及微结构上的钛或金薄膜组成；电容电介质材料及下电极，由BOPP薄膜及背面钛或金薄膜组成；

所述多层次，纵截面的形状存在大小不一多种尺寸微结构材料，使得在受压过程中大尺寸微结构先发生形变，实现较高灵敏度；随着压力增大，小尺寸金字塔后发生形变，实现压力的可测范围增大。

纵截面的各种形状的长度尺寸(高或边长、直径等最长尺寸)大小从5um-200um不等；

所述压力传感器，纵截面的形状与形状的中心间距从5um-500um不等。

所述压力传感器，其制备的工艺流程为：

1)<100>晶向硅片，在硅片表面镀有100-500nm厚SiO₂薄膜，清洗，烘干；

2)Si-Si O₂表面旋涂S1805光刻胶，旋涂速度3000-6000转/S，旋涂时间30-90S；置于热台90-130℃坚膜，时间40-80S；(如可选用其它光刻胶如AZ1500、S1805光刻胶等)；

3)所得样品放置在有掩模光刻机中，曝光时间2-10S；

4)所得样品置于正胶显影液中，显影10-30S；

5)后烘干，90-130℃，2-10min；

6)所得样品刻蚀，直到获得金字塔形凹槽；(如置于2％-10％四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液，50-100℃刻蚀)；

7)尖锐边缘的刻蚀时，将步骤6)所得样品置于BOE刻蚀液(49％HF水溶液：40％NH4F水溶液＝1：6(体积比))刻蚀2-10min。

8)对于边缘光滑类金字塔形微结构则跳过7)，将6)所得样品置于65％HNO3：40％NH4F＝2:1溶液中刻蚀所得。

9)所得样品置于紫外臭氧清洗机中处理0.5-2h，使表面亲水；并置于0.1％-2％十八烷基三氯硅烷/正庚烷溶液中疏水处理1-2h。

将(以PDMS为例，更可采用PU等)PDMS预聚物和交联剂混合液浇筑于得到的样品模板上，并抽真空，排除气泡，置于烘箱50℃-100℃，1-4h。聚合后揭开聚合物材料后得到多层次微结构材料；

所述PDMS为道康宁公司所得，全称为聚二甲基硅氧烷，其交联剂与预聚物比例为5％-30％。(亦可使用其它高弹性材料进行浇筑)

所述微结构材料为高弹性材料，可为PDMS、聚氨酯、橡胶等。

所述电极的制备，(1)多层次微结构材料及电介质材料上制备金属电极：使用电子束蒸镀、热蒸镀、等离子体蒸镀、磁控溅射、电镀等方法，在多层次微结构材料即PDMS微结构及电介质材料上表面及电介质层表面先蒸镀一层4-20nmTi，再蒸镀一层20-100nm Au。(2)采用导电聚合物电极、石墨烯、碳纳米管等电极材料覆盖在多层次微结构材料及电介质材料上。

所述电介质材料，其特征在于：1)使用商业电容薄膜BOPP，即双向拉伸聚丙烯薄膜，其厚度为2-50um。2)使用聚乙烯、PDMS、硅橡胶等材料所得介电层薄膜。

所述柔性电容型压力传感器，其特征在于：整个压力传感器件所用材料均为柔性的材料，使得器件可贴附在大部分弯曲表面。

所述压力传感器的工作原理是：在受压过程中，微结构上电极产生形变，使得上电极与下电极间间距减小，从而使得电容产生改变。电容改变值供外部采集电路采集或作信号处理。在受力从小到大变化过程中，大的微结构先产生形变，小的微结构后产生形变，从而使得在低压力范围传感器灵敏度很高，在高压力范围微结构能够提供足够的力的支持，使得传感器测力范围大大提升。

所述压力传感器多层次微结构上电极，微结构形状为金字塔形或边缘平滑的类金字塔形、半球形、椭球形、圆锥形、V字形等形状。微结构大小从5um-200um不等，微结构中心间距从5um-500um不等。根据不同需求，大小微结构的比例，微结构的间距可作灵活调整。

本发明的有益效果，是一种结构简单的柔性压力传感器，所述电容型柔性压力传感器，其整个器件所用材料都是柔性材料，使得器件可贴附在弯曲表面，实现对人体脉搏、心跳、外界微弱压力等信号的感知。

附图说明

图1为本发明器件结构图；图中上半为微结构材料，下半为电介质材料及电极；

图2为微结构制备流程图；六个图对应制备工艺的六个步骤；图2中：其中a为硅片，b为光刻刻蚀二氧化硅，c刻蚀硅，d刻蚀二氧化硅，e紫外臭氧处理OTS表面处理，f为PDMS浇筑固化揭膜。

图3.1-3.3均为不同的微结构材料的SEM图；

图4.1-4.2、压力传感器件微结构在受压过程中形变光学显微镜图，4.1为小压力下仅仅大金字塔形变图，4.2位大压力下，小金字塔随之发生形变图；

图5、不同微结构器件电容随压力变化曲线：sensor1、sensor2、sensor3分别对应图3.1、3.2、3.3的；

图6、器件贴附手腕处脉搏响应图。

具体实施方式

参照附图，进一步阐述了本发明的实际应用。此处描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，但不用于限定本发明。

