CN109855687A - 一种柔性温度-应变集成传感器阵列及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性温度‑应变集成传感器阵列，至少包括一个温度传感器单元和一个应变传感器单元，温度传感器单元的正、负极分别由基底两侧的铜箔层和康铜箔层图形化后形成，并由过孔工艺连接形成结点；应变传感器单元由康铜箔层图形化后形成。本发明的传感器阵列具备柔性，可直接贴覆于曲面结构表面；可实现同时对多个测点的温度和应变信号的分布式监测，并且安装方便；敏感单元与引线在基底上一体式集成，且测试端无焊点，尤其适用于狭小空间中的监测需求；传感器阵列制备工艺与FPC工艺兼容，可实现高精度、大批量、低成本的生产。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，尤其涉及一种柔性温度-应变集成传感器阵列及制备方法。
背景技术
目前，在结构健康监测领域，温度和应变是与结构健康状态相关的重要信息，通常使用传统的温度传感器和应变计来监测工程结构(如机械、桥梁、大型建筑、飞行器、武器装备等)的温度与应变。在实际应用中，通常需要对结构表面的温度和应变进行分布式监测，则需要布置众多测点，由此带来传感器粘贴工序繁琐、引线众多、难以在狭小空间中布置等问题。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种将温度传感器、应变传感器以及它们的引线集成制备于同一柔性基底的方法，并且可同时制备多个温度传感器和应变传感器单元，并形成传感阵列。具体为将箔式温度传感器、箔式应变传感器及它们的引线制备于同一柔性基底上，并形成传感器阵列。
本发明通过以下技术方案来实现上述目的：
一种温度-应变集成的传感器阵列，至少包括一个温度传感器单元和一个应变传感器单元，温度传感器单元的正、负极分别由基底两侧的铜箔层和康铜箔层图形化后形成，并由过孔工艺连接形成结点；应变传感器单元由康铜箔层图形化后形成。
进一步的方案为，所述传感器阵列结构包括柔性基底、胶层、康铜箔层、铜箔层、保护层；温度传感器单元和应变传感器单元的阵列分布于柔性基底上。
进一步的方案为，所述述康铜箔和铜箔用压延法或电解法制备，厚度为1-10μm；
所述胶层用于将康铜箔层和铜箔层胶接到基底两面，也可用于胶接保护层；
所述柔性基底采用聚酰亚胺(PI)或聚酯(PET)；
所述胶层材料选用丙烯酸类或环氧树脂类胶粘剂；
所述保护层选用与基底相同的材料，或选用与基底不相同的材料。
本发明的另一方面还提供上述的柔性温度-应变集成传感器阵列的制备方法，包括以下步骤：
S1：取材成型：将柔性基底、铜箔和康铜箔制成设计尺寸；
S2：箔材料压合：通过胶接的方式，将康铜箔和铜箔压合到基底的上下两面；
S3：钻孔：在温度传感器预设的正、负极结点处钻孔；
S4：镀通孔：在孔壁上镀铜，使位于基底两面的康铜箔和铜箔导通；
S5：图形化：采用光化学方法对铜箔层和康铜箔层进行图形化，形成传感器阵列、引线及焊盘；
S6：覆盖保护层：用保护层覆盖温度传感器和应变计的敏感单元以及引线，并将焊盘部分露出，便于焊盘与外面电路连接；
S7：电镀：裸露的焊盘部分以电镀或化学镀的方式镀上锡铅合金或镍金合金，以保护焊盘不被氧化。
进一步的方案为，所述S2步骤中包含以下分步骤：
S2.1、依次用酒精、丙酮和去离子水清洗柔性基底，然后干燥；
S2.2、在基底的一面涂覆粘接剂，然后在该面压合铜箔；
S2.3、在基底的另一面涂覆粘接剂，然后在该面压合康铜箔；
且所述S2.2、S2.3步骤可交换次序。
进一步的方案为，所述S3步骤中包含以下分步骤：
S3.1、在压合康铜箔的一面覆盖临时保护膜；
S3.2、在温度传感器的正、负极结点处钻孔，作为优选的技术方案，孔径为0.3-0.6mm。
进一步的方案为，所述S4步骤中包含以下分步骤：
S4.1、用整孔剂使孔壁带正电荷；
S4.2、用黑孔的方法使带负电的石墨粉附着于表面；
