CN107966481B - 一种基于复合电容式结构的材质识别传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明一种基于复合电容式结构的材质识别传感器及其制备方法，结构简单，体积小，成本低，能同时测量介电常数和弹性模量进行材质识别。传感器包括两个相对设置的第一极板和第二极板，与第一极板相对的至少两个第一电极，与第二极板相对的至少一个第二电极；制备方法：在基底上涂覆一层增附剂；在增附剂上涂覆一层负性光刻胶；采用掩膜法进行曝光和显影，将掩膜版的图形转移到光刻胶上，得到图形化的光刻胶；图形化的光刻胶表面溅射一层金属薄膜；通过去胶工艺去除增附剂、光刻胶及其表面附着的金属，形成按图形分布的金属电极，从而得到一个极板；重复上述步骤制备另一个极板，两个极板配合后得到基于复合电容式结构的材质识别传感器。

Description

一种基于复合电容式结构的材质识别传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种传感器，具体为一种基于复合电容式结构的材质识别传感器及其制备方法。

背景技术

进入21世纪，智能制造和智能服务等领域的需求加速了对触感分析中材质识别技术的发展。当务之急是进一步提升材质识别的准确性和智能化，传感器在集成化和精度提高方面的探索成为当今的研究热点。弹性模量是物质的重要性能参数，从宏观角度来说，它是衡量物体抵抗弹性变形能力大小的尺度，从微观角度来说，则是原子、离子或分子之间键合强度的反映。介电常数与物体材料的结构、组成、密度等因素息息相关，它反映材料的基本特性，因此，弹性模量与介电常数的测量对于材质识别很有意义。

针对介电常数和弹性模量的测量，目前所研究的传感器结构还相对复杂，体积大，而且还没有能同时测量介电常数和弹性模量并进行材质识别的传感器。

发明内容

针对现有技术中存在的问题，本发明提供一种基于复合电容式结构的材质识别传感器及其制备方法，结构简单，体积小，成本低，能同时测量介电常数和弹性模量进行材质识别。

本发明是通过以下技术方案来实现：

一种基于复合电容式结构的材质识别传感器，包括两个相对设置的第一极板和第二极板，设置在第一极板相对侧的至少两个第一电极，以及设置在第二极板相对侧的至少一个第二电极；

