CN109827674B - 一种一体化高精度的柔性温度传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种一体化高精度的柔性温度传感器，属于柔性传感器领域，包括柔性衬底，所述柔性衬底上下表面对称设置有凸台，所述凸台的高度为25‑35μm，所述柔性衬底上表面的凸台上设置有温度敏感单元，所述柔性衬底下表面的凸台上设置有温度补偿单元，所述温度敏感单元和温度补偿单元串联，本发明能够有效的减少柔性衬底形变带来的影响，提高柔性传感器的精度。

Description

一种一体化高精度的柔性温度传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种一体化高精度的柔性温度传感器及其制备方法。

背景技术

温度传感器是指能将温度量转换成容易被测量处理的电信号的设备或装置。

传统温度传感器体积、重量及功耗都较大且结构刚性，而柔性温度传感器可弯曲拉伸、轻便、体积小，可用于可穿戴设备中。但是，目前国内外柔性温度传感器存在以下问题：

1.柔性衬底形变巨大，这对温度测量结果的精度有严重干扰，即器件形变时和未形变时测量结果相差很大，这是柔性传感器(包括温度传感器)所面临的共性技术难题。

2.在目前所查阅到的文献中还未见将信号处理电路与柔性温度敏感单元集成的报道。而为最终实现微型化、智能化柔性温度传感器，信号处理单元必须与温度敏感单元集成在一块柔性衬底并将待测信号数字化，以方便与后端控制中心进行通信。

发明内容

本发明的目的在于：提供一种一体化高精度的柔性温度传感器及其制备方法，解决了目前的柔性温度传感器由于柔性衬底形变大导致测量精度低的技术问题。

本发明采用的技术方案如下：

一种一体化高精度的柔性温度传感器，包括柔性衬底，所述柔性衬底上下表面对称设置有凸台，所述凸台的高度为25-35μm，所述柔性衬底上表面的凸台上设置有温度敏感单元，所述柔性衬底下表面的凸台上设置有温度补偿单元，所述温度敏感单元和温度补偿单元串联。

进一步的，所述凸台为方形。

进一步的，所述温度敏感单元为双螺旋结构。

进一步的，所述温度敏感单元和所述温度补偿单元为相同的单元。

进一步的，所述温度敏感单元与所述温度补偿单元上均设置有保护层。

进一步的，所述柔性衬底非方形凸台区域设置有微型电路芯片和供电单元。

进一步的，所述微型电路芯片包括ASIC芯片和无线传输芯片，所述温度敏感单元和温度补偿单元串联后与所述ASIC芯片电连接，所述ASIC芯片通过I²C接口方式与所述无线传输芯片进行通信，所述无线传输芯片通过中继网关与远程控制中心进行交互。

进一步的，所述供电单元为纽扣电池，所述纽扣电池与微型电路芯片电连接。

一种一体化高精度的柔性温度传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在带凹槽的模具上采用多次流延的方式制备双面带方形凸台的柔性衬底；

步骤2：在所述方形凸台上制备金属薄膜，对所述金属薄膜，采用剥离工艺得到温度敏感单元和温度补偿单元；

步骤3：在所述温度敏感单元的上表面和温度补偿单元的下表面上采用旋涂工艺制备保护层；

步骤4：将微型电路芯片和供电单元粘贴在所述柔性衬底的非方形凸台区域，并通过柔性衬底金属布线及穿孔布线实现微型电路芯片、供电单元、温度敏感单元和温度补偿单元之间的电连接。

综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：

1.将柔性衬底进行微结构设计，并进行仿真，仿真结果表明，外加拉力时，凸台应力应变显著低于平面区域，并且凸台的高度为25-35μm具有最小的应力及应变。因此，将温度敏感单元传感器放置于凸台，将最有利于降低形变对柔性温度传感器的测量信号的影响从而提高其性能。

2.柔性衬底相比传统刚性衬底，其最大的特点就是易弯曲变形大，由于金属材料的电阻应变效应，柔性衬底形变将引起虚假温度信号，因此，如何降低形变引起的电阻变化成为柔性温度传感器能否准确测温的关键，而温敏单元螺旋结构的设计可有效消除水平面内任意方向的形变影响。

3.在垂直方向，受力方向改变时引起的温敏电阻变化刚好相反，因此若在柔性衬底上下表面相同位置均放置温敏电阻，则在空间形变下，两表面的金属条将感受符号相反，幅值相近的形变，这样将可以大大减小空间形变引起的电阻变化，因此，若将两金属串联后的电阻作为测温电阻，则不但形变影响大大削弱，温度输出信号还将提高一倍。

4.通过ASIC芯片的工作可以实现高精度、高可靠、数字化温度信号输出。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。

图1为本发明整体结构的立体图；

图2为本发明整体结构的左视图；

图3为本发明整体结构的仰视图；

图4为本发明整体结构的俯视图；

图5为本发明中温度敏感单元的结构图；

图6为本发明中温度敏感单元应变电阻计算简化模型；

图7为本发明中电路结构的架构图；

图中标记：1-柔性衬底，201-凸台A，202-凸台B，301-温度敏感单元，302-温度补偿单元，4(4a，4b)-保护层，5-微型电路芯片，6-供电单元。

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，以下结合附图及实施例，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用以解释本发明，并不用于限定本发明，即所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。