S4.3、通过微蚀的方法将康铜箔和铜箔表面的石墨粉剥离，仅保留孔壁边缘的石墨粉；
S4.4、通过电镀的方法在孔壁内镀铜并形成铜孔，使温度传感器的两极导通，铜孔与康铜箔的接触点即为温度传感器的结点；
S4.5、去除康铜箔上的临时保护膜。
进一步的方案为，所述S5步骤中包含以下分步骤：
S5.1、对材料进行清洁，用热压的方式在材料两面贴合干膜；(由于干膜对紫外线敏感，干膜贴合作业必须在黄光区进行。)
S5.2、在制备好图形的版图下对铜箔层和康铜箔层进行曝光，将设计的图形转移到干膜上；
S5.3、曝光完成后，在显影液中进行显影，然后用去离子水清洗；
S5.4、在刻蚀药水中对未经干膜保护的铜箔层和康铜箔层进行腐蚀；
S5.5、在去胶液中去除干膜，清洁基底。
进一步的方案为，所述S6步骤中，保护层可采用胶接、丝印、旋涂、喷涂工艺制备。
本发明的有益效果在于：
1、传感器阵列具备柔性，可直接贴覆于曲面结构表面；
2、可实现同时对多个测点的温度和应变信号的分布式监测，并且安装方便；
3、敏感单元与引线在基底上一体式集成，且测试端无焊点，尤其适用于狭小空间中的监测需求；
4、传感器阵列制备工艺与FPC工艺兼容，可实现高精度、大批量、低成本的生产。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要实用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实施例的一些实施例，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的附图。
图1为本发明实施例中传感器阵列康铜箔层一面的俯视示意图。
图2为本发明实施例中传感器阵列铜箔层一面的俯视示意图。
图3为本发明实施例的剖面结构示意图。
图4为本发明实施例应变传感器单元栅体结构图。
图5为本发明实施例所制备的传感器阵列实物照片。
图中各标号表示：1-PI柔性基底；2-胶层；3-康铜箔层；4-铜箔层；5-铜孔；6-保护层。
11-应变传感器单元；12-温度传感器单元负极；13-温度传感器单元正极。
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，下面将对本发明的技术方案进行详细的描述。显然，所描述的实施例仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所得到的所有其它实施方式，都属于本发明所保护的范围。
在任意一实施例中，本发明的一种温度-应变集成的传感器阵列，至少包括一个温度传感器单元和一个应变传感器单元，温度传感器单元的正、负极分别由基底两侧的铜箔层和康铜箔层图形化后形成，并由过孔工艺连接形成结点；应变传感器单元由康铜箔层图形化后形成。
在上述实施例中，所述传感器阵列结构包括柔性基底、胶层、康铜箔层、铜箔层、保护层；温度传感器单元和应变传感器单元的阵列分布于柔性基底上。
在上述实施例中，所述述康铜箔和铜箔用压延法或电解法制备，厚度为1-10μm；
所述胶层用于将康铜箔层和铜箔层胶接到基底两面，也可用于胶接保护层；
所述柔性基底采用聚酰亚胺(PI)或聚酯(PET)；
所述胶层材料选用丙烯酸类或环氧树脂类胶粘剂；
所述保护层选用与基底相同的材料，或选用与基底不相同的材料。
本发明的另一方面还提供上述任意一实施例中的柔性温度-应变集成传感器阵列的制备方法，包括以下步骤：
S1：取材成型：将柔性基底、铜箔和康铜箔制成设计尺寸；
S2：箔材料压合：通过胶接的方式，将康铜箔和铜箔压合到基底的上下两面；
S3：钻孔：在温度传感器预设的正、负极结点处钻孔；
S4：镀通孔：在孔壁上镀铜，使位于基底两面的康铜箔和铜箔导通；
S5：图形化：采用光化学方法对铜箔层和康铜箔层进行图形化，形成传感器阵列、引线及焊盘；
S6：覆盖保护层：用保护层覆盖温度传感器和应变计的敏感单元以及引线，并将焊盘部分露出，便于焊盘与外面电路连接；
