CN114235188A - 一种微型、柔性温度和压力复合传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明的一种微型、柔性温度和压力复合传感器包括：压力传感单元、温度传感单元、支撑单元、弹性硅胶顶板和弹性硅胶底板；支撑单元由支撑底板和多个支撑立柱组成，弹性硅胶底板上设有通孔，弹性硅胶底板固定在支撑底板上，多个支撑立柱从对应的通孔中穿出；弹性硅胶底板的上方设置弹性硅胶顶板，温度传感单元位于弹性硅胶底板和弹性硅胶顶板间，压力传感单元设置于支撑立柱和弹性硅胶顶板间；弹性硅胶顶板的底面设有第一图案化电极层，弹性硅胶顶板通过第一图案化电极层分别与压力传感单元的顶部、温度传感单元的顶部连接；温度传感单元的底部通过第二图案化电极层连接。该复合传感器兼具柔性和传感功能，可应用在医疗健康、人机交互等领域。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，涉及一种微型、柔性温度和压力复合传感器及其制作方法。
背景技术
电子皮肤(e-skin)可以模仿具有触觉感知能力的人体皮肤功能，在可穿戴设备领域中具有广阔的应用前景。电子皮肤覆在人体、机器人或假肢上可以同时实现健康监测、物体操纵和周围环境感知的功能。具有类似人类皮肤功能的电子皮肤需要大量的传感器来感知和区分各种外部刺激，例如同时监测和区分各种外部刺激，包括压力、应变、震动和温度等。然而，目前大多数传感器都只有单一的传感功能，难以实现多功能的集成化和微型化，因此亟需拥有多种传感单元的复合式传感器以形成传感网络。
发明内容
为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种微型、柔性温度和压力复合传感器及其制作方法，将磁控溅射技术，物理掩膜镀膜技术，飞秒激光技术，紫外臭氧处理技术，图像对准技术结合，实现温度单元和压力单元的集成。
本发明提供一种微型、柔性温度和压力复合传感器，包括：多个压力传感单元、温度传感单元、支撑单元、弹性硅胶顶板和弹性硅胶底板；所述支撑单元由支撑底板和多个支撑立柱组成，所述弹性硅胶底板上设有与支撑立柱对应的通孔，弹性硅胶底板固定在支撑底板上，多个支撑立柱从对应的通孔中穿出；所述弹性硅胶底板的上方相对设置弹性硅胶顶板，温度传感单元位于弹性硅胶底板和弹性硅胶顶板之间，多个压力传感单元设置于对应的支撑立柱和弹性硅胶顶板之间；所述弹性硅胶顶板的底面设有第一图案化电极层，弹性硅胶顶板通过第一图案化电极层分别与压力传感单元的顶部、温度传感单元的顶部连接；温度传感单元的底部通过第二图案化电极层连接。
在本发明的微型、柔性温度和压力复合传感器中，所述温度传感单元分为N型热电单元和P型热电单元，N型热电单元和P型热电单元呈图案化排布于弹性硅胶顶板和弹性硅胶底板之间；N型热电单元和P型热电单元沿横向和竖向均呈间隔排列；底部第二图案化电极层中每个电极与一个N型热电单元和一个P型热电单元连接为一组热电单元；弹性硅胶顶板上的第一图案化电极层中每个电极与相邻两组热电单元之间的一个N型热电单元和一个P型热电单元连接为一组；所述N型热电单元和P型热电单元均塔型弹簧结构。
在本发明的微型、柔性温度和压力复合传感器中，所述温度传感单元使用的热电材料为无机柔性复合热电材料，它由无机热电材料和柔性基底材料构成：无机热电材料采用Bi2Te3基、SnSe基或PbX(X＝S,Se,Te)基材料；柔性基底采用碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜、纤维素纸、聚酰亚胺薄膜或PET薄膜。
在本发明的微型、柔性温度和压力复合传感器中，所述温度传感单元使用的热电材料为本征柔性热电材料，包括：碳纳米管或PEDOT:PSS。
在本发明的微型、柔性温度和压力复合传感器中，所述压力传感单元由柔性外壳和液态金属构成，柔性外壳内设有图案化流道，液态金属封装在图案化流道内，柔性外壳顶部设有电极孔；弹性硅胶顶板通过第一图案化电极层与压力传感单元的液态金属连接；所述图案化流道为螺旋结构或叉指结构；所述液态金属使用的材料为：商用EGaIn合金材料、商用Galinstan合金材料以及Ga、In、Sn合金材料。
