CN113091969A - 一种仿生柔性悬臂梁阵列传感器及其制备方法 - Google Patents

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CN113091969A CN202110380093.5A CN202110380093A CN113091969A CN 113091969 A CN113091969 A CN 113091969A CN 202110380093 A CN202110380093 A CN 202110380093A CN 113091969 A CN113091969 A CN 113091969A
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Abstract

本发明公开了一种仿生柔性悬臂梁阵列传感器及其制备方法,仿生柔性悬臂梁阵列传感器包括:基底;若干个柔性悬臂梁结构,设置于所述基底,所述柔性悬臂梁结构上设置有至少两个不同尺寸的仿生变尺寸凹槽组,所述仿生变尺寸凹槽组上设置有导电层;其中,所述仿生变尺寸凹槽组基于蝎子缝感受器结构仿生制备而成;当所述柔性悬臂梁结构弯曲时,所述仿生变尺寸凹槽组产生形变以改变所述导电层的电阻。由于所述仿生变尺寸凹槽组基于蝎子缝感受器结构仿生制备而成,仿生变尺寸凹槽组具有较高的灵敏度。而且不同尺寸的仿生变尺寸凹槽组在形变时对导电层的电阻的影响不同,可以实现对不同的力高灵敏感知的功能,使柔性悬臂梁兼具高灵敏度和大量程。

Description

一种仿生柔性悬臂梁阵列传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及传感器制造技术领域,尤其涉及的是一种仿生柔性悬臂梁阵列传感器及其制备方法。
背景技术
柔性悬臂梁相较于刚性悬臂梁,具有更强的适应性和更高的灵敏度,在实际工程中具有独特的优势,现在已逐渐成为微电子系统(MEMS)、航天航空、机械工业等各个领域重要的一部分,具有广泛的应用前景。柔性悬臂梁的作用机理是柔性悬臂梁在外界压强的影响下产生弯曲,通过检测柔性悬臂梁的弯曲程度感知柔性悬臂梁受力值。
柔性悬臂梁检测灵敏度主要取决于柔性材料的弹性模量,弹性模量越小,灵敏度越高,但过小的弹性模量会使柔性悬臂梁过早到达形变极限,导致柔性悬臂梁量程过小,而过大的弹性模量会降低柔性悬臂梁的灵敏度,因此,柔性悬臂梁的高灵敏度和大量程往往不能同时满足。
因此,现有技术还有待于改进和发展。
发明内容
本发明要解决的技术问题在于,针对现有技术的上述缺陷,提供一种仿生柔性悬臂梁阵列传感器及其制备方法,旨在解决现有技术中柔性悬臂梁无法兼容高灵敏度和大量程的问题。
本发明解决技术问题所采用的技术方案如下:
一种仿生柔性悬臂梁阵列传感器,其中,包括:
基底;
若干个柔性悬臂梁结构,设置于所述基底,所述柔性悬臂梁结构上设置有至少两个不同尺寸的仿生变尺寸凹槽组,所述仿生变尺寸凹槽组上设置有导电层;
其中,所述仿生变尺寸凹槽组基于蝎子缝感受器结构仿生制备而成;当所述柔性悬臂梁结构弯曲时,所述仿生变尺寸凹槽组产生形变以改变所述导电层的电阻。
所述的仿生柔性悬臂梁阵列传感器,其中,所有所述柔性悬臂梁结构的顶部共面。
所述的仿生柔性悬臂梁阵列传感器,其中,所述仿生变尺寸凹槽组中各凹槽的宽度方向平行于所述柔性悬臂梁结构的长度方向;和/或,
所述若干个柔性悬臂梁结构均匀分布或不均匀分布;和/或,
所有所述仿生变尺寸凹槽组中凹槽的开口朝向同一方向。
所述的仿生柔性悬臂梁阵列传感器,其中,所述基底为硅基底;和/或,
所述柔性悬臂梁结构为PDMS柔性悬臂梁结构。
