CN109374194B - 一种参考压力可调的柔性压力传感器阵列及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于柔性电子与传感器相关技术领域，并公开了一种参考压力可调的柔性压力传感器阵列，它包括封装层、顶电极、PZT压电薄膜层、底电极、PI基底和微流道空腔基底，其中顶电极和底电极分别布置在压电薄膜层的两侧，并且当压力作用于传感器阵列时，压力使得该PZT压电薄膜层发生应变，由此在该顶电极和底电极上极化出电荷形成测量电压；微流道空腔基底为含有微流道结构和多个空腔的柔性层状构造，并通过键合处理与其相邻一侧的PI基底相密封，使得这多个空腔形成一个密闭的阵列区域。本发明还公开了相应的制备方法。通过本发明，能够为传感器提供一个稳定的参考压力，显著提高了整体灵敏度和准确度，同时可直接贴附于各类复杂曲面的表面。
Description
技术领域
本发明属于柔性电子与传感器相关技术领域，更具体地，涉及一种参考压力可调的柔性压力传感器阵列及其制备方法，其与现有产品相比具备更高的压力测量灵敏度和准确度，并尤其适用于飞行器柔性智能蒙皮之类的复杂曲面表面气体压力测试场合。
背景技术
对飞行器、机器人、高铁、潜艇、风洞、航天器等设备而言，针对其表面的压力测量具有十分重要的意义。例如，飞行器的气动参数对其飞行速度、操作机动性、环境感知和安全维护能力至关重要。其中飞行器表面的压力分布数据起到多方面的指导作用，其不仅可为飞行器及其各部件结构强度计算提供气动载荷分布的原始数据，并且还能为研究飞行器及其各部件的性能、研究绕模型的流动特性提供依据。通过压力分布测量可以确定机翼上最小压力点位置，气流分离特性以及作用在模型上的升力、压差阻力和压力中心的位置等。
具体而言，目前风洞测试中飞行器测压实验最常用的技术主要还是采用空速管与测压孔的测量方式，来进行飞行器表面的压力测量。该方法需要先在机翼表面加工几百甚至上千个测压孔，再把测压管前端安装到测压孔处，长长的测压管通过模型内部走出来，到后端与压力扫描阀相连，压力扫描阀上连接有硅压力传感器，用于测量测压管传来的气流压力。测压孔法不仅成本高昂，而且加工测量繁琐，对流场也有一定的影响。针对此问题，近年来已经提出一种新型的测压技术光学压敏涂料测压技术，包括先在模型表面涂一层约几十微米厚度的压敏漆，在光的激励下，压敏漆会对不同氧分压发出不一样的颜色，而气流中不同压力处的氧分压不同，所以压敏漆的颜色就反映了该处模型表面的压力分布，可通过CCD相机捕捉到模型表面压敏漆的颜色，与开机前的颜色进行对比处理，就可以计算出模型表面的压力分布。该方法分辨率较测压孔高，可以连续地测量模型表面的压力分布，且对流场干扰小，成本较低。但是该技术受环境影响较大，测量量也相对单一，精度不高。
又如，飞行器柔性智能蒙皮是一种利用柔性电子技术制备超薄柔软可共形的传感器阵列，可直接贴附于飞行器模型表面进行物理量的测量的先进智能材料结构。现有技术中已经提出了一些相关方案。例如，CN108195491A提出可利用胶体通过浇筑制备具有微球阵列的PDMS结构，结合碳纳米管导电薄膜，制成柔性压力传感器，但是其厚度较厚，柔性不强，对流场影响大，因而在实践中并不适合贴在飞行器表面进行压力测量；CN108225625A提出了通过倒模的方式制备具有微阵列的PDMS-碳纳米管薄膜-PDMS三明治结构的柔性压力传感器，然而其厚度较厚，而且没有参考压力，因此同样不适用于气体压力之类的精确测量。
发明内容
