CN109115376A - 一种电容式柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

一种电容式柔性压力传感器及其制备方法，该电容式柔性压力传感器包括聚合物弹性体电极、绝缘层薄膜以及ITO电极；所述聚合物弹性体电极包括导电薄膜、聚合物弹性体和电极衬底，所述聚合物弹性体包括形成在所述电极衬底上的具有微结构凸起阵列的微结构层，所述导电薄膜覆盖在所述微结构层的表面；所述绝缘层薄膜置于所述聚合物弹性体电极和所述ITO电极之间，并通过所述导电薄膜与所述微结构层的微结构凸起的顶部接触。本发明提供了一种灵敏度高、器件稳定性好的电容式柔性压力传感器及其制备方法。

Description

一种电容式柔性压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及压力传感器技术领域，特别涉及一种电容式柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术

柔性电子作为新兴技术领域，曾被评选为“世界十大科技成果之一”。在工业4.0与中国制造2025时代下，万物互联，感知信息的范围、精度、场景、稳定性性和性能参数的期望逐渐提高，传统的硅基电子器件很难满足社会需求。此外人类与其他生物本身为柔性体，更适合柔性器件，也是柔性电子驱动的要素之一。所谓的柔性电子，即将有机/无机薄膜电子器件加工制造在柔性塑料衬底或金属薄膜/玻璃基板的电子技术。在适当的拉伸、延展、自由弯曲甚至折叠状态下，仍可正常工作实现对信息的准确测量。柔性电子技术在诸多领域，如柔性传感、柔性显示与照明、医疗健康、可穿戴设备、人机交互、能量储存等领域均有广泛的应用。

压力传感器依其工作原理，可以分为电容式、压阻式和压电式等。电容式压力传感器结构简单，分辨率高，在高温、辐射等恶劣的环境下适应速度快。它不仅应用于位移、振动、角速度、加速度等一些机械物理量的测量，而且还广泛应用于压力、差压力、液体压强、成分的含量等热工程参数的测量。但目前，电容式压力传感器仍然存在着一些问题，传统压力传感器无法弯曲或在弯曲条件下灵敏度较低，成本高等。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种具有极高的灵敏度、器件稳定性好的电容式柔性压力传感器及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种电容式柔性压力传感器，包括聚合物弹性体电极、绝缘层薄膜以及ITO电极；所述聚合物弹性体电极包括导电薄膜、聚合物弹性体和电极衬底，所述聚合物弹性体包括形成在所述电极衬底上的具有微结构凸起阵列的微结构层，所述导电薄膜覆盖在所述微结构层的表面；所述绝缘层薄膜置于所述聚合物弹性体电极和所述ITO电极之间，并通过所述导电薄膜与所述微结构层的微结构凸起的顶部接触。

进一步地：

所述微结构凸起包括锥形、截顶锥形、圆台形和半球形中的至少一种。

所述锥形包括圆锥形或棱锥形，所述截顶锥形包括截顶圆锥形或截顶棱锥形，所述锥形或所述截顶锥形的锥度在30°-90°之间。

所述微结构凸起的底面尺寸为直径10-60μm或底边边长为10-60μm。

所述微结构凸起的间距为10-120μm。

所述聚合物弹性体材料为PDMS、TPU、PET、硅橡胶或聚氨酯橡胶。

所述导电薄膜的膜厚为60-100nm。

所述聚合物弹性体电极的厚度为6-100μm。

所述绝缘层薄膜的膜厚为500nm-2μm。

一种所述的电容式压力传感器的制作方法，包括以下步骤：

使用具有微结构凸起阵列模板的硅模具制作在一面具有微结构凸起阵列的聚合物弹性体；

将所述电极衬底和所述聚合物弹性体的另一面进行层压键合，将键合后的聚合物弹性体从硅模具上剥离下来；

在所述聚合物弹性体的具有所述微结构凸起阵列的一面镀上金属电极，形成聚合物弹性体电极。

在ITO电极上进行绝缘层薄膜涂覆并与所述聚合物弹性体电极进行封装。

本发明的有益效果包括：

本发明的电容式柔性压力传感器具有聚合物弹性体电极，聚合物弹性体包括形成在电极衬底上的具有微结构凸起阵列的微结构层，导电薄膜覆盖在微结构层的表面，绝缘层薄膜置于聚合物弹性体电极和ITO电极之间，并通过导电薄膜与微结构层的微结构凸起的顶部接触，由于聚合物弹性体电极包括具有微结构凸起阵列的微结构层，可以感知极其微小的压力变化，增大了压力传感器的灵敏度。具体来说，由本发明聚合物弹性体电极形成的电容式压力传感器，当受到外界压力的作用时，聚合物弹性体电极的微结构发生形变，导致聚合物弹性体电极与ITO电极之间的距离发生变化，即电容式压力传感器的电容值发生变化。在向两电极施加电压后，电容值的变化转化为电信号的变化，从而感知外界压力的变化。本发明的压力传感器将外界压力信号转化为电信号，具有灵敏度极高，器件稳定性好，柔韧性好，易于阵列化、微型化等优点。

