CN113325199B - 一种热电堆式高灵敏度柔性加速度传感器及其制备方法 - Google Patents

一种热电堆式高灵敏度柔性加速度传感器及其制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种热电堆式高灵敏度柔性加速度传感器及其制备方法，传感器结构中，柔性顶盖贴合在柔性衬底顶部，两者之间形成密封腔体，密封腔体内填充有空气或惰性气体；两个加热元件沿密封腔体长轴线方向对称固定在密封腔体内的柔性衬底两侧；热电堆固定在密封腔体内的柔性衬底的长轴线上；吸热薄层分别紧密贴附于密封腔体内部的加热元件上，隔热薄层贴合于柔性衬底上的外部引出电极；其中，柔性密封顶盖的顶部内侧面上的长轴线两侧对称设置有热绝缘岛结构，热绝缘岛结构分别分布于热电堆与加热元件之间的上方。本发明结构适用于柔性设备，其具有灵敏度高、响应时间短、低功耗的特点。同时其制备工艺简单，成本低廉，适于大规模制备。

Description

一种热电堆式高灵敏度柔性加速度传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种柔性加速度传感器，具体涉及一种高灵敏度柔性加速度传感器。
背景技术
随着智能终端的普及，可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景。传感器作为核心部件之一，将影响可穿戴设备的功能设计与未来发展。加速度传感器是军事、国防、航空航天、工业应用等领域的关键MEMS传感器件之一。随着低维材料的兴起，加速度传感器在曲面及可动基底上的应用需求被提上日程，例如智慧医疗、智能机器人、可穿戴应用等。由于传统硅基MEMS加速度传感器的刚性衬底，不能与柔性或者曲面待测基底兼容，因此柔性加速度传感器的开发极为迫切。
热对流式加速度传感器通过测量密封腔体中的气体温度分布变化来感应加速度。其典型结构是在硅基底的空腔中构建横跨腔体的加热电阻和围绕加热电阻对称分布的感温电阻，通过对施加加速度后不均匀分布的温度场的测量实现对加速度的测量。基于该原理的加速度传感器不存在可动质量块，耐冲击的性能极大增加，可以简化传感器的结构与制备工艺，降低成本。但是受限于热流体的黏滞和加热功率，热对流式加速度传感器相对于其它工作原理的结构，灵敏度较低，在一定程度上限制了其应用。
发明内容
发明目的：针对上述现有技术，提出一种热电堆式高灵敏度柔性加速度传感器及其制备方法，适用于柔性设备，并提高柔性传感器的灵敏度以及响应时间，降低功耗。同时提出一种制造工艺简单，成本低廉的可大规模制备方法。
技术方案：一种热电堆式高灵敏度柔性加速度传感器，包括柔性衬底、带有热绝缘岛结构的柔性密封顶盖、加热元件、热电堆以及吸热薄层；所述柔性顶盖贴合在柔性衬底顶部，两者之间形成密封腔体，所述密封腔体内填充有空气或惰性气体；两个加热元件沿密封腔体长轴线方向对称固定在所述密封腔体内的柔性衬底两侧；热电堆固定在所述密封腔体内的柔性衬底的长轴线上；吸热薄层分别紧密贴附于密封腔体内部的加热元件上，隔热薄层贴合于柔性衬底上的外部引出电极；其中，所述柔性密封顶盖的顶部内侧面上的长轴线两侧对称设置有热绝缘岛结构，所述热绝缘岛结构分别分布于热电堆与加热元件之间的上方。
进一步的，所述热绝缘岛结构采用有机柔性可拉伸材料，其横截面为方形、半圆形、梯形。
进一步的，所述热电堆为采用镍铬合金导电薄膜和铜镍合金导电薄膜制备而成。
进一步的，所述吸热薄层采用具备吸热特性的二维材料。
进一步的，所述加热元件和热电堆贯穿所述密封腔体外的部分作为引出电极，所述引出电极上包覆有隔热薄层。
进一步的，所述柔性密封顶盖以及热绝缘岛结构的材料为聚二甲基硅氧烷或硅橡胶。
进一步的，所述吸热薄层为碳纳米胶囊薄膜。
进一步的，所述隔热薄层采用聚酰亚胺薄膜胶带。
进一步的，所述柔性衬底的材料为聚酰亚胺或者聚氟乙烯。
一种热电堆式高灵敏度柔性加速度传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：通过丝网印刷、旋涂、溅射、喷墨打印的方式在柔性衬底上平行制备两个长条形的镍铬合金导电薄膜，作为加热元件；
