CN109540354B - 压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力传感器及其制备方法，所述压力传感器包括相对设置的第一电极板和第二电极板，其特征在于，所述第一电极板包括第一衬底以及设置在所述第一衬底上的叉指电极，所述叉指电极的每一子电极包括依次设置于所述第一衬底上的半导体层和第一复合金属层；所述第二电极板包括一侧表面具有微结构阵列的第二衬底和覆设于所述微结构阵列上的第二复合金属层；其中，所述第二复合金属层与所述第一复合金属层相互抵触连接。所述压力传感器具有高灵敏度、大的测量范围和能耗低的特性，能够满足在压力传感器的应用领域中日益增长的需求；另外，该压力传感器的结构简单、其制备工艺难度低，易于大规模生产。

Description

压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种压力传感器及其制备方法。

背景技术

压力传感器主要包括压阻式、电感式以及电容式三大类，分别通过器件主要组成结构的电阻、电感以及电容在外部压力作用下产生变化，再利用测量电路将这三种物理量的变化经过一系列处理最终达到探测外部压力变化的目的。

目前，压力传感器被广泛应用于可穿戴设备和其他电子产品中，如家用电器、机器人、医疗设备、安全装置、环境监测设备等。随着可穿戴设备种类的增多、健康数据监测及远程医疗等行业的出现，在实际应用中对压力传感器的要求越来越高，高灵敏度、大的测量范围、柔性等特点已经成为未来压力传感器发展的趋势，其中，如何使得压力传感器同时具备高灵敏度和大的测量范围成为该领域研究的难题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有高灵敏度和大的测量范围的压力传感器及其制造方法，以满足在压力传感器的应用领域中日益增长的需求。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种压力传感器，包括相对设置的第一电极板和第二电极板，其中，所述第一电极板包括第一衬底以及设置在所述第一衬底上的叉指电极，所述叉指电极的每一子电极包括依次设置于所述第一衬底上的半导体层和第一复合金属层，所述半导体层的表面形成为粗糙表面，所述第一复合金属层设置在所述粗糙表面上；所述第二电极板包括一侧表面具有微结构阵列的第二衬底和覆设于所述微结构阵列上的第二复合金属层；其中，所述第二复合金属层与所述第一复合金属层相互抵触连接。

具体地，所述半导体层的表面形成为直立式二维片状结构的粗糙表面。

具体地，所述半导体层的厚度为5～8μm，所述直立式二维片状结构的高度为400～500nm，所述直立式二维片状结构的表面粗糙度为300～400nm。

具体地，所述叉指电极中，每一子电极的长度为1～2cm，宽度为100～120μm，相邻两个子电极的中心间距为100～120μm。

具体地，所述微结构阵列的高度为5～10μm，相邻两个微结构的中心间距为5～10μm。

具体地，所述第一衬底为刚性衬底或柔性衬底，所述第二衬底的材料为PDMS。

具体地，所述第一复合金属层和所述第二复合金属层分别包括叠层设置的第一金属层和第二金属层，其中两个第二金属层相互抵触连接。

具体地，所述第一金属层的材料为铬或镍或钛，所述第二金属层的材料为金或银。

具体地，所述第一金属层的厚度为5～10nm，所述第二金属层的厚度为100～150nm。

本发明还提供了一种如上所述的压力传感器的制备方法，其包括：

第一电极板的制备，包括：提供第一衬底，在所述第一衬底上依次沉积半导体薄膜层和第一复合金属薄膜层，应用刻蚀工艺将所述半导体薄膜层和所述第一复合金属薄膜层刻蚀形成叉指电极；

第二电极板的制备，包括：应用刻蚀工艺或倒模工艺制备形成一侧表面具有微结构阵列的第二衬底，在所述第二衬底的微结构阵列的表面上沉积第二复合金属层；

将所述第二电极板叠层设置在所述第一电极板上，获得所述压力传感器。

本发明实施例提供的压力传感器，其具有高灵敏度、大的测量范围和能耗低的特性，能够满足在压力传感器的应用领域中日益增长的需求；另外，该压力传感器的结构简单、其制备工艺难度低，易于大规模生产。