参照附图2，微结构的制备流程为：

(1)<100>晶向硅片，硅片表面镀有100-500nm厚SiO2薄膜，清洗，烘干。

(2)Si-SiO2表面旋涂S1805光刻胶，旋涂速度3000-6000转/S，旋涂时间30-90S；置于热台90-130℃坚膜，时间40-80S。(亦可选用其它光刻胶如AZ1500等)

(3)所得样品放置在有掩模光刻机中，曝光时间2-10S。光刻图案为方、圆、椭圆、多边形排列，但要设有大小不同尺寸的图形，腐蚀时会有深浅，形成不同尺寸的立体形，从而可以将本发明的效果实现。

(4)所得样品置于正胶显影液中，显影10-30S

(5)后烘，90-130℃，2-10min。

(6)所得样品置于2％-10％四甲基氢氧化铵(TMAH)溶液，50-100℃刻蚀，直到获得金字塔形凹槽。

(7)所得样品置于BOE刻蚀液(49％HF水溶液：40％NH4F水溶液＝1：6(体积比))刻蚀2-10min。

(8)对于边缘光滑类金字塔形微结构则跳过(7)，将(6)所得样品置于65％HNO3：40％NH4F＝2:1溶液中刻蚀所得。

(9)所得样品置于紫外臭氧清洗机中处理0.5-2h，使表面亲水；并置于0.1％-2％十八烷基三氯硅烷/正庚烷溶液中疏水处理1-2h。

(10)将PDMS(预聚物、交联剂混合液)浇筑于模板上，并抽真空，排除气泡，置于烘箱50℃-100℃，1-4h。所述PDMS为道康宁公司所得，全称为聚二甲基硅氧烷，其交联剂与预聚物比例为5％-30％。(亦可使用其它高弹性材料进行浇筑)

本发明所示柔性压力传感器可应用于健康监测，比如脉搏、心跳的监测。参照附图6，为所得压力传感器贴附于手腕处测得手腕脉搏曲线图，可明显看到脉搏的三个特征峰。

Claims

1.一种电容型柔性压力传感器，其特征在于：包括多层次微结构材料，附着于多层次微结构材料表面上的电容器上电极，电介质材料和电介质材料下表面的电容器下电极；多层次微结构材料和电介质材料平面平行叠合；所述多层次微结构材料为如下结构：纵截面的形状为面分布且排列的若干金字塔形或边缘平滑的类金字塔形、半球形、椭球形、圆锥形、V字形形状；多层次微结构材料采用聚合物弹性材料；

所述多层次，纵截面的形状存在大小不一多种尺寸微结构材料，使得在受压过程中大尺寸微结构先发生形变；随着压力增大，多层次微结构材料发生形变，实现压力的测量范围增大。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：纵截面的各种形状的长度尺寸大小5um-200um。

3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：纵截面的形状与形状的中心间距5um-500um。

4.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：微结构材料为PDMS、聚氨酯或橡胶。

5.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于：所述电介质材料1）使用商业电容薄膜BOPP，即双向拉伸聚丙烯薄膜，其厚度为2-50um；2）使用聚乙烯、PDMS或硅橡胶材料所得介电层薄膜。

6.根据权利要求1所述的压力传感器的制备方法，其特征是，制备工艺流程为：

1）<100>晶向硅片，在硅片表面镀有100-500nm厚SiO₂薄膜，清洗，烘干；

2）Si-SiO₂表面旋涂AZ1500或S1805光刻胶，旋涂速度3000-6000转/S，旋涂时间30-90S；置于热台90-130℃ 坚膜，时间40-80S；

3）步骤2）所得样品放置在有掩模光刻机中，曝光时间2-10S；

4）步骤3）所得样品置于正胶显影液中，显影10-30S；

5）然后烘干，90-130℃，2-10min；

6）步骤5）所得样品刻蚀，直到获得金字塔形凹槽；置于2%-10%四甲基氢氧化铵（TMAH）溶液，50-100℃刻蚀；

7）当尖锐边缘的刻蚀时，将步骤6）所得样品置于BOE刻蚀液刻蚀2-10min；

8）对于边缘光滑类金字塔形微结构则跳过步骤7），将步骤6）所得样品置于65%HNO₃：40%NH₄F=2:1溶液中刻蚀所得；

9）步骤8）所得样品置于紫外臭氧清洗机中处理0.5-2h，使表面亲水；并置于0.1%-2%十八烷基三氯硅烷/正庚烷溶液中疏水处理1-2h；

10）将PDMS预聚物和交联剂混合液浇筑于步骤9）得到的样品模板上，并抽真空，排除气泡，置于烘箱50℃- 100 ℃，1-4h；聚合后揭开聚合物材料后得到多层次微结构材料。

7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：（1）多层次微结构材料及电介质材料上制备金属电极：使用电子束蒸镀、热蒸镀、等离子体蒸镀、磁控溅射或电镀方法，在多层次微结构材料即PDMS微结构及电介质材料上表面及电介质层表面先蒸镀一层4-20nm Ti，再蒸镀一层20-100nm Au；（2）采用导电聚合物电极、石墨烯或碳纳米管电极材料覆盖在多层次微结构材料及电介质材料上。

8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：整个压力传感器件所用材料均为柔性的材料，使得器件能贴附在大部分弯曲表面。