CN115805375A - 一种互锁一体化微结构的压力传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种互锁一体化微结构的压力传感器，一体化压力敏感层包括正锥度微结构、负锥度微结构和下压力敏感层；正锥度微结构和负锥度微结构分别设置在下压力敏感层的上表面，负锥度微结构和正锥度微结构分别呈阵列设置，并且负锥度微结构位于呈矩形排列的四个正锥度微结构的中心处以形成互锁配合关系；一体化压力敏感层与上压力敏感层聚合连接，形成总压力敏感层；总压力敏感层与上电极、下电极电性连接，上封装层、下封装层与电极固定连接。本发明还提了上述压力传感器的制造方法，通过五轴振镜飞秒激光器在聚合物上进行负锥度微结构和正锥度微结构一体化的压力敏感层制造，通过一体化的结构设计使得传感器稳定性得到提升。
Description
技术领域
本发明涉及柔性传感器结构设计及制造技术领域，尤其设计一种互锁一体化微结构的压力传感器及其制造方法。
背景技术
电子皮肤的一个长期挑战是在严苛的使用环境下稳定性较差，这是因为传感器内部接触界面在长时间、大压力载荷下容易失稳。人体皮肤由表皮、真皮和皮下脂肪层组成，具有良好的连接界面，相比之下，传感器由于是堆叠封装而成，存在间隙和连接不充分的部分，这导致机械稳定性受损。因此，在复杂的机械变形下，层的分层或分离很容易发生，在很大程度上破坏了电子皮肤的性能。因此，迫切需要在电子皮肤和传感器-机器人集成的不同层之间形成稳定的连接界面。对此，申请人提出一种互锁一体化微结构的压力传感器设计制造方法，设计了互锁一体化微结构阵列作为压力敏感层，通过三维五轴振镜激光器加工，可以有效解决传感器稳定性问题。
发明内容
有鉴于此，本发明提出一种互锁一体化微结构的压力传感器设计制造方法，利用三维五轴振镜激光设备加工聚合物材料，制造出具备正锥度和负锥度微结构互锁一体化微结构的压力敏感层，利用具备互锁一体化压力敏感层以提升传感器稳定性和灵敏度性能。
为了解决上述的技术问题，本发明提供了一种互锁一体化微结构的压力传感器，包括：一体化压力敏感层、下电极、上电极、上压力敏感层、下封装层、上封装层；
所述一体化压力敏感层包括正锥度微结构、负锥度微结构和下压力敏感层；所述正锥度微结构和负锥度微结构分别设置在下压力敏感层的上表面，所述负锥度微结构和正锥度微结构分别呈阵列设置，并且负锥度微结构位于呈矩形排列的四个正锥度微结构的中心处以形成互锁配合关系；
所述一体化压力敏感层与上压力敏感层聚合连接，形成总压力敏感层；总压力敏感层与上电极、下电极电性连接，上封装层、下封装层与电极固定连接。
在一较佳实施例中：所述正锥度和负锥度微结构为圆锥和棱锥中的一种；所述阵列为N×M阵列(N≥10，M≥10)。
本发明还提供了一种互锁一体化微结构的压力传感器的制造方法，包括如下步骤：
S1采用三维五轴振镜飞秒激光器对聚合物材料进行激光减材加工，制成一体化压力敏感层和上压力敏感层；所述一体化压力敏感层包括正锥度微结构、负锥度微结构和下压力敏感层；所述正锥度微结构和负锥度微结构分别设置在下压力敏感层的上表面，所述负锥度微结构和正锥度微结构分别呈阵列设置，并且负锥度微结构位于呈矩形排列的四个正锥度微结构的中心处以形成互锁配合关系；
S2对一体化压力敏感层上的微结构表面进行导电处理；
S3在一体化压力敏感层的正锥度微结构下表面和上压力敏感层下表面进行电极加工；
S4将上压力敏感层与一体化压力敏感层上表面聚合连接，制造成总压力敏感层；
S5将上封装层、总压力敏感层和下封装层依次堆叠封装形成传感器。
在一较佳实施例中：所述正锥度和负锥度微结构为圆锥和棱锥中的一种；所述阵列为N×M阵列(N≥10，M≥10)。
在一较佳实施例中：所述三维五轴振镜飞秒激光器中的激光器为紫外、红外、绿光激光器中的一种。
在一较佳实施例中：所述三维五轴振镜飞秒激光器中的三维五轴振镜为激光束五轴振镜；其中α、β轴实现空间锥度偏转，Z轴实现焦点上下移动，X、Y轴实现焦点水平面移动。