S7：电镀：裸露的焊盘部分以电镀或化学镀的方式镀上锡铅合金或镍金合金，以保护焊盘不被氧化。
所述S2步骤中包含以下分步骤：
S2.1、依次用酒精、丙酮和去离子水清洗柔性基底，然后干燥；
S2.2、在基底的一面涂覆粘接剂，然后在该面压合铜箔；
S2.3、在基底的另一面涂覆粘接剂，然后在该面压合康铜箔；
且所述S2.2、S2.3步骤可交换次序。
所述S3步骤中包含以下分步骤：
S3.1、在压合康铜箔的一面覆盖临时保护膜；
S3.2、在温度传感器的正、负极结点处钻孔，作为优选的技术方案，孔径为0.3-0.6mm。
所述S4步骤中包含以下分步骤：
S4.1、用整孔剂使孔壁带正电荷；
S4.2、用黑孔的方法使带负电的石墨粉附着于表面；
S4.3、通过微蚀的方法将康铜箔和铜箔表面的石墨粉剥离，仅保留孔壁边缘的石墨粉；
S4.4、通过电镀的方法在孔壁内镀铜并形成铜孔，使温度传感器的两极导通，铜孔与康铜箔的接触点即为温度传感器的结点；
S4.5、去除康铜箔上的临时保护膜。
所述S5步骤中包含以下分步骤：
S5.1、对材料进行清洁，用热压的方式在材料两面贴合干膜；(由于干膜对紫外线敏感，干膜贴合作业必须在黄光区进行。)
S5.2、在制备好图形的版图下对铜箔层和康铜箔层进行曝光，将设计的图形转移到干膜上；
S5.3、曝光完成后，在显影液中进行显影，然后用去离子水清洗；
S5.4、在刻蚀药水中对未经干膜保护的铜箔层和康铜箔层进行腐蚀；
S5.5、在去胶液中去除干膜，清洁基底。
所述S6步骤中，保护层可采用胶接、丝印、旋涂、喷涂工艺制备。
图1-图4给出了本发明的一个具体实施例。
本实施例中，采用厚度为12.5μm的PI作为柔性基底1，柔性基底1设计尺寸为25mm×250mm。通过胶接的方式将铜箔层4和康铜箔层2依次压合到柔性基底1的两面，所选康铜箔层2厚度5μm，铜箔层4厚度10μm。在预设的温度传感器结点处钻孔，孔径为0.5mm。将康铜箔层2一面进行保护，然后用电镀的方法在孔壁镀铜，使基底上下面的康铜箔层2和铜箔层4导通，再去除保护膜。镀通孔完成后，对材料进行清洁，然后用热压的方式在材料两面贴合干膜作为刻蚀阻剂。设计图形并制作菲林片，用紫外曝光的方式将菲林片的图形转移到干膜上。曝光完成后，紫外线照射区域的干膜部分聚合硬化，用显影液冲洗材料，将未经曝光的部分冲掉。显影后的材料用腐蚀液冲洗，将未被干膜保护的部分去除，留下设计的图形。然后使用去胶液去除干膜，使铜箔层4和康铜箔层2露出，康铜箔层2形成应变的应变传感器单元11、温度传感器单元负极12、引线及焊盘，铜箔层4形成温度传感器单元正极13及焊盘。保护层6使用12.5μm厚的PI膜，保护层6的一面带有粘接剂的胶层2。用热压合的方式将保护层6的粘接剂熔化，用以填充图形之间的缝隙并且使保护层6和材料紧密结合。保护层6覆盖温度传感器和应变计的敏感单元以及引线，裸露的焊盘部分用电镀的方式镀上锡铅合金。
本实施例中，柔性基底1上分布4个应变传感器单元阵列，应变传感器单元栅体图形如图4所示，敏感单元尺寸为3mm×4.5mm，相邻应变传感器单元间距40mm。当然本发明并不限定阵列的数量及其间距，本领域技术人员可以在任一尺寸根据本发明设置必要的阵列数量及合理的间距。
本实施例中，柔性基底上分布4个温度传感器单元阵列，相邻温度传感器单元间距40mm。当然本发明并不限定阵列的数量及其间距，本领域技术人员可以在任一尺寸根据本发明设置必要的阵列数量及合理的间距。
本实施例中，传感器阵列使用时将康铜层一面粘贴在待测结构上，可分布式监测各测点的温度、应变。
本实施例所制备的传感器阵列实物照片如图5所示。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合，为了避免不必要的重复，本发明对各种可能的组合方式不再另行说明。此外，本发明的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合，只要其不违背本发明的思想，其同样应当视为本发明所公开的内容。
