CN107356291A - 一种柔性可延展叶面传感系统及制备方法 - Google Patents

Abstract

一种柔性可延展叶面传感系统及制备方法，传感系统中信号测量模块通过柔性导线连接用于贴附于植物叶片上用于采集植物叶片的不同信息的柔性可延展叶面传感器。制备方法：在硅片上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯作为牺牲层；在聚甲基丙烯酸甲酯表面涂覆聚酰亚胺作为第一绝缘层；在绝缘体上硅的限定区域进行掺杂，获得传感材料；将转印到第一绝缘层进行热固化；分别形成光强传感模块、温度传感模块和应变传感模块；生成互连层和湿度传感模块；涂覆第二层绝缘层；形成柔性可延展传感器的最终形状；在载体层上面依次涂覆硅胶基底层和硅胶粘连剂；将柔性可延展传感器从硅片上分离，转印至硅胶基底上。本发明与叶面贴合度高、延展性高、能够实时连续地测量植物的信息。

Description

一种柔性可延展叶面传感系统及制备方法

技术领域

本发明涉及一种叶面传感系统。特别是涉及一种能够对植物的生长状况进行长期连续的监测的柔性可延展叶面传感系统及制备方法。

背景技术

农业生产面临着来自人口增长的空前压力,提高农业生产效率能有效解决人口高速增长带来的诸多社会问题，有利于维护食品供给安全和社会稳定。因此在美国等西方发达国家，精准农业被逐步实施，即通过现代测量和检测技术获得农作物生长的各种变量，并依据这些数据精确地管理农业生产，逐步实现了精确化、集约化、信息化的现代农业，农业生产从高投入、低效率和缺少数值依据的传统模式变成高效和可持续发展的现代化新型农业。

支撑精准农业的几项关键技术包括了机器视觉、空中或卫星侦查和田间电子传感器等，这些测量技术大多依靠测量植物叶子、果实、根茎的性质和自然条件去预测植物的总体生长趋势和健康程度，在一定程度上为精准农业提供了科学数据支持，提高了农业的产量和效率。然而，现有的技术却存在诸多缺点:基于机器视觉的观察方法其时间和空间分辨率都很低，无法及时响应各种影响植物生长状况的突发事件(气候突变、病虫害和耕种不当等)；机器视觉和空中侦察采用的都是非接触式测量，只能测量农作物表面的情况，而无法深入到植物内部获得与植物总体生长情况相关的参数(如水分和养分等)；田间电子传感器使用电磁场、时域反射计或选择性离子电极等方法测量土壤中的水分和营养成分来推断植物的生长状况，对植物间的水肥吸收差异性考虑不够，从土壤水分和养料推断植物生长的方法缺乏准确性；一些新兴的测量技术使用机械夹持的方式将传感器固定在植物的叶子上从而测量叶子的水分、叶绿素、温度和呼吸作用，然而这些传感器都是基于刚性或者半刚性的基底和封装，它们的机械和物理特性与柔软且形状动态变化的叶子并不兼容，只能够间接或非连续地测量叶子的各种参数，无法动态精准地监测数据，缺乏及时监测各种自然灾害和突发事件对植物生长影响的能力。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，提供一种可以顺应植物叶子的表面形态，紧密地吸附在叶子表面，对植物的生长状况进行长期连续的监测的柔性可延展叶面传感系统及制备方法。

本发明所采用的技术方案是：一种柔性可延展叶面传感系统，包括信号测量模块，所述的信号测量模块通过柔性导线连接用于贴附于植物叶片上用于采集植物叶片的不同信息的柔性可延展叶面传感器。

所述的柔性可延展叶面传感器包括由下至上依次设置的载体层、基底层、粘连层、第二绝缘层、传感模块层、互连层和第一绝缘层。

所述的传感模块层是由1个以上的传感模块构成，每一个传感模块用于采集植物叶片上的一种信息，所述的互连层是由与所述的传感模块个数相同的1组以上的可延展互连线和连接在所述可延展互连线输出端的引出电极构成，每一组可延展互连线的输入端对应连接一个传感模块。