本发明还提供一种微型、柔性温度和压力复合传感器的制作方法，包括：
步骤1：制作内部具有图案化流道的柔性外壳，将液态金属从柔性外壳顶部的电极孔中注入图案化流道中，制成压力传感单元；
步骤2：采用飞秒激光加工技术，加工多个螺旋状阵列布置的N型热电单元和P型热电单元，利用掩膜技术沉积第二图案化电极层，第二图案化电极层中每个电极与一个N型热电单元和一个P型热电单元连接为一组热电单元，制成温度传感单元；
步骤3：采用弹性硅胶材料浇筑支撑单元、弹性硅胶顶板和弹性硅胶底板；
步骤4：在弹性硅胶顶板上沉积第一图案化电极层；支撑单元由支撑底板和多个支撑立柱组成，在弹性硅胶底板上加工与支撑立柱位置对应的通孔；
步骤5：将温度传感单元贴合到弹性硅胶底板上，在螺旋状的N型热电单元和P型热电单元的中心点银胶，将N型热电单元和P型热电单元的中心与第一图案化电极层中的相应电极对准后，贴合到弹性硅胶顶板上；
步骤6：利用紫外臭氧处理技术将压力单元与支撑单元的支撑立柱键合，并在支撑单元的支撑底板上涂抹粘结剂；
步骤7：将支撑单元的支撑立柱穿过弹性硅胶底板上的通孔，使压力单元的电极孔与第一图案化电极层中相应的电极对准，将支撑单元的支撑底板与弹性硅胶底板的底面贴合，此时螺旋状的N型热电单元和P型热电单元的中心点随着弹性硅胶顶板升起，形成塔型弹簧结构，将压力单元与弹性硅胶顶板键合连接；
步骤8：将信号线焊接至第一图案化电极层。
在本发明的微型、柔性温度和压力复合传感器的制作方法中，所述步骤1具体为：
步骤1.1：制作图案化模板；
步骤1.2：在图案化模板上旋涂或刮涂10um-100um厚度弹性硅胶；
步骤1.3：将弹性硅胶置于100℃热板上加热固化30min后脱模；
步骤1.4：采用平整基板，旋涂10um-100um厚度弹性硅胶，固化脱模，并在设计好的位置激光打电极孔；
步骤1.5：利用紫外臭氧处理技术对步骤1.3和1.4制备好的弹性硅胶进行紫外臭氧清5min，对两片处理好的弹性硅胶贴合后施加100Pa-4000Pa的压力，置于鼓风干燥箱中100℃加热30min实现不可逆键合，制成柔性外壳；
步骤1.6：用注射器吸取液态金属，将液态金属注入柔性外壳的图案化通道中，制成压力传感单元。
在本发明的微型、柔性温度和压力复合传感器的制作方法中，所述步骤2中使用无机柔性复合热电材料制作温度传感单元，它由无机热电材料和柔性基底材料构成，具体包括如下步骤：
步骤2.1：根据设计的螺旋状热电单元的大小、应力水平、无机热电材料的力学性能，选择合适的柔性基底厚度；
步骤2.2：确定传感器所需的N型热电单元和P型热电单元的个数与直径大小；
步骤2.3：采用飞秒激光加工技术，将柔性基底加工成螺旋阵列，单个螺旋最大直径100um-1mm之间，两螺旋中心间距在100um-1mm之间；
步骤2.4：利用掩膜磁控沉积技术分别在螺旋状基底上沉积N型无机热电材料和P型无机热电材料，厚度在500nm-2um之间；
步骤2.5：利用掩膜沉积技术在柔性基底上沉积第二图案化电极层。
在本发明的微型、柔性温度和压力复合传感器的制作方法中，所述无机柔性复合热电材料由无机热电材料和柔性基底材料构成，其中无机热电材料采用Bi2Te3基、SnSe基或PbX(X＝S,Se,Te)基材料；柔性基底采用碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜、纤维素纸、聚酰亚胺薄膜或PET薄膜。
在本发明的微型、柔性温度和压力复合传感器的制作方法中，所述步骤2中使用本征柔性热电材料制作温度传感单元。
本发明的一种微型、柔性温度和压力复合传感器的制作方法，至少具有以下有益效果：
1、本发明所采用的温度传感单元可采用Bi2Te3基、SnSe基、PbX(X＝S,Se,Te)基等各种无极热电材料，可以满足不同的传感灵敏度，不同感应范围的要求。