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种参考压力可调的柔性压力传感器阵列及其制备方法，其中通过紧密结合复杂曲面气体压力测量场合的实际工况特征及具体需求，充分利用压电材料的d31工作模式的传感原理，同时在传感器柔性基底上设计出包含有空腔和微流道的新型构造，相应不仅可为顶部和底部的传感器提供一个稳定的参考压力，而且还能依靠阀门来直接调节传感器的参考压力，由此显著提高了整体传感器的灵敏度和准确度；特别是，与常规技术相比不再必需打孔和布线等操作，可直接贴附于各类复杂曲面的表面，因而尤其适用于飞行器柔性智能蒙皮之类的应用场合。
相应地，按照本发明，提供了一种参考压力可调的柔性压力传感器阵列，其特征在于，该柔性压力传感器阵列的整体厚度不超过50μm，它从外到内依次包括封装层、顶电极、PZT压电薄膜层、底电极、PI基底和微流道空腔基底，其中：
所述顶电极、底电极均被设计为蜿蜒的导线互联结构，它们分别布置在所述PZT压电薄膜层的外、内两侧，并且当压力作用于所述柔性压力传感器阵列的表面进行测量时，压力使得该PZT压电薄膜层发生应变，由此在该顶电极和底电极上极化出电荷，同时通过导线引出形成测量电压；所述封装层、PI基底则分别用于将所述顶电极、底电极予以包裹封装；
所述微流道空腔基底为在硅片上加工出含有微流道结构和多个空腔的柔性层状构造，并通过键合处理与其相邻一侧的所述PI基底相密封，使得这多个空腔形成一个密闭的阵列区域，其中该微流道结构用于将多个所述空腔结构彼此连通起来，然后通过微流道入口处的阀门与外部气源可控相连；以此方式，可为整个柔性压力传感器阵列在整个压力测量过程中提供一个稳定的参考压力，进而提高测量灵敏度和可靠性，同时通过所述阀门来自由调节所述微流道空腔基底所提供的参考压力值。
作为进一步优选地，对于所述顶电极和底电极而言，其优选设计为自相似蜿蜒结构和岛桥结构。
作为进一步优选地，对于所述顶电极和底电极而言，其优选设计为n﹡n的行列扫描式电极结构，并且仅通过两根引线和选通芯片电路来完成所有的信号采集。
作为进一步优选地，对于所述微流道结构和多个空腔而言，其优选采用软光刻工艺在所述硅片上制成模具，再采用PI材料旋涂浇筑而成。
作为进一步优选地，所述顶电极和底电极优选采用其晶格常数与PZT接近的材料制成，进一步优选为Pt电极。
作为进一步优选地，所述PZT压电薄膜层优选采用650℃以上的高温退火处理以形成钙钛矿相结晶，然后利用其D31工作模式来输出电压。
作为进一步优选地，上述柔性压力传感器阵列可直接贴附于复杂曲面的表面，并且不用打孔和布线。
作为进一步优选地，上述柔性压力传感器阵列优选作为飞行器柔性智能蒙皮用于飞行器模型表面空气压力的测量用途。
按照本发明的另一方面，还提供了相应的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)PZT前驱体凝胶溶液的制备步骤
按照金属离子摩尔浓度比为Pb：Zr：Ti＝1.15～1.2：0.52：0.48的配比，称取溶质三水醋酸铅、五水硝酸锆和钛酸四丁酯，溶于乙二醇甲醚或乙酰丙酮溶剂中，通过水解反应和聚合反应形成PZT的前驱体溶液；接着通过调节pH和定容0.4～0.6mol/L，经自然冷却，静置密封，在自然条件下老化40～80个小时，形成PZT前驱体凝胶溶液；
(b)PZT牺牲层的制备步骤
将蓝宝石基底清洗干净，在其上旋涂所述PZT前驱体凝胶溶液，固化坚膜后再进一步加热去除有机物，如此反复涂多层，达到预期的压电层厚度，再经高温退火形成钙钛矿相，作为PZT牺牲层；
(c)底电极的制备步骤
通过光刻技术，在所述PZT牺牲层上制备出互联电极结构，再通过磁控溅射或者蒸镀沉积金属电极，去胶之后形成底电极；
