CN115320227A - 制备薄膜传感器的丝网印刷装置、加工工艺及薄膜传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于薄膜传感器技术领域，尤其涉及一种用于制备基于金属基底的薄膜传感器的丝网印刷装置，包括底座，所述底座上设有至少一个定位部，所述定位部用于对所述金属基底进行定位；印刷丝网结构，用于在所述金属基底上丝网印刷所述薄膜传感器的层结构，所述丝网印刷结构包括丝网板，所述丝网板上预设有与所述层结构适配的镂空图形，所述镂空图形与所述定位部的位置对应。本发明解决了现有薄膜传感器生产效率低，工艺成本高的技术问题。

Description

制备薄膜传感器的丝网印刷装置、加工工艺及薄膜传感器

技术领域

本发明属于薄膜传感器技术领域，尤其涉及一种制备薄膜传感器的丝网印刷装置、加工工艺及薄膜传感器。

背景技术

目前现阶段的薄膜传感器的各层结构的加工方法主要以物理气相沉积为主，工艺设备昂贵，工艺条件要求苛刻，时间成本较高，真空腔室的大小决定了产能的大小，增大腔室又会使设备的造价成倍增加。因此需要提供需要需求一种既能提高生产效率，又能降低工艺成本的薄膜传感器的新工艺。

有鉴于此特提出本发明。

发明内容

本发明要解决的技术问题在于克服现有技术的不足，提供一种用于制备基于金属基底的薄膜传感器、加工工艺及薄膜传感器，解决了现有薄膜传感器生产效率低，工艺成本高的技术问题。

为解决上述技术问题，本发明第一方面提出了一种用于制备基于金属基底的薄膜传感器的丝网印刷装置，其特征在于，包括

底座，所述底座上设有至少一个定位部，所述定位部用于对所述金属基底进行定位；

印刷丝网结构，用于在所述金属基底上丝网印刷层结构，所述丝网印刷结构包括丝网板，所述丝网板上预设有与所述层结构适配的镂空图形，所述镂空图形与所述定位部的位置对应。

采用本发明的丝网印刷装置在金属基底上采用丝网印刷技术直接制得所需的层结构，例如采用丝网印刷技术制得绝缘保护层和/或电极层。丝网板上设有与绝缘保护层和/或电极层的结构适配的镂空图形，通过将用于制备绝缘保护层和/或电极层的浆料导入丝网板上然后用刮刀使浆料透过镂空图像的镂空部分在金属基底的端面上形成对应的绝缘保护层和/或电极层的图案。并且，本发明的丝网印刷装置的底座中设置定位部避免在丝网印刷过程中金属基底移动，同时将丝网板上的镂空图形与定位部的位置对应，在丝网印刷时将丝网板盖在底座上镂空图形即与定位部上的金属基底对应，无需再进行位置调节，提高了丝网印刷效率。优选在金属基底上设多个定位部，丝网板上对应设多个镂空图形。

本发明的底座可对应多个丝网印刷结构，不同丝网印刷结构的丝网板设置对应不同层结构的镂空图形，例如，本发明包括用于丝网印刷绝缘保护层的丝网印刷结构和丝网印刷电极层的丝网印刷结构，可根据需要采用不同的丝网印刷结构来丝网印刷绝缘保护层和/或电极层。

进一步可选地，所述定位部为形成在所述底座上的定位孔，所述定位孔用于所述金属基底插入其中，所述定位孔被构造为所述金属基底插入时所述金属基底用于制备层结构的端面处于所述定位孔的孔口处。

采用本发明的丝网印刷装置通过在底座上设置定位孔以便对金属基底进行更好的定位，定位孔的结构与金属基底的结构适配，且金属基底插入定位孔后金属基底的端面要处于定位孔的孔口处以便于丝网印刷的浆料落入金属基底的端面上。例如，当金属基底为螺栓时，定位孔包括供螺栓杆插设的第一部分和用于容纳螺栓帽的第二部分，薄膜传感器位于螺栓帽的端面上，螺栓插入定位孔后，螺栓帽正好与基座所在的平面平齐。

进一步可选地，所述底座的四周边缘设有下沉台阶，所述丝网印刷结构包括设置在所述丝网板四周的边框，丝网印刷过程中，所述边框的下端卡接在所述下沉台阶上。

采用本发明的丝网印刷装置通过将丝网结构的边框与下沉台阶卡接避免丝网印刷过程中丝网板移位。

进一步可选地，所述印刷丝网结构用于丝网印刷电极层，所述镂空图像包括第一镂空部和位于所述第一镂空部内的第二镂空部，所述第一镂空部之间通过阻隔环分隔。

采用本发明的丝网印刷装置制备电极层时，第一镂空部用于制备电极层的外电级，第二镂空部用于制备电极层的内电极，且第一镂空部与第二镂空部之间的阻隔环形成了内电极和外电极之间的间隙，便于制备内电极和外电极之间的掩膜环。

