CN114608729A - 一种阵列式压阻传感器柔性集成电子系统及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供一种阵列式压阻传感器柔性集成电子系统及其制备方法，所述柔性集成电子系统为五层式三明治结构毛包含由N*N个具有微结构压阻传感单元组成的压阻传感器阵列层、圆盘‑弧形银电极阵列层、激光直写工艺制备的柔性电路层及PDMS薄膜表面封装层。压阻传感器阵列层包含N*N个互相分离的具有圆锥微结构的压阻传感器单元与用于固定压阻传感器单元的N*N个孔洞的PDMS中间层，压阻传感器阵列层上每一个压阻传感器单元与其上方的圆盘‑弧形银电极阵列层中的圆盘‑弧形电极单元在压力作用下会充分接触，圆盘‑弧形银电极阵列层中的引线电极与柔性电路层之间通过导电热压斑马线连接。
Description
技术领域
本发明涉及微纳电子器件及压力检测技术领域，特别涉及一种内置圆锥微结构的阵列式压阻传感器柔性集成电子系统及其制备方法。
背景技术
柔性电子作为新兴的高级电子材料有着广阔的应用前景与发展潜力。近几年正步入高速的发展阶段，被广泛地应用于机器人触觉传感、可穿戴医疗电子、电子皮肤以及智能电子织物等领域。目前柔性电子系统在诸多领域正逐步取代传统的刚性电子系统，最终发展成柔性可穿戴的电子产品。其中柔性触觉传感领域又以柔性压阻传感器为主，其是一种将导电纳米材料作为填料材料，均匀地分散在柔性聚合物基体如PDMS中形成的一种复合材料组成的压阻式传感器。柔性压阻传感器基于压阻效应的传感器在外力作用下活性材料会变形，并间接改变内部导电材料的分布和接触状态，从而导致活性材料的电阻有规律变化。其具有良好的柔韧性、弯曲性为穿戴设备和电子皮肤的开发提供了无限的潜力。如公开号为CN112375383A、申请号202011112163.0的发明专利公开了一种用于机器人触觉传感器的压阻橡胶复合材料及其制备方法。其将导电材料镍粉与PDMS以适量的比例混合制备成圆形实心压阻橡胶作为机器人触觉传感器。此专利的不足之处在于此压阻传感器与传统的压阻传感器一样只能检测到大压力而无法检测较小的压力，灵敏度不高。如公开号为CN211452677U、申请号201921952994.1的实用新型专利公开了一种可阻止串扰的阵列式压敏电阻传感器，该阵列式压敏电阻传感器通过在M条输入轴线与N条输出轴线交叉位置处添加二极管以此阻断串扰信号，提高了多点压力检测的精度。但其不足之处在于输入与输出轴线与输出较多，若柔性压阻阵列有M*N个单元需要M条输入轴线与N条输出轴线且需要M*N个二极管，传感器较为繁杂不利于传感器的集成应用。如公开号为CN113855004A、申请号202111156003.0的发明专利公开了一种柔性压力传感器的制备方法及应用。该柔性压力传感器没有对其驱动电路进行柔性化且未进行传感器与信号处理电路的集成，只能利用外部的测量仪器单独地测试其性能而缺乏与其相匹配的驱动电路，故缺乏实用性难以直接地用于实践中。
发明内容
针对上述问题，本发明提出一种阵列式压阻传感器柔性集成电子系统及其制备方法。
本发明提供一种阵列式压阻传感器柔性集成电子系统，包括：依次设置PDMS薄膜封装顶层、圆盘-弧形银电极阵列层、压阻传感器阵列层、柔性电路层和PDMS薄膜封装底层；
所述的圆盘-弧形银电极阵列层包括阵列设置的圆盘-弧形银电极；
圆盘-弧形银电极使用银浆制成包括圆盘电极和弧形电极，同行的弧形电极串联，圆盘电极独立引出；
所述的压阻传感器阵列层包括：阵列设置的圆锥微结构式压阻传感器和多孔PDMS薄膜；圆锥微结构式压阻传感器填充在多孔PDMS薄膜的孔内；
圆锥微结构式压阻传感器的设置位置与圆盘电极的位置相匹配，输出面与圆盘-弧形银电极电连接；
PDMS薄膜封装顶层、PDMS薄膜封装底层和多孔PDMS薄膜使用相同的PDMS液体制成；
所述的PDMS液体中PDMS和固化剂的比例为10：1，制作工艺为旋涂仪涂制。
