CN113465796B - 一种柔性集成式阵列压力传感器及制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种柔性集成式阵列压力传感器及制备方法，柔性集成式阵列压力传感器包括外部封装层、柔性衬底层，以及设置在柔性衬底层上的m*n个阵列分布的柔性感压传感单元，m和n均为正整数；每个柔性感压传感单元包括感压导电薄膜、及分别粘接在感压导电薄膜上表面和下表面且交错排布的上电极和下电极；其中，上电极和下电极构成一个电极对，下电极粘附于柔性衬底层上；阵列化的感压导电薄膜共同构成了压力敏感层，压力敏感层在受到压力时，其沿电极平面的垂直方向产生应变；每个电极对均连接电极引出线，完成对传感器信号的输出。制备方法简单，仅利用溶液法、激光直写、模板法等简便的工艺进行加工，可以实现快速大面积压力单元的阵列化集成。

Description

一种柔性集成式阵列压力传感器及制备方法

技术领域

本发明属于柔性传感器技术领域，尤其涉及一种柔性集成式阵列压力传感器及制备方法。

背景技术

20世纪80年代以来，柔性力学传感器是柔性传感电子领域发展最为活跃的方向，特别是近20年来，柔性压力传感器得到了广泛的研究，在敏感材料、制造技术和多功能集成等方面取得了很大的进展，通常作为可穿戴电子器件用于人的身体运动和生理状态监测，例如脉搏，呼吸，心率等。

柔性压力传感器阵列因覆盖面积更大，能够在同一时间内监测多个点位的压力变化，可以反应出更多系统性、整体性等数据信息，因此其应用范围往往比单个压力传感器更为广泛；目前，柔性压力传感器阵列多采用压阻式，例如：肖立志的“基于应变片压阻效应的柔性传感器阵列的设计”中设计了一种由传感器单元组成的传感器阵列，每个传感器单元对应一个箔式金属应变片，应变片按照行列交叉方式排列组成传感器阵列；但金属应变片较厚且柔韧性不好，导致弯曲等形变时易与柔性基底分离。梅海霞在“基于压敏硅橡胶的柔性压力传感器及其阵列的研究”提出了一种制备大面积压力传感器的方法，首先制备出整块导电橡胶作为压敏材料层，然后根据实际需要用打孔器制备出适宜大小的单个压敏薄膜，再分别与上下电极对准组装形成三明治夹层结构；该方法材料利用率低，对准安装不便，且成本偏高。顾志荣在“大面积高密度柔性阵列传感器技术研究”中采用印刷工艺直接印刷压力传感器，该工艺适合大面积集成应用，但手工印刷致使每个阵列点的压阻特性存在一定出入，影响传感器的使用效果。于江涛在“柔性力敏薄膜材料制备及压力传感器阵列的研制”中采用整体压力敏感薄膜，当施加压力时，传感器阵列的传感器单元之间形成并联回路，易产生串扰，对测试结果干扰较大。

鉴于此，有必要设计一种柔性集成式阵列压力传感器及其制备方法，以克服上述缺陷。

发明内容

本发明的目的在于解决现有不足之处，而提供了一种柔性集成式阵列压力传感器及制备方法。

一种柔性集成式阵列压力传感器，其特殊之处在于：包括外部封装层、柔性衬底层，以及设置在柔性衬底层上的m*n个阵列分布的柔性感压传感单元，m和n均为正整数，m和n根据产品需求合理设计；

每个柔性感压传感单元包括感压导电薄膜、以及分别粘接在感压导电薄膜上表面和下表面且交错排布的上电极和下电极；其中，上电极和下电极构成一个电极对，下电极粘附于柔性衬底层上；m*n个阵列化分布的感压导电薄膜共同构成了压力敏感层，压力敏感层在受到压力时，其沿应力的切向产生应变；即每个柔性感压传感单元为“三明治”夹层结构，均包括三层，每个感压导电薄膜的上下表面粘接了一对完整电极，每对电极上均有电极引线与读出模块连接，完成对传感器阵列信号的传输和采集；m*n个柔性感压传感单元形成传感器阵列。当压力施加在柔性感压传感单元上时，上电极作用在感压导电薄膜上的应力会使薄膜穿过电极间的镂空部分(即间隙)，产生垂直于电极平面的应变；该结构的传感机制区别于压阻效应，在受到压力后，中间感压导电薄膜随上下交错排布的电极在与电极平面垂直的方向产生应变，传感器的电阻会随压力的增大而增大。