进一步可选地，所述丝网印刷装置用于丝网印刷绝缘保护层或电极层。

采用本发明的丝网印刷装置可在金属基底上批量制作绝缘保护层或电极层，显著提高薄膜传感器的制作效率。

本发明第二方面提出了一种基于丝网印刷工艺制备基于金属基底的薄膜传感器的加工工艺，所述加工工艺采用本发明第一方面所提出的丝网印刷装置，所述加工工艺包括如下步骤：

步骤一：将金属基底置于所述定位部上；

步骤二：将丝网板盖在所述底座上，使预设的镂空图形与金属基底对齐，将烧结型浆料倒入所述丝网板表面，采用刮刀使浆料透过镂空图形在金属基底上形成对应的图案层；

步骤三：将印刷好层结构的金属基底进行固化处理。

本发明中，步骤一中通过将金属基底置于定位部上以对金属基底进行定位。步骤二中将丝网印刷结构的边框卡接在底座上以使预设的镂空图形与位于定位部上的金属基底的端面相对。然后将用于制备层结构的烧结型浆料倒入所述丝网板表面，制备不同的层结构对应不同的浆料。然后用刮刀将浆料刮至镂空图形处，一部分浆料透过镂空图形的空隙透过镂空图形落在金属基底的端面上，多余浆料由刮刀刮除，金属基底上即形成对应层结构的图案层。步骤三中对丝网印刷好的层结构如绝缘保护层或电极层进行固化处理，根据电极材料的不同，制定相应的固化工艺。例如，以银浆料制得的电极层置于真空干燥箱中进行固化处理，固化温度为120℃-150℃，固化时间为10-20mi n。

进一步可选地，所述步骤一中，所述金属基底的端面上生成有压电层；所述步骤二中将用于制备绝缘保护层的浆料导入所述丝网板表面，用刮刀使浆料落入与所述压电层表面。

本发明中通过丝网印刷技术在金属基底的端面上制作绝缘保护层，在制作绝缘保护之前预先在金属基底的端面上生成压电层，压电层与金属基底之间为原子级别结合，所述原子级别结合为采用物理气相沉积技术、化学气相沉积技术和脉冲激光沉积技术中的任一种，例如采用磁控溅射加工技术在金属基底的端面上生成压电层。步骤二中的浆料为用于制备绝缘保护层的烧结型浆料，可选的为三氧化二铬、氧化铝、氮化铝、氧化硅、氮化硅、碳化硅、金刚石及掺杂金刚石中的任一种制得的浆料。

进一步可选地，所述步骤一中，所述金属基底的端面上由内至外生成有压电层和绝缘保护层，所述步骤二中将用于制备电极层的浆料导入所述丝网板表面，用刮刀使浆料填入与绝缘保护层表面。

本发明中通过丝网印刷技术在金属基底的端面上制作电极层，在制作绝缘保护之前预先在金属基底的端面上生成压电层和绝缘保护层，压电层与金属基底之间，绝缘保护层与压电层之间为原子级别结合，所述原子级别结合为采用物理气相沉积技术、化学气相沉积技术和脉冲激光沉积技术中的任一种，例如采用磁控溅射加工技术在金属基底的端面上生成压电层，在压电层的表面生成绝缘保护层。步骤二中的浆料为用于制备电极层的烧结型金属浆料，金属浆料不限于铝、银、镍及其合金浆料中的一种。同时，本发明还可以对功能层的材质再结晶温度的考量，采用不同的金属浆料印刷外层电极，在高温场景下的预紧力传感器可以用镍代替银浆料，极大的降低电极的制造成本。