附图说明

图1是本发明实施例的压力传感器的结构示意图；

图2是如图1中A部分的放大示意图；

图3是如图1中B部分的放大示意图；

图4是本发明实施例中的半导体层的SEM图；

图5是本发明实施例中的叉指电极的俯视图；

图6a至图6f是本发明实施例的压力传感器的制备方法中，各个工艺步骤对应获得的器件结构的示例性图示；

图7是本发明实施例中的压力传感器的电性测试曲线图；

图8本发明实施例中的压力传感器测量一颗豆子的测试曲线图；

图9是本发明实施例中的压力传感器的循环稳定性测试曲线图；

图10是本发明实施例中的压力传感器在不同压力负载下的循环稳定性测试曲线图；

图11是本发明实施例中的压力传感器在给定的压力负载下，电流对电压的响应曲线图。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

本实施例首先提供了一种压力传感器，如图1所示，所述压力传感器包括第一电极板10和第二电极板20，所述第一电极板10和所述第二电极板20相对设置。

其中，参阅图1至图3，所述第一电极板10包括第一衬底11以及设置在所述第一衬底11上的叉指电极12，所述叉指电极12的每一子电极12a包括依次设置于所述第一衬底11上的半导体层13和第一复合金属层14，所述半导体层13的表面形成为粗糙表面，所述第一复合金属层14设置在所述粗糙表面上。所述第二电极板20包括一侧表面具有微结构21a阵列的第二衬底21和覆设于所述微结构21a阵列上的第二复合金属层22。其中，所述第二复合金属层22与所述第一复合金属层14相互抵触连接。

其中，所述第一衬底11可以选择为刚性衬底或柔性衬底：具体地，刚性衬底可采用导电性差的金属材质，还可以用玻璃、陶瓷、石英等简单易的材料；柔性衬底可采用有机聚合物，如PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PI(聚酰亚胺)等。所述第二衬底21的材料可以选择为PDMS(聚二甲聚硅氧烷)。

在本实施例中，所述叉指电极12中的半导体层13的材料选择为二硒化锡，如图4所示的SEM图，所述半导体层13的表面形成为直立式二维片状结构的粗糙表面。具体地，所述半导体层的厚度为5～8μm，所述直立式二维片状结构的高度为400～500nm，所述直立式二维片状结构的表面粗糙度为300～400nm。

在本实施例中，参阅图2和图5，所述叉指电极12中的每一子电极12a的长度L1为1～2cm，宽度D1为100～120μm，相邻两个子电极12a的中心间距H1为100～120μm。

在本实施例中，参阅图3，所述第二衬底21中的微结构21a阵列的高度H2为5～10μm，相邻两个微结构21a的间距H3为5～10μm。更进一步地，本实施例中第二衬底21上的微结构21a呈圆台状结构，其上表面的半径为3～5μm，下表面的半径为5～8μm。

在本实施例中，参阅图2和图3并结合图1，所述第一复合金属层14和所述第二复合金属层22分别包括叠层设置的第一金属层14a、22a和第二金属层14b、22b，其中两个第二金属层14b、22b相互抵触连接，所述第一金属层14a、22a的材料选择为铬(Cr)，所述第二金属层14b、22b的材料选择为金(Au)。在另外的一些实施例中，所述第一金属层14a、22a的材料也可以选择为镍(Ni)或钛(Ti)，所述第二金属层14b、22b的材料也可以选择为银(Ag)。

进一步地，本实施例中，所述第一金属层14a、22a的厚度为5～10nm，所述第二金属层14b、22b的厚度为100～150nm。

以上实施例提供的压力传感器，首先，第一电极板10中设置有半导体层13半导体材料的基础电阻很大，在器件不工作时(未施加压力时的工作状态)，耗能小，因此本发明实施例提供的压力传感器具有能耗低的优点；其次，所述半导体层13的表面形成为粗糙表面(优选的方案中是形成为直立式二维片状那么结构的粗糙表面)，结合第二电极板20中设置的微结构，在对施加的压力进行检测时，电极的接触变化是从点接触到面接触的变化过程，因此使得所述压力传感器具有高灵敏度和大的测量范围的特性，能够满足在压力传感器的应用领域中日益增长的需求。

本实施例还提供了如上所述的压力传感器的制备方法，参阅图6a至图6f并结合图1，所述压力传感器的制备方法包括：

步骤一、第一电极板10的制备。该步骤具体包括：

S11、参阅图6a，提供第一衬底11，在所述第一衬底11上沉积半导体薄膜层13a。

本实施例中，所述半导体薄膜层13a的材料选择为二硒化锡，采用分子束外延生长工艺制备所述半导体薄膜层13a。具体地，在分子束外延设备(MBE)中分别加入高纯度硒材料源和高纯度锡材料源，通过所述分子束外延设备分别加热所述硒材料源和锡材料源，并将所述硒材料源和锡材料源分别以分子束或原子束的形式喷射至所述第一衬底11上，形成表面是直立式二维片状结构的二硒化锡半导体薄膜层13a，参见图4的SEM图。