附图说明

图1是本发明实施例的电容式压力传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例的电容式压力传感器的剖面示意图；

图3是本发明实施例中的聚合物弹性体电极的微结构层示意图；

图4是本发明实施例中的聚合物弹性体电极的微结构层的剖面示意图；

图5是本发明实施例的电容式压力传感器制作方法的流程示意图；

图6是本发明实施例的电容式压力传感器的测试结果图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1至图4，在一种实施例中，一种电容式柔性压力传感器，包括ITO电极板1、绝缘层薄膜2以及聚合物弹性体电极3；所述聚合物弹性体电极3包括导电薄膜31、聚合物弹性体32和电极衬底33，所述聚合物弹性体32包括形成在所述电极衬底33上的具有微结构凸起阵列的微结构层，所述导电薄膜31均匀涂覆在所述微结构层的表面；所述绝缘层薄膜2置于所述聚合物弹性体电极3和所述ITO电极板之间，并通过所述导电薄膜31与所述微结构层的微结构凸起的顶部接触。ITO电极板1可以包括ITO11和ITO电极衬底材料12。

在一些优选的实施例中，所述微结构凸起包括锥形、截顶锥形、圆台形和半球形中的至少一种。

在进一步优选的实施例中，所述锥形包括圆锥形或棱锥形(如金字塔形)，所述截顶锥形包括截顶圆锥形或截顶棱锥形(如截顶金字塔形)，所述锥形或所述截顶锥形的锥度在30°-90°之间。在不同的实施例中，绝缘层薄膜2与微结构凸起的尖顶或截顶接触。

在优选的实施例中，所述微结构凸起的底面尺寸为直径10-60μm或底边边长为10-60μm。

在优选的实施例中，所述微结构凸起的间距为10-120μm。

在不同的实施例中，所述聚合物弹性体32材料为PDMS、TPU、PET、硅橡胶或聚氨酯橡胶。

在不同的实施例中，所述导电薄膜31材料可以是金、银、铜、碳纳米管、银纳米线等。优选地，所述导电薄膜31的膜厚为60-100nm。

在优选的实施例中，所述聚合物弹性体电极3的厚度为6-100μm。

在优选的实施例中，所述绝缘层薄膜2的膜厚为500nm-2μm。

例如，在具体实施例中，微结构凸起的形状可以为三角锥、多边形棱锥、圆锥、棱台、圆台等，当微结构为锥形或截顶锥形时，锥度范围在30°～90°之间，底边边长为10-60μm。微结构阵列中的凸起形状可以是一种，也可以是多种，当然，为了便于方便加工，优选微结构阵列中的凸起的形状是一种。微结构阵列的单元间距为10-120μm。所述导电薄膜膜厚为60-100nm。所述聚合物弹性体电极的厚度为6-100μm，更优选的厚度为10-50μm。所述聚合物弹性体为PDMS、TPU、PET、硅橡胶或聚氨酯橡胶，优选是PDMS。优选地，所述导电薄膜材料为金、银、铜、碳纳米管、银纳米线等，所述导电薄膜的膜厚为60-100nm。所述聚合物弹性体电极的厚度为6-100μm。优选地，所述绝缘层薄膜的材料为派瑞林、二氧化硅等，所述绝缘层薄膜的膜厚为500nm-2μm，具体地，采用原子层沉积或化学气相沉积工艺进行涂覆，生长的绝缘层厚度一致。

如图1和图2所示，电容式压力传感器包括ITO电极板1、绝缘层薄膜2和聚合物弹性体电极3。聚合物弹性体电极3的微结构阵列中的至少一个微结构与绝缘层薄膜2接触，ITO电极板1、绝缘层薄膜2和聚合物弹性体电极3相互键合。其中，ITO电极板1包括ITO 11和ITO电极衬底材料12。绝缘层薄膜2为派瑞林C，派瑞林C通过真空气相沉积均匀涂覆在ITO电极板表面。聚合物弹性体电极3包括Ti/Au金属薄膜、微结构阵列和电极衬底材料。ITO电极衬底和聚合物弹性体电极衬底的材料可以选择PET、PMMA等。