所述的仿生柔性悬臂梁阵列传感器,其中,相邻两个所述柔性悬臂梁结构之间的间隔为150-500微米;和/或,
所述柔性悬臂梁结构的长度为700~2000微米,所述柔性悬臂梁结构的宽度为100~150微米,所述柔性悬臂梁结构的厚度为20~50微米;和/或,
所述仿生变尺寸凹槽组中凹槽的深度为5~15微米,所述仿生变尺寸凹槽组中凹槽的宽度为3~30微米;和/或,
所述基底的长度为1500~5000微米,所述基底的宽度为1500~5000微米,所述基底的厚度为100~300微米。
所述的仿生柔性悬臂梁阵列传感器,其中,所述仿生柔性悬梁阵列传感器还包括:
悬臂梁电路,所述悬臂梁电路与所述导电层连接;所述悬臂梁电路包括:
主线,位于所述基底的中线处;
若干个第一分线,所述第一分线的第一端均与所述主线连接,所述第一分线的第二端连接对应柔性悬臂梁结构的导电层的第一端;
若干个第二分线,所述第二分线连接所述柔性悬臂梁结构的导电层的第二端。
所述的仿生柔性悬臂梁阵列传感器,其中,所述柔性悬臂梁结构自基部至顶部向所述仿生变尺寸凹槽组的一侧倾斜设置;和/或,
所述柔性悬臂梁结构的顶部设置有倒角,所述倒角位于所述柔性悬臂梁结构背离所述仿生变尺寸凹槽组的一侧。
所述的仿生柔性悬臂梁阵列传感器,其中,所述倒角为圆弧形倒角。
一种如上述任意一项所述仿生柔性悬臂梁阵列传感器的制备方法,其中,包括步骤:
提供基底和衬底;
在所述衬底上制备仿生变尺寸凹槽组和导电层,得到柔性悬臂梁结构;
将所述柔性悬臂梁结构连接在基底上形成仿生柔性悬臂梁阵列传感器。
所述的仿生柔性悬臂梁阵列传感器的制备方法,其中,所述衬底为PDMS衬底;
所述在所述衬底上制备仿生变尺寸凹槽组和导电层,得到柔性悬臂梁结构,包括:
在所述衬底上拔模形成仿生变尺寸凹槽组并印刷导电层,得到柔性悬臂梁结构。
有益效果:由于所述仿生变尺寸凹槽组基于蝎子缝感受器结构仿生制备而成,仿生变尺寸凹槽组具有较高的灵敏度。而且不同尺寸的仿生变尺寸凹槽组在形变时对导电层的电阻的影响不同,可以实现对不同的力高灵敏感知的功能,使柔性悬臂梁兼具高灵敏度和大量程。
附图说明
图1是本发明中仿生柔性悬臂梁阵列传感器的立体图。
图2是图1的放大图。
图3是本发明中柔性悬臂梁结构在自然状态下的示意图。
图4是本发明中柔性悬臂梁结构在第一弯曲状态下的示意图。
图5是本发明中柔性悬臂梁结构在第二弯曲状态下的示意图。
图6是蝎子缝感受器表面结构的电镜照片。
图7是本发明中悬臂梁电路的第一示意图。
图8是本发明中悬臂梁电路的第二示意图。
图9是本发明中仿生柔性悬臂梁阵列传感器的侧视图。
图10是图9的放大图。
图11是本发明中仿生变尺寸凹槽组的结构示意图。
图12是本发明中柔性悬臂梁结构的结构示意图。
附图标记说明:
10、基底;11、悬臂梁电路;111、主线;112、第一分线;113、第二分线;A、输入端;B、输出端;20、柔性悬臂梁结构;21、仿生变尺寸凹槽组;211、凹槽;R、导电层;l、凹槽间距;a、凹槽宽度;s、凹槽深度。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚、明确,以下参照附图并举实施例对本发明进一步详细说明。应当理解,此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明,并不用于限定本发明。
请同时参阅图1-图12,本发明提供了一种仿生柔性悬臂梁阵列传感器的一些实施例。
蝎子缝感受器表面结构如图6所示,其中,蝎子缝感受器每一条缝结构都具有不同的深度、宽度、间距,因此对不同的力感知程度也不同,其中较窄的缝结构能够更敏感的感知较小的力。而力较大时,较窄的缝结构已经到达形变极限,不能感知力的变化,受力较大时,较宽的缝结构依然具有感知力的能力,据此原理设计的仿生变尺寸凹槽组能够同时具有高灵敏和大量程的力感知能力。