步骤2：通过旋涂、丝网印刷、滴涂、喷墨打印的方式分别在加热元件上制备一层碳纳米胶囊，包裹在加热元件的周侧，作为吸热薄层；
步骤3：通过丝网印刷、旋涂、溅射、喷墨打印的方式在柔性衬底上制备一层镍铬合金导电薄膜；
步骤4：通过丝网印刷、旋涂、溅射、喷墨打印的方式在柔性衬底上制备一层铜镍合金导电薄膜，与镍铬合金构成热电堆；
步骤5：加热元件和热电堆的两端作为引出电极，通过滴涂的方式在引出电极上涂覆导电银浆，然后再覆盖一层聚酰亚胺薄膜胶带，作为隔热薄层；
步骤6：先通过浇筑或纳米压印或3D打印的方式制备具有热绝缘岛结构的聚二甲基硅氧烷柔性顶盖，再将柔性顶盖与柔性衬底之间用硅橡胶紧密粘接，完成热电堆式高灵敏度柔性加速度传感器的制备。
有益效果：本发明的一种热电堆式高灵敏度柔性加速度传感器及其制备方法，第一，由于密封顶盖为聚二甲基硅氧烷、硅橡胶等柔性材料，利用这类有机材料热绝缘性比较高的特点，在密封空腔中设计热绝缘岛，基于空腔中热量一定，当存在热绝缘岛时，原本处于岛处的热量会往岛旁边的空间聚集，形成与无岛结构聚集热场的突出分布，当传感器感知加速度时会使得聚集热场的突出分布产生重新分布的速度变化变快，因此，通过对顶盖的热绝缘岛结构设计可以优化密封空腔内部的温度场分布，进而提高感温元件的感应电势差值与热场分布变化速度，用于提高器件的响应速度；同时，针对柔性传感器，需要满足基底可弯曲或者形变，因此硅基传感器中惯常的对基底所做的各种较大体积比的结构设计方法，不适用于柔性传感器，本发明对顶盖进行热绝缘岛结构设计，可解决柔性传感器基底尽量平整，无大体积比的立体结构，有利于传感器贴附于曲面或者可变形环境适用。
第二，采用中央单个热电堆做感温元件替代传统热电堆加速度传感器中多组热电堆布局在中央周围，可以提高传感器的灵敏度。其原因是当传感器感知加速度时，腔体热量趋势上会沿着加速度方向重新分布，其具体为：以空腔中央为零点，假设加速度沿水平方向向左，则沿水平方向的同一位置点，热量会在初始热场分布的基础上，空腔零点左边位置点的热量变少，空腔零点右边位置点的热量变多。对于热电堆的工作原理而言，热电堆冷热端感知的温度变化越大，则输出的电势差越大。对于既定空腔容积的传统热电堆加速度传感器结构，是通过布局在加热部件两边的多组热电堆各自感知温度差变化得到电势差，其每组热电堆冷热端的位置都相对较近，而热场分布是一个连续性分布变化，所以导致其能感知到温度差变化较小。而本发明摒弃多组热电堆分布在周边的方案，提出只用单个感温热电堆布局在腔体中间区域，加热元件布局在其两边，可以充分的解放空腔空间，使得热电堆冷热端布局可以跨越空腔中央零点，使得在加载相同加速度的情况下，冷端热量变少，热端热量变大，实现热电堆更高的输出电势差，器件得到更高的灵敏度。
第三，由于吸热薄层加工兼容性的限制，使其在硅基传感器中受限，而得益于本发明提出的柔性加速度传感器结构特点，可以使吸热薄层材料兼容用于本传感器。吸热薄层相对于加热元件面积较大，可以有效的收集加热元件产生的热量，进而辐射到密封空腔，可以提高空腔内部的热利用率，也有助于降低功耗。
综上，本发明设计的热电堆式柔性加速度传感器结构具有灵敏度高，响应速度快，功耗低的优点，具备较高的器件综合性能。同时，在制造方法上，由于不涉及可动部件制造，极大地减少了制造工艺的复杂度，降低了制备成本，提高了制备稳定性，具备大规模制造的能力。
附图说明
图1为本发明实施例传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例中制备方法第一步的结构示意图；
图3是本发明实施例中制备方法第二步的结构示意图；
图4是本发明实施例中制备方法第三步的结构示意图；
图5是本发明实施例中制备方法第四步的结构示意图；
图6是本发明实施例中制备方法第五步的结构示意图；
图7为本发明实施例传感器在工作状态下，无加速度时沿A-A’的截面图；