(d)PZT功能层的制备步骤
在底层电极上继续旋涂所述PZT前驱体凝胶溶液，固化坚膜后再进一步加热去除有机物，如此反复涂多层，达到预期的压电层厚度，再经高温退火形成钙钛矿相，作为PZT功能层；
(e)顶电极的制备步骤
通过光刻技术，在所述PZT功能层上制备出互联电极结构，再通过磁控溅射或者蒸镀沉积金属电极，去胶之后形成顶电极；
(f)PI基底的制备步骤
在所述底电极上旋涂PI溶液，固化坚膜后进行亚胺化，由此形成PI基底；
(g)微流道空腔基底的制备步骤
在硅片上，采用软光刻技术制备出含有微流道和空腔的柔性基底，经过表面改性技术处理后，该柔性基底与所述PI基底通过键合胶水热压键合，并构成包含微流道和空腔的密封柔性基底；
(h)封装层的制备步骤
去除所述PZT牺牲层，然后对所述顶电极进行旋涂PI封装，再通过RIE刻蚀技术或者湿法刻蚀技术露出器件的引脚；最后安装好与所述微流道的入口保持可控相连的阀门，做好密封，由此完成所需的柔性压力传感器阵列产品的制备过程。
作为进一步优选地，在上述PZT牺牲层和PZT功能层的制备步骤中，PZT薄膜的固化坚膜温度优选为120℃～300℃，加热时间为4min～6min；高温退火方式选用快速退火炉，退火温度为650度以上。
作为进一步优选地，在上述顶电极和底电极的制备步骤中，光刻胶优选选用AZ5214，电极材料优选选用Pt。
作为进一步优选地，在上述封装层的制备步骤中，优选采用激光剥离所述PZT牺牲层，并且该激光剥离的激光光束宽度优选选用20mm*0.5mm，激光能量选用40mJ，扫描速度选用2mm/s。
总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，主要具备以下的技术优点：
1、本发明紧密结合了复杂曲面气体压力测量场合的实际工况特征及具体需求分析，通过在传感器柔性基底上设计出包含有空腔和微流道的新型构造，相应使得压电传感器处于一种自由状态，当受到压力时，能更容易发生应变，从而进一步的极大提高了传感器的灵敏度；
2、此外，与此配套的微流道进一步将多个空腔连成一个封闭的阵列区域，相应不仅为传感器提供了一个稳定的参考压力，而且该微流道将空腔与气源通过阀门相连，由此通过调节阀门就可以调节传感器的参考压力，并能随之调节传感器的灵敏度和精度，以适应更广泛的测压场合；
3、为了更好地发挥以上功效，本专利的压电传感器阵列被优选采用行列扫描的设计，例如对于n*n的传感器阵列，只需要设计n+n个引脚，再通过仅仅两根引线，加上选通芯片电路，通过高频扫描采样就可以完成n*n个传感器单元的信号采集，大大减少了器件引线接出的数量；而且自相似电极结构的设计提升了器件的弯曲能力，使其能够直接贴在复杂曲面表面，进行曲面模型表面的压力测量；
4、本专利还对相应的制备工艺流程及其关键条件进行了针对性设计，相应不仅可制备尺寸更小、精度更高的微流道与空腔，而且柔性传感器的剥离与转印成功率更高，制备出的器件厚度很薄，大大提高了传感器的柔性和灵敏度，不仅适合平面上测量，也使用于各类复杂曲面表面的压力测量；
5、较多的实际测试表明，按照本发明所获得的柔性压力传感器阵列产品灵敏度高，准确性好，响应迅速的智能蒙皮柔性压力传感层，能够直接贴附于飞行器表面，用于飞行器表面压力分布的测量，而且可通过调整参考压力来保证柔性压力传感器的灵敏度和精度，因而尤其适用于作为飞行器柔性智能蒙皮来测量飞行器模型表面空气压力的用途。
附图说明
图1是按照本发明所构建的柔性压力传感器阵列的整体构造示意图；
图2是更为具体地显示按照本发明的柔性压力传感器阵列的结构分解示意图；
图3是按照本发明一个优选实施例的微流道空腔基底的结构示意图；