如图1-图2所示,本发明的一种仿生柔性悬臂梁阵列传感器,包括:
基底10;
若干个柔性悬臂梁结构20,设置于所述基底10,所述柔性悬臂梁结构20上设置有至少两个不同尺寸的仿生变尺寸凹槽组21,所述仿生变尺寸凹槽组21上设置有导电层;
其中,所述仿生变尺寸凹槽组21基于蝎子缝感受器结构仿生制备而成;当所述柔性悬臂梁结构20弯曲时,所述仿生变尺寸凹槽组21产生形变以改变所述导电层的电阻。
具体地,由于所述仿生变尺寸凹槽组21基于蝎子缝感受器结构仿生制备而成,仿生变尺寸凹槽组21具有较高的灵敏度。而且不同尺寸的仿生变尺寸凹槽组21在形变时对导电层的电阻的影响不同,例如,具体如图3所示,当柔性悬臂梁结构20未受力时,不同尺寸凹槽211两端均不导通;如图4所示,受力较小时,较窄的凹槽211结构两端导通,导致电阻有较小的变化;如图5所示,受力较大时,虽然较窄的凹槽211不再变化,但较宽的凹槽211两端导通,导致电阻有较大的变化,以此实现对不同的力高灵敏感知的功能,使柔性悬臂梁兼具高灵敏度和大量程。
当柔性悬臂梁结构20弯曲时,凹槽211两端导电层R导通的边界条件为:
Figure BDA0003011717760000051
式中ρ为表示柔性悬臂梁弯曲程度的曲率半径,s为凹槽深度,a为凹槽宽度,l为凹槽间距。凹槽间距是指相邻两个凹槽边缘之间的间距,具体如图3所示。
当柔性悬臂梁受力时,凹槽两端导通的边界条件为:
Figure BDA0003011717760000052
其中p为柔性悬臂梁受到的压强,E为材料的弹性模量,H为柔性悬臂梁厚度,L为柔性悬臂梁长度。
由此可知,凹槽211越宽,对较大的力感知能力越强,凹槽211越窄,对较小的力感知能力越强。
柔性悬臂梁结构20上的仿生变尺寸凹槽组21每组凹槽211设计为不同的尺寸,以实现对不同大小的力感知能力,可以根据需要设置不同的凹槽211组数量,也可以根据需要设置不同的凹槽211宽度、深度、间距参数。比如,对于高灵敏度、小量程的检测,应将70%的凹槽211组设置为宽度较小,深度较大,间距较大,30%的凹槽211组宽度设置为宽度较大,深度较小,间距较小。对于低灵敏度,大量程的检测,应将30%的凹槽211组设置为宽度较小,深度较大,间距较大,70%的凹槽211组宽度设置为宽度较大,深度较小,间距较小。对于高灵敏度,大量程的检测,凹槽211宽度应从小到大均匀分布,深度从大到小均匀分布,间距从大到小均匀分布。
工作过程及原理
柔性悬臂梁结构20受力时,会发生弯曲,具体如图3所示,未受力时,不同尺寸凹槽211两端均不导通,受力较小时如图4所示,较窄的凹槽211结构两端导通,导致电阻的变化,受力较大时如图5所示,虽然较窄的凹槽211不再变化,但较宽的凹槽211两端导通,导致电阻的变化,通过硅基底10上的引脚检测柔性悬臂梁电阻变化,达到检测力的目的。
值得说明的是,采用仿生变尺寸凹槽组21,凹槽211结构可以有效的集中悬臂梁受力产生的应力,将形变集中在凹槽211附近。采用多组凹槽211的结构时,多组凹槽211的设计可以有效地避免应力过度集中,将应力有效的分布到多组凹槽211的应力敏感区域,既提高了检测的灵敏度又降低了凹槽211断裂失效的风险,变尺寸凹槽211的设计,实现了对不同的力同时具有高灵敏检测的功能。
具体地,对于一般构件,凹槽211结构(也即缝结构)会改变局部应力分布,导致构件整体应力分布不均,受力时裂缝处易产生断裂等破环,但同时缝结构具有集中应力的作用,将构件受力进行一定程度的放大。应力放大后,对于检测设备来说,可以有效地提高检测灵敏度,通过凹槽211组的设计,可以将应力均分到各个凹槽211中,有效避免应力过度集中导致构件损坏的风险。蝎子缝感受器依据此原理进行对力的高敏感知,缝尖端能够有效的集中应力,将从地面传导到蝎子跖骨和跗骨微小的力放大,通过神经元树突接收缝尖端的应力信号,实现对外界微弱力信号的超敏感知。