进一步可选地，丝网印刷的制得的所述电极层包括内电极和外电级，所述内电极位于所述外电极内且与所述外电极间隔设置，所述步骤三之后还包括：

步骤四，在所述内电极和所述外电极之间的间隔内设置用于分隔所述内电极和所述外电极的掩膜。

本发明中通过在内电机和外电极之间的间隙中设置掩膜环以将电极层的内外电极进行分隔，防止内外电极导通。

本发明第三方面还提出了一种基于金属基底的薄膜传感器，所述薄膜传感器采用本发明第一方面所提出的丝网印刷装置制得，或采用本发明第二方面所提出的加工工艺制得。

本发明的基于金属基底的薄膜传感器从里至外依次为压电层、绝缘保护层和电极层。压电层是声信号与电信号相互转换的绝缘保护层结构，绝缘保护层是保护压电层的作用，减少各种复杂服役环境对压电层的影响，提高传感器的服役寿命。外层金属电极层具有发出和接收电信号的作用。金属基底的材质、大小可根据应用场景的不同而设计形态材质各异的基底，优选为螺栓基底。本发明所述的金属基底的材料可选的为不锈钢、钛合金、高温合金、铝合金中的任一种；所述压电层的材料可选的为氧化锌、氮化铝、硫化镉、硫化锌、氧化坦、铌酸锂、钛酸铅以及聚偏氟乙烯中的任一种，所述压电层的材料形成的薄膜的厚度为0.1μm-30μm；所述电极层的材料为锡、铟、铝及其合金中的任一种，所述电极层的材料形成的薄膜的厚度为0.1μm-50μm。所述绝缘保护层采用耐磨耐腐蚀的高电阻绝缘材料，该绝缘保护层的设计不仅可以起到保护压电层材料作用，减小外部环境对压电层材料的性能影响，同时还能起到电绝缘隔离的作用。绝缘保护层的材料可选的为三氧化二铬、氧化铝、氮化铝、氧化硅、氮化硅、碳化硅、金刚石及掺杂金刚石中的任一种制得的浆料，所述绝缘保护层的材料形成的薄膜的厚度为0μm-50μm(不为0)。

采用上述技术方案后，本发明与现有技术相比具有以下有益效果：

本发明通过采用丝网印刷技术来制备薄膜传感器的层结构极大的提高了薄膜传感器的加工效率，同时无需大面积的真空腔室即可实现高效生产，在一定程度上降低了生产成本。

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步详细的描述。

附图说明

附图作为本发明的一部分，用来提供对本发明的进一步的理解，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，但不构成对本发明的不当限定。显然，下面描述中的附图仅仅是一些实施例，对于本领域普通技术人员来说，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他附图。在附图中：

图1：为本发明实施例的丝网印刷结构的结构图。

图2：为本发明实施例的底座结构图。

图3：为本发明实施例的丝网印刷装置丝网印刷时丝网印刷结构与底座的配合图。

图4：为本发明实施例二的加工工艺的工艺流程图。

图5：为本发明实施例三的加工工艺的工艺流程图。

图6：为本发明实施例的丝网印刷装置采用丝网印刷技术得到的基于金属基底的薄膜传感器的功能层结构图。

其中：1-边框；2-丝网板；3-镂空图形；4-刮刀；5-底座；6-金属基底；7-定位部；8-电极层；9-绝缘保护层；10-压电层；11-下沉台阶。

需要说明的是，这些附图和文字描述并不旨在以任何方式限制本发明的构思范围，而是通过参考特定实施例为本领域技术人员说明本发明的概念。

具体实施方式

在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”、“接触”、“连通”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

为了解决现有技术制备薄膜传感器的效率低，工艺成本高技术问题，本实施例提出了一种采用丝网印刷技术来制备薄膜传感器的层结构，提出了薄膜传感器的制作新思路，极大提高了薄膜传感器的生产效率、显著降低工艺生产成本。

实施例一

本实施例公开了一种用于制备基于金属基底6的薄膜传感器的丝网印刷装置，结合图1-图3，包括底座5和印刷丝网结构，其中底座5上设有至少一个定位部7，定位部7用于对金属基底6进行定位；优选在底座5上设置多个定位部7，如此可同时在多个金属基底6的端面上丝网印刷薄膜传感器的层结构。印刷丝网结构用于在金属基底6上丝网印刷薄膜传感器的层结构，丝网印刷结构包括丝网板2，丝网板上预设有与层结构适配的镂空图形3，镂空图形3与定位部7的位置对应，如此由镂空图形3的空隙中流下的浆料直接落入到位于定位部7的金属基底6的端面上。

可选地，结合图2，定位部7为形成在底座5上的定位孔，定位孔的结构与金属基底6的结构适配，定位孔用于金属基底6插入其中，定位孔被构造为金属基底6插入时金属基底6用于制备层结构的端面处于定位孔的孔口处，以便于丝网印刷的浆料落入金属基底6的端面上。

为了避免丝网印刷过程中丝网板2与底座5之间出现移位造成浆料落入到金属基底6端面以外的位置，优选在底座5的四周边缘设有下沉台阶11，结合图2和图3，丝网印刷结构包括设置在丝网板2四周的边框1，丝网印刷过程中，边框1的下端卡接在下沉台阶11上。