所述的第一电极之间呈间隔设置，且两两作为一组电极对形成平行电极板的电容式结构，构成一组介电常数传感器；用于检测得到第一极板和第二极板之间待测物体的介电常数；

所述的第二电极与相对设置的第一电极作为一组电极对形成相对电极板的电容式结构，构成一组弹性模量传感器；用于检测得到第一极板和第二极板之间待测物体的弹性模量。

优选的，第一极板相对侧设置有若干呈阵列布置的第一电极，第二极板相对侧设置有若干呈阵列布置的第二电极，第一电极和第二电极呈一一对应的相对设置。

进一步的，所述的阵列采用矩形阵列或圆形阵列。

优选的，第一电极通过外部包覆的绝缘封装层固定设置在第一极板相对侧。

优选的，第二电极通过外部包覆的绝缘封装层固定设置在第二极板相对侧。

优选的，第一极板和第二极板均采用柔性基底。

一种基于复合电容式结构的材质识别传感器的制备方法，包括如下步骤，

步骤1，在清洗烘干后的基底上涂覆一层增附剂；

步骤2，在增附剂上用旋转涂胶法涂覆一层负性光刻胶；

步骤3，采用掩膜法进行曝光和显影，将掩膜版的图形转移到光刻胶上，得到图形化的光刻胶；

步骤4，采用磁控溅射法在图形化的光刻胶表面溅射一层金属薄膜；

步骤5，通过去胶工艺，去除掉增附剂、光刻胶及其表面附着的金属，形成按图形分布的金属电极，从而得到材质识别传感器的一个极板；

步骤6，重复步骤1-5制备材质识别传感器的另一个极板，两个极板配合后得到基于复合电容式结构的材质识别传感器。

优选的，步骤1中，采用柔性基底，通过酒精和丙酮溶液清洗基底表面后又氮气吹干后烘干。

优选的，步骤3中，采用双面对准曝光系统的操作台进行掩膜法刻蚀。

优选的，得到按图形分布的金属电极后，在其和基底表面包覆绝缘封装层。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明所述传感器创新性地将具有材质识别特性的介电常数和弹性模量感知功能相集成，能够对待测物体进行初步的材质特征识别。同时进行介电常数和弹性模量的测量不仅可以更加准确地进行材质识别，还能减少传感器的个数，降低成本。可以用于未知物质探测、危险品检测以及机器人领域中。例如，将材质识别传感器安装于机器人灵巧手中，可以有选择性的对不同材质物体施加不同的力，避免因施加力过大对物体带来损伤或破坏，实现其在智能制造领域和医疗康复领域的应用，对我国高端制造和医疗康复领域智能机器人的研究和发展有着重要的理论和现实意义。

本发明所述的基于复合电容式结构的材质识别传感器采用MEMS工艺加工与制备，依据电容式传感器的工作原理，确定出满足传感器性能要求以及结构的柔性基底材料和电极材料，设计电容式传感器的加工工艺方案；在不影响电容式传感器电场分布的前提下，在电容传感器的电极与被测物体之间设计绝缘封装层，以隔绝外界氧气、水蒸气对电极的腐蚀与氧化。

附图说明

图1是本发明的材质识别传感器复合电容式结构示意图。

图2是本发明的弹性模量传感器加压前长度关系图。

图3是本发明的弹性模量传感器加压后长度关系图。

图4是本发明的介电常数传感器原理示意图。

图5是本发明实例中所述电极呈矩形阵列的极板结构示意图。

图6是本发明实例中所述电极呈圆形阵列的极板结构示意图。

图7是本发明实例中所述制备方法步骤示意图。

图中：第一极板1，第二极板2，封装层2，第一电极3，第二电极4，绝缘封装层5，待测物体6。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

本发明一种基于复合电容式结构的材质识别传感器，是包括弹性模量传感器和介电常数传感器的复合电容式结构，通过同时检测待测物体的介电常数与弹性模量，将待测物体的弹性模量及介电常数作为物体材质识别的判断参数，进而实现材质的识别。

所述弹性模量传感器为相对电极板的电容式结构。通过在上下两个极板上施加正负电压，就可以形成电场，将待测物体放入两极板中间，由于两个极板间的距离改变都将会导致电容传感器所输出的电容值改变，利用电容值的改变从而得到待测物体弹性模量的相关有用信息，完成待测物体弹性模量的测量。

所述介电常数传感器为平行电极板的电容式结构。检测电容器的两极固定于同一平面内，因此周围环境的改变将影响到电容器电极间的电容量。选取一目标物体，其尺寸和形状都是确定的，将目标物体置于同面双电极电容器所形成的电场中，如若环境的其它因素不变，则目标物材质的介电常数将决定电容器的电容量的大小且材料的介电常数与电容器的电容量是一一对应的函数关系。因此我们可以利用电容传感器来实现对物体材质的介电常数检测。

所述材质识别传感器为复合电容式结构，包括相对电极板结构与平行电极板结构。相对电极板的电容式结构形成弹性模量传感器用来完成待测物体弹性模量的测量，平行电极板布置在两个相对电极板相对的面上，各自集成一对平行电极板，分别构成介电常数传感器，从而最终构成材质识别传感器的复合电容式结构，完成对待测物体在两个相对面的附近区域介电常数的检测。

其中弹性模量传感器为相对极板的电容式结构，在两个相对极板上面各自集成至少一对平行电极板，形成平行电极板结构，组成介电常数传感器，从而最终构成材质识别传感器的复合电容式结构，通过材质识别复合传感器将待测物体的弹性模量及介电常数作为待测物体材质识别的判断参数。