此外,仿生变尺寸凹槽组21可以设置在柔性悬臂梁结构20的一侧或两侧,两侧的仿生变尺寸凹槽组21上的导电层可以采用并联或串联的方式,还可以形成不同的通路进行检测。
悬臂梁的柔性结构,相比于刚性结构,在位移检测时,柔性结构具有更大的形变空间,不易因过度形变而折断,不易因受力过大产生永久形变,失效率远低于刚性结构,且具有更大的量程,在各方面的性能均优于刚性结构的设计。
本发明仿生柔性悬臂梁阵列传感器能够实现对不同的大小的力高灵敏感知、具有可调节检测面积和检测量程大的优点,同时制作成本低,检测速度快。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中,如图1和图9所示,所有所述柔性悬臂梁结构20的顶部共面。
具体地,所有所述柔性悬臂梁结构20的顶部共面,也就是说,当柔性悬臂梁结构20接触一表面时,各柔性悬臂梁结构20是同时接触到该表面的,当柔性悬臂梁结构20接触一待测件,如果该待测件的表面是平整表面,则各柔性悬臂梁结构20同时接触待测件,导电层的电阻也就同时发生变化;如果该待测件的表面不是平整表面,而是粗糙表面,则各柔性悬臂梁结构20不是同时接触待测件,导电层的电阻也就先后发生变化。随着柔性悬臂梁结构20向待测件移动,从第一个柔性悬臂梁结构20导电层的电阻有变化起,至所有柔性悬臂梁结构20导电层的电阻均发生变化,柔性悬臂梁结构20移动的距离越大,则表明待测件的表面越粗糙;柔性悬臂梁结构20移动的距离越小,则表明待测件的表面越平整。
举例说明,仿生柔性悬臂梁阵列传感器可以用于对物体的表面微观结构及材质进行检测,如对机械零件的表面加工质量及热处理工艺的检测,通过柔性悬臂梁的形变程度检测机械零件的表面形貌,通过柔性悬臂梁受力程度检测机械零件热处理后的表面材质及力学性能。
基底10上若干个柔性悬臂梁结构20可以是不均匀分布形成变密度排列柔性悬臂梁结构20,其中,通过变密度排列柔性悬臂梁结构20,可以将检测的关键位置,如轴承配合面,设置为高密度阵列结构,将检测的非关键位置,如轴承侧面,设置成低密度阵列结构,实现降低制造成本,提高检测速度的能力。
具体的,在检测机械零件表面质量时,首先进行仿生柔性悬臂梁传感器的量程标定,首先确认待测零件的检测精度要求,以精度要求10微米为例,首先将阵列传感器固定在微动台上,使悬臂梁阵列前端接触一低粗糙度平面,并分别检测记录所有悬臂梁电阻数据,作为零点,随后控制微动台向前移动10微米,分别检测记录所有悬臂梁电阻数据,作为10微米刻度,随后控制微动台向前移动10微米,分别检测记录所有悬臂梁电阻数据,作为20微米刻度,以此类推,完成对量程标定。检测时,将悬臂梁阵列与待测零件表面完全接触,依据检测的悬臂梁电阻数据确定零件表面的高低差,确定零件的表面粗糙度、加工质量及磨损程度等,完成对零件表面质量的检测。
可以理解的是,本发明中所有柔性悬臂梁结构20的顶部共面,这里的面可以是平面,还可以是曲面。所有柔性悬臂梁结构20的顶部所形成的面是需要与待测件向匹配的,例如,对轴承配合面的平整程度进行检测时,则所有柔性悬臂梁结构20的顶部所共的面是与轴承配合面配合的面。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中,如图9-图12所示,所述仿生变尺寸凹槽组21中各凹槽211的宽度方向平行于所述柔性悬臂梁结构20的长度方向。
