CN109827681A - 一种含有放大结构的柔性应变传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开一种含有放大结构的柔性应变传感器及其制备方法，该传感器包括柔性基底、感应薄膜层和结构层；柔性基底的顶端表面设有中心凹槽和四个边缘凹槽，四个边缘凹槽成中心对称分布在中心凹槽的四周；边缘凹槽的长度方向与柔性基底的横向成夹角设置，且该夹角为锐角；感应薄膜层位于柔性基底的中心凹槽中；结构层含有四个结构柱，结构柱位于柔性基底的边缘凹槽中并与边缘凹槽一一对应。本发明柔性应变传感器通过放大结构对感压薄膜层放大拉伸，实现提高柔性应变传感器的灵敏度的目的。本发明制备方法，工艺流程简单，可行性高。

Description

一种含有放大结构的柔性应变传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种柔性应变传感器，具体来说，涉及一种含有放大结构的柔性应变传感器及其制备方法。

背景技术

随着科学技术的快速发展，人们工作的环境更加趋于复杂化和多样化，对电子器件在柔韧性、便携性、可穿戴性等方面的要求越来越高。与传统传感器相比，柔性传感器克服了易脆和基底不可弯曲形变的缺点，并且具有尺寸小、重量轻、功耗低、易于集成并且耐恶劣工作环境等优点，成为了许多科研工作者的研究重点，并在很多领域被广泛应用，比如健康监测、电子皮肤、生物医药、可穿戴电子产品等。

柔性应变传感器的工作原理是基于应变传感器受力产生形变，附着在基底上的感压薄膜会因受力而产生形变，薄膜的形变会使其电阻值或者电容值发生改变，改变量的大小与形变量有关。通常，常见材料在轴向拉伸时会经历横向收缩，在轴向压缩时经历横向膨胀，这种横向变形的大小由称为泊松比的材料特性决定。泊松比定义为负横向应变除以拉伸力方向的轴向应变。由于普通材料在轴向拉伸时横向收缩并在轴向压缩时横向膨胀，所以这些材料的泊松比为正。例如，橡胶和软生物组织的泊松比约为0.5，铅为0.45，铝为0.33，普通钢为0.27，典型聚合物泡沫为0.1至0.4。由于应变传感器的灵敏度与感压薄膜的面积形变量有直接关系，总的原则是相同外力作用时，面积形变量越大，灵敏度越高。而正泊松比会导致柔性应变传感器受外力作用时，虽然一个方向上会拉伸(或者压缩)，但与之对应的另一个方向则会反向变化，压缩(或拉伸)，面积变化的总效果上会被减弱。传统的提高柔性应变传感器的灵敏度的方法侧重于改变和优化灵敏材料，但常见的感压薄膜材料一般均为正泊松比，可提高的灵敏度有限。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种含有放大结构的柔性应变传感器及其制备方法，可提高柔性应变传感器的灵敏度。

为解决上述技术问题，一方面，本发明实施例提供一种含有放大结构的柔性应变传感器，包括柔性基底、感应薄膜层和结构层；所述柔性基底的顶端表面设有中心凹槽和四个边缘凹槽，四个边缘凹槽成中心对称分布在中心凹槽的四周；所述边缘凹槽的长度方向与柔性基底的横向成夹角设置，且该夹角为锐角；所述感应薄膜层位于柔性基底的中心凹槽中；所述结构层含有四个结构柱，结构柱位于柔性基底的边缘凹槽中并与边缘凹槽一一对应。

