CN113091811A - 一种柔性温压一体化传感器及其制备方法和应用 - Google Patents

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苏元捷
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Abstract

本发明公开了一种柔性温压一体化传感器及其制备方法和应用，涉及柔性可穿戴电子领域，包括电容器介电层及分别粘合在电容器介电层上表面和下表面的柔性电极，所述电容器介电层为多孔PDMS薄膜，所述柔性电极为图形化的金属温敏薄膜。本发明所制得的柔性温压一体化传感器与其他类似传感器相比，采用叠层结构有效地减小的传感器的大小，金属温敏薄膜既作温度传感器又作平板电容极板，使敏感材料得到了重复利用，进一步减小了传感器的制备成本，提高了制备成功率；同时金属温敏薄膜作电容极板能起到屏蔽外来磁场干扰的作用，使得温度、压力各自的微小信号都能被探测到。

Description

一种柔性温压一体化传感器及其制备方法和应用
技术领域
本发明涉及柔性可穿戴电子领域，具体的涉及一种柔性温压一体化传感器及其制备方法和应用。
背景技术
柔性可穿戴电子正成为未来机器人、体外诊断和能量收集中的重要应用器件，假肢和可穿戴医疗设备的最新进展，致力于实现高灵敏度和易安装的传感器成为实验人员的研究热点。柔性可穿戴电子的核心部分为高性能多功能的柔性传感器，相对于传统传感器而言，柔性传感器具有较大的灵活性，能够满足更加复杂的测试环境以及对器件的形变弯曲需求，其中柔性温压一体化传感器是使用最为广泛、影响力最大的柔性多功能传感器，是目前柔性可穿戴电子领域中的第一个重要研究方向。但是受限于目前柔性传感器的柔韧性差、制备工艺过程复杂、成本过高、器件兼容性差等问题，严重阻碍了柔性传感器进一步的发展。因此，解决柔性温压一体化传感器尚存难题的关键在于如何保证柔性衬底良好的柔韧性和传感器对温度压力优异的敏感性共存，这需要从传感器自身敏感材料和结构设计的需求做出新的突破。
目前国内外已有不少对柔性温压一体化传感器的研究，它们主要是通过将温敏单元和压敏单元共同制备在柔性衬底上来实现对温度和压力的共同探测效果。柔性衬底主要采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等有机高分子聚合物，由于这些有机高聚物具有较好的柔韧性、延展性以及生物兼容能力，在柔性传感器中必然少不了它们的参与。在这些柔性温压一体化传感器的研究实例中，温度传感器大致分为热电阻式和热电偶式，压力传感器大致分为压阻式、电容式以及压电式，不同作用原理的传感器所采用的敏感材料不同，但是在实际制备过程中都会尽可能地选择两种兼容性好的敏感材料。
目前常见的柔性温压一体化传感器的结构设计有三种，分别是悬臂式、晶须式和层叠式，悬臂式通过设计悬臂这个特殊的结构对触压和应变进行载荷种类的选择，实现对触压觉和应变同时独立的探测功能，其对载荷的分辨能力高于传统触压觉传感器，但由于触压传感器的输出电阻与悬臂弯曲半径曲率之间的关系不明，最终使得测量结果存在一定的误差。晶须式是通过层压技术将各个带有温度传感器和压力传感器的晶须组装在一起形成一个大面积的阵列元实现精确且范围广的测量，但是该结构除了存在成本较高，制作工艺复杂等问题，该晶须状温度压力传感器在产生形变时会对温度传感器造成严重的干扰现象，其输出关系曲线线性度差，对于后续数据处理引入了一定的难度。层叠式是将温敏单元和压敏单元是以垂直堆叠的形式组装在一起形成传感器的，该结构能使传感器的表面积大大减小，有以利于运用到微小集成化工艺中，但是不同敏感材料相互紧密接触，如何选择互不干扰的敏感元件是关键所在。
另外由于柔性传感器在使用过程中会产生一定的形变和微音震动，为了与之相适配，传感器敏感材料的选择通常会受到很大的限制，传统高性能的温度压力敏感材料会由于兼容性问题无法正常适用在柔性衬底上，这会使得柔性传感器的敏感性能大幅降低。因此如何同时保证柔性衬底良好的柔韧性和传感器优异的敏感性能是目前柔性温压一体化传感器亟需解决的难题。