一种阵列式压阻传感器柔性集成电子系统的制备方法：包括以下步骤：步骤1，制备PDMS薄膜溶液，PDMS和固化剂的比例为10：1，并使用旋涂仪制作PDMS薄膜封装顶层；
步骤2，制备圆盘-弧形银电极阵列层，使用导电银浆作为导电材料，利用3D微电子打印机，经点胶工艺在PDMS薄膜上打印电极图案，形成圆盘-弧形银电极阵列层；
步骤3，制备压阻传感器阵列层和多孔PDMS薄膜，将制备好的圆锥微结构式压阻传感器填充至多孔PDMS薄膜的孔洞内形成压阻传感器阵列层；
步骤4，制备柔性电路层，并贴至压阻传感器阵列层下方；
步骤5，在柔性电路层的底面使用旋涂仪用PDMS薄膜溶液，制作PDMS薄膜封装底层；
步骤6，使用导电热压斑马线连接特制的圆盘-弧形银电极阵列层中的引线电极与柔性电路层中的焊盘电极，形成完整的信号处理回路。
作为优选，所述的步骤3，包括以下子步骤：
子步骤31，制备传感器基底溶液，使用PDMS与MWCNT，比例9：1并混合均匀；
子步骤32，在传感器基底溶液加入固化剂，传感器基底溶液与固化剂的比例为10：1，并加入助溶剂；
子步骤33，将子步骤32的混合溶液置入磁力搅拌机以100r/min的转速搅拌6小时；
子步骤34，将子步骤33的混合溶液放入真空箱中静置2小时以消除气泡；
子步骤35，将子步骤34的混合溶液注入压阻传感器的模具中；
子步骤36，注模完成之后放入90摄氏度的恒温箱固化2小时，冷却后进行脱模处理，得到圆锥式微结构的柔性压阻传感器。
作为优选，所述的步骤4，包括以下子步骤：
子步骤41，纯净的硅片上沉积铜；
子步骤42，利用光刻和湿法蚀刻法去除多余的铜，暴露除所需的铜电路；
子步骤43，利用等离子刻蚀机除去多余的PI使电路裸露；
子步骤44，显影后用丙酮去掉曝光的光刻胶，再利用胶带将电路从硅片上转印至PDMS薄膜上；
子步骤45，除去零时的衬底薄膜后便可以得到最终的柔性电路。
作为优选，所述的子步骤41，包括以下子步骤：
子步骤411，使用硅片作为衬底，并使用酒精清洗；
子步骤412，旋涂1％浓度PMMA，并置入匀胶机，以500rpm的转速，旋涂5分钟；
子步骤413，加热台上烘烤25分钟；
子步骤414，放置在匀胶机上并旋涂浓度为15％Pi溶液；
子步骤415，放置于加热台上烘150分钟，并冷却；
子步骤416，将硅片放置在磁控溅射机中进行Ge-Cu溅射，形成Cu薄膜。
作为优选，所述的子步骤42，包括以下子步骤：
子步骤421，利用匀胶机旋涂光刻胶，持续1分钟；
子步骤422，放入120摄氏度加热台中烘干3分钟；
子步骤423，利用激光直写机进行激光直写雕刻出所需的电路。
该柔性集成电子系统是一个五层式三明治结构，由最外两层的PDMS薄膜封装层与中间核心层组成。中间核心层分为圆盘-弧形银电极阵列层、压阻传感器阵列层、激光直写工艺制备的柔性电路层。其中压阻传感器阵列层由4*4个带圆锥微结构的压阻传感器单元与固定其位置、内嵌至孔洞的多孔PDMS中间层组成。圆盘-弧形银电极阵列层位于压阻传感器阵列层的上方，其由银浆作为导电材料通过3D微电子打印机在PDMS薄膜上利用点胶工艺制备而成。
本发明的主要优点在于提出了有别于传统压阻传感器的具有圆锥微结构的压阻传感器，使其在低压力域与高压力域都具有良好的灵敏度，且设计了一种特制的圆盘-弧形银电极阵列与4*4个带有圆锥微结构的压阻传感器单元组成半分离式的压阻传感器阵列，有效地缓解了传统压阻传感器阵列中的信号串扰问题并减少了传感器阵列中的输入引线，减小了线路的复杂性，并将信号处理电路进行了柔性化处理，将其与柔性传感器阵列集成为了柔性电子集成系统，使其更具有良好的实用性。
该柔性集成电子系统将16个带圆锥微结构的高灵敏度柔性压阻传感器组成的传感器阵列与柔性蛇形化电路进行了良好的集成，可独立完成多位置压力信号采集、处理、转换和无线传输。