作为优选例，所述中心凹槽为矩形。

作为优选例，所述结构柱为长方体状。

作为优选例，所述边缘凹槽的长度方向与柔性基底的横向之间的夹角为35°。

作为优选例，所述制作结构柱的材料比制作柔性基底的材料硬度高。

作为优选例，所述柔性基底由聚二甲基硅氧烷制成。

作为优选例，所述感应薄膜层由石墨烯纳米片、碳纳米管或纳米银线制成。

另一方面，本发明实例还提供一种含有放大结构的柔性应变传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

第一步：在硅片上表面依次淀积光刻胶层和二氧化硅层；

第二步：对二氧化硅层图形化，得到上表面带有中心凸起和四个边缘凸起的硅模板；所述四个边缘凸起成中心对称分布在中心凸起的四周；所述边缘凸起的长度方向与硅模板的横向成夹角设置，且该夹角为锐角；

第三步：在硅模板的上表面制作柔性基底；

第四步：依次腐蚀光刻胶层和二氧化硅层，获得带有中心凹槽和四个边缘凹槽的柔性基底；

第五步：在柔性基底的四个边缘凹槽中制作四个结构柱，形成结构层；

第六步：在柔性基底的中心凹槽中制作感应薄膜层，并在感压薄膜层的两端焊接电极，制得含有放大结构的柔性应变传感器。

作为优选例，所述柔性基底由聚二甲基硅氧烷制成。

作为优选例，所述感应薄膜层由石墨烯纳米片、碳纳米管或纳米银线制成。

与现有技术相比，本发明实施例的含有放大结构的柔性应变传感器，可提高柔性应变传感器的灵敏度。本发明实施例中，在感应薄膜层的四周设置四个结构柱，构成放大结构，传感器受到外力横向拉伸时，四个结构柱发生偏转，引起感应薄膜层纵向延展，抑制感应薄膜层在横向拉伸出现纵向收缩的现象，提高感应薄膜层总面积的变化量，从而提高柔性应变传感器的灵敏度。在相同外力作用时，本发明实施例的柔性应变传感器的灵敏度高于现有的应变传感器。本发明实施例的制备方法，工艺流程简单，重复性与可靠性高。

附图说明

图1为本发明实施例中柔性应变传感器的结构俯视图；

图2为本发明实施例中制备方法的第一步的结构剖视图；

图3为本发明实施例中制备方法的第二步得到硅模板的结构剖视图；

图4为本发明实施例中制备方法的第三步的结构剖视图；

图5为本发明实施例中制备方法的第四步得到柔性基底的结构剖视图；

图6为本发明实施例中制备方法的第五步在柔性基底的边缘凹槽中制得结构层的结构剖视图；

图7为本发明实施例中制备方法的第六步在柔性基底的中心凹槽中制得感应薄膜层的结构剖视图。

图中有：柔性基底1、感应薄膜层2、结构层3、硅片4、光刻胶层5、二氧化硅层6。

具体实施方式

下面结合说明书附图和具体实施例，对本发明做进一步的解释说明。需要说明的是，图1中沿箭头X的方向为柔性应变传感器的横向，沿箭头Y的方向为柔性应变传感器的纵向。

如图1所示，本发明实施例的柔性应变传感器，包括柔性基底1、感应薄膜层2和结构层3。所述柔性基底1的顶端表面设有中心凹槽和四个边缘凹槽，四个边缘凹槽成中心对称分布在中心凹槽的四周。所述边缘凹槽的长度方向与柔性基底的横向成夹角设置，且该夹角为锐角。所述感应薄膜层2位于柔性基底1的中心凹槽中。所述结构层3含有四个结构柱，结构柱位于柔性基底1的边缘凹槽中并与边缘凹槽一一对应。

上述实施例的柔性应变传感器中，柔性基底1的上表面开设一个中心凹槽和四个边缘凹槽，中心凹槽和四个边缘凹槽的深度一致。其中，中心凹槽位于柔性基底1的中央，四个边缘凹槽位于中心凹槽的四周，且以柔性基底的横向中线对称分布，同时以纵向中线也成对称分布。每个边缘凹槽的长度方向与柔性基底的横向中线的夹角θ为锐角，且相对的两个边缘凹槽位于同一直线上。感应薄膜层2位于中心凹槽中。结构层3含有四个结构柱，分别位于四个边缘凹槽中，且与边缘凹槽一一匹配对应。