2、本发明复合传感器采用飞秒激光进行热电材料的螺旋加工，热影响区小，加工精度高，可实现传感器的微型化。
3、本发明复合传感器利用螺旋型结构，将2D平面结构转换为3D立体结构，大大增加了温度传感单元的有效温差，使传感灵敏度高。
4、本发明复合传感器所采用的部件均具有较好的柔性，使得其能完整贴于曲面，实现有各种复杂曲面物体的温度压力传感功能。
附图说明
图1是本发明的一种微型、柔性温度和压力复合传感器的结构示分解图；
图2为本发明的一种微型、柔性温度和压力复合传感器的结构正视图；
图3是本发明的一种微型、柔性温度和压力复合传感器的制作方法的流程图；
1-压力传感单元，11-柔性外壳，12-液态金属，2-温度传感单元，21-第二图案化电极层，22-N型热电单元，23-P型热电单元，3-支撑单元，31-支撑底板，32-支撑立柱，4-弹性硅胶顶板，41-第一图案化电极层，42-银胶，5-弹性硅胶底板，51-通孔，
具体实施方式
本发明设计思路如下：
在人工智能机器人等领域，为了能使机器人能够感知外界的复杂环境，对于温度和压力的感应必不可少，这就需要配套的温度、压力传感器来实现这一功能，并且需要传感器具备可弯曲的柔性及高的感应可靠性。本发明采用热电材料进行温度传感，采用液态金属进行压力传感。然而，采用这两种材料存在三个问题，第一：性能优异的热电材料通常具有本征脆性，无法满足大变形场景下柔性变形的要求。第二：本征脆性的柔性热电材料大多是平面型的，不利于维持温度感应所需要的温差。第三：对于液态金属材料，由于其本征的流动性使其难以形成不易损坏的导电通路。
针对以上第一个问题，对于热电材料的选择，利用磁控溅射技术，在柔性基底上沉积高性能无机热电材料以满足材料的柔性要求，柔性基底包括聚酰亚胺薄膜、碳纳米管薄膜、PET薄膜、石墨烯薄膜或纤维素纸等材料。根据温度感应的灵敏度、感应范围的不同，可选用不同的热电材料，如Bi2Te3基、SnSe基、PbX(X＝S,Se,Te)基等。针对第二个问题，利用飞秒激光技术，将制备好的平面型柔性热电材料切割成螺旋型以方便将平面型热电薄膜制备成3D结构来维持面外方向的温差。针对第三个问题，可采用光刻技术，弹性硅胶浇筑，紫外臭氧技术等进行液态金属电路的封装。液态金属材料包括商用E GaIn，商用Galinstan材料以及其他Ga、In、Sn合金材料。
基于以上设计指导思想，本发明成功制作了一种微型、柔性温度和压力复合传感器及其制作方法，可基本实现温度压力的传感功能。
下面结合附图和实施例对本发明的一种微型、柔性温度和压力复合传感器及其制作方法进行详细说明。
如图1和2所示，本发明的一种微型、柔性温度和压力复合传感器，包括：多个压力传感单元1、温度传感单元2、支撑单元3、弹性硅胶顶板4和弹性硅胶底板5。
所述支撑单元3由支撑底板31和多个支撑立柱32组成，所述弹性硅胶底板5上设有与支撑立柱32对应的通孔51，弹性硅胶底板5固定在支撑底板31上，多个支撑立柱32从对应的通孔51中穿出。所述弹性硅胶底板5的上方相对设置弹性硅胶顶板4，温度传感单元2位于弹性硅胶底板5和弹性硅胶顶板4之间，多个压力传感单元1设置于对应的支撑立柱32和弹性硅胶顶板4之间。所述弹性硅胶顶板4的底面设有第一图案化电极层41，弹性硅胶顶板4通过第一图案化电极层41分别与压力传感单元1的顶部、温度传感单元2的顶部连接；温度传感单元2的底部通过第二图案化电极层21连接。
所述温度传感单元2分为N型热电单元22和P型热电单元23，N型热电单元22和P型热电单元23呈图案化排布于弹性硅胶顶板4和弹性硅胶底板5之间。N型热电单元22和P型热电单元23沿横向和竖向均呈间隔排列。底部第二图案化电极层21中每个电极与一个N型热电单元22和一个P型热电单元23连接为一组热电单元；弹性硅胶顶板4上的第一图案化电极层41中每个电极与相邻两组热电单元之间的一个N型热电单元22和一个P型热电单元23连接为一组。N型热电单元22和P型热电单元23均塔型弹簧结构。