图4是按照本发明另一优选实施例的顶电极和底电极的结构示意图；
图5是按照本发明所构建的用于制备柔性压力传感器阵列的整体工艺流程图；
图6是按照本发明的另一优选实施例、更为具体地显示了激光剥离工序的操作示意图。
在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：
1：封装层 2：顶电极 3：PZT压电薄膜层
4：底电极 5：PI基底 6：微流道空腔基底
7：微流道结构 8：空腔 9：阀门
10：PZT牺牲层 11：激光光束 12：蓝宝石基底
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图和多个实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
图1是按照本发明所构建的柔性压力传感器阵列的整体构造示意图，如图1所示，该柔性压力传感器阵列的整体厚度不超过50μm，它从外到内依次主要包括封装层1、顶电极2、PZT压电薄膜层3、底电极4、PI基底5和微流道空腔基底6等组成结构，下面将对其逐一进行具体解释说明。
顶电极2、底电极4均可被设计为蜿蜒的导线互联结构，它们分别布置在PZT压电薄膜层3的外、内两侧，并且当压力作用于所述柔性压力传感器阵列的表面进行测量时，压力使得该PZT压电薄膜层发生应变，由此在该顶电极和底电极上极化出电荷，同时通过导线引出形成测量电压；所述封装层1、PI基底5则分别用于将所述顶电极、底电极予以包裹封装。
作为本发明的关键改进所在，所述微流道空腔基底6为在硅片上加工出含有微流道结构7和多个空腔8的柔性层状构造，并通过键合处理与其相邻一侧的所述PI基底5相密封，使得这多个空腔形成一个密闭的阵列区域，其中该微流道结构7用于将多个所述空腔结构彼此连通起来，然后通过微流道入口处的阀门9与外部气源可控相连；以此方式，可为整个柔性压力传感器阵列在整个压力测量过程中提供一个稳定的参考压力，进而提高测量灵敏度和可靠性，同时通过所述阀门来自由调节所述微流道空腔基底所提供的参考压力值。
更具体而言，上述的柔性压电传感器阵列的分层结构示意图如图2所示。底层的包含空腔8与微流道结构7的柔性基底，其上是所制备的柔性压力传感器阵列，主要包括与柔性基底相键合构成空腔结构的PI层5；上下两层的优选设计为自相似的顶电极2和底电极4；两层电极之间，是所制备的PZT压电层3，最上面是一层超薄的PI封装层1。当压力作用在传感器表面时，压力使得压电层发生应变，根据压电材料的性质，在压电层的上下电极上极化出电荷，通过导线引出形成电压。空腔的设计，不仅使得上层的压电传感器处于自由状态，提高了灵敏度，而且空腔密闭之后还提供了一个稳定的参考压力，提高了传感器在测量气体压力时的稳定性和可靠性。此外，还通过阀门可以调节空腔所提供的参考压力，使得传感器能适用于更多环境工况和场合的气体压力测量。
按照本发明的一个优选实施例，微流道空腔基底结构示意图如图3所示，采用软光刻技术一步制得微流道沟道与空腔结构，再通过氧离子表面处理和热压胶粘键合，形成包含微流道和空腔的软基底，空腔不仅使得上层的压电传感器处于自由状态，提高了灵敏度，极大地增加了PZT压电层的电压输出幅值。而且空腔密闭之后还提供了一个稳定的参考压力，提高了传感器在测量气体压力时的稳定性和可靠性。而且，通过阀门可以调节空腔所提供的参考压力，使得传感器能适用于更多环境工况和场合的气体压力测量。