图8为本发明实施例传感器在工作状态下，有-Y方向加速度时沿A-A’的截面图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明做更进一步的解释。
如图1所示，一种热电堆式高灵敏度柔性加速度传感器，包括柔性衬底1、带有热绝缘岛结构9的柔性密封顶盖2、加热元件4、热电堆6以及吸热薄层5。柔性顶盖2贴合在柔性衬底1顶部，两者之间形成密封腔体3，密封腔体3内填充有空气或惰性气体。两个加热元件4沿密封腔体3长轴线方向对称固定在密封腔体3内的柔性衬底1两侧。热电堆6固定在密封腔体3内的柔性衬底1的长轴线上。吸热薄层5分别紧密贴附于密封腔体3内部的加热元件4上。隔热薄层10贴合于柔性衬底1上的外部引出电极11。
其中，柔性衬底1的材料为聚酰亚胺或者聚氟乙烯。柔性密封顶盖2的顶部内侧面上的长轴线两侧对称设置有热绝缘岛结构9，热绝缘岛结构9分别分布于热电堆6与加热元件4之间的上方，其横截面为方形、半圆形、梯形。热绝缘岛结构9和柔性密封顶盖2均采用有机柔性可拉伸材料，如聚二甲基硅氧烷或硅橡胶。加热元件4为长条形导电薄膜，采用材料如镍铬合金，具有较小的电阻和高热导率，将电能转换为热能，在无加速度情况下密封腔体3内的热分布呈对称状态。热电堆6为采用镍铬合金导电薄膜7和铜镍合金导电薄膜8制备而成。吸热薄层5采用具备吸热特性的二维材料，如碳纳米胶囊薄膜，可以在相同加热功率下提高加热电阻的热利用率。加热元件4和热电堆6贯穿密封腔体3外的部分作为引出电极11，引出电极11上包覆有隔热薄层10，贴合于柔性衬底1上，隔热薄层10采用聚酰亚胺薄膜胶带。
上述热电堆式高灵敏度柔性加速度传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1：如图2所示，通过丝网印刷、旋涂、溅射、喷墨打印的方式在柔性衬底1上平行制备两个长条形的镍铬合金导电薄膜，作为加热元件4；
步骤2：如图3所示，通过旋涂、丝网印刷、滴涂、喷墨打印的方式分别在加热元件4上制备一层碳纳米胶囊，包裹在加热元件4的周侧，作为吸热薄层5；
步骤3：如图4所示，通过丝网印刷、旋涂、溅射、喷墨打印的方式在柔性衬底1上制备一层镍铬合金7导电薄膜；
步骤4：如图5所示，通过丝网印刷、旋涂、溅射、喷墨打印的方式在柔性衬底1上制备一层铜镍合金8导电薄膜，与镍铬合金7构成热电堆6；
步骤5：如图6所示，加热元件4和热电堆6的两端作为引出电极11，通过滴涂的方式在引出电极11上涂覆导电银浆，然后再覆盖一层聚酰亚胺薄膜胶带，作为隔热薄层10；
步骤6：先通过浇筑或纳米压印或3D打印的方式制备具有热绝缘岛结构9的聚二甲基硅氧烷柔性顶盖2，再将柔性顶盖2与柔性衬底1之间用硅橡胶紧密粘接，完成如图1所示的热电堆式高灵敏度柔性加速度传感器的制备。
工作状态下，给两个加热元件4施加电压，由于其内阻较小，对外放热。加热元件4上方的空腔中气体受热膨胀，上升，逐渐远离加热元件，温度较低的气体则填补到上升的热流所留下来的空位，继续受热。最终形成了稳定的热对流/传导，在密封腔体3中形成较为对称的温度分布。在不同加速度场下，热电堆的参考结和工作结有不同的温度变化，从而输出不同的温差电动势，依此可以建立电压—加速度的关系规律。
本实施例中，传感器设有两个加热元件4，热电堆6置于加热元件4的对称轴处。其工作原理如下：如图7所示，当传感器平放于水平方向时，整个器件除了重力加速度，不再受额外的加速度的作用。由于对称的热绝缘岛结构，腔体内部的热量会向岛旁边的空间集聚，形成略向中心压缩集聚、沿中轴线对称分布的热场分布。此时，热电堆6的两端所探测到的温度相同，因此输出的电压为0。