具体实施时，制作温度传感单元2使用的热电材料包括两种类型：一种是无机柔性复合热电材料，它由无机热电材料和柔性基底材料构成，其中无机热电材料可采用Bi2Te3基、SnSe基、PbX(X＝S,Se,Te)基材料等；柔性基底可采用碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜、纤维素纸、聚酰亚胺薄膜或PET薄膜等。另一种为本征柔性热电材料，如碳纳米管、PEDOT:PSS等材料。
所述压力传感单元1由柔性外壳11和液态金属12构成，柔性外壳11内设有图案化流道，液态金属12封装在图案化流道内，柔性外壳12顶部设有电极孔。弹性硅胶顶板4通过第一图案化电极层41与压力传感单元1的液态金属12连接。
所述图案化流道为螺旋结构或叉指结构等。所述液态金属使用的材料为：商用EGaIn合金材料、商用Galinstan合金材料以及Ga、In、Sn合金材料等。
所述柔性外壳11、支撑单元3、弹性硅胶顶板4和弹性硅胶底板5使用的材料为PDMS或Ecoflex硅胶等弹性硅胶材料。所述柔性外壳11与弹性硅胶顶板4、支撑单元3都以化学键合方式粘接；支撑单元3与弹性硅胶底板5采用粘接剂粘接。
如图3所示，本发明的一种微型、柔性温度和压力复合传感器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：制作内部具有图案化流道的柔性外壳，将液态金属从柔性外壳顶部的电极孔中注入图案化流道中，制成压力传感单元。
步骤2：采用飞秒激光加工技术，加工多个螺旋状阵列布置的N型热电单元和P型热电单元，利用掩膜技术沉积第二图案化电极层，第二图案化电极层中每个电极与一个N型热电单元和一个P型热电单元连接为一组热电单元，制成温度传感单元。
其中，制作温度传感单元2使用的热电材料包括两种类型：一种为无机柔性复合热电材料，它由无机热电材料和柔性基底材料构成，其中无机热电材料可采用Bi2Te3基、SnSe基、PbX(X＝S,Se,Te)基材料等；柔性基底可采用碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜、纤维素纸、聚酰亚胺薄膜或PET薄膜等。另一种为本征柔性热电材料，如碳纳米管或PEDOT:PSS等材料。
步骤3：采用弹性硅胶材料浇筑支撑单元、弹性硅胶顶板和弹性硅胶底板。
步骤4：在弹性硅胶顶板上沉积第一图案化电极层；支撑单元由支撑底板和多个支撑立柱组成，在弹性硅胶底板上加工与支撑立柱位置对应的通孔。
具体实施时，在玻璃片上旋涂或刮涂弹性硅胶制备弹性硅胶底板5，厚度50-200um，然后通过飞秒激光技术加工通孔51。然在玻璃片上旋涂或刮涂弹性硅胶制备弹性硅胶顶板4，并通过掩膜沉积的方法在其上沉积Cr/Ag或Cr/Au电极，形成第一图案化电极层41，其中电极层厚度100nm-300nm，弹性硅胶顶板4厚度为50-200um。
步骤5：将温度传感单元贴合到弹性硅胶底板上，在螺旋状的N型热电单元和P型热电单元的中心点银胶42，将N型热电单元和P型热电单元的中心与第一图案化电极层中的相应电极对准后，贴合到弹性硅胶顶板上。
具体实施时，在温度传感单元背面非螺旋部分通过掩膜沉积技术沉积80nm的SiO2，利用紫外臭氧处理技术对温度传感单元底面和弹性硅胶底板的顶面进行处理，而后将二者对准贴合后施加1000Pa的压力，在100℃烘箱中加热30min实现非可逆键合。
具体实施时，将弹性硅胶顶板4与N型热电单元和P型热电单元对准后压合，施加1000Pa压力，并在鼓风干燥箱中140℃加热30min固化银胶。
步骤6：利用紫外臭氧处理技术将压力单元与支撑单元的支撑立柱键合，并在支撑单元的支撑底板上涂抹粘结剂。
步骤7：将支撑单元的支撑立柱穿过弹性硅胶底板上的通孔，使压力单元的电极孔与第一图案化电极层中相应的电极对准，将支撑单元的支撑底板与弹性硅胶底板的底面贴合，此时螺旋状的N型热电单元和P型热电单元的中心点随着弹性硅胶顶板升起，形成塔型弹簧结构，将压力单元与弹性硅胶顶板键合连接。