发明内容
本发明的目的在于：针对上述存在的高性能敏感材料和柔性衬底间的兼容问题和传感器自身的尺寸问题，本发明提供一种柔性温压一体化传感器及其制备方法和应用，温度传感器为电阻式，压力传感器为平板电容式，其具有相对独立的温度压力探测能力，抗弯折能力，且制备方法简单，成本低，为后续器件性能的优化和阵列化提供可靠的敏感单元。
本发明采用的技术方案如下：
一种柔性温压一体化传感器，包括电容器介电层及分别粘合在电容器介电层上表面和下表面的柔性电极，所述电容器介电层为多孔PDMS薄膜，所述柔性电极为图形化的金属温敏薄膜。
优选地，所述图形化的金属温敏薄膜的厚度为400-600nm；所述多孔PDMS薄膜厚度为1-3mm。
优选地，所述图形化的金属温敏薄膜为蛇形金属铂温敏薄膜，所述蛇形金属铂温敏薄膜的电极线的宽度为20-100μm；图形化的金属温敏薄膜的衬底为聚酰亚胺。
基于一种柔性温压一体化传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤一：基片的清洗与固定：将刚性基底和柔性薄膜进行清洗烘干，后将柔性薄膜固定在刚性基底上，组成基片；
步骤二：光刻图形化：使用匀胶机在经过步骤一处理后的基片上旋涂光刻胶，再依次进行前烘、曝光、后烘坚膜、显影、吹干操作，最后在基片上得到图形化的光刻胶薄膜；
步骤三：沉积金属温敏薄膜以及退火：在经过步骤二处理的基片上沉积一层金属温敏薄膜，溅射完成后取下刚性基底上的柔性薄膜，对其进行剥离工艺去除光刻胶，得到柔性薄膜上的图形化的金属温敏薄膜，放置于高温烘箱中进行退火处理；
步骤四：传感器的组装：将步骤三得到的金属温敏薄膜作为平板电容的两极板，与制备得到的多孔介质层紧密地贴合在一起，得到柔性温压一体化传感器。
步骤一中，刚性基底为可以石英玻璃，柔性薄膜为聚酰亚胺薄膜；
步骤一中，清洗步骤具体的可以为丙酮超声15min、无水乙醇超声15min、去离子水超声15min，清洗完毕后放入烘箱中70℃烘烤15min，最后将烘干后的聚酰亚胺薄膜用高温胶带贴在石英玻璃片上；石英玻璃片规格为20mm*20mm*1mm，聚酰亚胺薄膜规格为15mm*15mm*0.025mm。
优选地，所述多孔介质层的制备方法为：采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为介质层主剂，将主剂与固化剂按重量比例(8-12)：1混合搅拌均匀，更优选地，所述聚二甲基硅氧烷主剂与固化剂的重量混合比例为10:1；将造孔剂添加到混合溶液中，搅拌均匀后，倒入模具加热固化，即可得到多孔介质层。
优选地，搅拌方式为玻璃棒手动搅拌，时间10-20min；
所述造孔剂包括碳酸氢铵、碳酸氢钠、氯化钠、糖中的任意一种或几种，掺杂重量比例为5-20％；
所述模具的材料为聚四氟乙烯(PEFT)；两端用厚度为1-2.5mm的玻璃垫片固定模具间隙；固化温度为65-90℃，时间为3-5h。
优选地，所述步骤二中，所述匀胶机使用的光刻胶为负性光刻胶，匀胶机前转速度800-1200rpm，时间8-12s，后转速度3400-3800rpm，时间35-45s；
所述步骤二中，前烘的温度为130-170℃，时间为1-5min；曝光的模式为紫外曝光，曝光时长为20-30s；后烘竖膜的温度为80-120℃，时间为1-5min；显影时间为15-25s；吹干采用的是惰性气体(例如，氮气)，最终得到的蛇形图案的光刻胶薄膜，电极线宽为20-100μm。
优选地，所述步骤三中，沉积的方法为直流磁控溅射，参数为：机器真空度1×10- 3Pa，溅射电压250V，溅射电流15mA，氩气气压0.5Pa，溅射时间5-20min，溅射得到的图形化的金属温敏薄膜；
金属温敏薄膜材料为铂；
所述步骤三中，剥离工艺具体是指采用丙酮溶液溶解光刻胶薄膜1h，从而去除掉光刻胶薄膜上附着的金属铂，最后在聚酰亚胺薄膜上得到图形化的金属温敏薄膜；