具体地,柔性悬臂梁结构20通常沿长度方向弯曲的,则凹槽211的宽度方向平行于柔性悬臂梁结构20的长度,当柔性悬臂梁结构20沿长度方向弯曲时,凹槽211宽度方向的两侧相互靠近,则凹槽211宽度方向上的导电层会相互接触而导通,从而减小了导电层R的电阻。仿生变尺寸凹槽组21中各凹槽211沿柔性悬臂梁结构20的长度方向排列,在柔性悬臂梁结构20弯曲时,仿生变尺寸凹槽组21中各凹槽211均可以受力,且各凹槽211的受力程度相同。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中,如图1所示,所述若干个柔性悬臂梁结构20均匀分布或不均匀分布。
具体地,若干个悬臂梁结构采用均匀分布,则可以充分检测待测件各处的平整情况。
若干个悬臂梁结构也可以采用不均匀分布,也即采用变密度阵列的设计,通过变密度排列柔性悬臂梁结构20,可以将检测的关键位置设置为高密度阵列结构,将检测的非关键位置设置成低密度阵列结构,实现降低制造成本,提高检测速度的能力。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中,如图1和图9所示,所有所述仿生变尺寸凹槽组21中凹槽211的开口朝向同一方向。
具体地,当柔性悬臂梁结构20与待测件接触时,柔性悬臂梁结构20的弯曲方向至少包括:朝仿生变尺寸凹槽组21所在的一侧弯曲和朝远离仿生变尺寸凹槽组21的一侧弯曲。在柔性悬臂梁结构20朝仿生变尺寸凹槽组21所在的一侧弯曲时,才会减小导电层的电阻,因此,所有仿生变尺寸凹槽组21中凹槽211的开口朝向同一方向时,便于使柔性悬臂梁结构20朝向相同方向弯曲,则相邻的柔性悬臂梁结构20在弯曲是不会相互干扰。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中,所述基底10为硅基底。具体地,基底10采用硅材料制成,当然基底10还可以采用其它材料制成。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中,所述柔性悬臂梁结构20为PDMS柔性悬臂梁结构。
具体地,悬臂梁结构采用PDMS(聚二甲基硅氧烷)制成。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中,相邻两个所述柔性悬臂梁结构20之间的间隔为150-500微米。
具体地,根据需要设置相邻两个柔性悬臂梁结构20之间的间隔,例如,柔性悬臂梁结构20采用不均匀分布时,在高精度要求处,柔性悬臂梁结构20的横向、纵向间距设置为150~200微米;低精度要求处,柔性悬臂梁结构20横向、纵向间距设置为300~500微米,组成阵列。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中,所述柔性悬臂梁结构20的长度为700~2000微米,所述柔性悬臂梁结构20的宽度为100~150微米,所述柔性悬臂梁结构20的厚度为20~50微米。具体地,根据需要设置柔性悬臂梁结构20的长度、宽度以及厚度。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中,所述仿生变尺寸凹槽组21中凹槽211的深度为5~15微米,所述仿生变尺寸凹槽组21中凹槽211的宽度为3~30微米。
具体地,根据需要设置凹槽211的深度和宽度。柔性悬臂梁结构20上设置有至少两个不同尺寸的仿生变尺寸凹槽组21,这里的不同尺寸具体是指凹槽211的不同深度、宽度。具体地,根据需要设置不同尺寸的仿生变尺寸凹槽组21,例如,设置多个仿生变尺寸凹槽组21分别为:
