CN112229533A - 一种用于温度检测的抗变形柔性温度传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种用于温度检测的抗变形柔性温度传感器及其制备方法，包括柔性绝缘基底、柔性绝缘保护层、正极热电偶薄膜及负极热电偶薄膜，其中，正极热电偶薄膜及负极热电偶薄膜位于柔性绝缘基底上，柔性绝缘保护层覆盖于正极热电偶薄膜及负极热电偶薄膜上，负极热电偶薄膜的一端及正极热电偶薄膜的一端均连接有冷端，负极热电偶薄膜的另一端及正极热电偶薄膜的另一端重合形成温度敏感区域；柔性绝缘基底的上表面呈周期性波浪形结构；负极热电偶薄膜及正极热电偶薄膜均呈类蛇形弯曲结构，该传感器具有在拉伸扭转条件下输出稳定的特点。

Description

一种用于温度检测的抗变形柔性温度传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于温度测量领域，涉及一种用于温度检测的抗变形柔性温度传感器及其制备方法。
背景技术
机器人末端操作器的活动能力与作业水平对机器人工作任务的完成具有十分重要意义，为机器人准确地获取自身工作情况以及所处环境的具体信息。应用于机器人手端的柔性温度触觉传感器要求灵敏度高、柔性化强、轻量化、体积小等特征，在机器人手进行抓取的等动作时，传感器在受力变形的情况下依然能保持良好的工作稳定性与可靠性。针对探测排线、智能制造和医疗康复等领域对机器人灵巧手的温度进行感知的需求，因此开发一种用于温度检测的抗变形柔性温度传感器非常有必要，以解决现有传感器在拉伸扭转条件下不能稳定输出问题。
发明内容
本发明的目的在于克服上述现有技术的缺点，提供了一种用于温度检测的抗变形柔性温度传感器及其制备方法，该传感器具有在拉伸扭转条件下输出稳定的特点。
为达到上述目的，本发明所述的用于温度检测的抗变形柔性温度传感器包括柔性绝缘基底、柔性绝缘保护层、正极热电偶薄膜及负极热电偶薄膜，其中，正极热电偶薄膜及负极热电偶薄膜位于柔性绝缘基底上，柔性绝缘保护层覆盖于正极热电偶薄膜及负极热电偶薄膜上，负极热电偶薄膜的一端及正极热电偶薄膜的一端均连接有冷端，负极热电偶薄膜的另一端及正极热电偶薄膜的另一端重合形成温度敏感区域；
柔性绝缘基底的上表面呈周期性波浪形结构；负极热电偶薄膜及正极热电偶薄膜均呈类蛇形弯曲结构。
柔性绝缘基底及柔性绝缘保护层的材质均为聚二甲基硅氧烷。
负极热电偶薄膜的材质为陶瓷氧化物材料氧化铟，正极热电偶薄膜的材质为金属型材料铂。
柔性绝缘基底呈周期为20微米的波浪形结构，正极热电偶薄膜及负极热电偶薄膜的宽度均为100微米。
所述温度敏感区域为直径为200微米的圆形结构。
一种用于温度检测的抗变形柔性温度传感器的制备方法包括以下步骤：
1)在硅片的表面沉积氮化硅层，并利用光刻工艺形成波浪形图案，通过干法刻蚀工艺刻蚀氮化硅层，并采用湿法腐蚀工艺刻蚀硅片，以形成波浪形周期图案，并利用八氟环丁烷对刻蚀后得硅片进行疏水处理；
2)采用匀胶凝胶方法在硅片上制作聚二甲基硅氧烷基底，并进行去气泡、烘干及脱膜处理，得图案化的柔性绝缘聚二甲基硅氧烷基底；
3)利用光刻工艺形成薄膜热电偶的负极图形；
4)采用磁控溅射方法制作负极热电偶薄膜；
5)利用光刻工艺形成薄膜热电偶的正极图形；
6)采用磁控溅射方法制作正极热电偶薄膜；
7)采用匀胶凝胶方法制作柔性绝缘保护层，得温度传感器样品；
8)对所述温度传感器样本进行标定，得用于温度检测的抗变形柔性温度传感器。