具体实施时，将器件加压1000Pa，置于干燥箱中100℃加热30min使支撑单元3的支撑立柱32的压力传感单元1与弹性硅胶顶板4键合，同时实现压力传感单元1与第一图案化电极层41中相应电极的连通。
步骤8：将信号线焊接至第一图案化电极层。
参照图3所示，压力传感单元的制作步骤如下：
步骤1.1：制作图案化模板；
具体实施时，可利用光刻在Si片或玻璃片上制作图案化光刻胶模板，或利用飞秒加工制作图案化Si模板。
步骤1.2：在图案化模板上旋涂或刮涂10um-100um厚度弹性硅胶；
步骤1.3：将弹性硅胶置于100℃热板上加热固化30min后脱模；
步骤1.4：采用平整基板，旋涂10um-100um厚度弹性硅胶，固化脱模，并在设计好的位置激光打电极孔；
步骤1.5：利用紫外臭氧处理技术对步骤1.3和1.4制备好的弹性硅胶进行紫外臭氧清5min，对两片处理好的弹性硅胶贴合后施加100Pa-4000Pa的压力，置于鼓风干燥箱中100℃加热30min实现不可逆键合，制成柔性外壳；
步骤1.6：用注射器吸取液态金属，将液态金属注入柔性外壳的图案化通道中，制成压力传感单元。
参照图3，本实施例中采用无机柔性复合热电材料制作温度传感单元为例说明温度传感单元的制作过程。其中，柔性基底材料采用聚酰亚胺薄膜，无机热电材料采用Bi2Te3基材料。具体包括如下步骤：
步骤2.1：根据设计的螺旋状热电单元的大小、应力水平、无机热电材料的力学性能，选择合适的聚酰亚胺薄膜厚度，10um-100um；
步骤2.2：根据传感器的目标面积和目标温度范围，确定传感器所需的N型热电单元和P型热电单元的个数与直径大小，螺旋最大直径为100um-1mm；
步骤2.3：采用飞秒激光加工技术，在聚酰亚胺薄膜上加工成螺旋阵列，单个螺旋最大直径100um-1mm之间，两螺旋中心间距在100um-1mm之间；
步骤2.4：利用掩膜磁控沉积技术分别在螺旋状薄膜上沉积N型无机热电材料和P型无机热电材料，厚度在500nm-2um之间；
步骤2.5：利用掩膜沉积技术在柔性基底上沉积第二图案化电极层。可选择Cr/Cu，Cr/Ag，Cr/Au等电极材料，厚度在100nm-300nm之间。
经过以上步骤，所需要的微型、柔性温度和压力复合传感器即可以制作成功。采用该方法制备的传感器，具有优异的柔性，有望在柔性电子、AI机器人和仿生假肢等方面发挥重要作用。
通过以下实施例进一步解释或说明本发明内容。
实施例1：感知具体局域的温度及压力
将本发明的微型、柔性温度和压力复合传感器置于水平面上，分别用钢笔笔帽以及食指触碰传感器。钢笔触碰时，传感器的压力传感单元输出电阻变化信号，并可通过外部电路计算出压力值，而温度传感单元基本无电压变化信号。食指触碰时，温度传感单元输出电压变化信号，并可通过外部电路计算出感应温度数值，压力传感单元同时也输出电阻变化信号，可得到手指触碰压力值。
实施例2：液体温度报警功能
将本发明的微型、柔性温度和压力复合传感器与装有液体的金属罐体或容器贴合，一端添加铜制散热器，若水温高于或低于设定值，复合传感器输出电压发生较大的变化，与外部电路结合可发出报警声。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明的思想，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种微型、柔性温度和压力复合传感器，其特征在于，包括：多个压力传感单元、温度传感单元、支撑单元、弹性硅胶顶板和弹性硅胶底板；
所述支撑单元由支撑底板和多个支撑立柱组成，所述弹性硅胶底板上设有与支撑立柱对应的通孔，弹性硅胶底板固定在支撑底板上，多个支撑立柱从对应的通孔中穿出；所述弹性硅胶底板的上方相对设置弹性硅胶顶板，温度传感单元位于弹性硅胶底板和弹性硅胶顶板之间，多个压力传感单元设置于对应的支撑立柱和弹性硅胶顶板之间；所述弹性硅胶顶板的底面设有第一图案化电极层，弹性硅胶顶板通过第一图案化电极层分别与压力传感单元的顶部、温度传感单元的顶部连接；温度传感单元的底部通过第二图案化电极层连接。