第一仿生变尺寸凹槽组的中凹槽211的宽度为3~9微米,第二仿生变尺寸凹槽组的中凹槽211的宽度为10~12微米,第三仿生变尺寸凹槽组的中凹槽211的宽度为12~15微米,第四仿生变尺寸凹槽组的中凹槽211的宽度为16~20微米。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中,所述基底10的长度为1500~5000微米,所述基底10的宽度为1500~5000微米,所述基底10的厚度为100~300微米。具体地,根据待测件配置基底10的尺寸。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中,如图7-图8所示,所述仿生柔性悬梁阵列传感器还包括:
悬臂梁电路11,所述悬臂梁电路11与所述导电层R连接;所述悬臂梁电路11包括:
主线111,位于所述基底10的中线处;
若干个第一分线112,所述第一分线112的第一端均与所述主线111连接,所述第一分线112的第二端连接对应柔性悬臂梁结构20的导电层的第一端;
若干个第二分线113,所述第二分线113连接所述柔性悬臂梁结构20的导电层的第二端。
具体地,悬臂梁电路11设置于基底10,各柔性悬臂梁结构20可以并联或串联连接,当然为了提高检测的精确性,各柔性悬臂梁结构20之间相互独立,互不干扰,也就是说,每个柔性悬臂梁结构20连接一通路,每个柔性悬臂梁结构20单独检测。
在其它实施方式中,每个通路可以连接两个柔性悬臂梁结构20,如图7和图8所示,以竖直中线为界分为左右对称的两部分,每行悬臂梁结构作为一组,每组悬臂梁电路11采用分线布局的结构,各个悬臂梁的分线独立导通且互不干扰,具体地,主线111连接输入端A,第一分线112的第一端与主线111连接,第一分线112的第二端分别连接对应的柔性悬臂梁结构20的导电层的第一端,每个柔性悬臂梁结构20的导电层R的第二端连接有一个第二分线113,第二分线113连接对应的输出端B。如图7所示,柔性悬臂梁结构20的导电层为R,具体包括R11、R12、R13、R14、R21、R22、R23、R24、R31、R32、R33、R34、R41、R42、R43、R44。输出端为B,具体包括B11、B12、B13、B14、B21、B22、B23、B24、B31、B32、B33、B34、B41、B42、B43、B44。分线布局电路具有无限扩展悬臂梁数量的功能,即使对大尺寸物体进行检测,依然可以扩展悬臂梁数量(如图8所示),满足检测需求。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中,为了便于控制柔性悬臂梁结构20弯曲的方向,所述柔性悬臂梁结构20自基部至顶部向所述仿生变尺寸凹槽组21的一侧倾斜设置。
具体地,将柔性悬臂梁结构20倾斜设置,具体将柔性悬臂梁结构20自基部至顶部向所述仿生变尺寸凹槽组21的一侧倾斜设置,则柔性悬臂梁结构20接触待测件后,柔性悬臂梁结构20向所述仿生变尺寸凹槽组21的一侧弯曲,则可以改变导电层的电阻。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中,为了便于控制柔性悬臂梁结构20弯曲的方向,所述柔性悬臂梁结构20的顶部设置有倒角,所述倒角位于所述柔性悬臂梁结构20背离所述仿生变尺寸凹槽组21的一侧。
具体地,在柔性悬臂梁结构20的顶部设置倒角,柔性悬臂梁结构20接触待测件后,柔性悬臂梁结构20向所述仿生变尺寸凹槽组21的一侧弯曲,则可以改变导电层的电阻。
在本发明实施例的一个较佳实现方式中,为了柔性悬臂梁结构20在弯曲过程中缓慢变化,所述倒角为圆弧形倒角。柔性悬臂梁结构20的顶部在接触待测件时,圆弧形倒角可以逐渐接触待测件。
具体实施例1