步骤4)与步骤5)之间还包括：将步骤4)得到的产品进行退火处理，以激活负极热电偶薄膜的热电特性。
退火时间为120min，退火温度为200℃。
步骤1)中，硅片的厚度为500nm，氮化硅层的厚度为200nm。
本发明具有以下有益效果：
本发明所述的用于温度检测的抗变形柔性温度传感器及其制备方法在具体操作时，柔性绝缘层基底的表面呈周期性波浪结构，负极热电偶薄膜及正极热电偶薄膜均呈类蛇形弯曲结构，以形成微型三维柔性薄膜温度传感器，从而可以在拉伸弯曲等变形情况下的稳定测量输出。另外，本发明基于热电偶原理，无需外部供能，无需桥式处理电路，因此其测量系统较为简单方便。
进一步，柔性绝缘基底与柔性绝缘保护层的材质为聚二甲基硅氧烷材料，满足柔性抗变形且变形后可恢复等要求。
进一步，负极热电偶薄膜的材质为氧化铟，正极热电偶薄膜的材质为金属型材料铂，由于n型氧化铟的Seebeck系数大，金属型材料铂的功函数与其匹配，因此能够得到较大的输出灵敏度。
附图说明
图1为本发明的结构示意图；
图2为本发明的截面图。
其中，1为柔性绝缘基底、2为正极热电偶薄膜、3为负极热电偶薄膜、4为柔性绝缘保护层、5为温度敏感区域、6为冷端。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
参考图1及图2，本发明所述的用于温度检测的抗变形柔性温度传感器包括柔性绝缘基底1、柔性绝缘保护层4、正极热电偶薄膜2及负极热电偶薄膜3，其中，正极热电偶薄膜2及负极热电偶薄膜3位于柔性绝缘基底1上，柔性绝缘保护层4覆盖于正极热电偶薄膜2及负极热电偶薄膜3上，负极热电偶薄膜3的一端及正极热电偶薄膜2的一端均连接有冷端6，负极热电偶薄膜3的另一端及正极热电偶薄膜2的另一端重合形成温度敏感区域5；柔性绝缘基底1的上表面呈周期性波浪形结构；负极热电偶薄膜3及正极热电偶薄膜2均呈类蛇形弯曲结构。
柔性绝缘基底1及柔性绝缘保护层4的材质均为聚二甲基硅氧烷；负极热电偶薄膜3的材质为陶瓷氧化物材料氧化铟，正极热电偶薄膜2的材质为金属型材料铂。
其中，温度敏感区域5，即热端，为直径为200微米的圆形结构，温度敏感区域5为单节点结构，为正负薄膜材料重叠处，尺寸为直径为200微米的圆形结构。负极热电偶薄膜3及正极热电偶薄膜2均呈类蛇形弯曲结构，线宽为100微米，线间距为100微米。
本发明所述的用于温度检测的抗变形柔性温度传感器的制备方法包括以下步骤：
1)在硅片的表面沉积氮化硅层，并利用光刻工艺形成波浪形图案，通过干法刻蚀工艺刻蚀氮化硅层，并采用湿法腐蚀工艺刻蚀硅片，以形成波浪形周期图案，并利用八氟环丁烷对刻蚀后得硅片进行疏水处理，其中，硅片的厚度为500nm，氮化硅层的厚度为200nm；
2)采用匀胶凝胶方法在硅片上制作聚二甲基硅氧烷基底，并进行去气泡、烘干及脱膜处理，得图案化的柔性绝缘聚二甲基硅氧烷基底；
3)利用光刻工艺形成薄膜热电偶的负极图形；
4)采用磁控溅射方法制作负极热电偶薄膜3；
5)利用光刻工艺形成薄膜热电偶的正极图形；
6)采用磁控溅射方法制作正极热电偶薄膜2；
7)采用匀胶凝胶方法制作柔性绝缘保护层4，得温度传感器样品；
8)对所述温度传感器样本进行标定，得用于温度检测的抗变形柔性温度传感器。
步骤4)与步骤5)之间还包括：将步骤4)得到的产品进行退火处理，以激活负极热电偶薄膜3的热电特性，以大幅提高传感器灵敏度，其中，退火时间为120min，退火温度为200℃。