柔性电路层位于压阻传感器阵列层的下方，与传统的柔性印刷电路板相比，本发明中的柔性电路因采用溅射与激光直写工艺制备而成并且互联导线经过蛇形化处理使其具有更佳的柔性与可拉伸性。圆盘-弧形银电极阵列层与柔性电路层通过热压斑马线连接，在各层之间旋涂PDMS溶液待其固化之后便可完成整个系统的粘合。该柔性集成电子系统的压阻传感器阵列层作为压力感知单元，经圆盘-弧形银电极阵列层与柔性电路层后可将其单个的压阻传感器的电阻值处理为相应的电压信号，然后通过16路模拟开关将此模拟电压信号传输至BLE SOC内置的ADC模块转化为数字电压信号后由内置的MCU模块处理，最后经柔性电路中的无线蓝牙模块将数据发送至上位机。
附图说明
图1压阻传感阵列式柔性集成电子系统结构示意图；
图2柔性圆锥微结构式压阻传感器结构图及其工作机理图；
图3柔性圆锥微结构式传感器制备流程图；
图4特制的圆盘-弧形银电极阵列结构图；
图5特制的圆盘-弧形银电极阵列制备流程图；
图6柔性电路制备流程图。
图中：1、PDMS薄膜封装顶层，2、圆盘-弧形银电极阵列层，21、弧形电极，22、圆盘电极，3、压阻传感器阵列层，4、柔性电路层，5、PDMS薄膜封装底层，6、圆盘-弧形银电极，7、圆锥微结构式压阻传感器，71、压阻传感器圆锥微结构，72、压阻传感器外圆环结构，8、导电热压斑马线。
具体实施方式
下面通过具体实施例，并结合附图，对本发明的技术方案作进一步的具体说明。
实施例1
如图1和图2所示一种阵列式压阻传感器柔性集成电子系统，包括：依次设置PDMS薄膜封装顶层1、圆盘-弧形银电极阵列层2、压阻传感器阵列层3、柔性电路层4和PDMS薄膜封装底层5；
所述的圆盘-弧形银电极阵列层2包括阵列设置的圆盘-弧形银电极6；
圆盘-弧形银电极使用银浆制成包括圆盘电极22和弧形电极21，同行的弧形电极串联，圆盘电极独立引出；
所述的压阻传感器阵列层3包括：阵列设置的圆锥微结构式压阻传感器7与多孔PDMS薄膜；
圆锥微结构式压阻传感器的设置位置与圆盘电极的位置相匹配，输出面与圆盘-弧形银电极连接；
PDMS薄膜封装顶层1、PDMS薄膜封装底层5和填充介质使用相同的PDMS液体制成；
所述的PDMS液体中PDMS和固化剂的比例为10：1，制作工艺为旋涂仪涂制。
其整体呈现为五层式三明治结构圆盘-弧形银电极阵列层2其由银浆作为导电材料利用3D微电子打印机在PDMS薄膜上采用点胶工艺制备而成，其由4*4个标号为6的圆盘-弧形电极组成。当压力作用于柔性集成电子系统的PDMS薄膜封装层时，压力会传递至某个圆盘-弧形电极上，圆锥微结构式压阻传感器单元与圆盘-弧形电极将充分接触，此时圆盘-弧形电极两端的电阻就是圆锥式微结构的压阻传感器单元的电阻值，经柔性电路层4的信号调理电路处理后便可以得到相应的压力数据，并通过电路中内置BLE的MCU模块将数据发送至上位机。
具有圆锥微结构式的柔性压阻传感器结构图及其工作机理图如图2所示。该柔性传感器在低压力域与高压力域都具有优良的灵敏度，比传统单一结构的柔性压阻传感器有更佳的灵敏度。
如图2所示的圆锥微结构式的柔性压力传感器应受力会发生形变，在低压域力下圆锥微结构式压阻传感器71的圆盘-弧形银电极发生接触，随着压力的增大接触面积随之增大，电阻值将减小。在高压力域下，圆锥微结构式与圆盘-弧形银电极的接触面积基本不变，此时电阻值的变化主要由柔性压阻传感器的外圆环结构72因受力导致其导电材料颗粒间隙减小所引起。这两方面的原因使得该柔性压阻传感器在高压力域与低压力域都具有优良的压阻特性。
如图4所示的圆盘-弧形银电极阵列层2由16个圆盘-弧形电极与PDMS薄膜衬底组成，该16个圆盘-弧形电极组成一个4*4的电极阵列，每个圆盘-弧形电极由圆盘电极和弧形电极组成；该圆盘-弧形银电极阵列中同一行的圆盘-弧形电极中的弧形电极连接在一起，同时每一个圆盘-弧形电极中实心圆盘电极单独引出；这种阵列中各电极单元半分离的结构有两大优点，第一个优点、可以减少电极阵列的输入轴线，减小电路的复杂性更有益于电路的柔性化，对于N*N的电极阵列采用半分离的结构只需要1*N输入轴线，而传统的全分离结构需要N*N条输入轴线。第二个优点、相较于完全没有分离的电极阵列(即N*N的阵列有N条输入轴线与N条输出轴线)而言，半分离的结构会极大地改善传统的没有阵列单元间未分离电极阵列间信号串扰的问题。
