CN110054148B - 一种空腔式压力传感器及其制备方法 - Google Patents

一种空腔式压力传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种空腔式压力传感器及其制备方法，该传感器包括银应变片、空腔结构和柔性薄膜。其制备方法包括：用打孔机将薄膜打孔形成孔洞，在聚酰胺酸固化层上光刻感光干膜并利用银氨法生长图形化的银层作为金属应变片，最后用聚酰亚胺薄膜密封孔洞从而形成空腔结构。本发明相比于传统工艺而言，不需要键合或者刻蚀来形成空腔，因而制备工艺简便、成本低及灵敏度高，并且具有柔性，能够实现更广泛领域的应用。

Description

一种空腔式压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及压力传感器制备技术，尤其是一种灵敏度大、受力均匀及工艺方法简单的空腔式压力传感器及其制备方法。
背景技术
在如今各式传感器中，压力传感器是应用最广泛的一类。随着微机电系统（MicroElectro Mechanical System，MEMS）的发展，压力传感器越来越微型化，并且成本低、可靠性高、易于集成、实现智能化、与半导体制造工艺技术兼容，广泛应用于汽车电子、手机、医疗等诸多领域。面对越来越多的特殊测量环境，希望传感器具有可穿戴、可延展、弯曲甚至折叠等特点，随着柔性基质材料的发展，柔性可穿戴传感器应运而生。其中，柔性压力传感器在智能服饰、电子皮肤和结构健康监测等方面有着广泛的应用。
近年来，如中国专利申请：201810512943.0公开了《一种金属纳米线复合膜压力传感器及其制备方法》，所述的具备柔性、可拉伸、可穿戴的压力传感器属于薄膜传感器；中国专利：201610371195.X公开了《一种基于掺杂硅烯的MEMS压阻式压力传感器及制造方法》，所述的高灵敏度压阻式压力传感器利用刻蚀形成空腔；中国专利：201610353494.0公开了《一种高灵敏度压阻式压力传感器及其制备方法》，所述结构的硅衬底中设有空腔，硅衬底的底面与玻璃通过键合来密封。虽然上述方法可以利用空腔结构来解决受力不均匀的问题，但是不能做到同时具有柔性、制备工艺简便及高灵敏度的性能。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术的不足而提供一种空腔式压力传感器及其制备方法，包含空腔结构和柔性，具有灵敏度大、受力均匀和工艺方法简单的优点。
实现本发明目的的具体技术方案是：
一种空腔式压力传感器制备方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：
步骤1：选取边长为若干厘米的聚酰亚胺薄膜并清洗，在其上表面、下表面各贴一层感光干膜；
步骤2：用打孔机将步骤1所得的薄膜打孔，在薄膜上形成一个孔洞；
步骤3：选一衬底，利用无水乙醇、丙酮清洗衬底表面5～10分钟，利用甩胶机旋涂一层厚度为20～30um、质量比为12wt%的聚酰胺酸置于衬底上；
步骤4：在步骤3所得衬底上贴敷一层感光干膜，使之表面平整、无气泡、无褶皱；
步骤5：光刻步骤4所得的衬底上的感光干膜，具体包括：
S5.1：喷墨打印机将图形打印至菲林片上，制作光刻掩模版；