所述步骤三中，退火处理的温度为120-180℃，时间为2h，烘箱的升温速率为2℃/min，降温速率为2.5℃/min。
优选地，所述步骤四中，采用的贴合材料为PDMS胶水，PDMS主剂与固化剂混合比例为(8-12):1，贴合后50-70℃加热固化1-3h。
一种柔性温压一体化传感器的应用，用作同时独立检测20-80℃外界温度信号和0-300kPa施加压力信号。
与现有的技术相比本发明的有益效果是：
1)本发明所制得的柔性温压一体化传感器与其他类似传感器相比，采用叠层结构有效地减小的传感器的大小，金属温敏薄膜既作温度传感器又作平板电容极板，使敏感材料得到了重复利用，进一步减小了传感器的制备成本，提高了制备成功率；同时金属温敏薄膜作电容极板能起到屏蔽外来磁场干扰的作用，使得温度、压力各自的微小信号都能被探测到；
2)本发明得到的柔性温压一体化传感器在实际应用情况下，由于金属温敏薄膜采用整板大面积，中心蛇形小面积的设计思路，在保证平板电容拥有足够大的有效面积的同时，金属温敏薄膜的初始电阻也得到了一定的提升，使两者足以应对外界环境干扰所引入的测量误差，传感器的探测准确性更高；
3)本发明所制备的柔性温压一体化传感器压力传感器为平板电容式，介质层为内部多孔状的PDMS薄膜，与传统电容式压力传感器的介质层相比，在相同压力情况下拥有更大的弹性形变，能引起更为明显的电容值变化，从而导致压力响应灵敏度增加；本发明的多孔介质层制备所用造孔剂(碳酸氢铵、碳酸氢钠、氯化钠、糖)安全无毒，制备流程简单易懂，过程中无有毒物体产出，操作安全可靠。
附图说明
图1是金属温敏薄膜的制备流程；
图2是金属温敏薄膜图形设计图；
图3是多孔介质层的制备流程；
图4是本发明的结构示意图。
图中标记为：1-图形化的金属温敏薄膜，2-多孔PDMS薄膜。
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，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。
本发明人针对高性能敏感材料和柔性衬底间的兼容问题和传感器自身的尺寸问题，提供了一种柔性温压一体化传感器(如图4)，包括电容器介电层及分别粘合在电容器介电层上表面和下表面的柔性电极，所述电容器介电层为多孔PDMS薄膜，所述柔性电极为图形化的金属温敏薄膜。其中，所述图形化的金属温敏薄膜的厚度为400-600nm；所述多孔PDMS薄膜厚度为1-3mm。其中，所述图形化的金属温敏薄膜为蛇形金属铂温敏薄膜，所述蛇形金属铂温敏薄膜的电极线的宽度为20-100μm；图形化的金属温敏薄膜的衬底为聚酰亚胺。
通过本发明提供的一种柔性温压一体化传感器，温度传感器为电阻式，压力传感器为平板电容式，其具有相对独立的温度压力探测能力，抗弯折能力，且制备方法简单，成本低，为后续器件性能的优化和阵列化提供可靠的敏感单元。
关于本发明的具体的制备方法，详见实施例1-2(如图1-3)。
实施例1
一种柔性温压一体化传感器的制备方法，包括以下的步骤：
步骤一、选用大小为20mm*20mm*1mm的石英玻璃片作刚性基底、大小为15mm*15mm*0.025mm的聚酰亚胺薄膜作柔性基底，将两者依次放置于丙酮超声清洗15min、无水乙醇超声清洗15min、去离子水超声清洗15min，清洗完毕后放入高温烘箱中70℃烘烤15min，最后将烘干后的聚酰亚胺薄膜用高温胶带贴在石英玻璃片组成基片；
步骤二、使用匀胶机在基片上旋涂一层负性光刻胶(匀胶参数为前转速度1000rpm，时间10s，后转速度3600rpm，时间40s)，匀胶完成后依次进行前烘(温度150℃，时间3min)、紫外曝光(曝光时长25s)、后烘坚膜(温度100℃，时间3min)、显影(时间20s)，最后用氮气将基片吹干，在聚酰亚胺薄膜上得到电极线宽为20μm蛇形图案的光刻胶薄膜；