进一步地，所述上电极和/或下电极的表面设置有凸起微结构，以增强感压导电薄膜的应变效应。

进一步地，凸起微结构应设置在感压导电薄膜的相对于电极镂空的部分，这样可以在下压的时候产生相对于电极的错位拉伸。该凸起微结构可起到增大拉伸的作用，与具体形状无关，但为了便于加工，所述凸起微结构为微纳米球、微纳米柱或微纳米锥台，其尺寸一般为10～200微米，不同尺寸的微结构可采用不同的工艺制备，例如：10微米的凸起微结构可采用光刻-刻蚀组合方法制备。

进一步地，所述上电极和下电极形成叉指电极对；

或者，所述上电极和下电极形成点状和环状电极对。

进一步地，所述凸起微结构采用金属、P3HT、硅、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷或环氧树脂。

进一步地，所述电极对为Cu、Au或Ag等金属薄膜，厚度为100-1000nm；

进一步地，所述感压导电薄膜采用导电碳薄膜、聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)或金属薄膜，厚度为50-250微米，具体厚度根据产品需要进行调节。

进一步地，封装材料和基底材料可以为聚二甲基硅氧烷、Eco-flex、聚烯烃、聚氨酯、聚酰亚胺、聚酯、聚碳酸酯、聚酰胺、环氧树脂、丙烯酸或聚对苯二甲酸乙二醇酯。

本发明还提供了上述柔性集成式阵列压力传感器的制备方法，其特征之处在于，包括以下步骤：

1)制备柔性阵列化电极

1.1)在柔性基底上用激光直写法制备m*n个柔性阵列化上电极和柔性阵列化下电极，即采用激光直写法加工金属薄膜，激光刻蚀后得到m*n个阵列化的柔性电极对，其余金属层被激光刻蚀；此过程得到一次加工的柔性结构，电极形状可以为：叉指电极对、环状下电极和直径小于下电极的面状或点状上电极；柔性基底指的是导电铜箔和PDMS或Eco-flex的粘合体。

1.2)利用无水乙醇或等离子水清洗柔性阵列化电极表面，并将步骤1.1)得到的柔性阵列化下电极二次转移至柔性衬底层表面；

2)制备阵列化柔性感压传感单元

2.1)采用掩模版法或激光直写法在步骤1.2)得到的柔性阵列化下电极上制备阵列化的感压导电薄膜，即压力敏感层；

2.2)在感压导电薄膜未完全固化时，将步骤1.1)得到的柔性阵列化上电极对准粘接在感压导电薄膜上，并与柔性阵列化下电极交错设置；

其中，掩模版法的具体方式如下：

S1.用激光直写法在PI表面或金属薄膜表面制备图案化掩模版，掩模板图案处镂空、非图案处不镂空；

S2.将图案化掩模版覆盖在步骤1.2)转移后的柔性阵列化下电极表面，涂覆压力敏感材料，涂覆可采用旋涂或刮涂的方式；

S3.在压力敏感材料未完全固化时，揭去图案化掩模版，得到阵列化的感压导电薄膜，即压力敏感层，此过程得到二次加工的柔性结构；

S4.在感压导电薄膜未完全固化时，将步骤1.1)得到的柔性阵列化上电极对准粘接在感压导电薄膜上，并与柔性阵列化下电极交错设置，此过程得到三次加工的柔性结构。

3)引线

在每个柔性感压传感单元对应的公共电极和各自上电极分别连接电极引出线；

4)封装

采用液态柔性材料进行封装(封装的方式可以为刷涂、刮涂或旋涂)，固化后得到柔性集成式阵列压力传感器。

进一步地，还包括：

在柔性阵列化上电极和柔性阵列化下电极的表面上粘接凸起微结构，压力敏感层在凸起微结构受力后透过上下电极相错位置产生应变，使得电阻增大。

本发明的优点是：

1.本发明基于应变效应，通过优化传统的压阻结构，核心部位构造了阵列化上电极层-超薄感压导电薄膜(百十微米级别的压力敏感层)-阵列化下电极三层结构，并以此为柔性感压传感单元构造适用于多种场景的新型柔性压力传感器阵列。本发明利用了溶液法、激光直写、模板法等简便的工艺进行加工，可以逐层实现快速大面积压力单元的阵列化集成，更加有利于搭建成熟的加工流水线，实现器件的大规模产业化，所得的集成式阵列化压力传感器具有灵敏度高，稳定性好，集成度高，响应速度快，成本低廉，制备方法快速简单，适用范围广泛等优点，可以用于人体日常脉搏监测、膝关节置换手术和下颌颞关节手术治疗过程等，工艺流程可被迁移应用到多种阵列化传感器的制备，工业上可以集成已成熟工艺流程，建立相应流水线快速制备集成式阵列化传感器，提高加工效率。