S12、参阅图6b，在所述半导体薄膜层13a上沉积第一复合金属薄膜层140。

本实施例中，所述第一复合金属薄膜层140包括第一金属薄膜层141和第二金属薄膜层142。其中，所述第一金属薄膜层141的材料选择为铬，所述第二金属薄膜层142的材料选择为金。

具体地，首先可以采用电子束蒸发工艺在所述半导体薄膜层13a上蒸镀铬金属层141，蒸镀的工艺条件可以设置为：真空度是5×10^-3Pa，镀膜速度

镀膜时间100s，共蒸镀5nm，其中可以通过调节镀膜时间和镀膜速度来获取实际所需的镀膜厚度。然后采用热蒸发工艺在所述铬金属层141上蒸镀金金属层142，蒸镀的工艺条件可以设置为：真空度是5×10^-3Pa，镀膜速度

镀膜时间500s，共蒸镀100nm，其中可以通过调节镀膜时间和镀膜速度来获取实际所需的镀膜厚度。

S13、参阅图6c，应用刻蚀工艺将所述半导体薄膜层13a和所述第一复合金属薄膜层140刻蚀形成叉指电极12。

本实施例中，应用激光刻蚀设备刻蚀制备所述叉指电极12。具体地，首先在激光刻蚀设备上设计叉指电极图形，然后使用激光刻蚀设备按照叉指电极图形刻蚀所述半导体薄膜层13a和所述第一复合金属薄膜层140，激光刻蚀的工艺参数可以设置为：激光功率为70％，打标频率为30000Hz，扫描速度为250mm/s。刻蚀完成后以氮气吹除刻蚀残留的碎屑，最终在第一衬底11上制备获得叉指电极12，形成所述第一电极板10。

其中，如图6c所示，所述叉指电极12的每一子电极12a包括依次设置于所述第一衬底11上的半导体层13、第一金属层14a和第二金属层14b。其中半导体层13是由所述半导体薄膜层13a刻蚀形成，第一金属层14a是由第一金属薄膜层141刻蚀形成，第二金属层14b是由第二金属薄膜层142刻蚀形成。

步骤二、第二电极板20的制备。该步骤具体包括：

S21、参阅图6d，应用刻蚀工艺或倒模工艺制备形成一侧表面具有微结构21a阵列的第二衬底21。

本实施例中，所述第二衬底21的材料选择为PDMS，并且是通过倒模工艺制备形成。

具体地，将PDMS前驱物与固化剂混合搅拌，获得混合液；将混合液放在真空腔中，除去混合液中的气泡；将上述的混合液用旋涂仪旋涂在模板上，然后置于加热台上加热，获得固化层；将固化层从模板的表面剥离，获得微结构阵列。更具体地，上述搅拌时间可以选择为15min；上述在真空腔放置时间可以选择为15min；上述旋涂速率可以选择为800r/min，时间可以选择为10s；上述加热温度可以选择为80℃，加热时间可以选择2h；将上述冷却后的固化层放到双氧水与氨水的混合溶液中超声20min左右，将模板溶解，分离出固化层。将固化层取出用去离子水超声清洗干净并于室温下干燥，获得具有微结构阵列的第二衬底21。

其中，所述模板是设置有孔洞阵列的模板，并且通过设计孔洞的形状、大小、深度以及孔间距，可以获得相应形状的微结构阵列。

S22、参阅图6e，在所述第二衬底21的微结构21a阵列的表面上沉积第二复合金属层22。

本实施例中，第二复合金属层22包括叠层设置的第一金属层22a和第二金属层22b。其中，该步骤中第一金属层22a和第二金属层22b的制备工艺过程可以参照前述的步骤S12进行，制备获得所述第二电极板20。

步骤三、参阅图6f，将所述第二电极板20叠层设置在所述第一电极板10上，其中，第二复合金属层22与第一复合金属层14相互抵触连接，获得如图1所示的压力传感器。

图7至图11是以上实施例提供的压力传感器的一些测试特性图。

图7是所述压力传感器的电性测试曲线图，具体是压强与电流变化相对值的相关曲线图。具体地，给定大小为1V的恒压在压力传感器件的两端，通过控制施加压力的大小，最终测量出电流相对变化值对于压强的变化曲线，由该曲线斜率可得到该压力传感器件在低压量程内(0～4kPa)的灵敏度S₂₁＝433.22kPa^-1，具有很高的灵敏度；在较大压力的量程内(4～38kPa)的灵敏度S₂₂＝2.91kPa^-1kPa^-1，也是具有较高的灵敏度。