使用上述实施例的柔性应变传感器时，传感器受到外力横向拉伸时，图1中位于柔性基底左上角和右上角的结构柱的远离感应薄膜层的一端向下偏转，位于柔性基底左下角和右下角的结构柱的远离感应薄膜层的一端向上偏转，从而四个结构柱的靠近感应薄膜层的一端带动感应薄膜层纵向延展，抑制感应薄膜层在横向拉伸出现纵向收缩的现象，提高感应薄膜层总面积的变化量，从而提高柔性应变传感器的灵敏度。经仿真验证，在相同外力作用时，上述实施例的应变传感器的感应薄膜层纵向拉伸14.2％，而现有应变传感器的感应薄膜层纵向收缩4.0％，本发明实施例的柔性应变传感器的灵敏度高于现有的应变传感器。

作为优选方案，所述中心凹槽为矩形。中心凹槽为矩形，有利于将感应薄膜层放置中央。需要说明的是，中心凹槽的长度方向与柔性基底1的横向一致，中心凹槽的宽度方向与柔性基底的纵向一致。优选，中心凹槽的长宽比为1时，即中心凹槽为正方形时，感应薄膜层的横向不容易拉动，将更多横向拉力转为纵向，纵向拉伸效果最好，柔性应变传感器的灵敏度高。

作为优选方案，所述结构柱为长方体状。优选，结构柱的长宽比为2时，纵向拉伸感应薄膜层的效果好，柔性应变传感器的灵敏度高。

作为优选方案，所述边缘凹槽的长度方向与柔性基底1的横向之间的夹角为35°。当每个边缘凹槽的长度方向与柔性基底的横向中线的夹角θ为35°时，在相同力的作用下，位于边缘凹槽中的结构柱对位于中心凹槽中的感应薄膜层的纵向拉伸力大，应变传感器的灵敏度好。

作为优选方案，所述制作结构柱的材料比制作柔性基底的材料硬度高，而且与柔性基底相容性好，保证在拉伸时结构柱不发生形变使其对中心凹槽纵向拉伸的力达到最大，而且结构柱与基底始终保持紧密贴合。结构柱优选采用非柔性塑料制成。

作为优选方案，所述柔性基底1由聚二甲基硅氧烷制成。使用聚二甲基硅氧烷制成的柔性基底，轻薄、透明、柔性和拉伸性好、绝缘耐腐蚀性好。

作为优选方案，所述感应薄膜层2由石墨烯纳米片、碳纳米管或纳米银线制成。由石墨烯纳米片、碳纳米管或纳米银线制成的感应薄膜层，导电性能好。

本发明实施例还提供一种上述实施例的柔性应变传感器的制备方法，制备方法包括以下步骤：

第一步：如图2所示，在硅片4上依次淀积光刻胶层5和二氧化硅层6。

第二步：采用传统微电子工艺的光刻方法对二氧化硅层6图形化，得到硅模板。

如图3所示，图形化后使得二氧化硅层的上表面带有中心凸起和四个边缘凸起的硅模板，所述四个边缘凸起成中心对称分布在中心凸起的四周；所述边缘凸起的长度方向与硅模板的长度方向成夹角设置，且该夹角为锐角。

第三步：如图4所示，在硅模板的上表面形成柔性基底1；

优选柔性基底1由聚二甲基硅氧烷制成，具体为配置聚二甲基硅氧烷和固化剂质量比为10∶1的混合溶剂，均匀搅拌后放入真空装置中将混合溶剂内部的气泡去除，浇铸在硅模板的表面，放入烘箱中烘烤，形成柔性基底1。

