CN108726466A - 新型的电极结构和多功能传感器阵列及使用他们的多功能传感装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了电极结构阵列、包括该电极结构阵列和传感器的多功能传感器阵列以及包括他们的各种传感装置。电极结构阵列包括第一电极层和第二电极层，第一电极层包括在该层内平铺的一个以上彼此平行的具有第一电极图案的绝缘基底和形成在该基底上的导电层，第一电极图案包括一个或多个能沿第一方向拉伸的第一可拉伸结构和一个或多个第一接线端，其中第一可拉伸结构与第一接线端交替相连，第二电极层包括在该层内平铺的一个以上彼此平行的具有第二电极图案的绝缘基底和形成在该基底上的导电层，第二电极图案包括一个或多个能沿第二方向拉伸的第二可拉伸结构和一个或多个第二接线端，其中第二可拉伸结构与第二接线端交替相连。
Description
技术领域
本发明涉及一种新型的电极结构或电极结构阵列和基于该电极结构阵列的传感器阵列，以及包括它们的电子皮肤或可穿戴装置。
背景技术
人类躯体感觉系统是一个复杂的网络，它将外界环境刺激通过各种感官受体(机械刺激感受器、温度感受器、痛觉感受器等)转化为电脉冲经过神经通路传导，使人的皮肤可以感受触觉、温觉和痛觉等。由机械柔性传感器网络组成的电子皮肤已经发展到可以通过监测和量化周围环境中的各种刺激来模仿人类躯体感觉系统的程度，但目前报告的电子皮肤一般只能对一种或两种外界刺激进行监测。参见，例如Hammock,M.L.,et al.,25thanniversary article:The evolution of electronic skin(e-skin):a brief history,design considerations,and recent progress.Adv Mater,2013.25(42):p.5997-6038；和Bauer,S.,et al.,25th anniversary article:A soft future:from robots andsensor skin to energy harvesters.Adv Mater,2014.26(1):p.149-61。实现对多重刺激的同时监测是电子皮肤的重要发展趋势(参见，例如，Chortos,A.and Z.Bao,Skin-inspired electronic devices.Materials Today,2014.17(7):p.321-331)，同时模仿感受器在人体皮肤内的不同密度分布以调控对外界刺激的探测范围也是非常重要的。
在(电子)可穿戴产品领域，也存在着尽可能轻便和小型的设备中实现对多重刺激或环境信号同时进行传感和检测的需求。
因此，本发明的发明人精巧地设计出一种电极结构(阵列)，通过常规的微纳加工技术或软光刻技术等工艺就制备得到了可拉伸、可扩展、可调控的柔性基底，并可以在此基底上集成包括温度、湿度、光、磁、应力、化学等多种传感器以同时实现多功能监测和成像，由此解决了对外界多重刺激的监测和成像、探测区域可调控和大面积扩展应用的问题。
发明内容
根据本发明的第一方面，提供了一种电极结构，包括第一电极层和第二电极层，
第一电极层包括具有第一电极图案的绝缘基底和形成在该基底上的导电层，第一电极图案包括能沿第一方向拉伸的第一可拉伸结构和第一接线端，
第二电极层包括具有第二电极图案的绝缘基底和形成在该基底上的导电层，第二电极图案包括能沿第二方向拉伸的第二可拉伸结构和第二接线端，并且第二方向不同于第一方向，
其中，第一电极层与第二电极层如下进行叠置，使得第一电极图案的第一可拉伸结构和第二电极图案的第二可拉伸结构不发生搭接，而第一接线端与第二接线端部分相交，其中第一接线端与第二接线端在相交处绝缘，而第一接线端与第二接线端各自未相交的部分相对布置，从而形成用于容纳并电连接电子器件的节点。
上述的电极结构也可以被认为是一种单元电极结构。单元电极结构在一维或二维方向上的重复就可以构成电极(结构)的阵列。
本发明因此还提供了一种电极结构阵列，包括第一电极层和第二电极层，
第一电极层包括在该层内平铺的一个以上彼此平行的具有第一电极图案的绝缘基底和形成在该基底上的导电层，第一电极图案包括一个或多个能沿第一方向拉伸的第一可拉伸结构和一个或多个第一接线端，其中第一可拉伸结构与第一接线端交替相连，
第二电极层包括在该层内平铺的一个以上彼此平行的具有第二电极图案的绝缘基底和形成在该基底上的导电层，第二电极图案包括一个或多个能沿第二方向拉伸的第二可拉伸结构和一个或多个第二接线端，其中第二可拉伸结构与第二接线端交替相连，并且第二方向不同于第一方向，
其中，第一电极层与第二电极层如下进行叠置，使得第一电极图案的每个第一可拉伸结构和第二电极图案的任一个第二可拉伸结构都不发生搭接，而每一个第一接线端与仅一个第二接线端发生相交且仅部分相交，其中发生部分相交的第一接线端与第二接线端在相交处绝缘，而该第一接线端与该第二接线端各自未相交的部分相对布置，从而形成用于容纳并电连接电子器件的节点。
在根据本发明的电极结构或电极结构阵列中，所述可拉伸结构可为蜿蜒结构。蜿蜒结构将在下文中详细描述，该结构本身具有优异的拉伸性能而不会在拉伸时破坏结构本身，从而赋予了该电极结构或其阵列以优异的拉伸性能，并且不会破坏电极(或阵列)及上面所附加的其他结构。