一种阵列式压阻传感器柔性集成电子系统的制备方法：包括以下步骤：步骤1，制备PDMS薄膜溶液，PDMS和固化剂的比例为10：1，并使用旋涂仪制作PDMS薄膜封装顶层1；
步骤2，如图5所示，制备圆盘-弧形银电极阵列层，使用导电银浆作为导电材料利用3D微电子打印机经点胶工艺在PDMS薄膜上打印电极图案，形成圆盘-弧形银电极阵列层2；
步骤3，制备压阻传感器阵列层3和多孔PDMS薄膜，将制备好的圆锥微结构式压阻传感器7填充至多孔PDMS薄膜的孔洞内形成压阻传感器阵列层3
步骤4，制备柔性电路层4，并贴至压阻传感器阵列层3下方；
步骤5，在柔性电路层4的底面使用旋涂仪用PDMS薄膜溶液，制作PDMS薄膜封装底层5；
步骤6，使用导电热压斑马线8连接特制的圆盘-弧形银电极阵列层中的引线电极与柔性电路层中的焊盘电极。
如图3所示的柔性压阻传感器制作流程包括在主步骤3中，包括以下子步骤：
子步骤31，制备传感器基底溶液，使用PDMS与MWCNT，比例9：1并混合均匀；
子步骤32，在传感器基底溶液加入固化剂，传感器基底溶液与固化剂的比例为10：1，并加入助溶剂；
子步骤33，将子步骤32的混合溶液置入磁力搅拌机以100r/min的转速搅拌6小时；
子步骤34，将子步骤33的混合溶液放入真空箱中静置2小时以消除气泡；
子步骤35，将子步骤34的混合溶液注入压阻传感器的模具中；
子步骤36，注模完成之后放入90摄氏度的恒温箱固化2小时，冷却后进行脱模处理，得到圆锥微结构式的柔性压阻传感器。
传感器基底溶液在混合固化剂后混合物较为粘稠不易搅拌，因此还需加入适量的助溶剂如正己烷起到促溶的作用。
如图6所示，为了使整个柔性压阻传感器柔性集成电子系统具有良好的拉伸弯曲性，系统中的信号处理电路需具有柔性、可弯曲可拉伸等特性。因此将整个电路中的互联导线从传统的直线形转换为蛇形互联导线使其具备初步的拉伸特性。
最为关键的是该柔性集成电子系统中的柔性电路采用磁控溅射与激光直写工艺制作而成。
步骤4制备柔性电路层4中包括以下子步骤：
子步骤41，纯净的硅片上沉积铜；
子步骤42，利用光刻和湿法蚀刻法去除多余的铜，暴露除所需的铜电路；
子步骤43，利用等离子刻蚀机除去多余的PI使电路裸露；
子步骤44，显影后用丙酮去掉曝光的光刻胶，再利用胶带将电路从硅片上转印至PDMS薄膜上；
子步骤45，除去零时的衬底薄膜后便可以得到最终的柔性电路。
所述的子步骤41，包括以下子步骤：
子步骤411，使用硅片作为衬底，并使用酒精清洗；
子步骤412，旋涂1％浓度PMMA，并置入匀胶机，以500rpm的转速，旋涂5分钟；
子步骤413，加热台上烘烤25分钟；
子步骤414，放置在匀胶机上并旋涂浓度为15％Pi溶液；
子步骤415，放置于加热台上烘150分钟，并冷却；
子步骤416，将硅片放置在磁控溅射机中进行Ge-Cu溅射，形成Cu薄膜。
所述的子步骤42，包括以下子步骤：
子步骤421，利用匀胶机旋涂光刻胶，持续1分钟；
子步骤422，放入120摄氏度加热台中烘干3分钟；
子步骤423，利用激光直写机进行激光直写雕刻出所需的电路。
Claims (6)
1.一种阵列式压阻传感器柔性集成电子系统，其特征在于，包括：依次设置PDMS薄膜封装顶层、圆盘-弧形银电极阵列层、压阻传感器阵列层、柔性电路层和PDMS薄膜封装底层；
所述的圆盘-弧形银电极阵列层包括阵列设置的圆盘-弧形银电极；
圆盘-弧形银电极使用银浆制成包括圆盘电极和弧形电极，同行的弧形电极串联，圆盘电极独立引出；
所述的压阻传感器阵列层包括：阵列设置的圆锥微结构式压阻传感器和多孔PDMS薄膜；圆锥微结构式压阻传感器填充在多孔PDMS薄膜的孔内；
