CN108871629A - 一种柔性电阻式压力传感器阵列及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性电阻式压力传感器阵列及其制备方法，其中柔性电阻式压力传感器阵列包括表面封装层、电极层和功能层，电极层包括基层薄膜以及基层薄膜上的若干条等距排列的薄膜金属线，薄膜金属线连接有多路选通器；所述功能层为表面带有凸起微结构的柔性弹性薄膜，柔性弹性薄膜覆盖有若干条等距排列的导电金属线，导电金属线连接有运算放大器；电极层的薄膜金属线和功能层的导电金属线以垂直交叉的方式叠合装配。本发明的压力传感器阵列具有高灵敏度、快速响应与恢复、低工作电压、大阵列规模、简单制备工艺和低成本等一系列优点。

Description

一种柔性电阻式压力传感器阵列及其制备方法

技术领域

本发明涉及压力传感器领域，具体涉及一种柔性电阻式压力传感器阵列及其制备方法。

背景技术

柔性器件与传统刚性器件不同，其具有柔韧性和弹性，可以承受多种变形，柔性压力传感器在医疗健康，人机交互，机器人电子皮肤等领域具有广泛应用。

柔性压力传感器根据传导机理主要分为电阻式、电容式和压电式三类。其中，电阻式压力传感器因其结构简单，灵敏度高等优点而被大量研究，其机理是将外界压力刺激转变为电阻的变化，从而导致输出的电流或电压的改变，来反馈压力的大小。

目前实现柔性电阻式压力传感器的技术有：1)压阻式柔性压力传感器：柔性块材导电材料与电极欧姆接触形成通路，压力使材料变形导致自身电阻率改变，进而改变输出电信号，柔性块材导电材料一般是采用炭黑、碳纳米管、石墨烯等微纳米材料作为导电相与硅橡胶掺杂形成的柔性导电复合材料；2)接触式柔性压力传感器：表面导电微结构柔性绝缘材料与电极欧姆接触形成通路，即绝缘柔性材料的一面具有表面微结构，且微结构表面覆盖导电金属，压力使表面微结构变形导致柔性材料的导电表面与电极的接触面积增加使接触电阻降低，进而改变输出电信号。

柔性压力传感器阵列化是指，由柔性压力传感器作为传感单元，将若干单元集成在一定区域内，并通过电路控制实现寻址实时测量分布压力，柔性压力传感器只能测量单点的压力变化，而分布压力测量可以同时测量一定区域内多点的压力变化。

目前实现电阻式压力传感器的阵列化的电路技术有：1)冗线式，即每个传感单元独立引出正负极引线，实现寻址；2)薄膜晶体管式，即将传感单元与薄膜晶体管集成，通过晶体管实现寻址；3)扫描电路式，即通过交叉的行列走线将所有传感单元接入，再控制行列的选通实现寻址。

目前柔性压力传感器阵列技术有：1)以压阻式柔性压力传感器为单元，采用冗线式、薄膜晶体管式或扫描电路式电路技术将该单元阵列化；2)以接触式柔性压力传感器为单元，采用冗线式技术将其阵列化。

现有的柔性电阻式压力传感器阵列技术虽可实现分布压力测量，但是其在灵敏度，响应和恢复时间或制备工艺方面存在明显不足；此外，采用冗线式阵列化技术的阵列，存在阵列规模小，引线多的缺点；扫描电路行和列均需要选通器，会增加后端电路控制负担；采用薄膜晶体管式技术制备的阵列，存在制备工艺复杂困难，成本高昂，工作电压高的缺点。

发明内容

本发明的目的在于提供了一种高灵敏度、快速响应与恢复、低工作电压、大阵列规模的新型柔性电阻式压力传感器阵列及其制备方法。

一种柔性电阻式压力传感器阵列，包括表面封装层、电极层和功能层，所述电极层包括基层薄膜以及基层薄膜上的若干条等距排列的薄膜金属线，所述薄膜金属线连接有多路选通器；

所述功能层为表面带有凸起微结构的柔性弹性薄膜，所述柔性弹性薄膜覆盖有若干条等距排列的导电金属线，所述导电金属线连接有运算放大器；

所述电极层的薄膜金属线和功能层的导电金属线以垂直交叉的方式叠合装配。

电极层N条薄膜金属电路作为行电路与功能层M条柔性微结构金属电路作为列电路垂直交叉接触，形成N×M个交叉点，交叉点即为压力传感单元。功能层上凸起微结构的尖端与电极层接触形成导电通路，同时在接触处产生接触电阻。受压时，功能层的凸起微结构发生压缩形变，导致接触尖端变钝，从而使功能层和电极层的接触面积增大，降低了接触电阻，进而改变了输出电信号，因此具有感知压力的功能。