在根据本发明的电极结构或电极结构阵列中，第一电极层与第二电极层进行叠置，第一方向不同于第二方向，即第一方向与第二方向不平行设置，或第一方向与第二方向发生相交。第一可拉伸结构的第一方向与第二可拉伸结构的第二方向能够以>0°至≤90°之间的任何角度相交，例如90°、60°、45°或30°。优选第一方向与第二方向彼此垂直，即以90°相交。
在优选的实施方案中，第一接线端和第二接线端分别设置为半圆弧形。此时，第一接线端与第二接线端在部分重叠相交时形成弧形节点。可以将第一接线端和第二接线端设置为相同半径的半圆弧形，这样两者在相交处可以良好的叠合，并形成连续弧形。
可以理解的是，第一接线端和第二接线端也分别可以设置成其他形状，只要保证第一接线端和第二接线端各自不相交的部分能分开即可，由此可以容纳或连接工作元件。
在根据本发明的电极结构或电极结构阵列中，所述可拉伸结构和所述接线端的线宽可在5μm到500μm之间，例如5μm到300μm之间，优选5μm到200μm之间，更优选5μm到100μm之间。优选地，可拉伸结构与接线端具有一致的线宽。此时，可拉伸结构与接线端上设置的导电层也具有一致的线宽，并由此在电极结构中具有更为均匀的导电属性。
在根据本发明的电极结构或电极结构阵列中，所述第一电极层和所述第二电极层的厚度分别在5μm到125μm之间。
在根据本发明的电极结构或电极结构阵列中，所述绝缘基底由适于微纳加工的聚合物制成。这样的聚合物的实例包括但不限于聚酰亚胺、聚甲基硅氧烷、聚氨基甲酸酯。
在根据本发明的电极结构或电极结构阵列中，所述导电层优选为由可沉积导电材料制成。所谓可沉积导电材料即能够以物理和/或化学方式气相沉积的导电材料。这样的材料包括但不限于金属(如Al、Cu、Au、W、Mo、TiN、聚(3,4-亚乙二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、石墨烯。
在根据本发明的电极结构或电极结构阵列中，第一电极层的导电层上还可以施加有电气绝缘层。同样地，第二电极层的导电层上也可以施加有电气绝缘层。电气绝缘层的材料可以任何适于电子器件的绝缘材料。例如电气绝缘层可以为聚酰亚胺、聚对二甲苯，或者可以为氧化硅、氮化硅，等。电气绝缘层的选材和加工工艺对于本领域技术人员而言是公知的。
在根据本发明的电极结构或电极结构阵列中，所述电极阵列结构的第一接线端和第二接线端分别与传感器或其他电子器件如执行器形成电连接。由此，在供能或供电状态下，传感器和其他电子器件可以工作。
根据本发明的第二方面，还提供了一种多功能传感器阵列，其包括
(a)根据本文所述的电极结构或电极结构阵列；和
(b)一种或多种传感器，
其中所述一种或多种传感器中的每一个设置在所述电极结构阵列的节点处，分别连接第一接线端和第二接线端，形成电连接。
可以理解的是，在(单元)电极结构的情况下，电极结构的第一接线端和第二接线端形成一个节点，其中可以容纳一个或多个传感器。
根据本发明的多功能传感器阵列中可以包含多个重叠设置的电极结构或电极结构阵列。在重叠设置多个电极结构阵列的情况下，各电极结构阵列(层)之间应当是绝缘的。绝缘的方法在相关领域中也公知的。例如，可以施加聚酰亚胺、聚对二甲苯、氧化硅或氮化硅等材料作为绝缘层。
在根据本发明的多功能传感器阵列中，所述传感器为温度传感器、湿度传感器、光传感器、磁传感器、应力传感器或其他功能的传感器。
在根据本发明的多功能传感器阵列中，还可以设置其他电子器件，例如执行器，如加温执行器。
各种传感器可以作为功能模块以叠层式和/或平面分布式设置在所述电极结构阵列中。可以理解的是，无论是采用一层还是多层电极结构，传感器功能模块均可以平面分布式设置。当采用多层结构时，传感器的功能模块还可以采用叠层式设置。此时，也可以混合采用叠层式和平面分布式设置。
根据本发明的第三方面，提供了一种可拉伸且可弯曲的多功能传感装置，该多功能传感设备能用来监测面积大小和/或表面形貌存在变化的区域的多种信号，其中，该多功能传感装置包括如本文所描述的电极结构或如本文所描述的电极结构阵列或如本文所描述的多功能传感器阵列，以及信号输出机构。信号输出机构例如可以为信号读出接口，或者信号显示屏，等等。
这种多功能传感装置可以为电子皮肤，或者可穿戴装置。
可以根据已知的技术，将根据本发明的电极结构或电极结构阵列或者多功能传感器阵列结合进入多功能传感装置如电子皮肤或可穿戴装置中。
需要注意的是，相关领域的技术人员在不脱离本发明的精神和范围的前提下对本发明进行的各种修改和调整并没有超出本发明所要求保护的范围。
附图说明
下面参照附图对本发明的实施例进行说明，其中：
图1：在以传统微纳加工技术制备的可拉伸扩展调控柔性基底上集成传感器的示意图。
图2：在以软光刻技术制备的可拉伸扩展调控柔性基底上集成传感器的示意图。
图3：(a)蜿蜒结构的示意图，(b)聚酰亚胺薄膜上制作的不同尺寸的蜿蜒结构。
图4：蜿蜒结构(a)可实现高达800％线性拉伸的扩展；(b)在拉伸扩展过程中的导电性能和受力的变化情况。
图5：传感器与电极进行连接的一种情况的示意图。