在一较佳实施例中：所述α、β轴偏转角范围为±8°，所述三维五轴振镜的重复精度≤0.5μm。
在一较佳实施例中：所述导电处理为喷涂发和浸泡法中的一种，喷涂材料为导电材料；所述导电材料为碳基材料、MOF、DEPOT:PSS聚合物、MXene中的一种。
在一较佳实施例中：所述聚合连接方法分为方法一和方法二两种；
所述方法一为对上压力敏感层进行氧等离子体处理，然后在压力下进行键合；
所述方法二为采用与压力敏感层相同的聚合物材料，将其涂覆至上压力敏感层表面，并与一体化压力敏感层在高压力下配合，使其固化交联形成强连接
相较于现有技术，本发明的技术方案具备以下有益效果：
本发明提供了一种互锁一体化微结构的压力传感器及其制造方法，通过三维五轴振镜飞秒激光器负入射角加工特点，在聚合物基底上制造出具有负锥度微结构互锁的一体化微结构阵列作为压力敏感层，并通过聚合连接工艺实现压力敏感层一体化结构，有效提升传感器的稳定性。本方法制造的柔性压力传感器，具有同时具备高灵敏度的特点。
附图说明
图1为本发明实施例中压力传感器的结构示意图；
图2为本发明实施例中压力传感器制造方法的流程示意图；
图3为本发明实施例中压力传感器互锁一体化微结构(棱锥)局部示意图；
图4为本发明实施例中压力传感器互锁一体化微结构(圆锥)局部示意图；
图5为本发明实施例中三维五轴振镜激光焦点偏移示意图；
图6为本发明实施例中三维五轴振镜负锥度入射角示意图。
具体实施方式
下文结合附图和具体实施方式对本发明做进一步说明。
参阅图1和图2，一种互锁一体化微结构的压力传感器设计制造方法，所述压力传感器设计包括：一体化压力敏感层1、下电极2、上电极3、上压力敏感层4、下封装层5、上封装层6；所述一体化压力敏感层1包括正锥度微结构1-1、负锥度微结构1-2和下压力敏感层1-3。所述正锥度微结构1-1和负锥度微结构1-2分别设置在下压力敏感层1-3的上表面，所述负锥度微结构1-2和正锥度微结构1-1分别呈阵列设置，所述阵列为N×M阵列(N≥10，M≥10)。并且负锥度微结构1-2位于呈矩形排列的四个正锥度微结构1-1的中心处以形成互锁配合关系；
所述一体化压力敏感层1与上压力敏感层4聚合连接，形成总压力敏感层；总压力敏感层与上电极3、下电极2电性连接，上封装层6、下封装层5与电极固定连接。所述正锥度微结构1-1与负锥度微结构1-2倒置形成互锁配合关系。所述正锥度结构1-1和负锥度微结构1-2可以为圆锥和棱锥中的一种，可参阅图3和图4。
所述压力传感器的制造方法包括：
S1采用三维五轴振镜飞秒激光器对聚合物材料进行激光减材加工，制成一体化压力敏感层1和上压力敏感层4。所述一体化压力敏感层1由正锥度微结构1-1和负锥度微结构1-2组成。通常情况下，正锥度微结构1-1可采用激光器加工，但是负锥度微结构1-2无法采用一般的激光器进行加工，因为一般的激光器无法进行负锥度光束偏转。为了实现负锥度微结构1-2加工，采用三维五轴振镜进行加工，所述三维五轴振镜飞秒激光器为紫外、红外、绿光激光器中的一种。所述五轴振镜为激光束五轴(X,Y,Z,α,β)振镜。所述(α,β)轴实现空间锥度偏转，所述Z轴实现焦点上下移动，所述(X,Y)轴实现焦点水平面移动，可参阅图5。所述(α,β)轴偏转可实现负入射角加工，进而实现负锥度微结构1-2的制造，可参阅图6。经过加工后，所述正锥度微结构1-1和负锥度微结构1-2分别设置在下压力敏感层1-3的上表面，所述负锥度微结构1-2和正锥度微结构1-1分别呈阵列设置，所述阵列为N×M阵列(N≥10，M≥10)。并且负锥度微结构1-2位于呈矩形排列的四个正锥度微结构1-1的中心处以形成互锁配合关系。
S2对一体化压力敏感层1上的微结构表面进行导电处理；所述导电处理为喷涂发和浸泡法中的一种，喷涂材料为导电材料；所述导电材料为碳基材料、MOF、DEPOT:PSS聚合物、MXene中的一种。
S3在一体化压力敏感层1的正锥度微结构1-1下表面和上压力敏感层4下表面进行电极加工。