通过扫描来依次选通N条行电路，选通的行电路上共有M个交叉点，每个交叉点通过各自的列电路将电流引出。在每条列电路的末端设置运算放大器，从而使得这M个传感单元彼此不影响，独立传感压力信号。当行电路通过多路选通器开始快速扫描依次选通时，N×M个交叉点近似于同时开始传感压力信号，彼此之间独立工作不受影响，从而使该压力传感器阵列实现多点实时测量分布压力的功能。

本发明通过两种非压力敏感材料的接触电阻的变化体现压力的变化，以接触式柔性压力传感器为单元，巧妙地将这种压力传感机理设计成阵列传感结构，并采用了带有运算放大器和多路选通器的新型阵列扫描电路，只需要对行或者列进行选通控制即可实现寻址，得到一种集高灵敏度、快速响应与恢复、低工作电压、大阵列规模、简单制备工艺和低成本等优点于一体的可实时测量一定区域内分布压力的电阻式柔性压力传感器阵列。

所述的表面封装层可以为薄膜结构、厚膜结构、多孔结构、表面粗糙结构中的任意一种或多种。

所述的表面封装层由底封装层和顶封装层组成，通过底封装层和顶封装层将电极层和功能层叠合装配。

底封装层和顶封装层优选为PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄层，也可以选择其他柔性弹性材料，如硅橡胶、橡胶、PET或PI等，起到保护内部电路、隔绝水气和绝缘的作用。

所述凸起微结构为锥形阵列结构或蜂窝状结构。也可以选择其它在受压时能够发生压缩形变，从而改变功能层和电极层的接触面积的结构。

作为优选，所述的柔性弹性薄膜的材料为PDMS。

所述的导电金属线由若干层金属叠合而成，每层的厚度为5纳米-100微米，至少有一层为导电金属。

作为优选，所述的导电金属线采用铬金双层金属，通过铬将金粘接在所述的柔性弹性薄膜上。

本发明还提供了一种柔性电阻式压力传感器阵列的制备方法，包括以下步骤：

(1)利用具有表面微结构的模具，通过匀胶技术制得含表面凸起微结构的柔性弹性薄膜，将柔性弹性薄膜的光滑面转印到玻璃表面，在凸起微结构表面用掩膜版遮蔽后进行金属镀膜，形成M条等距排列的导电金属线，得到功能层；

(2)在基层薄膜上布置N条等距排列的薄膜金属线，得到电极层；

(3)利用表面封装层将功能层与电极层叠合，使得M条导电金属线与N条薄膜金属线垂直交叉，形成M×N个接触点，最终得到所述的柔性电阻式压力传感器阵列。

步骤(1)中，所述的模具为砂纸、纺织物、生物表皮或人工微结构模具。

步骤(2)中，所述电极层采用柔性电子制造工艺、印刷电路技术或喷墨打印技术制得。

步骤(3)的具体步骤为：

(3-1)使用水溶性胶带将电极层贴于底封装层上，用水将该胶带完全溶解，使电极层转印到底封装层上；

(3-2)使用水溶性胶带将功能层的凸起微结构面完整粘贴后拾起，使功能层的光滑面朝上，将光滑面和顶封装层置于等离子清洗机中用氧气处理，迅速将该胶带和顶封装层热压在一起，再用水将该胶带完全溶解；

(3-3)使用水溶性胶带将步骤(3-1)的产物完整粘贴后拾起，使有电极层的一面朝上，将电极层的面和步骤(3-2)的产物置于等离子清洗机中用氧气处理，迅速将该胶带和顶封装层热压在一起，再用水将该胶带完全溶解，从而得到柔性压力传感器阵列。

本发明与现有技术相比，具有以下有益效果：

1、本发明电阻式柔性压力传感器阵列具有N×M个交叉接触点，近似于同时开始传感压力信号，彼此之间独立工作不受影响；并采用了带有放大器、多路选通器的新型阵列扫描电路，从而使该压力传感器阵列实现多点实时测量分布压力的功能，具有超高灵敏度，能感知极轻微压力，感测的最小压力小于10帕；

2、本发明电阻式柔性压力传感器阵列的功能层上覆盖凸起微结构，能快速响应与恢复，施加压力后，传感器迅速做出响应，释放压力后，传感器迅速回归施加压力前的状态，两个过程的时间均小于50毫秒；