所述的采集植物叶片上的信息包括，温度信息、湿度信息、应变信息、光强信息、微量元素信息、氨基酸信息和叶绿素信息中的一种以上。

所述的可延展互连线采用能够跟随叶子的生长发生形变的空间可延展的结构或平面可延展的结构。

所述的第一绝缘层和第二绝缘层采用能够跟随叶子的生长发生形变的空间可延展的结构或平面可延展的结构。

所述的空间可延展的结构是空间弯折结构、波浪形结构或岛桥结构，所述的平面可延展的结构是蛇形结构或分形结构。

一种柔性可延展叶面传感系统的制备方法，包括如下步骤：

1)在硅片上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯作为牺牲层；

2)在聚甲基丙烯酸甲酯表面涂覆聚酰亚胺作为第一绝缘层；

3)在绝缘体上硅的限定区域进行掺杂，获得P和N掺杂区，在绝缘体上硅上均匀地刻蚀出通孔阵列，放入缓冲氧化蚀刻剂中释放硅纳米薄膜，得到用于采集光强信息、温度信息和应变信息的材料；

4)使用聚二甲基硅氧烷转印图章将释放后的硅纳米薄膜从绝缘体上硅上揭起来，转印到还没有完全固化的第一绝缘层上后进行热固化；

5)采用光刻和干法刻蚀工艺实现硅纳米薄膜的图形化，分别形成光强传感模块、温度传感模块和应变传感模块；

6)去除光刻胶，采用电子束蒸镀形成互连层，作为各传感模块的互连层和湿度传感模块；

7)采用光刻和湿法腐蚀工艺实现互连层和湿度传感单元的图形化，形成具有湿度传感模块、具有可延展性的金属互连线层以及金属互连线层与接口电路间的引出电极；

8)去除光刻胶，涂覆第二层绝缘层；

9)采用光刻和等离子刻蚀工艺实现第一绝缘层和第二绝缘层的图形化，形成柔性可延展传感器的最终形状；

10)使用水溶性胶带作为载体层，在载体层上面依次涂覆硅胶基底层和硅胶粘连剂，其中，硅胶粘连剂使各传感模块与硅胶基底粘连的更紧密；

11)去除柔性可延展传感器与硅片间的聚甲基丙烯酸甲酯牺牲层，使得柔性可延展传感器从硅片上分离，使用水溶性转印胶带将柔性可延展传感器从硅片上揭下，转印至硅胶基底上；

12)用水冲洗去除转印胶带，完成柔性可延展传感器制备形成具有第一PI绝缘层、金属互连层、传感模块层、第二PI绝缘层、粘连层、硅胶基底层和水溶性载体层的多层复合结构。

所述形成互连层的材料是铜、金、钛/铜/金、钛/铜中的一种。

本发明的一种柔性可延展叶面传感系统及制备方法，体积小、重量轻、与叶面贴合度高、延展性高、能够实时连续地测量与植物光合作用、营养情况和环境压力相关的生理参数，为预测植物的长势和健康程度提供科学依据，实现对植物生长的动态高效监测。本发明具有可重复利用以及信号测量稳定等诸多优势，能够有效促进精准农业的实现。具有以下的技术效果：

1)柔性可延展叶面传感器可以高度顺应叶子表面的机械和物理属性，并能跟随叶子的生长发生形变，因此可以长期地贴附于叶子表面，实现对叶面生理信号的直接动态监测，同时由于传感器与叶子的相对位置不会发生改变，因此能够减小测量位置改变造成的测量误差，使得测量结果更为精确；

2)柔性可延展叶面传感器具有两层绝缘层，两层绝缘层均具有与金属互连相似的图形，在不影响器件延展性的同时，增强了传感器的机械属性，并能保护金属互连不易被氧化；

3)利用本发明所述的载体薄膜，可以实现柔性可延展叶面传感器的回收和再利用。

附图说明

图1是本发明柔性可延展叶面传感系统的结构示意图；

图2是本发明柔性可延展叶面传感系统的分解示意图；

图3是本发明柔性可延展叶面传感系统中传感模块层与互连层的结构示意图；

图4是本发明柔性可延展叶面传感系统应用状态示意图；

图5是本发明柔性可延展叶面传感系统随植物叶片而生长的示意图。

图中

1：柔性可延展叶面传感器 2：柔性导线

3：信号测量模块 4：传感模块

5：可延展互连线 6：引出电极

7：载体层 8：基底层

9：粘连层 10：第二绝缘层

11：传感模块层 12：互连层

13：第一绝缘层 14：植物叶片

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明的一种柔性可延展叶面传感系统及制备方法做出详细说明。

如图1、图2所示，本发明的一种柔性可延展叶面传感系统，包括信号测量模块3，所述的信号测量模块3通过柔性导线2连接用于贴附于植物叶片14上用于采集植物叶片14的不同信息的柔性可延展叶面传感器1。