图8是所述压力传感器测量一颗豆子(约0.8Pa)的检测实验，检验了器件最低测量阈值，其中工作电压为1V。结合图7和图8，所述压力传感器的工作量程为0.8Pa-38kPa，其具有很大的测量范围。

图9是所述压力传感器的循环稳定性测试曲线图，具体是持续周期性给定一定压力(25Pa)后迅速释放得到的1000次循环下电流对时间的响应曲线，其中工作电压为1V。从图中可以表明该传感器件具有很好的循环稳定性。

图10是所述压力传感器在不同压力负载(分别是40Pa、160Pa、4k Pa和12k Pa)下的循环稳定性测试曲线图，其中工作电压为1V。具体是持续周期性给定一定压力后迅速释放得到的多次循环下电流相对变化值对时间响应曲线，从图中可以表明该传感器件具有很好的循环稳定性。

图11是所述压力传感器在给定的压力负载(分别是30Pa、35Pa、55Pa、170Pa、600Pa和1200Pa)下，电流对电压的响应曲线图。从图中可以获知，对于不同的给定的压力负载，电流能够呈线性地响应于工作电压的变化而变化，因此，该传感器件在不同的工作电压下也具有良好的工作稳定性。进一步地，从图11可以看出，所述压力传感器在有压力时工作功率最大mw级别，耗能小。本发明实施例提供的压力传感器在无压力时工作功率为pw级别，因此，本发明实施例提供的压力传感器具有能耗低的优点。

综上所述，如上实施例提供的压力传感器，其具有高灵敏度、大的测量范围和能耗低的特性，能够满足在压力传感器的应用领域中日益增长的需求；另外，该压力传感器的结构简单、其制备工艺难度低，易于大规模生产。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种压力传感器，包括相对设置的第一电极板和第二电极板，其特征在于，所述第一电极板包括第一衬底以及设置在所述第一衬底上的叉指电极，所述叉指电极的每一子电极包括依次设置于所述第一衬底上的半导体层和第一复合金属层，所述半导体层的表面形成为粗糙表面，所述第一复合金属层设置在所述粗糙表面上；所述第二电极板包括一侧表面具有微结构阵列的第二衬底和覆设于所述微结构阵列上的第二复合金属层；其中，所述第二复合金属层与所述第一复合金属层相互抵触连接。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述半导体层的表面形成为直立式二维片状结构的粗糙表面。

3.根据权利要求2所述的压力传感器，其特征在于，所述半导体层的厚度为5～8μm，所述直立式二维片状结构的高度为400～500nm，所述直立式二维片状结构的表面粗糙度为300～400nm。

4.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述叉指电极中，每一子电极的长度为1～2cm，宽度为100～120μm，相邻两个子电极的中心间距为100～120μm。

5.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述微结构阵列的高度为5～10μm，相邻两个微结构的中心间距为5～10μm。

6.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第一衬底为刚性衬底或柔性衬底，所述第二衬底的材料为PDMS。

7.根据权利要求1-6任一所述的压力传感器，其特征在于，所述第一复合金属层和所述第二复合金属层分别包括叠层设置的第一金属层和第二金属层，其中两个第二金属层相互抵触连接。

8.根据权利要求7所述的压力传感器，其特征在于，所述第一金属层的材料为铬或镍或钛，所述第二金属层的材料为金或银。

9.根据权利要求7所述的压力传感器，其特征在于，所述第一金属层的厚度为5～10nm，所述第二金属层的厚度为100～150nm。

10.一种如权利要求1-9任一所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：

第一电极板的制备，包括：提供第一衬底，在所述第一衬底上依次沉积半导体薄膜层和第一复合金属薄膜层，应用刻蚀工艺将所述半导体薄膜层和所述第一复合金属薄膜层刻蚀形成叉指电极；

第二电极板的制备，包括：应用刻蚀工艺或倒模工艺制备形成一侧表面具有微结构阵列的第二衬底，在所述第二衬底的微结构阵列的表面上沉积第二复合金属层；

将所述第二电极板叠层设置在所述第一电极板上，获得所述压力传感器。

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