本发明提供的第一实施例为一种仿生柔性悬臂梁阵列传感器,如图1所示为均密度4*4排列的仿生柔性悬臂梁阵列,当然还可以采用变密度排列的仿生柔性悬臂梁阵列,通过变密度排列柔性悬臂梁结构,可以将检测的关键位置设置为高密度阵列结构,将检测的非关键位置设置成低密度阵列结构,实现降低制造成本,提高检测速度的目的。本次以4*4的均密度仿生柔性悬臂梁阵列为例,包括硅基底和柔性悬臂梁结构。柔性悬臂梁结构如图1所示,包括PDMS衬底及仿生变尺寸凹槽组,本次以三组不同尺寸的凹槽组为例,硬掩模印刷的电路。在硅基底上印刷电路,导通16组柔性悬臂梁结构,对应设置16个引脚如图7所示,其中,电路设计以竖直中线为界分为左右对称的两部分,对于任意部分,每行悬臂梁结构作为一组,每组悬臂梁电路采用分线布局的结构,各个悬臂梁电路独立导通且互不干扰,分线布局电路具有无限扩展悬臂梁数量的功能,如图8所示,8*8的悬臂梁阵列电路中,每个悬臂梁依然独立导通且不互相干扰。具体检测时,如图7所示,连接A与B11可以检测悬臂梁R11的电阻,连接A与B12可以检测R12的电阻。通过检测16组悬臂梁的电阻变化检测力的大小和位置。
所述凹槽尺寸由窄到宽排列,其中第一个凹槽组宽度最小,第三凹槽组宽度最大,每组5~10个凹槽,各凹槽间距15~30微米且互相平行,各个所述柔性悬臂梁结构包括三组凹槽结构。
所述仿生凹槽组基于蝎子缝感受器的宽度、深度、间距不同设计。
具体的,柔性悬臂梁结构使用PDMS材料作为衬底,将PDMS材料设计为柔性悬臂梁结构,并在柔性悬臂梁结构表面分别布置多组不同尺寸的仿生变尺寸凹槽组,印刷电路组成高灵敏力感知结构。
基于上述任意一实施例所述的仿生柔性悬臂梁阵列传感器,本发明还提供了一种仿生柔性悬臂梁阵列传感器的制备方法的较佳实施例:
如图1所示,本发明实施例的仿生柔性悬臂梁阵列传感器的制备方法,包括以下步骤:
步骤S100、提供基底和衬底。
具体地,根据需要提供基底和衬底,基底可以采用硅基底,衬底可以采用PDMS衬底,例如,为提高PDMS衬底硬度,采用PDMS:固化剂以3:1的比例配置PDMS溶液,并冷却固化后,切割成规定尺寸的PDMS衬底。
步骤S200、在所述衬底上制备仿生变尺寸凹槽组和导电层,得到柔性悬臂梁结构。
具体地,先在衬底上制备仿生变尺寸凹槽组,仿生变尺寸凹槽组可以采用MEMS拔模工艺、激光或刻蚀等方式制作凹槽。
所述衬底为PDMS衬底,步骤S200包括:
步骤S210、在所述衬底上拔模形成仿生变尺寸凹槽组并印刷导电层,得到柔性悬臂梁结构。
具体地,采用MEMS拔模工艺形成仿生变尺寸凹槽组,然后在仿生变尺寸凹槽组印刷导电层,具体地,导电层可以采用MEMS硬掩模工艺印刷形成。
具体地,导电层可以呈U形。导电层包括:
上层,设置于衬底上;
中层,设置于凹槽的侧壁上;
底层,设置于凹槽的底壁上;
上层的两端分别与中层连接,中层的两端分别与上层、底层连接,底层分别与两个中层连接。
步骤S300、将所述柔性悬臂梁结构连接在基底上形成仿生柔性悬臂梁阵列传感器。
具体地,在基底上刻蚀形成通孔,并将柔性悬臂梁结构插入通孔中,并将柔性悬臂梁结构与基底焊接,得到仿生柔性悬臂梁阵列传感器。
具体实施例2
本发明第二实施例为一种仿生柔性悬臂梁阵列制造方法,包括步骤:
1、采用PDMS作为衬底,在PDMS表面加工出仿生变尺寸凹槽组。
2、在PDMS表面硬掩模印刷电路。
3、在硅基底上刻蚀通孔,印刷引线及引脚。
4、将多组PDMS衬底集成在硅基底上,组成阵列。
在具体应用过程中,所述制造方法包括以下步骤:
1.为提高PDMS衬底硬度,使用PDMS溶液:固化剂3:1的比例配置PDMS溶液。
2.冷却固化后,将PDMS材料切割为规定尺寸的PDMS衬底。