具体的，如图1所示，材质识别传感器为复合电容式结构。材质识别传感器包括两个部分，分别为介电常数传感器以及弹性模量传感器。两个传感器均为电容式，故最终设计出的结构为一复合结构。优选的采用柔性基底分别作为第一极板1和第二极板2，上部柔性基底上的平行电极a和b作为第一电极，以及下部的电极c和d作为第二电极分别构成了两组平行电极板来实现介电常数测量，当电极接触待测物体时，依据平行电极板之间的电容变化可推导出物体介电常数；当柔性基底因接触力的增加产生一定形变时，上下电极形成的相对电极板a和d，以及b和c之间的电容也发生相应变化，通过提取该电容变化可推导出上下电极板相对位移，该位移是计算弹性模量变化的重要变量之一。

如图2和图3所示，一种基于复合电容式结构的材质识别传感器，包括弹性模量传感器，为相对电极板的电容式结构。通过在上下两个极板上施加正负电压，就可以形成电场，将待测物体放入两极板中间，由于两个极板间的距离改变都将会导致电容传感器所输出的电容值改变，利用电容值的改变从而得到待测物体弹性模量的相关有用信息，完成待测物体弹性模量的检测。弹性模量传感器对待测物体加载压力前，待测物体的长度是L，如图2所示；加载压力F后，待测物体的长度变为L'，如图3所示；待测物体形变△L＝L-L'，根据弹性模量定义式：其中，F代表弹性模量传感器对待测物体加载力，A代表传感器的横截面面积，其大小由弹性模量传感器的电极的结构尺寸确定，为一定值，待测物体形变量大小与电容信号大小呈现一定的函数关系，可以标示为C＝ψ(ΔL)，从而得到弹性模量和电容一一对应的关系式：C＝ψ(E)。

如图4所示，一种基于复合电容式结构的材质识别传感器，包括介电常数传感器，为平行电极板的电容式结构。两极板电势分别为U1和U2，本优选实例中，设计U1＞U2，假设极板足够长，忽略基板厚度带来的影响，同时忽略其边缘电场效应。将被测物体置于同面双电极电容器所形成的电场中，若环境的其它因素不变，则目标物材质的介电常数将决定电容器的电容量的大小且材料的介电常数与电容器的电容量是一一对应的函数关系。因此我们可以利用电容传感器来实现对物体材质的介电常数检测。电容与介电常数之间的关系为：C＝Kε_r式中的K为与电容传感器的电极板的结构有关的参数，电极板结构一定时，K值也是固定不变的。由上式可知：电容器等效电容值C将随着极板间材质的介电常数ε_r改变而变化。

其中，第一极板1和第二极板2上的电极均可设置为阵列布置，可以布置为如图5所示的矩形阵列，也可以布置为如图6所示的圆形阵列，位于同一极板上的任意两个电极均能够形成电极对，构成一组介电常数传感器。

本发明一种基于复合电容式结构的材质识别传感器的制备方法，包括如下步骤，

步骤1，在清洗烘干后的基底上涂覆一层增附剂；本优选实例中采用柔性基底，通过酒精和丙酮溶液清洗基底表面后又氮气吹干后烘干。

步骤2，在增附剂上用旋转涂胶法涂覆一层负性光刻胶；

步骤3，采用掩膜法进行曝光和显影，将掩膜版的图形转移到光刻胶上，得到图形化的光刻胶；本优选实例中，采用双面对准曝光系统的操作台进行掩膜法刻蚀。

步骤4，采用磁控溅射法在图形化的光刻胶表面溅射一层金属薄膜；

步骤5，通过去胶工艺，去除掉增附剂、光刻胶及其表面附着的金属，形成按图形分布的金属电极，从而得到材质识别传感器的一个极板；本优选实例中在按图形分布的金属电极和基底表面包覆绝缘封装层。