S5.2：在贴敷感光干膜的衬底上，将感光干膜表层的保护膜撕掉，再将光刻掩模版放置于贴敷撕掉保护膜的感光干膜的衬底上进行掩膜光刻；
S5.3：将S5.2所得衬底放入显影剂中进行显影，使未被曝光的感光干膜脱掉；
步骤6：将步骤5所得的光刻后的衬底用银氨法生长银层，具体包括：
S6.1：将硝酸银溶于去离子水中，搅拌均匀，得浓度为0.02～0.03mol/L的硝酸银溶液；
S6.2：将硝酸银溶液滴在步骤5所得的衬底上，析出银层；
步骤7：将步骤6所得衬底放入分析纯的丙酮中脱膜，除去感光干膜，得到图形化的应变片；
步骤8：将步骤2所得打孔薄膜上表面的感光干膜的保护膜撕掉，贴上聚酰亚胺薄膜；
步骤9：将步骤2所得打孔薄膜下表面的感光干膜的保护膜撕掉，贴敷从步骤7衬底上揭下的应变片，使打孔薄膜密闭形成空腔结构；
步骤10：将步骤9所得的空腔结构进行紫外曝光4～5分钟，并在下表面依次贴上感光干膜和聚酰亚胺薄膜；
步骤11：将步骤10所得的空腔结构再次进行紫外曝光4～5分钟，得到空腔式压力传感器。
所述衬底为玻璃片、聚四氟乙烯片、聚对苯二甲酸乙二醇酯片（PET）、陶瓷片或降解塑料片（Ecoflex）。
所述掩膜光刻采用UV法。
所述显影剂为pH=12的氢氧化钠溶液。
一种上述方法制得的空腔式压力传感器。
本发明相比于传统工艺而言，不需要键合或者刻蚀来形成空腔，因而制备工艺简便、成本低、灵敏度高，并且具有柔性，能够实现更广泛领域的应用。
附图说明
图1为本发明方法流程图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明进行详细描述。
参阅图1，本发明包括：
S1、选取边长为若干厘米的聚酰亚胺薄膜11并清洗，在其上表面、下表面各贴一层感光干膜12；
S2、用打孔机将S1所得的薄膜11打孔，在薄膜上形成一个孔洞；
S3、选一衬底13，利用无水乙醇、丙酮清洗衬底13表面5～10分钟，利用甩胶机旋涂一层厚度为20～30um、质量比为12wt%的聚酰胺酸14置于衬底13上；
S4、在S3所得衬底13上贴敷一层感光干膜12，使之表面平整、无气泡、无褶皱；
S5、光刻S4所得的衬底13上的感光干膜12，具体包括：
S5.1、喷墨打印机将图形打印至菲林片上，制作光刻掩模版；
S5.2、在贴敷感光干膜12的衬底13上，将感光干膜12表层的保护膜撕掉，再将光刻掩模版放置于贴敷撕掉保护膜的感光干膜12的衬底13上进行掩膜光刻；
S5.3、将S5.2所得衬底13放入显影剂中进行显影，使未被曝光的感光干膜12脱掉；
S6、将S5所得的光刻后的衬底13用银氨法生长银层，具体包括：
S6.1、将硝酸银溶于去离子水中，搅拌均匀，得浓度为0.02～0.03mol/L的硝酸银溶液；
S6.2、将硝酸银溶液滴在S5所得的衬底上，析出银层15；
S7、将S6所得衬底13放入分析纯的丙酮中脱膜，除去感光干膜12，得到图形化的应变片；
S8、将S2所得打孔薄膜上表面的感光干膜的保护膜撕掉，贴上聚酰亚胺薄膜；
S9、将S2所得打孔薄膜下表面的感光干膜的保护膜撕掉，贴敷从S7衬底上揭下的应变片，使打孔薄膜密闭形成空腔结构；
S10、将S9所得的空腔结构进行紫外曝光4～5分钟，并在下表面依次贴上感光干膜12和聚酰亚胺薄膜11；
S11、将S10所得的空腔结构再次进行紫外曝光4～5分钟，得到空腔式压力传感器。