如图8所示，当传感器施加一个沿-Y方向的加速度时，密封腔体3内的气体在加速度的作用下，使得热对流的形式发生了变化，整个密封腔体3内的温度分布也因此发生改变，聚集热场的突出分布使得在加速度施加方向上产生较快速度的重新分布，不再关于中轴线对称分布，左侧的温度分布梯度较于平衡状态而言变得更陡，热电堆左侧结的温度降低，右侧结的温度升高，并且由于低传热系数微岛的存在，限制了空腔中心热场的集聚，使得位于空腔中心的热电堆左侧和右侧的结感受到的温度场差异更大。若施加的加速度方向为Y时，热电堆6的两侧结的温度变化相反，因此通过热电堆输出电压值的正负可以判断所施加加速度的方向。此外，根据输出电压值与所施加的加速度之间可以建立加速度—电压一一对应关系，从而测得加速度的大小。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种热电堆式高灵敏度柔性加速度传感器，其特征在于，包括柔性衬底（1）、带有热绝缘岛结构（9）的柔性密封顶盖（2）、加热元件（4）、热电堆（6）以及吸热薄层（5）；所述柔性密封顶盖（2）贴合在柔性衬底（1）顶部，两者之间形成密封腔体（3），所述密封腔体（3）内填充有空气或惰性气体；两个加热元件（4）沿密封腔体（3）长轴线方向对称固定在所述密封腔体（3）内的柔性衬底（1）两侧；热电堆（6）固定在所述密封腔体（3）内的柔性衬底（1）的长轴线上；吸热薄层（5）分别紧密贴附于密封腔体（3）内部的加热元件（4）上，隔热薄层（10）贴合于柔性衬底（1）上的外部引出电极（11）；其中，所述柔性密封顶盖（2）的顶部内侧面上的长轴线两侧对称设置有热绝缘岛结构（9），所述热绝缘岛结构（9）分别分布于热电堆（6）与加热元件（4）之间的上方。
2.根据权利要求1所述的热电堆式高灵敏度柔性加速度传感器，其特征在于，所述热绝缘岛结构（9）采用有机柔性可拉伸绝热材料，其横截面为方形、半圆形、梯形。
3.根据权利要求1所述的热电堆式高灵敏度柔性加速度传感器，其特征在于，所述热电堆（6）为采用镍铬合金导电薄膜（7）和铜镍合金导电薄膜（8）制备而成。
4.根据权利要求1所述的热电堆式高灵敏度柔性加速度传感器，其特征在于，所述吸热薄层（5）采用具备吸热特性的二维材料。
5.根据权利要求1所述的热电堆式高灵敏度柔性加速度传感器，其特征在于，所述加热元件（4）和热电堆（6）贯穿所述密封腔体（3）外的部分作为引出电极（11），所述引出电极（11）上包覆有隔热薄层（10）。
6.根据权利要求2所述的热电堆式高灵敏度柔性加速度传感器，其特征在于，所述柔性密封顶盖（2）以及热绝缘岛结构（9）的材料为聚二甲基硅氧烷或硅橡胶。
7.根据权利要求4所述的热电堆式高灵敏度柔性加速度传感器，其特征在于，所述吸热薄层（5）为碳纳米胶囊薄膜。
8.根据权利要求5所述的热电堆式高灵敏度柔性加速度传感器，其特征在于，所述隔热薄层（10）采用聚酰亚胺薄膜胶带。
9.根据权利要求5所述的热电堆式高灵敏度柔性加速度传感器，其特征在于，所述柔性衬底（1）的材料为聚酰亚胺或者聚氟乙烯。
10.一种根据权利要求1-9任一所述热电堆式高灵敏度柔性加速度传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1：通过丝网印刷、旋涂、溅射、喷墨打印的方式在柔性衬底（1）上平行制备两个长条形的镍铬合金导电薄膜，作为加热元件（4）；
步骤2：通过旋涂、丝网印刷、滴涂、喷墨打印的方式分别在加热元件（4）上制备一层碳纳米胶囊，包裹在加热元件（4）的周侧，作为吸热薄层（5）；
步骤3：通过丝网印刷、旋涂、溅射、喷墨打印的方式在柔性衬底（1）上制备一层镍铬合金导电薄膜（7）；
步骤4：通过丝网印刷、旋涂、溅射、喷墨打印的方式在柔性衬底（1）上制备一层铜镍合金导电薄膜（8），与镍铬合金导电薄膜（7）构成热电堆（6）；
步骤5：加热元件（4）和热电堆（6）的两端作为引出电极（11），通过滴涂的方式在引出电极（11）上涂覆导电银浆，然后再覆盖一层聚酰亚胺薄膜胶带，作为隔热薄层（10）；
步骤6：先通过浇筑或纳米压印或3D打印的方式制备具有热绝缘岛结构（9）的聚二甲基硅氧烷柔性密封顶盖（2），再将柔性密封顶盖（2）与柔性衬底（1）之间用硅橡胶紧密粘接，完成热电堆式高灵敏度柔性加速度传感器的制备。
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