2.如权利要求1所述的微型、柔性温度和压力复合传感器，其特征在于，所述温度传感单元分为N型热电单元和P型热电单元，N型热电单元和P型热电单元呈图案化排布于弹性硅胶顶板和弹性硅胶底板之间；
N型热电单元和P型热电单元沿横向和竖向均呈间隔排列；底部第二图案化电极层中每个电极与一个N型热电单元和一个P型热电单元连接为一组热电单元；弹性硅胶顶板上的第一图案化电极层中每个电极与相邻两组热电单元之间的一个N型热电单元和一个P型热电单元连接为一组；
所述N型热电单元和P型热电单元均塔型弹簧结构。
3.如权利要求1所述的微型、柔性温度和压力复合传感器，其特征在于，所述温度传感单元使用的热电材料为无机柔性复合热电材料，它由无机热电材料和柔性基底材料构成：无机热电材料采用Bi2Te3基、SnSe基或PbX(X＝S,Se,Te)基材料；柔性基底采用碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜、纤维素纸、聚酰亚胺薄膜或PET薄膜。
4.如权利要求1所述的微型、柔性温度和压力复合传感器，其特征在于，所述温度传感单元使用的热电材料为本征柔性热电材料，包括：碳纳米管或PEDOT:PSS。
5.如权利要求1所述的微型、柔性温度和压力复合传感器，其特征在于，所述压力传感单元由柔性外壳和液态金属构成，柔性外壳内设有图案化流道，液态金属封装在图案化流道内，柔性外壳顶部设有电极孔；弹性硅胶顶板通过第一图案化电极层与压力传感单元的液态金属连接；所述图案化流道为螺旋结构或叉指结构；所述液态金属使用的材料为：商用EGaIn合金材料、商用Galinstan合金材料以及Ga、In、Sn合金材料。
6.一种微型、柔性温度和压力复合传感器的制作方法，其特征在于，包括：
步骤1：制作内部具有图案化流道的柔性外壳，将液态金属从柔性外壳顶部的电极孔中注入图案化流道中，制成压力传感单元；
步骤2：采用飞秒激光加工技术，加工多个螺旋状阵列布置的N型热电单元和P型热电单元，利用掩膜技术沉积第二图案化电极层，第二图案化电极层中每个电极与一个N型热电单元和一个P型热电单元连接为一组热电单元，制成温度传感单元；
步骤3：采用弹性硅胶材料浇筑支撑单元、弹性硅胶顶板和弹性硅胶底板；
步骤4：在弹性硅胶顶板上沉积第一图案化电极层；支撑单元由支撑底板和多个支撑立柱组成，在弹性硅胶底板上加工与支撑立柱位置对应的通孔；
步骤5：将温度传感单元贴合到弹性硅胶底板上，在螺旋状的N型热电单元和P型热电单元的中心点银胶，将N型热电单元和P型热电单元的中心与第一图案化电极层中的相应电极对准后，贴合到弹性硅胶顶板上；
步骤6：利用紫外臭氧处理技术将压力单元与支撑单元的支撑立柱键合，并在支撑单元的支撑底板上涂抹粘结剂；
步骤7：将支撑单元的支撑立柱穿过弹性硅胶底板上的通孔，使压力单元的电极孔与第一图案化电极层中相应的电极对准，将支撑单元的支撑底板与弹性硅胶底板的底面贴合，此时螺旋状的N型热电单元和P型热电单元的中心点随着弹性硅胶顶板升起，形成塔型弹簧结构，将压力单元与弹性硅胶顶板键合连接；
步骤8：将信号线焊接至第一图案化电极层。
7.如权利要求6所述的微型、柔性温度和压力复合传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤1具体为：
步骤1.1：制作图案化模板；
步骤1.2：在图案化模板上旋涂或刮涂10um-100um厚度弹性硅胶；
步骤1.3：将弹性硅胶置于100℃热板上加热固化30min后脱模；
步骤1.4：采用平整基板，旋涂10um-100um厚度弹性硅胶，固化脱模，并在设计好的位置激光打电极孔；
步骤1.5：利用紫外臭氧处理技术对步骤1.3和1.4制备好的弹性硅胶进行紫外臭氧清5min，对两片处理好的弹性硅胶贴合后施加100Pa-4000Pa的压力，置于鼓风干燥箱中100℃加热30min实现不可逆键合，制成柔性外壳；
步骤1.6：用注射器吸取液态金属，将液态金属注入柔性外壳的图案化通道中，制成压力传感单元。