2.本发明通过结构创新，将受到压力后感压导电薄膜的应变效应作为传感机制，传感机制新颖，传感结构简单，利用常用材料即可实现灵敏度提升的目的；本发明柔性感压传感单元在受到压力时感压导电薄膜沿与电极平面垂直的方向产生应变，电阻增大，为提高传感器的灵敏度提供了很大的提升空间；电阻的指数式增长趋势保证了较大压力作用下电阻变化量的增大，进而提高了较大压力作用下器件的灵敏度，相比于传统的压阻式压力传感器，本发明压力传感器的灵敏度提升了1～2个数量级，同时本发明还能保持电阻式压力传感器较为稳定的力电性能。

3.本发明压力敏感薄膜的制备采用掩模版法，可一次性快速制备分隔独立、性能均一的压力敏感薄膜，薄膜柔性可弯曲，避免裁剪安装，生产效率高，成本低廉，同时解决了敏感单元之间相互串扰问题。其次，本发明优化了传统的压阻结构，当施加的压力增大时，电阻随之增大，保证了较大压力下电阻变化量的增大，可以提高较大压力作用下器件的灵敏度。

4.本发明构建了集成式阵列压力传感器，覆盖面积更大，能够在同一时间监测多个点位的压力变化，可以反映出更多系统性，整体性等数据信息。

5.本发明中采用激光直写刻蚀工艺，可以无选择性地对多种功能材料进行大面积阵列化电极图案的快速精准刻蚀；采用简单的旋涂、刮涂或水转印的工艺，可以将感压导电薄膜快速准确地粘接转移到下电极上，实现微纳米级薄膜的加工制备。

附图说明

图1为本发明柔性集成式阵列压力传感器的结构示意图。

图2为本发明柔性集成式阵列压力传感器设计方法流程图。

图3为本发明柔性集成式阵列压力传感器成品图。

图4为本发明实施例1与传统的压阻结构压力传感器性能测试效果对比图。

图5为本发明实施例2柔性集成式阵列压力传感器成品图。

图6为本发明实施例2柔性集成式阵列压力传感器脉搏测试图。

图7为本发明实施例2柔性集成式阵列压力传感器的电阻变化图。

图8为本发明柔性感压传感单元的传感原理图，其中，a、b、c为不同电极及凸起微结构下的柔性感压传感单元。

附图标号如下：

1-柔性衬底层，2-压力敏感层，3-封装层，4-下电极阵列，5-上电极阵列。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步的详细描述：

实施例1

一种柔性集成式阵列压力传感器的制备方法，设计方法流程图参见图2，具体步骤为：

1)制备柔性阵列化电极

1.1)在柔性基底上用激光直写法制备柔性阵列化电极对，包含柔性阵列化上电极和柔性阵列化下电极，刻蚀后得到可进行二次转移的微型铜电极，柔性基底的材料为聚二甲基硅氧烷，此过程得到一次加工的柔性结构；

1.2)利用无水乙醇清洗柔性阵列化电极表面，并将柔性阵列化下电极二次转移至聚二甲基硅氧烷薄膜表面。

2)制备柔性阵列化集成感压模块

2.1)利用激光直写法制备图案化铜箔掩模版，

2.2)在柔性阵列化下电极上对准覆盖掩模版，将导电碳油旋涂后在室温下放置一段时间，在未完全固化时揭掉掩模版，得到阵列化的感压导电薄膜(即压力敏感层，碳薄膜)，此过程得到二次加工的柔性结构；

2.3)在碳薄膜未完全固化时，将柔性阵列化上电极对准粘接在碳薄膜中心位置，再将锡球对准粘接在阵列化上电极表面中心位置，得到具有应变效应的多个柔性感压传感单元(传感原理参见图8，具体个数根据产品需求合理设计)，此过程得到三次加工的柔性结构；

3)引线

在每个柔性感压传感单元对应的公共电极和各自上电极分别连接电极引出线；

4)封装

在经过三次加工的结构表面涂敷液态Eco-flex形成封装层，将多个阵列排布的柔性感压传感单元封装在内，液态柔性材料凝固后形成柔性集成式阵列压力传感器，结构参见图1和图3。

参见图4，随着压力增加，采用压阻效应的压力传感器电阻变化率不明显，而本发明采用应变效应，可以保证压力增大时，电阻变化率增大，从而提高器件在较大力作用下的灵敏度。

实施例2

一种柔性集成式阵列压力传感器的制备方法，具体步骤为：

1)制备柔性阵列化电极

1.1)在柔性基底上用激光直写法制备柔性阵列化电极对，包含柔性阵列化上电极和柔性阵列化下电极，刻蚀后得到可进行二次转移的微型银箔电极，柔性基底的材料为丙烯酸，此过程得到一次加工的柔性结构；