在其他可实施方式中，还可以通过在边框1与底座5的四周边缘之间设置卡扣结构，在丝网印刷时直接将边框1卡扣在底座5上。

可选地，印刷丝网结构用于丝网印刷电极层8，镂空图像包括第一镂空部和位于第一镂空部内的第二镂空部，第一镂空部之间通过阻隔环分隔。第一镂空部用于制备电极层的外电级，第二镂空部用于制备电极层8的内电极，且第一镂空部与第二镂空部之间的阻隔环形成了内电极和外电极之间的间隙，便于制备内电极和外电极之间的掩膜环。

可选地，丝网印刷装置用于丝网印刷绝缘保护层9或电极层8。优选一个底座5可对应多个丝网印刷结构，不同丝网印刷结构的丝网板2设置对应不同层结构的镂空图形3，在一个可实施的方式中，底座5对应用于丝网印刷绝缘保护层9的丝网印刷结构和丝网印刷电极层8的丝网印刷结构，可根据需要采用不同的丝网印刷结构来丝网印刷绝缘保护层9和/或电极层8，或者先丝网印刷绝缘保护层9后再在绝缘保护层9上丝网印刷电极层8。

实施例二

本实施例为采用实施例一的丝网印刷装置制备电极层8的加工工艺，结合图4的工艺流程图，本实施例的加工工艺包括如下步骤：

步骤一、定位：将采用物理气相沉积法在金属基底6的端面上溅射好压电层10和绝缘保护层9的金属基底6放入底座5的定位部7中，将底座5四周与边框1紧扣，使预设的电极镂空图形3与绝缘保护层9表面对齐；

步骤二、刮浆：将烧结型银浆料入丝网板2表面，用刮刀4使银浆料透过预设的电极镂空图形3落入到绝缘保护层9上形成电极层8图案。

步骤三、固化：将印刷好电极层8的薄膜传感器放入真空干燥箱中进行固化，固化温度为120℃-150℃，固化时间为10-20mi n。

步骤四、在印刷好的电极层8的内电极和外电极之间的间隔内制备用于分隔内电极和所述外电极的掩膜。

实施例三

本实施例为采用实施例一的丝网印刷装置制备绝缘保护层9的加工工艺，结合图5的工艺流程图，本实施例的加工工艺包括如下步骤：

步骤一、定位：将采用物理气相沉积法在金属基底6的端面上溅射好压电层10的金属基底6放入底座5的定位部7中，将底座5四周与边框1紧扣，使预设的电极镂空图形3与压电层10表面对齐；

步骤二、刮浆：将由绝缘材质制得的浆料入丝网板2表面，用刮刀4使绝缘浆料透过预设的绝缘保护层9镂空图形3落入到压电层10上形成绝缘保护层9图案，所述浆料的成份可选的为三氧化二铬、氧化铝、氮化铝、氧化硅、氮化硅、碳化硅、金刚石及掺杂金刚石中的任一种制得的浆料。

步骤三、固化：将印刷好绝缘保护层9的薄膜传感器放入真空干燥箱中进行固化，固化温度为120℃-150℃，固化时间为10-20mi n。

步骤四、在印刷好的绝缘保护层9上制备电极层8。本实施例中可采用物理气相沉积法在绝缘保护层9上制备电极层8，还可以采用实施例二的丝网印刷工艺制备电极层8。

实施例四

本实施例的基于金属基底6的薄膜传感器采用实施例一的丝网印刷装置、实施例二或实施例三的加工工艺制得。

结合图6，本实施例的基于金属基底6的薄膜传感器从里至外依次为压电层10、绝缘保护层9和电极层8。压电层10是声信号与电信号相互转换的绝缘保护层9结构，绝缘保护层9是保护压电层10的作用，减少各种复杂服役环境对压电层10的影响，提高传感器的服役寿命。外层金属电极层8具有发出和接收电信号的作用。金属基底6的材质、大小可根据应用场景的不同而设计形态材质各异的基底，优选为螺栓基底。薄膜传感器包括压电层、绝缘保护层和电极层；压电层的材料可选的为氧化锌、氮化铝、硫化镉、硫化锌、氧化坦、铌酸锂、钛酸铅以及聚偏氟乙烯中的任一种；电极层的材料为锡、铟、铝及其合金中的任一种；绝缘保护层的材料可选的为三氧化二铬、氧化铝、氮化铝、氧化硅、氮化硅、碳化硅、金刚石及掺杂金刚石中的任一种。压电层10的材料形成的薄膜的厚度为0.1μm-30μm；电极层8的材料形成的薄膜的厚度为0.1μm-50μm。绝缘保护层9的材料形成的薄膜的厚度为0μm-50μm(不为0)。