通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。

因此，以下对在附图中提供的本发明的实施例的详细描述并非旨在限制要求保护的本发明的范围，而是仅仅表示本发明的选定实施例。基于本发明的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

需要说明的是，术语“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。

一种一体化高精度的柔性温度传感器，包括柔性衬底1，所述柔性衬底1上下表面对称设置有凸台，所述凸台的高度为25-35μm，所述柔性衬底1上表面的凸台上设置有温度敏感单元301，所述柔性衬底1下表面的凸台上设置有温度补偿单元302，所述温度敏感单元301和温度补偿单元302串联。

所述温度敏感单元301为双螺旋结构。

所述温度敏感单元301和所述温度补偿单元302为相同的单元。

所述温度敏感单元301与所述温度补偿单元302上均设置有保护层4。

所述柔性衬底1非方形凸台区域设置有微型电路芯片5和供电单元6。

所述微型电路芯片5包括ASIC芯片和无线传输芯片，所述温度敏感单元301和温度补偿单元302串联后与所述ASIC芯片电连接，所述ASIC芯片通过I²C接口方式与所述无线传输芯片进行通信，所述无线传输芯片通过中继网关与远程控制中心进行交互。

所述供电单元6为纽扣电池，所述纽扣电池与微型电路芯片5电连接。

一种一体化高精度的柔性温度传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在带凹槽的模具上采用多次流延的方式制备双面带方形凸台的柔性衬底1；

步骤2：在所述方形凸台上制备金属薄膜，对所述金属薄膜，采用剥离工艺得到温度敏感单元301和温度补偿单元302；

步骤3：在所述温度敏感单元301的上表面和温度补偿单元302的下表面上采用旋涂工艺制备保护层4；

步骤4：将微型电路芯片5和供电单元6粘贴在所述柔性衬底1的非方形凸台区域，并通过柔性衬底1金属布线及穿孔布线实现微型电路芯片5、供电单元6、温度敏感单元301和温度补偿单元302之间的电连接。

以下结合实施例对本发明的特征和性能作进一步的详细描述。

实施例1

本发明较佳实施例提供的一种一体化高精度的柔性温度传感器，包括柔性衬底1，柔性衬底1的采用常规的厚度即可，所述柔性衬底1上下表面对称设置有凸台，即柔性衬底1的上表面设置凸台A201，柔性衬底1的下表面设置有与凸台A201对称设置的凸台B202，所述凸台和柔性衬底1一体化形成，且为方形，方便温度敏感单元301和温度补偿单元302进行粘贴，所述凸台高度为30μm时最有利于降低形变对柔性温度传感器测量信号的影响。所述凸台A201的上表面粘贴有温度敏感单元301，所述凸台B202的下表面粘贴有温度补偿单元302，所述温度敏感单元301和温度补偿单元302串联后输出信号至后续的信号处理电路，该信号处理电路可外接也可一体化设置至柔性衬底1上，所述温度敏感单元301的上表面和所述温度补偿单元302的下表面均设置有保护层4。

在所述柔性衬底1上下表面相同位置放置温敏电阻，温度补偿单元302可对温度敏感单元301进行补偿，当温度补偿单元302和温度敏感单元301完全相同时，垂直方向受力方向改变时引起的温敏电阻变化刚好相反，在空间形变下，两表面的金属条将感受符号相反，幅值相近的形变，即若柔性衬底1上表面形变引起温度敏感单元301的变化为ΔR_S，则柔性衬底1下表面形变引起温度补偿单元302的变化为-ΔR_S，这样将可以大大减小空间形变引起的电阻变化，因此，若温度引起的电阻变化为RT，柔性衬底1上表面温度敏感单元301为R+ΔR_S+R_T，柔性衬底1下表面温度补偿单元302为R-ΔR_S+R_T，将完全相同的温度补偿单元302和温度敏感单元301进行串联后作为测温电阻，则测温电阻为2(R+R_T)，不但形变影响大大削弱，温度输出信号还将提高一倍。

实施例2

基于实施例1，本实施例用于对温度敏感单元和温度补偿单元的结构进行说明。

温度敏感单元301和温度补偿单元302均为Pt金属电阻，可采用普通结构的温敏电阻，但更优的是采用双螺旋结构，所述双螺旋结构为图5所示，双螺旋结构可以有效的消除水平面内任意方向的形变影响，其原理如下：