按照本发明的另一优选实施例，图4为上下层电极结构示意图，为一种行列扫描式设计的阵列化电极结构，只需要两根引线，加上选通电路就可以完成4*4＝16个传感器单元的信号采集，大大减少了器件引线接出的数量。电极设计采用自相似蜿蜒结构和岛桥结构，使之具有较强的弯曲和拉伸性能，所以器件不仅能用在平面模型上，还能贴在曲率较大的飞行器表面进行压力测量，而不降低准确度和灵敏度。
下面将结合图5来具体解释按照本发明的制备柔性压力传感器阵列的整体工艺流程。
首先，是PZT前驱体凝胶溶液的制备步骤。
按照金属离子摩尔浓度比为Pb：Zr：Ti＝1.15～1.2：0.52：0.48的配比，称取溶质三水醋酸铅、五水硝酸锆和钛酸四丁酯，溶于乙二醇甲醚或乙酰丙酮溶剂中，通过水解反应和聚合反应形成PZT的前驱体溶液；接着通过调节pH和定容0.4～0.6mol/L，经自然冷却，静置密封，在自然条件下老化40～80个小时，形成PZT前驱体凝胶溶液；
接着，是PZT牺牲层的制备步骤。
将蓝宝石基底清洗干净，在其上旋涂所述PZT前驱体凝胶溶液，固化坚膜后再进一步加热去除有机物，如此反复涂多层，达到预期的压电层厚度，再经高温退火形成钙钛矿相，作为PZT牺牲层；
接着，是底电极的制备步骤。
通过光刻技术，在所述PZT牺牲层上制备出互联电极结构，再通过磁控溅射或者蒸镀沉积金属电极，去胶之后形成底电极；
接着，是PZT功能层的制备步骤。
在底层电极上继续旋涂所述PZT前驱体凝胶溶液，固化坚膜后再进一步加热去除有机物，如此反复涂多层，达到预期的压电层厚度，再经高温退火形成钙钛矿相，作为PZT功能层；
接着，是顶电极的制备步骤。
通过光刻技术，在所述PZT功能层上制备出互联电极结构，再通过磁控溅射或者蒸镀沉积金属电极，去胶之后形成顶电极；
更具体解释地话，可以在所述PZT功能层上旋涂一层光刻胶，固化之后，通过掩膜板在光刻机上紫外灯下进行曝光，再用显影液显影出和掩模板图案一致的所述的互联电极结构的图案，再通过磁控溅射或者蒸镀沉积金属电极，用丙酮等溶剂溶解掉无图案地方的光刻胶，就得到了图案化的顶层互联金属电极结构。
接着，是PI基底的制备步骤。
在所述底电极上旋涂PI溶液，固化坚膜后进行亚胺化，由此形成PI基底；更具体地，例如可以通过热板加热进行固化坚膜，再通过烘箱较长时间烘烤进行亚胺化，得到强度较好，耐高温的PI薄膜，由此即形成所述的PI基底。
接着，是微流道空腔基底的制备步骤。
在硅片上，采用软光刻技术制备出含有微流道和空腔的柔性基底，经过表面改性技术处理后，该柔性基底与所述PI基底通过键合胶水热压键合，并构成包含微流道和空腔的密封柔性基底；
最后，是封装层的制备步骤。
去除所述PZT牺牲层，然后对所述顶电极进行旋涂PI封装，再通过RIE刻蚀技术或者湿法刻蚀技术露出器件的引脚；最后安装好与所述微流道的入口保持可控相连的阀门，做好密封，由此完成所需的柔性压力传感器阵列产品的制备过程。
按照本发明的另一优选实施例，如图6所示为激光剥离的工艺示意图。在蓝宝石基底12上，制备有PZT牺牲层10，其上是所制备的Pt-PZT-Pt(2，3，4)器件结构。激光光束11能透过蓝宝石基底12，打在PZT牺牲层上，发生界面烧蚀，烧蚀厚度约为100nm，如此而制备出超薄的PZT压电传感器阵列器件。
本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种参考压力可调的柔性压力传感器阵列，其特征在于，该柔性压力传感器阵列的整体厚度不超过50μm，它从外到内依次包括封装层(1)、顶电极(2)、PZT压电薄膜层(3)、底电极(4)、PI基底(5)和微流道空腔基底(6)，其中：