步骤三、经过光刻在聚酰亚胺薄膜上得到蛇形光刻胶薄膜后，采用直流磁控溅射工艺在基片上沉积一层金属温敏薄膜，溅射机器真空度为1×10-3Pa，溅射电压250V，溅射电流15mA，氩气气压0.5Pa，溅射时间20min，金属温敏薄膜为铂材料。溅射完毕后将聚酰亚胺薄膜从石英玻璃片上取下，放入丙酮溶液中浸泡1h，去除薄膜上的光刻胶薄膜及其附着的金属铂，放入高温烘箱中180℃退火2h，烘箱的升温速率为2℃/min，降温速率为2.5℃/min，最后得到聚酰亚胺薄膜上的蛇形金属铂温敏薄膜；
步骤四、将PDMS的主剂与固化剂按10:1的比例称取放入烧杯中，用玻璃棒手动搅拌15min，之后加入掺杂比例为20wt％的碳酸氢铵造孔剂，手动搅拌15min，选用厚度为2.5mm的玻璃垫片固定聚四氟乙烯模具间隙，用混匀的溶液填充模具间隙，将模具放入高温烘箱中90℃固化4h，得到多孔PDMS薄膜；
步骤五、用主剂与固化剂混合比例为10:1的PDMS胶水将蛇形铂金属温敏薄膜与多孔PDMS薄膜贴合起来，65℃加热固化2h，最后得到柔性温压一体化传感器。
本实例所得到的柔性温压一体化传感器的金属温敏薄膜厚度为532nm左右，电阻在180.6Ω左右，多孔PDMS薄膜厚度为2.5mm左右。
实施例2
一种柔性温压一体化传感器的制备方法，包括以下的步骤：
步骤一、选用大小为20mm*20mm*1mm的石英玻璃片作刚性基底、大小为15mm*15mm*0.025mm的聚酰亚胺薄膜作柔性基底，将两者依次放置于丙酮超声清洗15min、无水乙醇超声清洗15min、去离子水超声清洗15min，清洗完毕后放入高温烘箱中70℃烘烤15min，最后将烘干后的聚酰亚胺薄膜用高温胶带贴在石英玻璃片组成基片；
步骤二、使用匀胶机在基片上旋涂一层负性光刻胶(匀胶参数为前转速度1000rpm，时间10s，后转速度3600rpm，时间40s)，匀胶完成后依次进行前烘(温度150℃，时间3min)、紫外曝光(曝光时长25s)、后烘坚膜(温度100℃，时间3min)、显影(时间20s)，最后用氮气将基片吹干，在聚酰亚胺薄膜上得到电极线宽为50μm蛇形图案的光刻胶薄膜；
步骤三、经过光刻在聚酰亚胺薄膜上得到蛇形光刻胶薄膜后，采用直流磁控溅射工艺在基片上沉积一层金属温敏薄膜，溅射机器真空度为1×10-3Pa，溅射电压250V，溅射电流15mA，氩气气压0.5Pa，溅射时间15min，金属温敏薄膜为铂材料。溅射完毕后将聚酰亚胺薄膜从石英玻璃片上取下，放入丙酮溶液中浸泡1h，去除薄膜上的光刻胶薄膜及其附着的金属铂，放入高温烘箱中180℃退火2h，烘箱的升温速率为2℃/min，降温速率为2.5℃/min，最后得到聚酰亚胺薄膜上的蛇形金属铂温敏薄膜；
步骤四、将PDMS的主剂与固化剂按10:1的比例称取放入烧杯中，用玻璃棒手动搅拌15min，之后加入掺杂比例为20wt％的碳酸氢铵造孔剂，手动搅拌15min，选用厚度为1.5mm的玻璃垫片固定聚四氟乙烯模具间隙，用混匀的溶液填充模具间隙，将模具放入高温烘箱中90℃固化4h，得到多孔PDMS薄膜；
步骤五、用主剂与固化剂混合比例为10:1的PDMS胶水将蛇形铂金属温敏薄膜与多孔PDMS薄膜贴合起来，65℃加热固化2h，最后得到柔性温压一体化传感器。
本实例所得到的柔性温压一体化传感器的金属温敏薄膜厚度为482nm左右，电阻为134.5Ω左右，多孔PDMS薄膜厚度为1.5mm左右。
以上所述实施例仅表达了本申请的具体实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对本申请保护范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请技术方案构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本申请的保护范围。

Claims (10)

1.一种柔性温压一体化传感器，包括电容器介电层及分别粘合在电容器介电层上表面和下表面的柔性电极，其特征在于，所述电容器介电层为多孔PDMS薄膜，所述柔性电极为图形化的金属温敏薄膜。