圆锥微结构式压阻传感器的设置位置与圆盘电极的位置相匹配，输出面与圆盘-弧形银电极电连接；
PDMS薄膜封装顶层、PDMS薄膜封装底层和多孔PDMS薄膜使用相同的PDMS液体制成；
所述的PDMS液体中PDMS和固化剂的比例为10：1，制作工艺为旋涂仪涂制。
2.一种阵列式压阻传感器柔性集成电子系统的制备方法适用于权利要求1所述的一种阵列式压阻传感器柔性集成电子系统，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，制备PDMS薄膜溶液，PDMS和固化剂的比例为10：1，并使用旋涂仪制作PDMS薄膜封装顶层；
步骤2，制备圆盘-弧形银电极阵列层，使用导电银浆，利用3D微电子打印机经点胶工艺在PDMS薄膜封装顶层上打印电极图案，形成圆盘-弧形银电极阵列层；
步骤3，制备压阻传感器阵列层和多孔PDMS薄膜，将制备好的圆锥微结构式压阻传感器填充至多孔PDMS薄膜的孔洞内形成压阻传感器阵列层；
步骤4，制备柔性电路层，并贴至压阻传感器阵列层下方使圆盘-弧形银电极阵列层与柔性电路层电连接；
步骤5，在柔性电路层的底面使用旋涂仪用PDMS薄膜溶液，制作PDMS薄膜封装底层；
步骤6，使用导电热压斑马线连接特制的圆盘-弧形银电极阵列层中的引线电极与柔性电路层中的焊盘电极，形成完整的信号处理回路。
3.根据权利要求2所述的一种阵列式压阻传感器柔性集成电子系统的制备方法，其特征在于所述的步骤3，包括以下子步骤：
子步骤31，制备传感器基底溶液，使用PDMS与MWCNT，比例9：1并混合均匀；
子步骤32，在传感器基底溶液加入固化剂，传感器基底溶液与固化剂的比例为10：1，并加入助溶剂；
子步骤33，将子步骤32的混合溶液置入磁力搅拌机以100r/min的转速搅拌6小时；
子步骤34，将子步骤33的混合溶液放入真空箱中静置2小时以消除气泡；
子步骤35，将子步骤34的混合溶液注入压阻传感器的模具中；
子步骤36，注模完成之后放入90摄氏度的恒温箱固化2小时，冷却后进行脱模处理，得到圆锥式微结构的柔性压阻传感器。
4.根据权利要求2所述的一种阵列式压阻传感器柔性集成电子系统的制备方法，其特征在于所述的步骤4，包括以下子步骤：
子步骤41，纯净的硅片上沉积铜；
子步骤42，利用光刻和湿法蚀刻法去除多余的铜，暴露除所需的铜电路；
子步骤43，利用等离子刻蚀机除去多余的PI使电路裸露；
子步骤44，显影后用丙酮去掉曝光的光刻胶，再利用胶带将电路从硅片上转印至PDMS薄膜上；
子步骤45，除去零时的衬底薄膜后便可以得到最终的柔性电路。
5.根据权利要求4所述的一种阵列式压阻传感器柔性集成电子系统的制备方法，其特征在于所述的子步骤41，包括以下子步骤：
子步骤411，使用硅片作为衬底，并使用酒精清洗；
子步骤412，旋涂1％浓度PMMA，并置入匀胶机，以500rpm的转速，旋涂5分钟；
子步骤413，加热台上烘烤25分钟；
子步骤414，放置在匀胶机上并旋涂浓度为15％Pi溶液；
子步骤415，放置于加热台上烘150分钟，并冷却；
子步骤416，将硅片放置在磁控溅射机中进行Ge-Cu溅射，形成Cu薄膜。
6.根据权利要求4所述的一种阵列式压阻传感器柔性集成电子系统的制备方法，其特征在于所述的子步骤42，包括以下子步骤：
子步骤421，利用匀胶机旋涂光刻胶，持续1分钟；
子步骤422，放入120摄氏度加热台中烘干3分钟；
子步骤423，利用激光直写机进行激光直写雕刻出所需的电路。
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|---|---|---|---|
| CN202210225100.9A CN114608729B (zh) | 2022-03-07 | 一种阵列式压阻传感器柔性集成电子系统及其制备方法 |
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