所述顶电极(2)、底电极(4)均被设计为蜿蜒的导线互联结构，它们分别布置在所述PZT压电薄膜层(3)的外、内两侧，并且当压力作用于所述柔性压力传感器阵列的表面进行测量时，压力使得该PZT压电薄膜层发生应变，由此在该顶电极和底电极上极化出电荷，同时通过导线引出形成测量电压；所述封装层(1)、PI基底(5)则分别用于将所述顶电极、底电极予以包裹封装；
所述微流道空腔基底(6)为在硅片上加工出含有微流道结构(7)和多个空腔(8)的柔性层状构造，并通过键合处理与其相邻一侧的所述PI基底(5)相密封，使得这多个空腔形成一个密闭的阵列区域，其中该微流道结构(7)用于将多个所述空腔结构彼此连通起来，然后通过微流道入口处的阀门(9)与外部气源可控相连；同时通过所述阀门来自由调节所述微流道空腔基底所提供的参考压力值。
2.如权利要求1所述的柔性压力传感器阵列，其特征在于，对于所述顶电极和底电极而言，其设计为自相似蜿蜒结构和岛桥结构。
3.如权利要求2所述的柔性压力传感器阵列，其特征在于，对于所述顶电极和底电极而言，其设计为n﹡n的行列扫描式电极结构，并且仅通过两根引线和选通芯片电路来完成所有的信号采集。
4.如权利要求1所述的柔性压力传感器阵列，其特征在于，对于所述微流道结构(7)和多个空腔(8)而言，其采用软光刻工艺在所述硅片上制成模具，再采用PI材料旋涂浇筑而成。
5.如权利要求1所述的柔性压力传感器阵列，其特征在于，上述柔性压力传感器阵列可直接贴附于复杂曲面的表面，并且不用打孔和布线。
6.如权利要求1-5任意一项所述的柔性压力传感器阵列，其特征在于，上述柔性压力传感器阵列作为飞行器柔性智能蒙皮用于飞行器模型表面空气压力的测量用途。
7.一种用于制备如权利要求1-4任意一项所述的柔性压力传感器阵列的方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：
(a)PZT前驱体凝胶溶液的制备步骤
按照金属离子摩尔浓度比为Pb：Zr：Ti＝1.15～1.2：0.52：0.48的配比，称取溶质三水醋酸铅、五水硝酸锆和钛酸四丁酯，溶于乙二醇甲醚或乙酰丙酮溶剂中，通过水解反应和聚合反应形成PZT的前驱体溶液；接着通过调节pH和定容0.4～0.6mol/L，经自然冷却，静置密封，在自然条件下老化40～80个小时，形成PZT前驱体凝胶溶液；
(b)PZT牺牲层的制备步骤
采用磁控溅射工艺或者溶液凝胶法，制备PZT牺牲层；
(c)底电极的制备步骤
通过光刻技术，在所述PZT牺牲层上制备出互联电极结构，再通过磁控溅射或者蒸镀沉积金属电极，去胶之后形成底电极；
(d)PZT功能层的制备步骤
在底层电极上继续旋涂所述PZT前驱体凝胶溶液，固化坚膜后再进一步加热去除有机物，如此反复涂多层，达到预期的压电层厚度，再经高温退火形成钙钛矿相，作为PZT功能层；
(e)顶电极的制备步骤
通过光刻技术，在所述PZT功能层上制备出互联电极结构，再通过磁控溅射或者蒸镀沉积金属电极，去胶之后形成顶电极；
(f)PI基底的制备步骤
在所述底电极上旋涂PI溶液，固化坚膜后进行亚胺化，由此形成PI基底；
(g)微流道空腔基底的制备步骤
在硅片上，采用软光刻技术制备出含有微流道和空腔的柔性基底，经过表面改性技术处理后，该柔性基底与所述PI基底通过键合胶水热压键合，并构成包含微流道和空腔的密封柔性基底；
(h)封装层的制备步骤
去除所述PZT牺牲层，然后对所述顶电极进行旋涂PI封装，再通过RIE刻蚀技术或者湿法刻蚀技术露出器件的引脚；最后安装好与所述微流道的入口保持可控相连的阀门，做好密封，由此完成所需的柔性压力传感器阵列产品的制备过程。
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