根据应变定义及泊松定律，从图5中容易知道，圆形金属条(温度敏感单元或温度补偿单元)与水平方向夹角θ的微元孤段dI在水平方向应变ε_x下其电阻相对变化量为：

则整个圆周金属条的因应变引起的相对电阻变化为：

其中，R表示电阻，μ_s表示泊松系数，ρ表示电阻率，θ表示圆形金属条与水平方向夹角，l表示金属条的长度，ε_x表示水平方向的应变。

可见，由于对称性，水平面内任意方向的应变引起圆螺旋线温敏金属条的电阻变化都将很小。

实施例3

基于实施例1，串联后的温度敏感单元301和温度补偿单元302可以将信号输出至外接的信号处理电路，更优的是输出至一体化设计的微型电路芯片5中进行处理，具体如下：

在柔性衬底1非凸台区域设置微型电路芯片5和供电单元6，微型电路芯片5设置在柔性衬底1的上表面，供电单元6设置在柔性衬底1的下表面。

所述微型电路芯片5包括ASIC芯片和无线传输芯片，所述温度敏感单元301和温度补偿单元302串联后与所述ASIC芯片电连接，所述ASIC芯片通过I²C接口方式与所述无线传输芯片进行通信，所述无线传输芯片通过中继网关与后方控制中心进行交互。通过ASIC芯片的工作可以实现高精度、高可靠、数字化温湿度信号输出。

其中ASIC芯片包括温度信号读取电路、A/D转换器、数字信号处理器、传感器信号补偿电路、I²C接口以及电源及偏置管理单元，所述温度信号读取电路读取温度敏感单元301和温度补偿单元302的温度信号，所述温度信号经A/D转换器传输至传感器信号补偿电路和数字信号处理电路进行处理后，通过ASIC芯片的I²C接口与无线传输芯片通信，所述无线传输芯片采用无线传输方式传输至远程控制中心，供电单元6通过所述电源及偏置管理单元为整个ASIC芯片及无线传输芯片提供电能，ASIC芯片的具体电路参考常规温度传感器信号处理电路进行设计，为本领域技术人员的常规设计，其中传感器信号补偿电路用于对采集的温度信号进行非线性补偿，进一步提高温度检测精度。

所述供电单元6为纽扣电池，所述纽扣电池与微型电路芯片5电连接。

实施例4

本实施例基于实施例1-3，对柔性温度传感器的制备方法进行说明。

一种一体化高精度的柔性温度传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：在带凹槽的模具上采用多次流延的方式制备双面带方形凸台的柔性衬底1，所述柔性衬底1采用的材料为聚酰亚胺，凸台为长方体，高度为30μm；

步骤2：采用常规成熟的磁控溅射或电子束蒸发工艺在凸台上制备金属薄膜，对所述金属薄膜，采用剥离工艺得到温度敏感单元301和温度补偿单元302；

步骤3：在所述温度敏感单元301的上表面和温度补偿单元302的下表面上采用旋涂工艺制备保护层4；

步骤4：柔性温度传感器专用集成电路(ASIC)的设计：设计ASIC芯片使其包括温度信号读取电路、A/D转换器、数字信号处理器、传感器信号补偿、I²C接口和电源及偏置管理单元功能模块。为了减少功耗和面积，并提高工作频率，ASIC芯片采用0.5μm以下CMOS工艺，使用Cadence/Mentor工具设计模拟和混合信号部分，Synopsys/Cadence工具作为数字部分设计流程中的基本设计工具。

步骤5：将微型电路芯片5和供电单元6粘贴在所述柔性衬底1的非方形凸台区域，并通过柔性衬底1金属布线及穿孔布线实现微型电路芯片5、供电单元6、温度敏感单元301和温度补偿单元302之间的电连接，布线方式与普通芯片的布线方式相同，仅布线的基底为柔性衬底1。

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 (6)

1.一种一体化高精度的柔性温度传感器，包括柔性衬底(1)，其特征在于：所述柔性衬底(1)上下表面对称设置有凸台，所述凸台的高度为25-35μm，所述柔性衬底(1)上表面的凸台上设置有温度敏感单元(301)，所述柔性衬底(1)下表面的凸台上设置有温度补偿单元(302)，所述温度敏感单元(301)和温度补偿单元(302)串联；所述温度敏感单元(301)为双螺旋结构；所述温度敏感单元(301)和所述温度补偿单元(302)为相同的单元。

2.根据权利要求1所述的一种一体化结构的柔性温度传感器，其特征在于：所述凸台为方形。

3.根据权利要求1所述的一种一体化结构的柔性温度传感器，其特征在于：所述温度敏感单元(301)与所述温度补偿单元(302)上均设置有保护层(4)。

4.根据权利要求1所述的一种一体化结构的柔性温度传感器，其特征在于：所述柔性衬底(1)非方形凸台区域设置有微型电路芯片(5)和供电单元(6)。

5.根据权利要求4所述的一种一体化结构的柔性温度传感器，其特征在于：所述微型电路芯片(5)包括ASIC芯片和无线传输芯片，所述温度敏感单元(301)和温度补偿单元(302)串联后与所述ASIC芯片电连接，所述ASIC芯片通过I²C接口方式与所述无线传输芯片进行通信，所述无线传输芯片通过中继网关与远程控制中心进行交互。

6.根据权利要求4所述的一种一体化结构的柔性温度传感器，其特征在于：所述供电单元(6)为纽扣电池，所述纽扣电池与微型电路芯片(5)电连接。

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