2.根据权利要求1所述的一种柔性温压一体化传感器，其特征在于，所述图形化的金属温敏薄膜的厚度为400-600nm；所述多孔PDMS薄膜厚度为1-3mm。
3.根据权利要求1所述的一种柔性温压一体化传感器，其特征在于，所述图形化的金属温敏薄膜为蛇形金属铂温敏薄膜；所述蛇形金属铂温敏薄膜的电极线的宽度为20-100μm；图形化的金属温敏薄膜的柔性衬底为聚酰亚胺。
4.基于一种柔性温压一体化传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤一：基片的清洗与固定：将刚性基底和柔性薄膜进行清洗烘干，后将柔性薄膜固定在刚性基底上，组成基片；
步骤二：光刻图形化：使用匀胶机在经过步骤一处理后的基片上旋涂光刻胶，再依次进行前烘、曝光、后烘坚膜、显影、吹干操作，最后在基片上得到图形化的光刻胶薄膜；
步骤三：沉积金属温敏薄膜以及退火：在经过步骤二处理的基片上沉积一层金属温敏薄膜，溅射完成后取下刚性基底上的柔性薄膜，对其进行剥离工艺去除光刻胶，得到柔性薄膜上的图形化的金属温敏薄膜，放置于高温烘箱中进行退火处理；
步骤四：传感器的组装：将步骤三得到的金属温敏薄膜作为平板电容的两极板，与制备得到的多孔介质层紧密地贴合在一起，得到柔性温压一体化传感器。
5.根据权利要求4所述的一种柔性温压一体化传感器的制备方法，其特征在于，所述多孔介质层的制备方法为：采用聚二甲基硅氧烷作为介质层主剂，将主剂与固化剂按重量比例(8-12)：1混合搅拌均匀，将造孔剂添加到混合溶液中，搅拌均匀后，倒入模具加热固化，即可得到多孔介质层。
6.根据权利要求5所述的一种柔性温压一体化传感器的制备方法，其特征在于，搅拌方式为玻璃棒手动搅拌，时间10-20min；
所述造孔剂包括碳酸氢铵、碳酸氢钠、氯化钠、糖中的任意一种或几种，掺杂重量比例为5-20％；
所述模具的材料为聚四氟乙烯；两端用厚度为1-2.5mm的玻璃垫片固定模具间隙；固化温度为65-90℃，时间为3-5h。
7.根据权利要求4所述的一种柔性温压一体化传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤二中，所述匀胶机使用的光刻胶为负性光刻胶，匀胶机前转速度800-1200rpm，时间8-12s，后转速度3400-3800rpm，时间35-45s；
所述步骤二中，前烘的温度为130-170℃，时间为1-5min；曝光的模式为紫外曝光，曝光时长为20-30s；后烘竖膜的温度为80-120℃，时间为1-5min；显影时间为15-25s；吹干采用的是惰性气体，最终得到的蛇形图案的光刻胶薄膜，电极线宽为20-100μm。
8.根据权利要求4所述的一种柔性温压一体化传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤三中，沉积的方法为直流磁控溅射，参数为：机器真空度1×10-3Pa，溅射电压250V，溅射电流15mA，氩气气压0.5Pa，溅射时间5-20min，溅射得到的图形化的金属温敏薄膜；
金属温敏薄膜材料为铂；
所述步骤三中，剥离工艺具体是指采用丙酮溶液溶解光刻胶薄膜1h，最后在聚酰亚胺薄膜上得到图形化的金属温敏薄膜；
所述步骤三中，退火处理的温度为120-180℃，时间为2h，烘箱的升温速率为2℃/min，降温速率为2.5℃/min。
9.根据权利要求4所述的一种柔性温压一体化传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤四中，采用的贴合材料为PDMS胶水，PDMS主剂与固化剂混合比例为(8-12):1，贴合后50-70℃加热固化1-3h。
10.根据权利要求1-9任一项所述的一种柔性温压一体化传感器的应用，其特征在于，用作同时独立检测20-80℃外界温度信号和0-300kPa施加压力信号。
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