实施例1
S1、选取大小为4cm*2cm的聚酰亚胺薄膜11并清洗，在其上表面、下表面各贴一层感光干膜12；
S2、用打孔机将S1所得的薄膜11打孔，在薄膜上形成一个孔洞；
S3、选一大小为4cm*2cm的玻璃片作为衬底13，利用无水乙醇、丙酮清洗衬底13表面5分钟，利用甩胶机旋涂一层厚度为20um、质量比为12wt%的聚酰胺酸14置于玻璃片上；
S4、在S3所得玻璃片13上贴敷一层感光干膜12，使之表面平整、无气泡、无褶皱；
S5、光刻S4所得的玻璃片13上的感光干膜12，具体包括：
S5.1、喷墨打印机将图形打印至菲林片上，制作光刻掩模版；
S5.2、在贴敷感光干膜12的玻璃片13上，将感光干膜12表层的保护膜撕掉，再将光刻掩模版放置于贴敷撕掉保护膜的感光干膜12的玻璃片13上进行掩膜光刻；
S5.3、将S5.2所得玻璃片13放入显影剂中进行显影，使未被曝光的感光干膜12脱掉；
S6、将S5所得的光刻后的玻璃片13用银氨法生长银层，具体包括：
S6.1、将硝酸银溶于去离子水中，搅拌均匀，得浓度为0.03mol/L的硝酸银溶液；
S6.2、将硝酸银溶液滴在S5所得的玻璃片上，析出银层15；
S7、将S6所得玻璃片13放入分析纯的丙酮中脱膜，除去感光干膜12，得到图形化的应变片；
S8、将S2所得打孔薄膜上表面的感光干膜12的保护膜撕掉，贴上聚酰亚胺薄膜；
S9、将S2所得打孔薄膜下表面的感光干膜12的保护膜撕掉，贴敷从S7衬底上揭下的应变片，使打孔薄膜密闭形成空腔结构；
S10、将S9所得的空腔结构进行紫外曝光4分钟，并在下表面依次贴上感光干膜12和聚酰亚胺薄膜11；
S11、将S10所得的空腔结构再次进行紫外曝光4分钟，得到空腔式压力传感器。
实施例2
S1、选取大小为3cm*3cm的聚酰亚胺薄膜11并清洗，在其上表面、下表面各贴一层感光干膜12；
S2、用打孔机将S1所得的薄膜11打孔，在薄膜上形成一个孔洞；
S3、选一大小为3cm*3cm的陶瓷片13，利用无水乙醇、丙酮清洗陶瓷片13表面7分钟，利用甩胶机旋涂一层厚度为30um、质量比为12wt%的聚酰胺酸14置于陶瓷片13上；
S4、在S3所得陶瓷片13上贴敷一层感光干膜12，使之表面平整、无气泡、无褶皱；
S5、光刻S4所得的陶瓷片13上的感光干膜12，具体包括：
S5.1、喷墨打印机将图形打印至菲林片上，制作光刻掩模版；
S5.2、在贴敷感光干膜12的陶瓷片13上，将感光干膜12表层的保护膜撕掉，再将光刻掩模版放置于贴敷撕掉保护膜的感光干膜12的衬底13上进行掩膜光刻；
S5.3、将S5.2所得陶瓷片13放入显影剂中进行显影，使未被曝光的感光干膜12脱掉；
S6、将S5所得的光刻后的陶瓷片13用银氨法生长银层，具体包括：
S6.1、将硝酸银溶于去离子水中，搅拌均匀，得浓度为0.02mol/L的硝酸银溶液；
S6.2、将硝酸银溶液滴在S5所得的陶瓷片上，析出银层15；
S7、将S6所得陶瓷片13放入分析纯的丙酮中脱膜，除去感光干膜12，得到图形化的应变片；
S8、将S2所得打孔薄膜上表面的感光干膜12的保护膜撕掉，贴上聚酰亚胺薄膜；
S9、将S2所得打孔薄膜下表面的感光干膜12的保护膜撕掉，贴敷从S7衬底上揭下的应变片，使打孔薄膜密闭形成空腔结构；
S10、将S9所得的空腔结构进行紫外曝光5分钟，并在下表面依次贴上感光干膜12和聚酰亚胺薄膜11；