以上所描述的装置实施例仅仅是示意性的，其中所述作为分离部件说明的单元可以是或者也可以不是物理上分开的，作为单元显示的部件可以是或者也可以不是物理单元，即可以位于一个地方，或者也可以分布到多个网络单元上。可以根据实际的需要选择其中的部分或者全部模块来实现本实施例方案的目的。本领域普通技术人员在不付出创造性的劳动的情况下，即可以理解并实施。

以上所述仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，虽然本发明已以较佳实施例揭露如上，然而并非用以限定本发明，任何熟悉本专利的技术人员在不脱离本发明技术方案范围内，当可利用上述提示的技术内容作出些许更动或修饰为等同变化的等效实施例，但凡是未脱离本发明技术方案的内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均仍属于本发明方案的范围内。

Claims (10)

1.一种用于制备基于金属基底的薄膜传感器的丝网印刷装置，其特征在于，包括

底座，所述底座上设有至少一个定位部，所述定位部用于对所述金属基底进行定位；

印刷丝网结构，用于在所述金属基底上丝网印刷所述薄膜传感器的层结构，所述丝网印刷结构包括丝网板，所述丝网板上预设有与所述层结构适配的镂空图形，所述镂空图形与所述定位部的位置对应。

2.根据权利要求1所述的丝网印刷装置，其特征在于，所述定位部为形成在所述底座上的定位孔，所述定位孔用于所述金属基底插入其中，所述定位孔被构造为所述金属基底插入时所述金属基底用于制备所述层结构的端面处于所述定位孔的孔口处。

3.根据权利要求1所述的丝网印刷装置，其特征在于，所述底座的四周边缘设有下沉台阶，所述丝网印刷结构包括设置在所述丝网板四周的边框，丝网印刷过程中，所述边框的下端卡接在所述下沉台阶上。

4.根据权利要求2所述的丝网印刷装置，其特征在于，所述印刷丝网结构用于丝网印刷电极层，所述镂空图像包括第一镂空部和位于所述第一镂空部内的第二镂空部，所述第一镂空部之间通过阻隔环分隔。

5.根据权利要求1-3任意一项所述的丝网印刷装置，其特征在于，所述丝网印刷装置用于丝网印刷绝缘保护层或电极层。

6.一种基于丝网印刷工艺制备基于金属基底的薄膜传感器的加工工艺，其特征在于，所述加工工艺采用权利要求1-5任意一项所述的丝网印刷装置，所述加工工艺包括如下步骤：

步骤一：将金属基底置于所述定位部上；

步骤二：将丝网板盖在所述底座上，使预设的镂空图形与金属基底对齐，将烧结型浆料倒入所述丝网板表面，采用刮刀使浆料透过镂空图形在金属基底上形成对应的图案层；

步骤三：将印刷好层结构的金属基底进行固化处理。

7.根据权利要求6所述的加工工艺，其特征在于，所述步骤一中，所述金属基底的端面上生成有压电层；

所述步骤二中将用于制备绝缘保护层的浆料导入所述丝网板表面，用刮刀使浆料落入与所述压电层表面。

8.根据权利要求6所述的加工工艺，其特征在于，所述步骤一中，所述金属基底的端面上由内至外生成有压电层和绝缘保护层，所述步骤二中将用于制备电极层的浆料导入所述丝网板表面，用刮刀使浆料填入与绝缘保护层表面。

9.根据权利要求8所述的加工工艺，其特征在于，丝网印刷的制得的所述电极层包括内电极和外电极，所述内电极位于所述外电极内且与所述外电极间隔设置，所述步骤三之后还包括：

步骤四，在所述内电极和所述外电极之间的间隔内设置用于分隔所述内电极和所述外电极的掩膜。

10.一种基于金属基底的薄膜传感器，其特征在于，所述薄膜传感器采用权利要求1-5任意一项所述的丝网印刷装置制得，或采用权利要求6-9任意一项所述的加工工艺制得；

所述薄膜传感器包括压电层、绝缘保护层和电极层；

所述压电层的材料可选的为氧化锌、氮化铝、硫化镉、硫化锌、氧化坦、铌酸锂、钛酸铅以及聚偏氟乙烯中的任一种；所述电极层的材料为锡、铟、铝及其合金中的任一种；所述绝缘保护层的材料可选的为三氧化二铬、氧化铝、氮化铝、氧化硅、氮化硅、碳化硅、金刚石及掺杂金刚石中的任一种。

Images