图6：在多功能传感器阵列集成传感器的两种方式的示意图：(a)平面分布式；(b)叠层式。
图7：根据本发明的优选的电极结构阵列的制备流程的示意图。
图8：可以用于根据本发明的电极结构阵列的示意性传感器器件的构造。温度传感器、应力传感器、磁传感器、加温执行器可采用敏感栅结构；湿度传感器和光传感器可采用叉指结构。
图9：(a)传感器示意图；(b)传感器网络示意图。
图10：(a)经微纳加工制备的二维阵列的照片；(b)拉伸扩展的二维阵列(标尺：1cm)的照片。
图11：可拉伸扩展调控的多功能传感器阵列在不同曲面上进行监测(标尺：1cm)的照片。
图12：多功能传感器阵列用于实时同步监测紫外光、温度、压力和接近等刺激的实验结果示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施方式和实施例详细地描述本发明。
本发明制备得到一种新型的基于柔性基底的电极结构(阵列)，这样的电极结构(阵列)可以根据实际需要采用已知的技术可容易地调整其尺寸或厚度的大小。更重要的是，该电极结构阵列可以方便地结合各种电子器件如传感器(温度、湿度、光、磁、应力等)和/或各种执行器(如加温执行器)，只要电子器件的尺寸保证其两端适当接合阵列节点的两个接线端即可。如此得到的传感器阵列由于可以根据需要选用所需的传感器，因而在功能上易于扩展和调控。
本发明首先提供了一种电极结构。第一电极层包括具有第一电极图案的绝缘基底和形成在该基底上的导电层，第一电极图案包括能沿第一方向拉伸的第一可拉伸结构和第一接线端，
第二电极层包括具有第二电极图案的绝缘基底和形成在该基底上的导电层，第二电极图案包括能沿第二方向拉伸的第二可拉伸结构和第二接线端，并且第二方向不同于第一方向。
当第一电极层和第二电极层分别具有仅一个可拉伸结构和仅一个接线端时，这样的电极结构阵列可以理解为单元电极结构。单元电极结构在一维或二维方向上延伸或重复，就形成了电极结构阵列。
因此，本发明提供了一种电极结构阵列，包括第一电极层和第二电极层，
第一电极层包括在该层内平铺的一个以上彼此平行的具有第一电极图案的绝缘基底和形成在该基底上的导电层，第一电极图案包括一个或多个能沿第一方向拉伸的第一可拉伸结构和一个或多个第一接线端，其中第一可拉伸结构与第一接线端交替相连，
第二电极层包括在该层内平铺的一个以上彼此平行的具有第二电极图案的绝缘基底和形成在该基底上的导电层，第二电极图案包括一个或多个能沿第二方向拉伸的第二可拉伸结构和一个或多个第二接线端，其中第二可拉伸结构与第二接线端交替相连，并且第二方向不同于第一方向。
基于实际使用工艺和材料、以及对传感敏感性/节点数目的需求等，分别选择或设计第一电极层以及第二电极层中各自平行排列的绝缘基底(包括其上的导电层)的节点(或者说单元电极结构)的重复数目。同时，节点或单元电极结构的重复数目也会受到(电子器件的)尺寸的限制。
出于描述的方便，在本发明中，可以将“导电层”理解为沿第一方向延伸的“条状”导电结构，也具有交替设置的可拉伸结构和接线端的电极图案。这样的条状导电层(连同设置在下方的绝缘基底)在例如与第一方向垂直的方向上重复或平铺，即形成了“面状”电极层。这从例如附图5、7、9和11中都可以看出。如下文所描述的，同一电极层内平铺的若干个“条状”导电层可以是整体形成的。
第一电极层与第二电极层进行叠置，使得第一方向与第二方向以0°(不包括)至90°之间的任一角度相交，但是要确保第一电极图案或第一电极层的每个第一可拉伸结构和第二电极图案或第二电极层的任一个第二可拉伸结构都不发生搭接。在理想的情况中，第一可拉伸结构和第二可拉伸结构在平面上尽可能地铺满。两层电极层叠置时还要确保每一个第一接线端与仅一个第二接线端发生相交且仅部分相交，其中发生部分相交的第一接线端与第二接线端在相交处是绝缘的，而该第一接线端与该第二接线端各自未相交的部分相对布置，从而形成用于容纳并电连接电子器件的节点。
优选的是，第一方向与第二方向彼此垂直，即，呈90°角。但是第一可拉伸结构的第一方向与第二可拉伸结构的第二方向还可以0°(不包括)至90°之间的其他任何角度相交，例如60°、45°或30°，等。
由于电极结构阵列可以理解为单元电极结构的延伸或重复所得到的，本文中关于电极结构的描述同样适用于电极结构阵列。
根据本发明的电极结构(阵列)，无论是第一电极层还是第二电极层均包括绝缘基底(层)和导电层。第一电极层和第二电极层均形成为柔性的和/或可拉伸的薄层状结构。根据不同的用途或应用场合，第一电极层和第二电极层的厚度可以相同或不同，分别在例如5μm到125μm的范围变化。
在本发明中，电极层的厚度为绝缘基底层的厚度与导电层厚度之和。可以理解的是，由于导电层的厚度一般比绝缘基底层的厚度差若干个量级(例如，绝缘基底的厚度通常在微米级，而导电层的厚度通常为十几至几百纳米)，所以电极层的厚度也可以近似地理解为绝缘基底层的厚度。
作为电极层中的绝缘基底，可以由任何合适的绝缘性聚合物材料制成，特别是柔性的和/或可拉伸的聚合物材料。将聚合物材料制成绝缘基底时，可以采用例如传统的微纳加工技术和软光刻技术。