3、本发明电阻式柔性压力传感器阵列的工作电压低，可使用2伏特以下的电源供电，安全节能；

4、本发明电阻式柔性压力传感器阵列制备方法简单、制备成本低，可实现多点实时压力测量，彼此不干扰，且其传感单元多而引线、引脚少。

附图说明

图1为本发明实施例柔性电阻式压力传感器阵列的分解示意图；

图2为本发明实施例的功能层与电极层的微结构接触局部放大图；

图3为本发明实施例的后端电路设计原理图。

图中:1-顶封装层，2-功能层，3-电极层，4-底封装层，11-柔性弹性薄膜，12-金属薄膜，21-列电路、22-行电路、23-多路选通器，24-运算放大器。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本发明进行进一步详细说明。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。

如图1、图2所示，一种柔性电阻式压力传感器阵列，由4层结构叠合，自上而下包括顶封装层1、功能层2、电极层3和底封装层4。

功能层2包括一层柔性弹性薄膜11，薄膜的其中一面具有凸起微结构，在有凸起微结构的一面等间隔布置金属薄膜12。电极层3为超薄柔性电路，间隔布置的薄膜金属线。

本实施例中，顶封装层1和底封装层4的材料为200微米厚度PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄层，起到保护和绝缘的作用。柔性弹性薄膜11的材料为PDMS，金属薄膜12采用铬金双层金属，通过铬将金粘接在柔性弹性薄膜11上。

为方便理解，如图3所示，等间隔布置的金属薄膜12等效于列电路21，等间隔布置的薄膜金属线等效于行电路22，功能层2的5条列电路21与电极层3的5条行电路22垂直交叉，形成25个交叉点，该交叉点称为功能单元。行电路22连接多路选通器23,每个列电路21的末端设置运算放大器24。

功能层2和电极层3通过凸起微结构尖端的接触形成导电通路，同时在接触处产生接触电阻。当顶封装层1和底封装层4受到压力时，功能层2的凸起微结构发生压缩形变，导致接触尖端变钝，从而使功能层2和电极层3的接触面积增大，降低了接触电阻，进而改变了输出电信号，因此具有感知压力的功能。

通过扫描来依次选通行电路(一个时刻只有一条行电路是接电的)，选通的行电路共有5个交叉点，即5个传感单元，每个传感单元通过各自的列电路21将电流引出。在每条列电路21的末端设置运算放大器24，从而使得这5个传感单元彼此不影响，独立传感压力信号(第一个交叉点受变化压力导致接触电阻改变，该列电路导出的电信号发生改变，其余从四个交叉点的列电路导出的电信号不受影响)。

当行电路22通过多路选通器23开始快速扫描依次选通时，25个交叉点近似于同时开始传感压力信号，彼此之间独立工作不受影响。从而使该压力传感器阵列实现多点实时测量分布压力的功能。

这里行电路22连接的多路选通器23，列电路21连接的运算放大器24，均被集成在后端电路中，该后端电路与柔性压力传感器阵列通过柔性排线连接。

下面描述本发明柔性电阻式压力传感器阵列的其中一种制备方法。

(1)功能层的制备

制作微结构模具：将砂纸固定于玻璃片上，使砂纸微结构的一面朝上；

制作微结构PDMS：将双组份的商用PDMS产品混合搅拌后，匀胶于模具上后，置于热板固化成弹性透明薄膜，改变匀胶的转速和时间控制薄膜厚度在200微米左右；

PDMS水中转印：从微结构模具上撕下的PDMS薄膜在水中，平铺于另一片玻璃片上，使微结构面朝上。铺展时保证两接触面之间没有气泡后，再从水中缓慢捞起来；

金属图案化：在PDMS表面制作硬遮蔽后，置于电子束蒸发镀膜仪进行金属镀膜。这里镀层先后是铬/金，厚度分别是5纳米和100纳米。镀膜完毕后，除去硬遮蔽后，即为功能层2。

(2)电极层的制备

在洁净的玻璃基片上旋涂商用PI，固化后制备厚度2.5微米底PI(聚酰亚胺)薄膜。PI薄膜上旋涂光刻胶，前烘后，在光刻机上掩膜光刻、显影，随后置于电子束蒸发镀膜仪，先后蒸镀5纳米铬和100纳米金。将蒸镀后的基片置于丙酮中，剥离掉多余金属，剩下金属图案。在金属剥离后的基片上旋涂PI，制备2.5微米后PI顶薄膜。顶PI薄膜上旋涂光刻胶，前烘后，在光刻机上掩膜光刻、显影，随后置于电子束蒸发镀膜仪蒸镀200纳米铝。将蒸镀后的基片置于丙酮中，剥离掉多余铝，剩下金属图案，上述铝是作为干法刻蚀PI的硬遮蔽。用ICP(电感耦合等离子体刻蚀机)刻蚀顶、底PI，刻蚀后的基片置于碱性显影液中，将铝完全溶解。将基片置于氢氟酸中浸泡，氢氟酸溶解基片表面，从而将电极层3从基片释放下来。