另外，需要说明的是，图案化的柔性绝缘聚二甲基硅氧烷基底1，采用匀胶凝胶的制备方法，设置匀胶机低速转速为1000r/h，保持15s；高速转速为5000r/h，保持40s。
本发明中正极热电偶薄膜2利用磁控溅射台进行制备，磁控参数为：电流强度为0.4amps，氩气流量为20sccm，真空度为3.0×10-5torr，时间为15min。
本发明中负极热电偶薄膜3利用磁控溅射机进行制备，磁控参数为：溅射的功率为200W，氩气流量为90sccm，真空度为4.2×10-5torr，时间为120min。
柔性绝缘保护层4采用匀胶凝胶的制备方法进行制备，设置匀胶机低速转速为500r/h，保持10s；高速转速为2000r/h，保持40s。
本发明中对所述温度传感器样本进行标定与测试的具体过程为：
将温度传感器整体放置于制冷平台上，使冷端6温度保持于0摄氏度，用小型陶瓷加热片对温度敏感区域5进行加热，同时利用两个K型标准热电偶分别对传感器的温度敏感区域5及冷端6进行温度监测，从而使热电偶的冷端6与温度敏感区域5产生温度梯度，基于Seebeck效应产生温差电势差，利用电化学工作站对冷端6电压进行采集，并根据采集到的电压及温度等数据来对温度传感器进行标定。
本发明基于热电偶工作原理，当传感器置于机械灵巧手并触碰待测物时，该传感器的温度敏感区域5受热温度升高，进而导致温度敏感区域5与冷端6产生温差，产生温差电动势。通过对该传感器进行静态标定后得到的温度电势关系曲线，进而可以得出温度载荷与输出热电势的关系。实际中，通过测量冷端6的电势即可得到机械灵巧手并触碰待测物的温度值。
实施例一
利用化学气相沉积法在500nm厚的硅片上沉积200nm厚的氮化硅层作为掩蔽层。利用光刻掩膜版，进行光刻工艺在氮化硅片上形成周期为20微米的图案，通过干法刻蚀工艺刻蚀氮化硅层以及湿法腐蚀工艺刻蚀硅片形成周期20微米，深度为2微米，上下宽分别为2.2微米的波浪形周期，并利用八氟环丁烷对刻蚀后得硅片进行疏水处理。
柔性绝缘基底1选用易变形且变形易恢复原状的柔性绝缘聚二甲基硅氧烷，利用匀胶机匀胶凝胶法获得厚度为200微米,尺寸为50×50mm2，并放置到75℃的热板上加热10min，将基底凝固。依次用丙酮、酒精及去离子水清洗基底，并用压缩空气吹干，然后放置到80℃的热板上加热5min，以去除柔性绝缘基底1的污渍、油污及灰尘等。
本实施例中正极热电偶薄膜2及负极热电偶薄膜3的热电极宽度为100μm，相邻线间距为100μm。该温度传感器为单节点温度测量，温度敏感区域5为直径为200微米的圆形结构。
本实施例中薄膜沉积采用磁控溅射技术，负极热电偶材料为氧化铟(In2O3)，靶材为尺寸为Φ101.6×5mm，纯度为99.99％；正极热电偶材料为金属铂(Pt)，靶材为尺寸为Φ76.2×3mm，纯度为99.99％。
正极热电偶薄膜2利用磁控溅射台进行制备，磁控参数为：电流强度为0.4amps，氩气流量为20sccm，真空度为3.0×10-5torr，时间为15min。
负极热电偶薄膜3利用磁控溅射机进行制备，磁控参数为：溅射的功率为200W，氩气流量为90sccm，真空度为4.2×10-5torr，时间为120min。
为了确定该温度传感器热电输出特性，对其进行静态标定，通过导电胶带将冷端6连接高精度数字万用表，利用陶瓷加热片对温度敏感区域5进行施加热载荷，同时利用两个标准K型热电偶分别显示加热板与冷端6的温度。通过对数字万用表的示数以及标准热电偶的输出温度进行采集，得到温度传感器的输出特性曲线。采用步进电机连接传动丝杠，将制备的温度传感器进行1000次往复拉伸循环测试，对比传统的结构简单型温度传感器，制备的抗拉伸温度传感器具有良好的输出稳定性与服役可靠性。