如果采用传统的微纳加工工艺制作该绝缘基底层，优选适用于微纳加工的聚合物材料或其前驱溶液。微纳加工技术包括旋涂光刻胶、紫外光刻、金属薄膜沉积、光刻胶剥离、氧等离子体刻蚀、金属薄膜腐蚀等。适用于微纳加工的聚合物材料的实例为聚酰亚胺薄膜(polyimide,PI)。聚酰亚胺薄膜可以市售获得的，例如从美国杜邦公司以购得；或者可以例如使用聚酰亚胺的前驱溶液经旋涂及高温烘烤后制备得到。经过微纳加工将聚酰亚胺膜设计成所需的图案，便得到了特定结构的可拉伸扩展调控的柔性基底，示意性工艺步骤可以参见图1。
如果使用软光刻工艺制备该绝缘基底层，则可以使用例如聚氨酯丙烯酸酯(PUA)或聚氨基甲酸酯(PU)，将其填充到用聚甲基硅氧烷(PDMS)制成的成型模具中形成可拉伸扩展调控的柔性基底。软光刻工艺制备绝缘基底的示意图如图2所示，在硅晶圆上通过光刻(和刻蚀)的方法制作出可拉伸扩展的结构，然后经过聚甲基硅氧烷(PDMS)倒模，在成型的PDMS模板上涂覆聚氨酯丙烯酸酯(PUA)，用一块平坦的PDMS模板压在其上，经挤压和紫外固化之后，可以得到特定结构的柔性绝缘基底。
作为电极层中的导电层，原则上可以使用所有的导电材料。在一些优选的实施方案中，以沉积方法在绝缘基底上生长导电材料，特别是金属材料，例如Al、Cu、Au、Pt、W和Mo。也可以使用其他的可沉积材料，如TiN、聚(3,4-亚乙二氧噻吩):聚苯乙烯磺酸盐(PEDOT:PSS)、石墨烯。
第一电极层具有第一电极图案，第二电极层具有第二电极图案。第一电极图案和第二电极图案中分别包括可拉伸结构和接线端。在电极结构阵列的情况中，可拉伸结构与接线端交替连接并沿着一定方向延伸。
可拉伸结构
在本发明中使用的可拉伸结构具有一定的拉伸长度倍数，例如，在受力状态下，可以伸长至原长度(即未受力状态下)的1至20倍。优选地，可拉伸结构在受力状态下可以伸长至原长度的1至10倍。可拉伸结构保证了电极结构在受到外力影响时不发生断裂，并且是自然伸长，而不干扰电极结构的正常工作。
可拉伸结构可以使用本身具有可拉伸性或弹性的材料(例如弹性体)。更优选地，可拉伸结构在几何结构上设计为具有可拉伸性。无论是第一电极层，还是第二电极层，可拉伸结构的线宽可以为5μm到500μm之间，例如5μm到300μm之间，优选5μm到200μm之间，更优选5μm到100μm之间。鉴于最终电子器件尺寸的限制并结合所采用的制备工艺，可以将可拉伸结构的线宽调整至尽可能小，只要能使器件正常工作即可。
具有可拉伸性的几何结构例如有网状结构、蜿蜒结构(serpentine structure)或马蹄形结构(horseshoe shaped structure)。蜿蜒结构，是一种已知的结构，由一系列的弯曲区和线性段连续折叠而成，例如参见G Lanzara,et.al.,Smart Mater.Struct.19(2010)045013或Giulia,et.al.,Adv.Mater.2010,22,4643-4648。蜿蜒结构的一个实例如图3a的中间部分所示。在本发明中，可拉伸结构优选为蜿蜒结构。该蜿蜒结构的线宽可以为5μm到100μm。蜿蜒结构的可拉伸性能优异。如图4所示，在受力情况中，蜿蜒结构的拉伸倍数达到800％时都没有影响电极结构在拉伸扩展过程中的导电性能。
可拉伸结构连接着接线端。在电极结构阵列的情况中，应当理解在主体中的可拉伸结构在其两端均连接接线端。可拉伸结构与接线端可以一体化形成。在电极结构阵列中，第一电极层和第二电极层中的可拉伸结构与接线端交替相连。第一电极层与第二电极层如下进行叠置，使得第一电极图案的每个第一可拉伸结构和第二电极图案的任一个第二可拉伸结构都不发生搭接，而每一个第一接线端与仅一个第二接线端发生相交且仅部分相交，其中发生部分相交的第一接线端与第二接线端在相交处绝缘，而该第一接线端与该第二接线端各自未相交的部分相对布置，形成用于容纳并电连接电子器件的节点。
一个第一接线端与一个第二接线端仅在各自的部分区段上发生相交。相交处会进行绝缘处理，例如可以在相交部位设置绝缘层。该绝缘层可以使用与绝缘基底相同的绝缘材料，也可以是用不同的绝缘材料。仅部分相交的第一接线端与第二接线端各自保留着不相交的部分，这两部分相对设置，可以作为电子器件的接入点。如图5所示意的，第一电极层1沿横向延伸，第二电极层3沿纵向延伸，传感器分别电连接至第一接线端和第二接线端各自未相交的部分。
在根据本发明的电极结构或电极结构阵列中，第一接线端和第二接线端原则上可以设置为任何形状，只要第一接线端和第二接线端能够形成容纳并电连接电子器件并使得电器件工作的槽口即可。同样地，第一接线端的形状与第二接线端的形状可以相同也可以不同，或者两者形成相互对应或互补的形状，只要第一接线端和第二接线端能够形成容纳或连接电器件并使得电器件工作的槽口即可。
优选地，将第一电极层的第一接线端和第二电极层的第二接线端设置为半圆弧形，从而使得第一接线端与第二接线端在部分相交(重叠)时形成弧形节点。可以将第一接线端和第二接线端设置为相同半径的半圆弧形。此时，无论是第一方向与第二方向是彼此垂直，还是呈其他角度，第一接线端与第二接线端均可以在弧线走向上良好的叠合，从而形成连续弧形。此时，节点的内径在各方向上也是圆滑一致的，这对于容纳或插入电子器件是有利的。根据可拉伸结构部分的拉伸比，以及考虑到加工技术的限制，节点的内径(直径)可以在250μm到3200μm的范围上变化。