(3)顶、底封装层的制备

将双组份的商用PDMS产品混合搅拌后，旋涂于玻璃上后，置于热板固化成弹性透明薄膜，改变匀胶的转速和时间控制薄膜厚度在200微米左右，最终制作的两片封装层，作为顶封装层1和底封装层4。

(4)叠合装配

将电极层完整粘贴于水溶性胶带之上后，将电极层贴于底封装层上，再用水将该胶带完全溶解，电极层与底封装层通过范德华力固定在一起，称为底层。将功能层完整粘贴于水溶性胶带上后，将其与顶封装层置于等离子清洗机中处理，使表面改性。迅速将该胶带和顶封装层热压在一起后用水将该胶带完全溶解，功能层和顶封装层通过化学键固定在一起，称为顶层。将底层完整粘贴于水溶性胶带上后，与顶层置于等离子清洗机中处理，使表面改性。迅速将该胶带和顶封装层热压在一起后用水将该胶带完全溶解，从而得到最终的柔性压力传感器阵列。

Claims (10)

1.一种柔性电阻式压力传感器阵列，包括表面封装层、电极层和功能层，其特征在于，所述电极层包括基层薄膜以及基层薄膜上的若干条等距排列的薄膜金属线，所述薄膜金属线连接有多路选通器；

所述功能层为表面带有凸起微结构的柔性弹性薄膜，所述柔性弹性薄膜覆盖有若干条等距排列的导电金属线，所述导电金属线连接有运算放大器；

所述电极层的薄膜金属线和功能层的导电金属线以垂直交叉的方式叠合装配。

2.如权利要求1所述的柔性电阻式压力传感器阵列，其特征在于，所述的表面封装层为薄膜结构、厚膜结构、多孔结构、表面粗糙结构中的任意一种或多种。

3.如权利要求1所述的柔性电阻式压力传感器阵列，其特征在于，所述凸起微结构为锥形阵列结构或蜂窝状结构。

4.如权利要求1所述的柔性电阻式压力传感器阵列，其特征在于，所述的柔性弹性薄膜的材料为PDMS。

5.如权利要求1所述的柔性电阻式压力传感器阵列，其特征在于，所述的导电金属线由若干层金属叠合而成，每层的厚度为5纳米-100微米，至少有一层为导电金属。

6.如权利要求1所述的柔性电阻式压力传感器阵列，其特征在于，所述的导电金属线采用铬金双层金属，通过铬将金粘接在所述的柔性弹性薄膜上。

7.一种如权利要求1～6所述的柔性电阻式压力传感器阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

(1)利用具有表面微结构的模具，通过匀胶技术制得含表面凸起微结构的柔性弹性薄膜，将柔性弹性薄膜的光滑面转印到玻璃表面，在凸起微结构表面用掩膜版遮蔽后进行金属镀膜，形成M条等距排列的导电金属线，得到功能层；

(2)在基层薄膜上布置N条等距排列的薄膜金属线，得到电极层；

(3)利用表面封装层将功能层与电极层叠合，使得M条导电金属线与N条薄膜金属线垂直交叉，形成M×N个接触点，最终得到所述的柔性电阻式压力传感器阵列。

8.如权利要求7所述的柔性电阻式压力传感器阵列的制备方法，其特征在于，步骤(1)中，所述的模具为砂纸、纺织物、生物表皮或人工微结构模具。

9.如权利要求7所述的柔性电阻式压力传感器阵列的制备方法，其特征在于，步骤(2)中，所述电极层采用柔性电子制造工艺、印刷电路技术或喷墨打印技术制得。

10.如权利要求7所述的柔性电阻式压力传感器阵列的制备方法，其特征在于，步骤(3)的具体步骤为：

(3-1)使用水溶性胶带将电极层贴于底封装层上，用水将该胶带完全溶解，使电极层转印到底封装层上；

(3-2)使用水溶性胶带将功能层的凸起微结构面完整粘贴后拾起，使功能层的光滑面朝上，将光滑面和顶封装层置于等离子清洗机中用氧气处理，迅速将该胶带和顶封装层热压在一起，再用水将该胶带完全溶解；

(3-3)使用水溶性胶带将步骤(3-1)的产物完整粘贴后拾起，使有电极层的一面朝上，将电极层的面和步骤(3-2)的产物置于等离子清洗机中用氧气处理，迅速将该胶带和顶封装层热压在一起，再用水将该胶带完全溶解，从而得到柔性压力传感器阵列。