8.如权利要求6所述的微型、柔性温度和压力复合传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤2中使用无机柔性复合热电材料制作温度传感单元，它由无机热电材料和柔性基底材料构成，具体包括如下步骤：
步骤2.1：根据设计的螺旋状热电单元的大小、应力水平、无机热电材料的力学性能，选择合适的柔性基底厚度；
步骤2.2：确定传感器所需的N型热电单元和P型热电单元的个数与直径大小；
步骤2.3：采用飞秒激光加工技术，将柔性基底加工成螺旋阵列，单个螺旋最大直径100um-1mm之间，两螺旋中心间距在100um-1mm之间；
步骤2.4：利用掩膜磁控沉积技术分别在螺旋状基底上沉积N型无机热电材料和P型无机热电材料，厚度在500nm-2um之间；
步骤2.5：利用掩膜沉积技术在柔性基底上沉积第二图案化电极层。
9.如权利要求8所述的微型、柔性温度和压力复合传感器的制作方法，其特征在于，所述无机柔性复合热电材料由无机热电材料和柔性基底材料构成，其中无机热电材料采用Bi2Te3基、SnSe基或PbX(X＝S,Se,Te)基材料；柔性基底采用碳纳米管薄膜、石墨烯薄膜、纤维素纸、聚酰亚胺薄膜或PET薄膜。
10.如权利要求6所述的微型、柔性温度和压力复合传感器的制作方法，其特征在于，所述步骤2中使用本征柔性热电材料制作温度传感单元。
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Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1664919A (zh) * | 2003-12-11 | 2005-09-07 | 欧姆龙株式会社 | 警报音发生装置 |
| US20160273973A1 (en) * | 2013-11-01 | 2016-09-22 | Etegent Technologies Ltd | Composite Active Waveguide Temperature Sensor for Harsh Environments |
| CN111742193A (zh) * | 2018-02-19 | 2020-10-02 | 瑞纳森斯有限公司 | 传感器单元 |
| CN113517235A (zh) * | 2020-04-09 | 2021-10-19 | 伊诺司生技股份有限公司 | 一种具有空腔的传感器 |
| CN217032795U (zh) * | 2021-12-01 | 2022-07-22 | 中国科学院金属研究所 | 一种微型、柔性温度和压力复合传感器 |
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Patent Citations (5)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN1664919A (zh) * | 2003-12-11 | 2005-09-07 | 欧姆龙株式会社 | 警报音发生装置 |
| US20160273973A1 (en) * | 2013-11-01 | 2016-09-22 | Etegent Technologies Ltd | Composite Active Waveguide Temperature Sensor for Harsh Environments |
| CN111742193A (zh) * | 2018-02-19 | 2020-10-02 | 瑞纳森斯有限公司 | 传感器单元 |
| CN113517235A (zh) * | 2020-04-09 | 2021-10-19 | 伊诺司生技股份有限公司 | 一种具有空腔的传感器 |
| CN217032795U (zh) * | 2021-12-01 | 2022-07-22 | 中国科学院金属研究所 | 一种微型、柔性温度和压力复合传感器 |
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