3.在PDMS衬底上采用MEMS拔模工艺制作凹槽。
4.在PDMS衬底上采用MEMS硬掩模工艺印刷电路。
5.在硅基底上刻蚀多个通孔以集成柔性悬臂梁阵列。
6.在硅基底上掩模印刷引线及引脚如图7所示。
7.将PDMS衬底尾端穿过硅基底焊接到硅基底上,其中焊接点为印刷电路的位置。
应当理解的是,本发明的应用不限于上述的举例,对本领域普通技术人员来说,可以根据上述说明加以改进或变换,所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。

Claims (10)

1.一种仿生柔性悬臂梁阵列传感器,其特征在于,包括:
基底;
若干个柔性悬臂梁结构,设置于所述基底,所述柔性悬臂梁结构上设置有至少两个不同尺寸的仿生变尺寸凹槽组,所述仿生变尺寸凹槽组上设置有导电层;
其中,所述仿生变尺寸凹槽组基于蝎子缝感受器结构仿生制备而成;当所述柔性悬臂梁结构弯曲时,所述仿生变尺寸凹槽组产生形变以改变所述导电层的电阻。
2.根据权利要求1所述的仿生柔性悬臂梁阵列传感器,其特征在于,所有所述柔性悬臂梁结构的顶部共面。
3.根据权利要求1所述的仿生柔性悬臂梁阵列传感器,其特征在于,
所述仿生变尺寸凹槽组中各凹槽的宽度方向平行于所述柔性悬臂梁结构的长度方向;和/或,
所述若干个柔性悬臂梁结构均匀分布或不均匀分布;和/或,
所有所述仿生变尺寸凹槽组中凹槽的开口朝向同一方向。
4.根据权利要求1所述的仿生柔性悬臂梁阵列传感器,其特征在于,所述基底为硅基底;和/或,
所述柔性悬臂梁结构为PDMS柔性悬臂梁结构。
5.根据权利要求1所述的仿生柔性悬臂梁阵列传感器,其特征在于,相邻两个所述柔性悬臂梁结构之间的间隔为150-500微米;和/或,
所述柔性悬臂梁结构的长度为700~2000微米,所述柔性悬臂梁结构的宽度为100~150微米,所述柔性悬臂梁结构的厚度为20~50微米;和/或,
所述仿生变尺寸凹槽组中凹槽的深度为5~15微米,所述仿生变尺寸凹槽组中凹槽的宽度为3~30微米;和/或,
所述基底的长度为1500~5000微米,所述基底的宽度为1500~5000微米,所述基底的厚度为100~300微米。
6.根据权利要求1所述的仿生柔性悬臂梁阵列传感器,其特征在于,所述仿生柔性悬梁阵列传感器还包括:
悬臂梁电路,所述悬臂梁电路与所述导电层连接;所述悬臂梁电路包括:
主线,位于所述基底的中线处;
若干个第一分线,所述第一分线的第一端均与所述主线连接,所述第一分线的第二端连接对应柔性悬臂梁结构的导电层的第一端;
若干个第二分线,所述第二分线连接所述柔性悬臂梁结构的导电层的第二端。
7.根据权利要求1所述的仿生柔性悬臂梁阵列传感器,其特征在于,所述柔性悬臂梁结构自基部至顶部向所述仿生变尺寸凹槽组的一侧倾斜设置;和/或,
所述柔性悬臂梁结构的顶部设置有倒角,所述倒角位于所述柔性悬臂梁结构背离所述仿生变尺寸凹槽组的一侧。
8.根据权利要求6所述的仿生柔性悬臂梁阵列传感器,其特征在于,所述倒角为圆弧形倒角。
9.一种如权利要求1-8任意一项所述仿生柔性悬臂梁阵列传感器的制备方法,其特征在于,包括步骤:
提供基底和衬底;
在所述衬底上制备仿生变尺寸凹槽组和导电层,得到柔性悬臂梁结构;
将所述柔性悬臂梁结构连接在基底上形成仿生柔性悬臂梁阵列传感器。
10.根据权利要求9所述的仿生柔性悬臂梁阵列传感器的制备方法,其特征在于,所述衬底为PDMS衬底;
所述在所述衬底上制备仿生变尺寸凹槽组和导电层,得到柔性悬臂梁结构,包括:
在所述衬底上拔模形成仿生变尺寸凹槽组并印刷导电层,得到柔性悬臂梁结构。
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