S11、将S10所得的空腔结构再次进行紫外曝光5分钟，得到空腔式压力传感器。
本发明工作原理是这样的：
参阅图1，本发明制备方法包括，首先在聚酰亚胺薄膜上下面贴上感光干膜，用打孔机打孔从而形成孔洞。在衬底上旋涂聚酰胺酸，贴上感光干膜并掩膜光刻，用银氨法生长出银层作为图形化的金属应变片，并贴敷于空腔结构下方。最后用聚酰亚胺薄膜密封，从而形成空腔结构。由于聚酰亚胺薄膜和聚酰胺酸固化物之间粘附性差，所以中间须加一层感光干膜，又感光干膜经过4～5分钟紫外曝光后能进一步提高粘附性，更能保障空腔结构的气密性。另外，聚酰胺酸固化物上的金属应变片是利用原位生长成的银层，故两者之间有很强的粘附性，增加了传感器的可靠性。
当所述空腔式压力传感器受到压力作用时，力作用在空腔结构上，然后空腔结构中的空气对金属应变片产生应变，这样能使应变片受力均匀，提高传感器的灵敏度。而且所述传感器工艺简便、成本低，所用材料均为柔性材料，使其具有柔性，应用广泛。

Claims (5)

1.一种空腔式压力传感器制备方法，其特征在于，该方法包括以下具体步骤：
步骤1：选取边长为若干厘米的聚酰亚胺薄膜并清洗，在其上表面、下表面各贴一层感光干膜；
步骤2：用打孔机将步骤1所得的薄膜打孔，在薄膜上形成一个孔洞；
步骤3：选一衬底，利用无水乙醇、丙酮清洗衬底表面5～10分钟，利用甩胶机旋涂一层厚度为20～30um、质量比为12wt%的聚酰胺酸置于衬底上；
步骤4：在步骤3所得衬底上贴敷一层感光干膜，使之表面平整、无气泡及无褶皱；
步骤5：光刻步骤4所得的衬底上的感光干膜，具体包括：
ⅰ）喷墨打印机将图形打印至菲林片上，制作光刻掩模版；
ⅱ）在贴敷感光干膜的衬底上，将感光干膜表层的保护膜撕掉，再将光刻掩模版放置于贴敷撕掉保护膜的感光干膜的衬底上进行掩膜光刻；
ⅲ）将所得衬底放入显影剂中进行显影，使未被曝光的感光干膜脱掉；
步骤6：将步骤5所得的光刻后的衬底用银氨法生长银层，具体包括：
ⅰ）将硝酸银溶于去离子水中，搅拌均匀，得浓度为0.02～0.03mol/L的硝酸银溶液；
ⅱ）将硝酸银溶液滴在步骤5所得的衬底上，析出银层；
步骤7：将步骤6所得衬底放入分析纯的丙酮中脱膜，除去感光干膜，得到图形化的应变片；
步骤8：将步骤2所得打孔薄膜上表面的感光干膜的保护膜撕掉，贴敷聚酰亚胺薄膜；
步骤9：将步骤2所得打孔薄膜下表面的感光干膜的保护膜撕掉，贴敷从步骤7衬底上揭下的应变片，使打孔薄膜密闭形成空腔结构；
步骤10：将步骤9所得的空腔结构进行紫外曝光4～5分钟，并在下表面依次贴上感光干膜和聚酰亚胺薄膜；
步骤11：将步骤10所得的空腔结构再次进行紫外曝光4～5分钟，得到所述空腔式压力传感器。
2.根据权利要求1所述的空腔式压力传感器制备方法，其特征在于，所述衬底为玻璃片、聚四氟乙烯片、聚对苯二甲酸乙二醇酯片、陶瓷片或降解塑料片。
3.根据权利要求1所述的空腔式压力传感器制备方法，其特征在于，所述掩膜光刻采用UV法。
4.根据权利要求1所述的空腔式压力传感器制备方法，其特征在于，所述显影剂为pH=12的氢氧化钠溶液。
5.一种权利要求1所述方法制得的空腔式压力传感器。
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