Claims (9)
1.一种柔性温度-应变集成传感器阵列，其特征在于，至少包括一个温度传感器单元和一个应变传感器单元，温度传感器单元的正、负极分别由基底两侧的铜箔层和康铜箔层图形化后形成，并由过孔工艺连接形成结点；应变传感器单元由康铜箔层图形化后形成。
2.如权利要求1所述的一种柔性温度-应变集成传感器阵列，其特征在于，
所述传感器阵列结构包括柔性基底、胶层、康铜箔层、铜箔层、保护层；温度传感器单元和应变传感器单元的阵列分布于柔性基底上。
3.如权利要求2所述的一种柔性温度-应变集成传感器阵列，其特征在于，
所述述康铜箔和铜箔用压延法或电解法制备，厚度为1-10μm；
所述胶层用于将康铜箔层和铜箔层胶接到基底两面，也可用于胶接保护层；
所述柔性基底采用聚酰亚胺或聚酯；
所述胶层材料选用丙烯酸类或环氧树脂类胶粘剂；
所述保护层选用与基底相同的材料，或选用与基底不相同的材料。
4.如权利要求1-3任一项所述的一种柔性温度-应变集成传感器阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：取材成型：将柔性基底、铜箔和康铜箔制成设计尺寸；
S2：箔材料压合：通过胶接的方式，将康铜箔和铜箔压合到基底的上下两面；
S3：钻孔：在温度传感器预设的正、负极结点处钻孔；
S4：镀通孔：在孔壁上镀铜，使位于基底两面的康铜箔和铜箔导通；
S5：图形化：采用光化学方法对铜箔层和康铜箔层进行图形化，形成传感器阵列、引线及焊盘；
S6：覆盖保护层：用保护层覆盖温度传感器和应变计的敏感单元以及引线，并将焊盘部分露出，便于焊盘与外面电路连接；
S7：电镀：裸露的焊盘部分以电镀或化学镀的方式镀上锡铅合金或镍金合金，以保护焊盘不被氧化。
5.如权利要求4所述的一种柔性温度-应变集成传感器阵列的制备方法，其特征在于，
所述S2步骤中包含以下分步骤：
S2.1、依次用酒精、丙酮和去离子水清洗柔性基底，然后干燥；
S2.2、在基底的一面涂覆粘接剂，然后在该面压合铜箔；
S2.3、在基底的另一面涂覆粘接剂，然后在该面压合康铜箔；
且所述S2.2、S2.3步骤可交换次序。
6.如权利要求4所述的一种柔性温度-应变集成传感器阵列的制备方法，其特征在于，
所述S3步骤中包含以下分步骤：
S3.1、在压合康铜箔的一面覆盖临时保护膜；
S3.2、在温度传感器的正、负极结点处钻孔，孔径为0.3-0.6mm。
7.如权利要求4所述的一种柔性温度-应变集成传感器阵列的制备方法，其特征在于，
所述S4步骤中包含以下分步骤：
S4.1、用整孔剂使孔壁带正电荷；
S4.2、用黑孔的方法使带负电的石墨粉附着于表面；
S4.3、通过微蚀的方法将康铜箔和铜箔表面的石墨粉剥离，仅保留孔壁边缘的石墨粉；
S4.4、通过电镀的方法在孔壁内镀铜并形成铜孔，使温度传感器的两极导通，铜孔与康铜箔的接触点即为温度传感器的结点；
S4.5、去除康铜箔上的临时保护膜。
8.如权利要求4所述的一种柔性温度-应变集成传感器阵列的制备方法，其特征在于，
所述S5步骤中包含以下分步骤：
S5.1、对材料进行清洁，用热压的方式在材料两面贴合干膜；
S5.2、在制备好图形的版图下对铜箔层和康铜箔层进行曝光，将设计的图形转移到干膜上；
S5.3、曝光完成后，在显影液中进行显影，然后用去离子水清洗；
S5.4、在刻蚀药水中对未经干膜保护的铜箔层和康铜箔层进行腐蚀；
S5.5、在去胶液中去除干膜，清洁基底。
9.如权利要求4所述的一种柔性温度-应变集成传感器阵列的制备方法，其特征在于，所述S6步骤中，保护层可采用胶接、丝印、旋涂、喷涂工艺制备。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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