与可拉伸结构的线宽一样，第一接线端和第二接线端的线宽分别可以在5μm到500μm之间(例如5μm到300μm之间，优选5μm到200μm之间，更优选5μm到100μm之间)变化。分别作为第一和第二电极层的一部分，第一接线端和第二接线端的厚度可以在5μm到125μm之间变化。应当理解，接线端与可拉伸结构部分具有相同的线宽和厚度。
如上文所述，在电极阵列结构中，每一组部分相交的第一接线端和第二接线端分别与传感器或其他电子器件形成电连接。由此，在供能状态下，传感器和其他电子器件可以工作。在第一接线端与第二接线端为半圆弧形的情况下，用于容纳电子器件的节点的两个接入端为具有一定宽度的弧型，电子器件可以无需以固定位置接入节点处。再由于接线端具有一定的线宽，从而对于电子器件如传感器的尺寸精度要求进一步降低。
在向根据本发明的电子结构阵列中接入传感器之后，就得到了传感器阵列。即，根据本发明的多功能传感器包括：
(a)电极结构阵列；和
(b)一种或多种传感器，
其中所述一种或多种传感器中的每一个设置在所述电极结构阵列中的节点处，分别连接第一接线端和第二接线端，形成电连接。
可以理解的是，电极结构(阵列)的第一电极层中的每个第一接线端和第二电极层中相对应的第二接线端形成了一个节点，在该节点中可以电连接如传感器之类的各种电子器件。
根据本发明的多功能传感器阵列还可以包括一层或多层的电极结构或电极结构阵列，特别是一层或多层电极结构阵列。在多功能传感器阵列包括多层电极结构阵列的实施方式中，各层电极结构阵列一般以上下叠置的方式设置。各层电极结构阵列之间通常是电气绝缘的。这种电绝缘的方法在相关领域中是公知的，例如施用聚酰亚胺薄膜等高分子绝缘材料。
在根据本发明的多功能传感器阵列中，多个传感器可以依照其所感测的信息或输出的信号布置在传感器阵列的合适位置。优选地，将感测相同或相似信息(或者输出相同或相似信号)的传感器布置在邻近的节点上，从而形成了能够完成某一规定任务的功能模块。对这种功能模块的形状没有任何限制，只要方便传感器的工作即可。例如功能模块可以为矩形、正方形、椭圆形、圆形、三角形，或任何其他规则的形状，或者不规则的形状。传感器可以以形成功能模块的方式分布在该一层或多层电极结构阵列中。
多功能传感器阵列中使用的传感器可以为温度传感器、湿度传感器、光传感器、磁传感器、应力传感器或其他功能的传感器。还可在多功能传感器阵列中设置其他电子器件，例如在节点处设置加温执行器。相应地，在电极结构阵列中可以形成例如温度传感功能模块、湿度传感功能模块、应力传感功能模块、加热功能模块等等。
一般情况下，在根据本发明的传感器阵列中，一个节点内容纳并电连接一个电子器件，例如传感器。但是在合适时，特别是在不发生干扰的情况下，一个节点中容纳并电连接两个或更多个不同的传感器也是可行的。此时，各个功能模块也可以发生交叠。
根据本发明，传感器的功能模块在电极结构阵列中的集成方法可分为两种：平面分布式和叠层式，如图6所示：
平面分布式：将各个功能模块设计排布在同一个平面内。此时各功能模块共用同一个正交电极阵列，并集成于绝缘基底上。如图6(a)所示意。
叠层式：在一层电极结构阵列中设置同一种传感器或者一个功能模块。即一个功能模块配有正交电极作为一层。叠层式的功能模块集成于可拉伸扩展柔性基底上。如图6(b)所示意。
在由单层电极结构阵列或者多层电极结构阵列形成的多功能传感器阵列中，均可以平面分布方式布置传感器形成的多个功能模块。在由多层电极结构阵列形成的多功能传感器阵列中，相同或不同的功能模块还可以分布在各个多层电极结构阵列中，即以叠层式的方式布置在其中，如图6b所示。应当可以理解的是，在由多层电极结构阵列形成的多功能传感器阵列中，相同或不同的功能模块可以同时以叠层式和平面分布式进行布置。
下面详细描述根据本发明的电极结构和多功能传感器阵列的示意性制造工艺。
根据一些具体实施方式，提供了如图7所示的正交电极。图7中还从右至左示意了加工顺序。图7的右图，示意性包含三个沿横向延伸的导电层，且同一层内平铺，即为第一电极层1，其中导电层由蜿蜒结构101和半圆弧形接线端102交替相连而形成。然后在第一电极层上设置绝缘层，如图7中间所示，在半圆弧形接线端上施加绝缘201，由此形成了绝缘层2。接着施加将蜿蜒机构301和半圆弧形接线端302交替沿纵向延伸的第二底基层3、由于绝缘层2的存在，第一电极层1与第二电极层3之间是绝缘的，在各个接线端的相交处就形成了可以容纳传感器或其他电子元件的节点，分别电连接第一电极层1和第一电极层3。
第一电极层1和第二电极层3之间可以由50～500nm的聚酰亚胺薄膜或聚氨酯丙烯酸酯薄膜或氧化硅薄膜电气绝缘隔离。多种传感器设计制备在传感器节点上。温度传感器、应力传感器、磁传感器、加热执行器均可采用敏感栅结构，湿度传感器、光传感器和化学传感器采用叉指结构，如图8所示。但上述各种传感器根据其检测要求采用的不同的敏感材料。在敏感栅或叉指结构上可以通过改变敏感材料来实现不同的传感器在可拉伸扩展调控的柔性基底的有效扩展。
在示例性实施方案中，根据本发明的电极结构或电极结构阵列可以按照如下的工艺流程进行制造。