本实例只详细介绍了一种用于温度检测的抗变形柔性温度传感器的制备方法及具体实施方法，但本实施例并不是限定本发明专利的保护范围，熟悉本领域的技术人员，若依据本发明的技术进行简单的结构改变或者工艺变化等改造均应属于本发明专利的保护范围内。

Claims (9)

1.一种用于温度检测的抗变形柔性温度传感器，其特征在于，包括柔性绝缘基底(1)、柔性绝缘保护层(4)、正极热电偶薄膜(2)及负极热电偶薄膜(3)，其中，正极热电偶薄膜(2)及负极热电偶薄膜(3)位于柔性绝缘基底(1)上，柔性绝缘保护层(4)覆盖于正极热电偶薄膜(2)及负极热电偶薄膜(3)上，负极热电偶薄膜(3)的一端及正极热电偶薄膜(2)的一端均连接有冷端(6)，负极热电偶薄膜(3)的另一端及正极热电偶薄膜(2)的另一端重合形成温度敏感区域(5)；
柔性绝缘基底(1)的上表面呈周期性波浪形结构；负极热电偶薄膜(3)及正极热电偶薄膜(2)均呈类蛇形弯曲结构。
2.根据权利要求1所述的用于温度检测的抗变形柔性温度传感器，其特征在于，柔性绝缘基底(1)及柔性绝缘保护层(4)的材质均为聚二甲基硅氧烷。
3.根据权利要求1所述的用于温度检测的抗变形柔性温度传感器，其特征在于，负极热电偶薄膜(3)的材质为陶瓷氧化物材料氧化铟，正极热电偶薄膜(2)的材质为金属型材料铂。
4.根据权利要求1所述的用于温度检测的抗变形柔性温度传感器，其特征在于，柔性绝缘基底(1)呈周期为20微米的波浪形结构，正极热电偶薄膜(2)及负极热电偶薄膜(3)的宽度均为100微米。
5.根据权利要求1所述的用于温度检测的抗变形柔性温度传感器，其特征在于，所述温度敏感区域(5)为直径为200微米的圆形结构。
6.一种权利要求1所述用于温度检测的抗变形柔性温度传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)在硅片的表面沉积氮化硅层，并利用光刻工艺形成波浪形图案，通过干法刻蚀工艺刻蚀氮化硅层，并采用湿法腐蚀工艺刻蚀硅片，以形成波浪形周期图案，并利用八氟环丁烷对刻蚀后得硅片进行疏水处理；
2)采用匀胶凝胶方法在硅片上制作聚二甲基硅氧烷基底，并进行去气泡、烘干及脱膜处理，得图案化的柔性绝缘聚二甲基硅氧烷基底；
3)利用光刻工艺形成薄膜热电偶的负极图形；
4)采用磁控溅射方法制作负极热电偶薄膜(3)；
5)利用光刻工艺形成薄膜热电偶的正极图形；
6)采用磁控溅射方法制作正极热电偶薄膜(2)；
7)采用匀胶凝胶方法制作柔性绝缘保护层(4)，得温度传感器样品；
8)对所述温度传感器样本进行标定，得用于温度检测的抗变形柔性温度传感器。
7.根据权利要求6所述的温度检测的抗变形柔性温度传感器的制备方法，其特征在于，步骤4)与步骤5)之间还包括：将步骤4)得到的产品进行退火处理，以激活负极热电偶薄膜(3)的热电特性。
8.根据权利要求8所述的温度检测的抗变形柔性温度传感器的制备方法，其特征在于，退火时间为120min，退火温度为200℃。
9.根据权利要求7所述的温度检测的抗变形柔性温度传感器的制备方法，其特征在于，步骤1)中，硅片的厚度为500nm，氮化硅层的厚度为200nm。
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