如图3、图4所示，所述的柔性可延展叶面传感器1包括由下至上依次设置的载体层7、基底层8、粘连层9、第二绝缘层10、传感模块层11、互连层12和第一绝缘层13。

如图5所示，所述的传感模块层11是由1个以上的传感模块4构成，每一个传感模块4用于采集植物叶片14上的一种信息，所述的互连层12是由与所述的传感模块4个数相同的1组以上的可延展互连线5和连接在所述可延展互连线5输出端的引出电极6构成，每一组可延展互连线5的输入端对应连接一个传感模块4。可以同时获取叶面不同的生理信号和生物化学信号。

所述的采集植物叶片14上的信息，属于生理信号的是温度信息、湿度信息、应变信息、光强信息，属于生物化学信号人是微量元素信息、氨基酸信息和叶绿素信息中的一种以上。

所述的可延展互连线5、第一绝缘层13和第二绝缘层10均是采用能够跟随叶子的生长发生形变的空间可延展的结构或平面可延展的结构。所述的空间可延展的结构是空间弯折结构、波浪形结构或岛桥结构，所述的平面可延展的结构是蛇形结构或分形结构。

本发明的一种柔性可延展叶面传感系统，包含两层绝缘层，分别位于粘连层与互连层之间、集植物叶片与功能层之间，增强了传感器的机械属性，同时保护了金属互连使其不易被氧化；所述柔性可延展叶面传感系统可以被回收和再利用，使用载体薄膜可以将柔性可延展叶面传感系统从集植物叶片上粘贴下来，并再次被应用于其它测量中。

本发明的一种柔性可延展叶面传感系统中，信号测量模块3可以根据检测不同的植物选用不同的仪器。如信号测量模块3可以选用阻抗分析仪(Agilent E4980A)，利用阻抗分析仪对与水分有关的阻抗值进行测量，测量结果可以使用USB存储器调出。信号测量模块3还可以选用数字多用表(KEITHLEY 2002)，从而测量不同光照度。信号测量模块3还可以选用数字多用表(KEITHLEY 2002)，而测量不同环境的温度。

本发明的一种柔性可延展叶面传感系统中，所述基底层采用弹性聚合物材料；所述粘连层采用硅胶粘连剂；所述互连层采用柔性可延展结构；所述的传感模块层采用压电材料、半导体材料、有机材料或金属材料。所述的绝缘层采用具有高杨氏模量的高分子聚合物薄膜。

本发明的一种柔性可延展叶面传感系统的制备方法，包括如下步骤：

1)在硅片上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)作为牺牲层；

2)在聚甲基丙烯酸甲酯表面涂覆聚酰亚胺(PI)作为第一绝缘层；

3)在绝缘体上硅(SOI)的限定区域进行掺杂，获得P和N掺杂区，在绝缘体上硅(SOI)上均匀地刻蚀出通孔阵列，放入缓冲氧化蚀刻剂中释放硅纳米薄膜，得到用于采集光强信息、温度信息和应变信息的材料；

4)使用聚二甲基硅氧烷转印图章将释放后的硅纳米薄膜从绝缘体上硅(SOI)上揭起来，转印到还没有完全固化的第一绝缘层上后进行热固化；

5)采用光刻和干法刻蚀工艺实现硅纳米薄膜的图形化，分别形成光强传感模块、温度传感模块和应变传感模块；

6)去除光刻胶，采用电子束蒸镀形成互连层，作为各传感模块的互连层和湿度传感模块。所述形成互连层的材料是铜、金、钛/铜/金、钛/铜中的一种；

7)采用光刻和湿法腐蚀工艺实现互连层和湿度传感单元的图形化，形成具有湿度传感模块、具有可延展性的金属互连线层以及金属互连线层与接口电路间的引出电极；

8)去除光刻胶，涂覆第二层PI绝缘层；

9)采用光刻和等离子刻蚀工艺实现第一绝缘层和第二绝缘层的图形化，形成柔性可延展传感器的最终形状；

10)使用水溶性胶带作为载体层，在载体层上面依次涂覆硅胶基底层和硅胶粘连剂，其中，硅胶粘连剂使各传感模块与硅胶基底粘连的更紧密；

11)去除柔性可延展传感器与硅片间的聚甲基丙烯酸甲酯牺牲层，使得柔性可延展传感器从硅片上分离，使用水溶性转印胶带将柔性可延展传感器从硅片上揭下，转印至硅胶基底上；