(1)第一电极层的制造：在绝缘聚合物基底(例如聚酰亚胺薄膜)上，旋涂光刻胶，经紫外光刻制造出第一电极层的第一电极图案。然后在该已形成第一电极图案的绝缘聚合物基底上沉积金属薄膜(例如，可以是Al、Cu、Au等)。去除光刻胶后可以得到第一电极层。
(2)绝缘层的制造：在步骤(1)获得的第一电极层上旋涂绝缘聚合物胶(可以与步骤(1)中使用的绝缘聚合物相同或不同)，经高温烘烤(例如，在250℃)烘烤一段时间(例如4小时)形成薄膜。薄膜厚度根据需要可以为50～500nm。然后在该薄膜旋涂光刻胶，经紫外光刻制造出绝缘层结构图案，并在氧等离子体环境中进行反应离子刻蚀处理，使第一电极层的蜿蜒结构部分露出。去除光刻胶后，可在弧形节点上形成一层聚酰亚胺薄膜绝缘层(例如，图8中的接线端上的加粗部分)。
(3)第二电极层的制造：在步骤(2)所形成的聚酰亚胺薄膜绝缘层紧接着旋涂光刻胶，经紫外光刻制造出第二电极图案；沉积金属薄膜(优选与步骤(1)使用相同的金属)；去除光刻胶后可以得到纵向金属电极。
上述步骤(1-3)用来制作第一和第二电极层，有利于减少传感器外接电路布线密度。
在示例性实施方案中，根据本发明的多功能传感器阵列可按照以下工艺流程制备：
(4)传感器的制造：旋涂光刻胶，经紫外光刻在第二电极层交叉形成的圆弧区域内制作出所需的传感器图形；沉积传感器所需的金属薄膜(或半导体材料)；去除光刻胶后可以得到所需传感器。这里，传感器的两端分别接合第一接线端和第二接线端从而接入第一电极层和第二电极层，即实现了电极与传感器之间的电气连接，如图9(a)所示。接下来，可以旋涂聚酰亚胺胶经高温(如，250℃)烘烤一段时间(如4小时)后形成一层传感器的保护薄膜(厚度例如为1～3μm)。
在传感器节点位置可扩展多种传感器(应力、温度、湿度、磁、光传感器等)，同时实现传感器与两个方向上的电极层的电气连接。
在示例性实施方案中，两层(或多层)电极可按照如下的工艺流程制作：
(5)在步骤4的基础上，旋涂聚酰亚胺胶经高温(如250℃)烘烤(例如4h)后形成绝缘薄膜，重复步骤1-4的制作工艺，可以实现第二层电极及传感器层的制作；如果要实现三层或更多层，则需要接着重复步骤1-4的制作工艺。
在示例性实施方案中，可拉伸扩展调控网络可按照如下的工艺流程制作：
(6)在步骤5基础上，旋涂光刻胶，经紫外光刻在传感器节点和蜿蜒电极上制作出图形；沉积刻蚀阻挡层薄膜(可以是SiO2薄膜)；去除光刻胶后可以得到阻挡层薄膜；在氧等离子体环境中进行反应离子刻蚀，去除未被阻挡的聚酰亚胺薄膜，形成了可拉伸扩展调控网络，如图9(b)所示；可用干法或湿法刻蚀去除阻挡层薄膜。
各种传感器，如前文所述的那些具有不同功能的传感器，其两端分别与第一电极层、第二电极层相连接，并且(例如就相同功能的传感器而言)每一个与第一电极层和第二电极层连接的传感器是唯一的，即可以进行寻址测量。传感器在工作时，在第一电极层和第二电极层上施加电压，测量此回路中的电流变化，便可以得到传感信号。
这样通过可拉伸的电极阵列设计出集成的多功能传感器阵列，也具有可拉伸性，并且这样的系统可容易地实现多功能监测、大倍率监测面积扩展、传感器节点位置可调控、对复杂形状待测物实时监测及成像。
根据本发明的电极结构、电极结构阵列或多功能传感器阵列可以方便地应用于各类电子产品以及各种应用场合中。适用的电子产品和应用场合包括机器人、人造假肢、可穿戴电子学、人机交互系统、智能电子皮肤、环境监测和人体健康监测等。
根据本发明的电极结构、电极结构阵列或多功能传感器阵列尤其适用于可拉伸和/或可弯曲的传感装置中。还可以向该传感装置中集成多种不同功能的传感器。这样的多功能传感装置能用来监测面积大小和/或表面形貌存在变化的区域的多种不同信号。这种面积大小和/或表面形貌存在变化的区域例如形状不规则的表面、弧形表面、凹凸不平的表面，以及面积和/形貌发生实时变化的表面。这种多功能传感装置中一般会还需要集成输出传感所得信号的信号输出机构，例如信号读出接口或者直接显示数据的显示屏。
这样的多功能传感装置比较常见的是电子皮肤和可穿戴装置。电子皮肤是一种模仿人体皮肤的感觉特性，并具备机械柔性、触觉、温觉等传感功能的电子系统。参见MalloryL.Hammock,etc.,Adv.Mater.2013,25,5997-3038。可穿戴装置是一种主要用于人体健康监测的可穿戴的集成传感电子系统。
根据电子产品和应用场合，可以选择需要在电极结构阵列中使用的功能合适的传感器(例如湿度传感器、光传感器、磁传感器、应力传感器、化学传感器等)。电极结构阵列中还可以组合地或单独地容纳或电连接其他功能性器件，例如加温执行器，从而满足不同的使用目的(例如机器人、人造假肢、可穿戴电子学、人机交互系统、智能电子皮肤、环境监测和人体健康监测等)，由此实现了对外界的多种、特别是不同类型的刺激同时进行监测。
根据本发明的电极结构、电极结构阵列或多功能传感器阵列，由于其具有良好的拉伸性能，并能够同时检测多种不同的外界刺激，所以在用于电子皮肤或者可穿戴装置时，能够适应更复杂的使用场合，提供更精确的多种环境信息。
因此，本发明还提供了电子皮肤或可穿戴装置，其包括如本文所描述的电极结构或如本文所描述的电极结构阵列或如本文所描述的多功能传感器阵列。