S4将上压力敏感层4与一体化压力敏感层1上表面聚合连接，制造成总压力敏感层；所述聚合连接方法分为方法一和方法二。所述方法一为对上压力敏感层进行氧等离子体处理，然后在压力、高温下进行键合。所述方法二为采用与压力敏感层相同的聚合物材料，将其涂覆至上压力敏感层表面，并与一体化压力敏感层在压力下配合，使其固化交联形成强连接。所述温度为80-120℃，所述压力＞10N。
S5将上封装层6、总压力敏感层和下封装层5依次堆叠封装形成压力传感器。
以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的设计构思并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，利用此构思对本发明进行非实质性的改动，均属于侵犯本发明保护范围的行为。
Claims (9)
1.一种互锁一体化微结构的压力传感器，其特征在于包括：一体化压力敏感层、下电极、上电极、上压力敏感层、下封装层、上封装层；
所述一体化压力敏感层包括正锥度微结构、负锥度微结构和下压力敏感层；所述正锥度微结构和负锥度微结构分别设置在下压力敏感层的上表面，所述负锥度微结构和正锥度微结构分别呈阵列设置，并且负锥度微结构位于呈矩形排列的四个正锥度微结构的中心处以形成互锁配合关系；
所述一体化压力敏感层与上压力敏感层聚合连接，形成总压力敏感层；总压力敏感层与上电极、下电极电性连接，上封装层、下封装层与电极固定连接。
2.根据权利要求1所述的一种互锁一体化微结构的压力传感器，其特征在于：所述正锥度和负锥度微结构为圆锥和棱锥中的一种；所述阵列为N×M阵列(N≥10，M≥10)。
3.一种互锁一体化微结构的压力传感器的制造方法，其特征在于包括如下步骤：
S1采用三维五轴振镜飞秒激光器对聚合物材料进行激光减材加工，制成一体化压力敏感层和上压力敏感层；所述一体化压力敏感层包括正锥度微结构、负锥度微结构和下压力敏感层；所述正锥度微结构和负锥度微结构分别设置在下压力敏感层的上表面，所述负锥度微结构和正锥度微结构分别呈阵列设置，并且负锥度微结构位于呈矩形排列的四个正锥度微结构的中心处以形成互锁配合关系；
S2对一体化压力敏感层上的微结构表面进行导电处理；
S3在一体化压力敏感层的正锥度微结构下表面和上压力敏感层下表面进行电极加工；
S4将上压力敏感层与一体化压力敏感层上表面聚合连接，制造成总压力敏感层；
S5将上封装层、总压力敏感层和下封装层依次堆叠封装形成传感器。
4.根据权利要求1所述的一种互锁一体化微结构的压力传感器的制造方法，其特征在于：所述正锥度和负锥度微结构为圆锥和棱锥中的一种；所述阵列为N×M阵列(N≥10，M≥10)。
5.根据权利要求1所述的一种互锁一体化微结构的压力传感器的制造方法，其特征在于：所述三维五轴振镜飞秒激光器中的激光器为紫外、红外、绿光激光器中的一种。
6.根据权利要求1所述的一种互锁一体化微结构的压力传感器的制造方法，其特征在于：所述三维五轴振镜飞秒激光器中的三维五轴振镜为激光束五轴振镜；其中α、β轴实现空间锥度偏转，Z轴实现焦点上下移动，X、Y轴实现焦点水平面移动。
7.根据权利要求6所述的一种互锁一体化微结构的压力传感器的制造方法，其特征在于：所述α、β轴偏转角范围为±8°，所述三维五轴振镜的重复精度≤0.5μm。
8.根据权利要求1所述的一种互锁一体化微结构的压力传感器的制造方法，其特征在于：所述导电处理为喷涂发和浸泡法中的一种，喷涂材料为导电材料；所述导电材料为碳基材料、MOF、DEPOT:PSS聚合物、MXene中的一种。
9.根据权利要求1所述的一种互锁一体化微结构的压力传感器的制造方法，其特征在于：所述聚合连接方法分为方法一和方法二两种；
所述方法一为对上压力敏感层进行氧等离子体处理，然后在压力下进行键合；
所述方法二为采用与压力敏感层相同的聚合物材料，将其涂覆至上压力敏感层表面，并与一体化压力敏感层在高压力下配合，使其固化交联形成强连接。
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