12)用水冲洗去除转印胶带，完成柔性可延展传感器制备，形成具有第一PI绝缘层、金属互连层、传感模块层、第二PI绝缘层、粘连层、硅胶基底层和水溶性载体层的多层复合结构。

Claims (9)

1.一种柔性可延展叶面传感系统，包括信号测量模块(3)，其特征在于，所述的信号测量模块(3)通过柔性导线(2)连接用于贴附于植物叶片(14)上用于采集植物叶片(14)的不同信息的柔性可延展叶面传感器(1)。

2.根据权利要求1所述的一种柔性可延展叶面传感系统，其特征在于，所述的柔性可延展叶面传感器(1)包括由下至上依次设置的载体层(7)、基底层(8)、粘连层(9)、第二绝缘层(10)、传感模块层(11)、互连层(12)和第一绝缘层(13)。

3.根据权利要求2所述的一种柔性可延展叶面传感系统，其特征在于，所述的传感模块层(11)是由1个以上的传感模块(4)构成，每一个传感模块(4)用于采集植物叶片(14)上的一种信息，所述的互连层(12)是由与所述的传感模块(4)个数相同的1组以上的可延展互连线(5)和连接在所述可延展互连线(5)输出端的引出电极(6)构成，每一组可延展互连线(5)的输入端对应连接一个传感模块(4)。

4.根据权利要求3所述的一种柔性可延展叶面传感系统，其特征在于，所述的采集植物叶片(14)上的信息包括，温度信息、湿度信息、应变信息、光强信息、微量元素信息、氨基酸信息和叶绿素信息中的一种以上。

5.根据权利要求3所述的一种柔性可延展叶面传感系统，其特征在于，所述的可延展互连线(5)采用能够跟随叶子的生长发生形变的空间可延展的结构或平面可延展的结构。

6.根据权利要求2所述的一种柔性可延展叶面传感系统，其特征在于，所述的第一绝缘层(13)和第二绝缘层(10)采用能够跟随叶子的生长发生形变的空间可延展的结构或平面可延展的结构。

7.根据权利要求5或6所述的一种柔性可延展叶面传感系统，其特征在于，所述的空间可延展的结构是空间弯折结构、波浪形结构或岛桥结构，所述的平面可延展的结构是蛇形结构或分形结构。

8.一种权利要求1所述的柔性可延展叶面传感系统的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

1)在硅片上涂覆聚甲基丙烯酸甲酯作为牺牲层；

2)在聚甲基丙烯酸甲酯表面涂覆聚酰亚胺作为第一绝缘层；

3)在绝缘体上硅的限定区域进行掺杂，获得P和N掺杂区，在绝缘体上硅上均匀地刻蚀出通孔阵列，放入缓冲氧化蚀刻剂中释放硅纳米薄膜，得到用于采集光强信息、温度信息和应变信息的材料；

4)使用聚二甲基硅氧烷转印图章将释放后的硅纳米薄膜从绝缘体上硅上揭起来，转印到还没有完全固化的第一绝缘层上后进行热固化；

5)采用光刻和干法刻蚀工艺实现硅纳米薄膜的图形化，分别形成光强传感模块、温度传感模块和应变传感模块；

6)去除光刻胶，采用电子束蒸镀形成互连层，作为各传感模块的互连层和湿度传感模块；

7)采用光刻和湿法腐蚀工艺实现互连层和湿度传感单元的图形化，形成具有湿度传感模块、具有可延展性的金属互连线层以及金属互连线层与接口电路间的引出电极；

8)去除光刻胶，涂覆第二层绝缘层；

9)采用光刻和等离子刻蚀工艺实现第一绝缘层和第二绝缘层的图形化，形成柔性可延展传感器的最终形状；

10)使用水溶性胶带作为载体层，在载体层上面依次涂覆硅胶基底层和硅胶粘连剂，其中，硅胶粘连剂使各传感模块与硅胶基底粘连的更紧密；

11)去除柔性可延展传感器与硅片间的聚甲基丙烯酸甲酯牺牲层，使得柔性可延展传感器从硅片上分离，使用水溶性转印胶带将柔性可延展传感器从硅片上揭下，转印至硅胶基底上；

12)用水冲洗去除转印胶带，完成柔性可延展传感器制备形成具有第一PI绝缘层、金属互连层、传感模块层、第二PI绝缘层、粘连层、硅胶基底层和水溶性载体层的多层复合结构。

9.根据权利要求8所述的柔性可延展叶面传感系统的制备方法，其特征在于，所述形成互连层的材料是铜、金、钛/铜/金、钛/铜中的一种。