特别是在人造假肢的领域，可以在人造假肢的仿真皮肤中使用如本文所描述的电极结构或如本文所描述的电极结构阵列或如本文所描述的多功能传感器阵列，由此能够更加逼真的模仿皮肤对环境的感知并向信号接收端更有效地并且同时地反馈多重刺激/信息。因此，本发明，还特别提供这样的人造假肢，该人造假肢使用包括如本文所描述的电极结构或如本文所描述的电极结构阵列或如本文所描述的多功能传感器阵列作为仿真皮肤。
将根据本发明的电极结构或电极结构阵列或者多功能传感器阵列与所需的信号输出机构进行集成获得多功能传感装置的技术在相关领域中都是已知的。
下面以具体的实施例来进一步描述本发明。
实施例
实施例1：传统微纳加工工艺制造电极结构以及传感器阵列
(1)将聚酰亚胺薄膜粘贴于硅片上，经紫外光刻制作出具有如图7所示的图案的第一电极层结构，包括交替的蜿蜒结构和半圆弧形节点。其中，蜿蜒结构和半圆弧形部分的线宽为16μm，半圆弧形部分的直径为800μm，该第一电极层厚25μm。在该第一电极层结构上，薄膜沉积200nm铝，旋涂聚酰亚胺薄膜(200nm)，作为第一电极层的电气绝缘层，再采用紫外光刻和薄膜沉积制作出第二电极层结构，同样具有交替的蜿蜒结构和半圆弧形节点，再在第二电极层结构上旋涂聚酰亚胺薄膜(500nm)作为第二电极层的电气绝缘层。
(2)接着采用紫外光刻和薄膜沉积制作出刻蚀阻挡层(400nm氧化硅薄膜)，经过氧等离子体反应离子刻蚀。由此得到了电极结构阵列，如图10所示，其中示出了经微纳加工制备的电极结构阵列(a)和在拉伸扩展状态下的电极结构阵列(b)。
(3)由于第一电极层和第二电极层在正交方向进行叠置，相交处自然形成为容纳传感器的节点位置。在(1)基础上，采用紫外光刻和氧等离子体反应离子刻蚀(100W、100mTorr)制作出传感器分别与第一电极层和第二电极层的接线端通过紫外光刻方式制作传感器的敏感栅结构，并薄膜沉积传感器相对应的敏感材料(如，温度传感器----铂金属；应变传感器----康铜；磁传感器----钴/铜多层薄膜)，传感器分别与两电极相连形成回路。
(4)旋涂一层1μm厚的聚酰亚胺薄膜封装该多功能传感器阵列。紫外光刻和薄膜沉积氧化硅薄膜作为刻蚀阻挡层，反应离子刻蚀(200W、200mTorr氧气氛)裸露部分的聚酰亚胺层，干法刻蚀去除刻蚀阻挡层，便得到了可拉伸扩展调控的多功能传感器阵列。
实施例2：传统微纳加工工艺制造电极结构以及传感器阵列
(1)将聚酰亚胺薄膜粘贴于玻璃上，经紫外光刻制作出第一电极层结构，包括交替的蜿蜒结构和半圆弧形节点。其中，蜿蜒结构和半圆弧形部分的线宽为50μm，半圆弧形部分的直径为1600μm，该第一电极层厚25μm。在该第一电极层结构上，薄膜沉积200nm金，旋涂聚酰亚胺薄膜(500nm)，作为第一电极层的电气绝缘层，再采用紫外光刻和薄膜沉积制作出第二电极层结构，同样具有交替的蜿蜒结构和半圆弧形节点，再在第二电极层结构上旋涂聚酰亚胺薄膜(500nm)作为第二电极层的电气绝缘层。
(2)由于第一电极层和第二电极层在正交方向进行叠置，相交处自然形成为容纳传感器的节点位置。采用紫外光刻和氧等离子体反应离子刻蚀(100W、100mTorr)制作出传感器分别与第一电极层和第二电极层的接线端。然后通过紫外光刻方式制作传感器的叉指结构，并薄膜沉积传感器相对应的敏感材料(如，紫外光传感器----氧化锌薄膜；气体传感器----氧化锡薄膜；湿度传感器----聚酰亚胺薄膜)，传感器分别与两电极相连形成回路。
(3)光传感器和化学传感器需要将探测区域露出便于检测外界刺激。紫外光刻和薄膜沉积氧化硅薄膜作为刻蚀阻挡层，反应离子刻蚀(100～200W，100～200mTorr氧气氛)裸露部分的聚酰亚胺层，湿法或干法刻蚀去除刻蚀阻挡层，便得到了可拉伸扩展调控的多功能传感器阵列。
(4)如实施例1中所述的封装该多功能传感器阵列。
实施例3：软光刻制作电极结构和传感器阵列
(1)在硅片上通过紫外光刻和反应等离子体刻蚀制作出可拉伸扩展图形结构，然后经过聚甲基硅氧烷(PDMS)倒模。
(2)在成型的PDMS模板上涂覆聚氨酯丙烯酸酯(PUA)，用一块平坦的PDMS模板压在其上，经挤压和紫外固化(365nm紫外光照10min)之后，得到可拉伸扩展调控的柔性电极基底，其中，基底的厚度为100μm，蜿蜒结构的线宽为200μm，圆形节点的直径为2000μm。
(3)在柔性基底上采用模板法进行薄膜沉积来分别制作电极材料100nm铜Cu和传感器阵列(温度、湿度等)。
(4)采用与实施例1和2类似等方法对该多功能传感器阵列进行封装。
实施例4
对于平面分布式传感器集成方法，设计5种传感器(温度、湿度、紫外光、磁、应力等传感器)和1种执行器(加温执行器)并确定它们在传感器节点的位置，按照上述实施例1步骤(1)～(4)制备得到可拉伸扩展调控的多功能传感器阵列，结构示意如图所示。本例中温度、应力、磁传感器的敏感材料分别是：铂金属、康铜、钴/铜多层薄膜；湿度、紫外光和气体传感器均先薄膜沉积一层铝，湿度传感器在铝叉指电极上涂覆一层1～3μm厚的聚酰亚胺薄膜，紫外光传感器则在铝叉指电极上沉积一层200～500nm厚的氧化锌薄膜，气体传感器则在铝叉指电极上沉积一层200～500nm厚的氧化锡薄膜；加温执行器是在敏感栅结构上沉积一层50～200nm的金薄膜。这种平面分布式集成的传感器阵列有利于同时监测外界的温度、湿度、光、磁、应力、气体等方面刺激以及调节阵列部分温度，并且该阵列还可以进行拉伸扩张，以实现监测面积扩大，传感器节点位置可调控、对复杂形状待测物实时监测及成像。如图11所示，所制备的多功能传感器阵列可以在不同的曲面上进行监测。