步骤6，重复步骤1-5制备材质识别传感器的另一个极板，两个极板配合后得到基于复合电容式结构的材质识别传感器。

具体的，如图7所示，(a)选取合适的柔性基底，用酒精、丙酮溶液清洗基底表面污迹和杂质，氮气吹干后烘干；(b)在衬底表面涂覆一层增附剂，以增加光刻胶的附着力；(c)在增附剂上用旋转涂胶法涂覆一层负性光刻胶；(d)然后将样品放在双面对准曝光系统的操作台上，压紧掩膜版后，进行曝光，(e)然后进行显影工艺，掩膜版的图形被转移到光刻胶上；(f)再将样品转移至磁控溅射系统中的溅射台上，在样品表面溅射一层金属薄膜；(g)最后通过去胶工艺，去除掉增附剂、光刻胶及其表面附着的金属，最终形成两个薄层金属电极，形成一个极板，重复上述步骤后得另一个极板，两个极板配合后得到基于复合电容式结构的材质识别传感器。

Claims (10)

1.一种基于复合电容式结构的材质识别传感器，其特征在于，包括两个相对设置的第一极板(1)和第二极板(2)，在第一极板(1)和第二极板(2)相对的一侧的设置至少两个第一电极(3)，以及在第二极板(2)和第一极板(1)相对的一侧的设置至少一个第二电极(4)；

所述的第一电极(3)之间呈间隔设置，且两两作为一组电极对形成平行电极板的电容式结构，构成一组介电常数传感器；用于检测得到第一极板(1)和第二极板(2)之间待测物体的介电常数；

所述的第二电极(4)与相对设置的第一电极(3)作为一组电极对形成相对电极板的电容式结构，构成一组弹性模量传感器；用于检测得到第一极板(1)和第二极板(2)之间待测物体的弹性模量。

2.根据权利要求1所述的一种基于复合电容式结构的材质识别传感器，其特征在于，第一极板(1)和第二极板(2)相对的一侧设置有若干呈阵列布置的第一电极(3)，第二极板(2)和第一极板(1)相对的一侧设置有若干呈阵列布置的第二电极(4)，第一电极(3)和第二电极(4)呈一一对应的相对设置。

3.根据权利要求2所述的一种基于复合电容式结构的材质识别传感器，其特征在于，所述的阵列采用矩形阵列或圆形阵列。

4.根据权利要求1所述的一种基于复合电容式结构的材质识别传感器，其特征在于，第一电极(3)通过外部包覆的绝缘封装层(5)固定设置在第一极板(1)和第二极板(2)相对的一侧。

5.根据权利要求1所述的一种基于复合电容式结构的材质识别传感器，其特征在于，第二电极(4)通过外部包覆的绝缘封装层(5)固定设置在第二极板(2)和第一极板(1)相对的一侧。

6.根据权利要求1所述的一种基于复合电容式结构的材质识别传感器，其特征在于，第一极板(1)和第二极板(2)均采用柔性基底。

7.一种基于复合电容式结构的材质识别传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤，

步骤1，在清洗烘干后的基底上涂覆一层增附剂；

步骤2，在增附剂上用旋转涂胶法涂覆一层负性光刻胶；

步骤3，采用掩膜法进行曝光和显影，将掩膜版的图形转移到光刻胶上，得到图形化的光刻胶；

步骤4，采用磁控溅射法在图形化的光刻胶表面溅射一层金属薄膜；

步骤5，通过去胶工艺，去除掉增附剂、光刻胶及其表面附着的金属，形成按图形分布的金属电极，从而得到材质识别传感器的一个极板；

步骤6，重复步骤1-5制备材质识别传感器的另一个极板，两个极板配合后得到基于复合电容式结构的材质识别传感器。

8.根据权利要求7所述的一种基于复合电容式结构的材质识别传感器的制备方法，其特征在于，步骤1中，采用柔性基底，通过酒精和丙酮溶液清洗基底表面后又氮气吹干后烘干。

9.根据权利要求7所述的一种基于复合电容式结构的材质识别传感器的制备方法，其特征在于，步骤3中，采用双面对准曝光系统的操作台进行掩膜法刻蚀。

10.根据权利要求7所述的一种基于复合电容式结构的材质识别传感器的制备方法，其特征在于，得到按图形分布的金属电极后，在其和基底表面包覆绝缘封装层。