1.2)利用无水乙醇清洗柔性阵列化电极表面，并将柔性阵列化下电极二次转移至聚二甲基硅氧烷表面。

2)制备柔性阵列化集成感压模块

2.1)将导电碳油旋涂形成薄膜并进行常温固化，激光直写对薄膜图案化，之后将导电碳薄膜水转印至柔性阵列化下电极上，得到压力敏感层，此过程得到二次加工的柔性结构；

2.2)将柔性阵列化上电极对准粘接在导电碳薄膜中心位置，再将锡球对准粘接在阵列化上电极表面中心位置，得到具有应变效应的多个柔性感压传感单元(具体个数根据产品需求合理设计)，此过程得到三次加工的柔性结构；

3)引线

在每个柔性感压传感单元对应的公共电极和各自上电极分别连接电极引出线；

4)封装

在经过三次加工的结构表面涂敷聚氨酯形成封装层，将多个阵列排布的柔性感压传感单元封装在内，液态柔性材料凝固后形成成品。

参见图5，本发明制备的柔性阵列压力传感器具有柔软可弯曲、体积小、厚度薄、高度透明化等优异性能。参见图6，本发明制备的柔性阵列压力传感器可以适形贴敷在手腕处，用于测人体脉搏等微弱的生理信号。如图7所示，电阻的变化量为正。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明公开的技术范围内，可轻易想到各种等效的修改或替换，这些修改或替换都应涵盖在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种柔性集成式阵列压力传感器，其特征在于：包括外部封装层、柔性衬底层，以及设置在柔性衬底层上的m*n个阵列分布的柔性感压传感单元，m和n均为正整数；

每个柔性感压传感单元包括感压导电薄膜、以及分别粘接在感压导电薄膜上表面和下表面且交错排布的上电极和下电极；其中，上电极和下电极构成一个电极对，下电极粘附于柔性衬底层上；阵列化的感压导电薄膜共同构成了压力敏感层，压力敏感层在受到压力时，其沿电极平面的垂直方向产生应变；

每个电极对均连接电极引出线，完成对传感器信号的输出。

2.根据权利要求1所述柔性集成式阵列压力传感器，其特征在于：

所述上电极和/或下电极的表面设置有凸起微结构，以增强感压导电薄膜的应变效应。

3.根据权利要求2所述柔性集成式阵列压力传感器，其特征在于：

所述凸起微结构为微纳米球、微纳米柱或微纳米锥台。

4.根据权利要求2或3所述柔性集成式阵列压力传感器，其特征在于：

所述上电极和下电极形成叉指电极对；

或者，所述上电极和下电极形成点状和环状电极对。

5.根据权利要求4所述柔性集成式阵列压力传感器，其特征在于：

所述凸起微结构采用金属、P3HT、硅、聚氨酯、聚二甲基硅氧烷或环氧树脂。

6.根据权利要求5所述柔性集成式阵列压力传感器，其特征在于：

所述电极对为Cu、Au或Ag，厚度为100-1000nm。

7.根据权利要求6所述柔性集成式阵列压力传感器，其特征在于：

所述感压导电薄膜采用导电碳薄膜、聚(3,4-亚乙二氧基噻吩)-聚(苯乙烯磺酸)或金属薄膜。

8.根据权利要求7所述柔性集成式阵列压力传感器，其特征在于：封装材料和基底材料可以为聚二甲基硅氧烷、Eco-flex、聚烯烃、聚氨酯、聚酰亚胺、聚酯、聚碳酸酯、聚酰胺、环氧树脂、丙烯酸，或聚对苯二甲酸乙二醇酯。

9.权利要求1～8任一所述柔性集成式阵列压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)制备柔性阵列化电极

1.1)在柔性基底上采用激光直写法制备m*n个柔性阵列化上电极和柔性阵列化下电极；

1.2)利用无水乙醇或等离子水清洗柔性阵列化电极表面，并将得到的柔性阵列化下电极转移至柔性衬底层表面；

2)制备阵列化的柔性感压传感单元

2.1)采用掩模版法或激光直写法在步骤1.2)得到的柔性阵列化下电极上制备阵列化的感压导电薄膜；

2.2)在感压导电薄膜未完全固化时，将步骤1.1)得到的柔性阵列化上电极对准粘接在感压导电薄膜上，并与柔性阵列化下电极交错设置；

3)引线

在每个柔性感压传感单元对应的公共电极和各自上电极分别连接电极引出线；

4)封装

采用液态柔性材料进行封装，固化后得到柔性集成式阵列压力传感器。

10.根据权利要求9所述柔性集成式阵列压力传感器的制备方法，其特征在于，还包括：

在柔性阵列化上电极和柔性阵列化下电极的表面上粘接凸起微结构。

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