本例中，ITO导电薄膜的膜厚为200nm，衬底材料选择PET材料，厚度为50μm。

参阅图5，在另一种实施例中，一种制作前述任一实施例的电容式压力传感器的制作方法，包括以下步骤：

使用具有微结构凸起阵列模板的硅模具制作在一面具有微结构凸起阵列的聚合物弹性体；

将所述电极衬底和所述聚合物弹性体的另一面进行层压键合，将键合后的聚合物弹性体从硅模具上剥离下来；

在所述聚合物弹性体的具有所述微结构凸起阵列的一面镀上金属电极，形成聚合物弹性体电极。

在ITO电极上进行绝缘层薄膜涂覆并与所述聚合物弹性体电极进行封装。

如图5所示，在优选的实施例中，该电容式压力传感器的制作过程包括以下步骤：

S1、使用SU-8胶对硅片进行标准光刻工艺，本实例采用的是100晶向硅片。

S2、利用BOE进行刻蚀，BOE溶液的配置为：80g NH4F、20mL 49％HF溶液、120mLH2O，刻蚀速率为1000A/min。

S3、利用硅的湿法刻蚀技术制作硅模具，硅刻蚀液的配置成分为：70g KOH与190mLH2O，前两者完全溶解后，加入40mL IPA，在80℃水浴情况下，刻蚀速率为8000A/min。

S4、对此微结构硅模具进行硅烷化处理表面，本例中用1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷，在120℃下处理3h获得疏水表面。

S5、在制作好的硅模具上真空旋涂PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)，并在80℃环境下烘烤3h，本例中PDMS与固化剂的质量配比10:1，真空度-0.1MPa，以形成聚合物弹性体电极的一部分；优选例中，PDMS、固化剂与正己烷按质量配比10:1：11。图4为压力敏感层的剖面示意图，其阵列凸起间的间距a1与微结构高度a2与压力敏感层的厚度a3取决于压力传感器的检测范围与检测要求，在优选例中，a1为30μm，a2为15μm，a3为25μm。

S6、层压键合,将PET薄膜和聚合物弹性体电极的待键合面进行臭氧活化处理(氧等离子表面处理，90W，30s)；将键合后的聚合物弹性体电极从硅模具上剥离下来。

S7、蒸镀金属电极，在聚合物弹性体电极微结构表面使用电子束蒸镀导电薄膜，先蒸镀10nm Ti作为粘附层于PDMS微结构表面，再蒸镀60nm Au作为导电层。

S8、在ITO电极上采用真空气相沉积工艺完成2μm派瑞林C涂覆并与键合后的聚合物弹性体电极进行封装。

图6所示为上述压力传感器的测试结果，在0-40Pa时传感器灵敏度达到24.21kPa-1，在40-130Pa时传感器灵敏度达到1.72kPa-1。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种电容式柔性压力传感器，其特征在于，包括聚合物弹性体电极、绝缘层薄膜以及ITO电极；所述聚合物弹性体电极包括导电薄膜、聚合物弹性体和电极衬底，所述聚合物弹性体包括形成在所述电极衬底上的具有微结构凸起阵列的微结构层，所述导电薄膜覆盖在所述微结构层的表面；所述绝缘层薄膜置于所述聚合物弹性体电极和所述ITO电极之间，并通过所述导电薄膜与所述微结构层的微结构凸起的顶部接触。

2.如权利要求1所述的电容式柔性压力传感器，其特征在于，所述微结构凸起包括锥形、截顶锥形、圆台形和半球形中的至少一种。

3.如权利要求2所述的电容式柔性压力传感器，其特征在于，所述锥形包括圆锥形或棱锥形，所述截顶锥形包括截顶圆锥形或截顶棱锥形，所述锥形或所述截顶锥形的锥度在30°-90°之间。

4.如权利要求2至3任一所述的电容式柔性压力传感器，其特征在于，所述微结构凸起的底面尺寸为直径10-60μm或底边边长为10-60μm。

5.如权利要求1至4任一所述的电容式柔性压力传感器，其特征在于，所述微结构凸起的间距为10-120μm。

6.如权利要求1至5任一所述的电容式柔性压力传感器，其特征在于，所述聚合物弹性体材料为PDMS、TPU、PET、硅橡胶或聚氨酯橡胶。

7.如权利要求1至6任一所述的电容式柔性压力传感器，其特征在于，所述导电薄膜的膜厚为60-100nm。

8.如权利要求1至7任一所述的电容式柔性压力传感器，其特征在于，所述聚合物弹性体电极的厚度为6-100μm。

9.如权利要求1至8任一所述的电容式压力传感器，其特征在于，所述绝缘层薄膜的膜厚为500nm-2μm。

10.一种如权利要求1至9任一所述的电容式压力传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：

使用具有微结构凸起阵列模板的硅模具制作在一面具有微结构凸起阵列的聚合物弹性体；

将所述电极衬底和所述聚合物弹性体的另一面进行层压键合，将键合后的聚合物弹性体从硅模具上剥离下来；

在所述聚合物弹性体的具有所述微结构凸起阵列的一面镀上金属电极，形成聚合物弹性体电极。

在ITO电极上进行绝缘层薄膜涂覆并与所述聚合物弹性体电极进行封装。