第四步：将带有柔性基底1的硅模板放入有机溶液中腐蚀光刻胶层5，使柔性基底1和二氧化硅层6与硅片4剥离；再放入HF腐蚀液中腐蚀二氧化硅层6，获得具有中心凹槽和四个边缘凹槽的柔性基底1，如图5所示。

第五步：如图6所示，在柔性基底1的四个边缘凹槽内制作四个结构柱，得到结构层3；

结构柱优选采用非柔性塑料制成，在四个边缘凹槽中注入熔融态的非柔性塑料，随后冷却固化，得到带有四个结构柱。

第六步：如图7所示，在柔性基底1的中心凹槽上旋涂感应薄膜材料，得到感应薄膜层2，并在感应薄膜层2的两端焊接电极，制成含有放大结构的柔性应变传感器；感应薄膜材料优选采用石墨烯纳米片、碳纳米管或纳米银线。

上述实施例的制备方法，主要采用微电子工艺，重复性与可靠性高，同时工艺流程简单，可行性高。使用上述实施例制备方法制得的柔性应变传感器，很好得提高了灵敏度，其灵敏度比高于现有的应变传感器。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物界定。

Claims (10)

1.一种含有放大结构的柔性应变传感器，其特征在于，包括柔性基底(1)、感应薄膜层(2)和结构层(3)；所述柔性基底(1)的顶端表面设有中心凹槽和四个边缘凹槽，四个边缘凹槽成中心对称分布在中心凹槽的四周；所述边缘凹槽的长度方向与柔性基底(1)的横向成夹角设置，且该夹角为锐角；所述感应薄膜层(2)位于柔性基底(1)的中心凹槽中；所述结构层(3)含有四个结构柱，结构柱位于柔性基底(1)的边缘凹槽中并与边缘凹槽一一对应。

2.根据权利要求1所述的含有放大结构的柔性应变传感器，其特征在于，所述中心凹槽为矩形。

3.根据权利要求1所述的含有放大结构的柔性应变传感器，其特征在于，所述结构柱为长方体状。

4.根据权利要求1所述的含有放大结构的柔性应变传感器，其特征在于，所述边缘凹槽的长度方向与柔性基底(1)的横向之间的夹角为35°。

5.根据权利要求1所述的含有放大结构的柔性应变传感器，其特征在于，所述制作结构柱的材料比制作柔性基底(1)的材料硬度高。

6.根据权利要求1所述的含有放大结构的柔性应变传感器，其特征在于，所述柔性基底(1)由聚二甲基硅氧烷制成。

7.根据权利要求1所述的含有放大结构的柔性应变传感器，其特征在于，所述感应薄膜层(2)由石墨烯纳米片、碳纳米管或纳米银线制成。

8.一种权利要求1所述的含有放大结构的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述制备方法包括以下步骤：

第一步：在硅片(4)上表面依次淀积光刻胶层(5)和二氧化硅层(6)；

第二步：对二氧化硅层图形化(6)，得到上表面带有中心凸起和四个边缘凸起的硅模板；所述四个边缘凸起成中心对称分布在中心凸起的四周；所述边缘凸起的长度方向与硅模板的横向成夹角设置，且该夹角为锐角；

第三步：在硅模板的上表面制作柔性基底(1)；

第四步：依次腐蚀光刻胶层(5)和二氧化硅层(6)，获得带有中心凹槽和四个边缘凹槽的柔性基底(1)；

第五步：在柔性基底(1)的四个边缘凹槽中制作四个结构柱，形成结构层(3)；

第六步：在柔性基底(1)的中心凹槽中制作感应薄膜层(2)，并在感压薄膜层(2)的两端焊接电极，制得含有放大结构的柔性应变传感器。

9.根据权利要求8所述的含有放大结构的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述柔性基底(1)由聚二甲基硅氧烷制成。

10.根据权利要求8所述的含有放大结构的柔性应变传感器的制备方法，其特征在于，所述感应薄膜层(2)由石墨烯纳米片、碳纳米管或纳米银线制成。