实施例5
对于叠层式传感器阵列，可在聚酰亚胺薄膜上重复实施例1步骤(1)、(2)和(3)中的工艺来制备另一种传感器阵列，以形成在阵列中的同一节点同时存在多种传感器，然后根据步骤(4)来完成叠层式可拉伸扩展调控的多功能传感器阵列。这种叠层式集成的传感器阵列能够同时监测外界的温度、磁、应力、湿度或光或化学等方面刺激，增加了传感器分布密度，随着可拉伸扩展调控传感器阵列的拉伸可以调控监测面积和密度。
实施例6：利用传感器对不同信号实行多重同时监测
根据实施例1和4制成了平面分布式传感器或叠层式传感器阵列。图12(平面分布式)中示出了同一多功能传感器阵列中的紫外光传感器、温度传感器、压力和接近传感器的多重同步监测，如图6a和b的示意图所示。在该平面分布式传感器阵列和该叠层式传感器阵列中，发明人同时集成了温度、紫外光、压力和接近传感器，用来同步监测外界的温度、磁、应力、湿度、紫外光等方面刺激。
设定了5个阶段的刺激变量来实时同步记录紫外光、温度、压力和接近传感器的信号变化过程：(i)人手指靠近集成传感器阵列的接近传感；(ii)人手指靠近并接触到集成传感器阵列的接近和压力传感；(iii)紫外光照(功率为1mW/cm2)情况下，如同(ii)过程的接近和压力传感，以及紫外光传感；(iv)无紫外光照情况下，如同(ii)过程的紫外光、接近和压力传感；(v)紫外光照的光探测。
结果如图12所示，表明各传感器在外界环境中的相互干扰作用较小，能够较好地进行多功能同步监测。
Claims (10)
1.一种电极结构，包括第一电极层和第二电极层，
第一电极层包括具有第一电极图案的绝缘基底和形成在该基底上的导电层，第一电极图案包括能沿第一方向拉伸的第一可拉伸结构和第一接线端，
第二电极层包括具有第二电极图案的绝缘基底和形成在该基底上的导电层，第二电极图案包括能沿第二方向拉伸的第二可拉伸结构和第二接线端，并且第二方向不同于第一方向，
其中，第一电极层与第二电极层如下进行叠置，使得第一电极图案的第一可拉伸结构和第二电极图案的第二可拉伸结构不发生搭接，而第一接线端与第二接线端部分相交，其中第一接线端与第二接线端在相交处绝缘，而第一接线端与第二接线端各自未相交的部分相对布置，从而形成用于容纳并电连接电子器件的节点。
2.一种电极结构阵列，包括第一电极层和第二电极层，
第一电极层包括在该层内平铺的一个以上彼此平行的具有第一电极图案的绝缘基底和形成在该基底上的导电层，第一电极图案包括一个或多个能沿第一方向拉伸的第一可拉伸结构和一个或多个第一接线端，其中第一可拉伸结构与第一接线端交替相连，
第二电极层包括在该层内平铺的一个以上彼此平行的具有第二电极图案的绝缘基底和形成在该基底上的导电层，第二电极图案包括一个或多个能沿第二方向拉伸的第二可拉伸结构和一个或多个第二接线端，其中第二可拉伸结构与第二接线端交替相连，并且第二方向不同于第一方向，
其中，第一电极层与第二电极层如下进行叠置，使得第一电极图案的每个第一可拉伸结构和第二电极图案的任一个第二可拉伸结构都不发生搭接，而每一个第一接线端与仅一个第二接线端发生相交且仅部分相交，其中发生部分相交的第一接线端与第二接线端在相交处绝缘，而该第一接线端与该第二接线端各自未相交的部分相对布置，从而形成用于容纳并电连接电子器件的节点。
3.根据权利要求1的电极结构或根据权利要求2所述的电极结构阵列，其中所述可拉伸结构为蜿蜒结构。
4.根据权利要求1的电极结构或根据权利要求2所述的电极结构阵列，其中第一电极层与第二电极层以第一方向与第二方向彼此垂直的方式叠置。
5.根据权利要求1的电极结构或根据权利要求2所述的电极结构阵列，其中第一接线端和第二接线端分别设置为半圆弧形，从而使得第一接线端与第二接线端在部分相交时形成弧形节点。
6.一种多功能传感器阵列，包括
(a)根据权利要求1-5中任一项的电极结构或电极结构阵列；和
(b)一种或多种传感器，
其中所述一种或多种传感器中的每一个设置在所述电极结构阵列的节点处，分别连接第一接线端和第二接线端，形成电连接。
7.根据权利要求6所述的多功能传感器阵列，其中，所述多功能传感器阵列中包含两个或更多个叠置的电极结构阵列。
8.根据权利要求6所述的多功能传感器阵列，其中，所述传感器作为功能模块以平面分布式布置在电极结构阵列中。
9.根据权利要求6所述的多功能传感器阵列，其中，所述传感器作为功能模块以叠层式布置在所述电极结构阵列中。
10.一种可拉伸且可弯曲的多功能传感装置，该多功能传感装置能用来同时监测面积大小和/或表面形貌存在变化的区域的多种不同信号，其特征在于，所述多功能传感装置包括根据权利要求1的电极结构或根据权利要求2-5中任一项的电极结构阵列或根据权利要求6-9中任一项的多功能传感器阵列，以及信号输出机构。
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