CN116164856A - 柔性温度传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供了一种柔性温度传感器及其制备方法，包括：柔性绝缘基底、正极热电偶薄膜以及负极热电偶薄膜；正极热电偶薄膜和负极热电偶薄膜设置在柔性绝缘基底上，正极热电偶薄膜的一端与负极热电偶薄膜的一端重叠作为温度敏感区域，正极热电偶薄膜的另一端与负极热电偶薄膜的另一端共同作为冷端。本发明可以高效、简易地在PET、PI柔性基底上制备出线性度好的薄膜温度传感器。

Description

柔性温度传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及温度测量技术领域，具体地，涉及一种柔性温度传感器及其制备方法。
背景技术
随着可穿戴设备概念的提出，用于健康管理和医疗改善的可穿戴电子产品蓬勃发展。伴随微机电系统制备工艺的不断发展，其已越来越广泛地应用于电子设备、机器人皮肤等行业。在生物物理治疗中，温度作为最常用的物理参数之一，直接影响甚至决定着生理生化反应的产量和速率。另一方面，对体温调节机制不完善的麻醉患者进行实时准确的体温测量，将大大提高其医疗质量，也可用于疾病预测甚至术后恢复。
目前，制备柔性薄膜温度传感器的主要方法是直接在柔性基底上，通过物理沉积、印刷、喷墨打印等方法制备薄膜热电偶。印刷法和喷墨法可以低成本，高效地在柔性基底上制备薄膜热电偶，但是在制备固化过程中，大量有机分散剂和粘结剂的挥发，会导致在制备薄膜热电偶表面和内部留下大量的微孔，制备的薄膜热电偶线性度差，且与有机基底之间的结合力很弱。物理沉积法相比于以上方法制备的薄膜致密度高、孔洞少，但是在制备过程中受柔性基底耐热性的影响，制备的薄膜结晶性差，大量晶界的存在制约着电子的传输。
因此，如何在柔性基底上制备出低电阻率和高线性度的高精度薄膜热电偶非常有必要，以解决现有传感器制备工艺复杂，制备成本较高的问题。
公开号为CN105177502B的专利文献公开了一种超光滑金属薄膜表面的制备方法，包括：步骤一、制备云母软基片；步骤二、在云母软基片表面真空蒸镀一层金属薄膜；步骤三、通过粘接剂与金属薄膜间的初粘力使金属薄膜片均匀地贴附到基底上；固化后云母软基片、金属薄膜层及基底的三明治夹层结构；步骤四、将步骤三中的三明治夹层结构浸泡于溶剂中，用镊子夹持基底，在溶剂中轻微的晃动或是轻柔地拖拽云母软基片，利用溶剂的表面张力去除最外层的云母软基片，得到了超光滑的金属薄膜表面。但是该专利文献采用NiCr和NiSi薄膜作为热电偶敏感材料，其塞贝克系数相对于半导体In2O3和ITO较低，且NiCr和NiSi薄膜不透明，无法满足透明电子面板等领域的需求。
公开号为CN112729580A的专利文献公开了一种柔性温度传感器及其制备方法，包括柔性绝缘基底以及设置于柔性绝缘基底上的正极热电偶薄膜及负极热电偶薄膜，其中，正极热电偶薄膜的一端与负极热电偶薄膜的一端重叠作为温度敏感区域，正极热电偶薄膜的另一端与负极热电偶薄膜的另一端作为冷端。但是该专利文献制备的柔性薄膜温度传感器，在制备过程中由于大量有机溶剂的涉入，以及受限于柔性基底耐热性的影响，无法对薄膜进行高温热处理，导致热电偶的热电输出特性不稳定、电阻率偏高，线性度较差，制备的薄膜温度传感器不能满足微型柔性集成电子器件需求。
公开号为CN109764971B的专利文献公开了一种柔性温度传感器及其制作方法和柔性设备，所述柔性温度传感器包括：柔性基板，柔性基板上设有电极；混合液体，混合液体设于柔性基板上并与电极接触，混合液体包括离子液体和多孔导电黑色颗粒材料；保护板，保护板设在柔性基板的设有混合液体的一侧，以保护混合液体。但是该专利文献仍然存在制备薄膜热电偶表面和内部留下大量的微孔，制备的薄膜热电偶线性度差的缺陷。
发明内容
针对现有技术中的缺陷，本发明的目的是提供一种柔性温度传感器及其制备方法。
根据本发明提供的一种柔性温度传感器，包括：柔性绝缘基底、正极热电偶薄膜以及负极热电偶薄膜；
所述正极热电偶薄膜和所述负极热电偶薄膜设置在所述柔性绝缘基底上，所述正极热电偶薄膜的一端与所述负极热电偶薄膜的一端重叠作为温度敏感区域，所述正极热电偶薄膜的另一端与所述负极热电偶薄膜的另一端共同作为冷端。
优选的，所述柔性绝缘基底的材质为PET或PI。
优选的，所述正极热电偶薄膜的材质为氧化铟锡，所述负极热电偶薄膜的材质为氧化铟。
本发明还提供一种柔性温度传感器的制备方法，用于制备上述的柔性温度传感器，包括如下步骤：
步骤1：对陶瓷片基底进行预处理；
步骤2：对预处理过的陶瓷片基底进行均胶烘干；
步骤3：对均胶烘干后的陶瓷片基底进行光刻显影；
步骤4：对显影后的陶瓷片基底进行溅射镀膜，形成正极热电偶薄膜，之后再次重复步骤1～4，形成负极热电偶薄膜；
步骤5：对在陶瓷片基底上制备好的薄膜热电偶进行高温退火处理；
步骤6：将柔性PET或PI旋涂与步骤5处理后的样片表面并固化，进行薄膜热电偶向柔性绝缘基底上的转印。
优选的，所述步骤1具体为：选择陶瓷片基底作为溅射基底，对溅射基底进行超声清洗，超声清洗流程依次为：弱碱超声清洗、丙酮超声清洗、酒精超声清洗、去离子水超声清洗；
超声清洗之后，用去离子水冲洗基底，用氮气将基底上的水渍吹干。
优选的，所述步骤2具体为：在清洗好的基底表面滴满光刻胶，然后将基底转移至烘箱中进行烘烤，使光刻胶与基底结合。
优选的，所述步骤3具体为：将完成覆胶的基底在紫外光下曝光，将与光刻胶配套的显影液与去离子水按预设比例混合配制出浸泡液，把基底浸没在浸泡液中，控制显影时间，之后取出基底用去离子水冲洗，再用氮气将基底吹干。
优选的，所述步骤4具体为：对显影后的基底表面进行薄膜热电偶的溅射沉积，溅射沉积条件是：溅射功率为150W，背底真空5*10-4Pa,射气压是氩气0.4Pa，溅射时间为20～50min；
所述步骤5具体为：将陶瓷片基底上制备好的薄膜热电偶置于600～800℃温度的大气环境下烧结0.5～2h。
优选的，所述步骤6具体为：用吸管在经过高温处理的基底上抹涂一层PI或PET溶剂，经均胶、固化后，将溅射基底固定，沿一侧使柔性基底与溅射基底进行剥离，使薄膜热电偶与溅射基底发生分离，并完成薄膜热电偶向柔性基底上的转印，得到柔性薄膜热电偶温度传感器。
优选的，利用应力诱导微剥离，通过调节溅射基底温度和薄膜厚度弱化薄膜热电偶在高温硬质基底表面的结合力，调控薄膜热电偶的微观结构，通过转印方法，实现薄膜传感器到柔性基底的转移。
与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：
1、本发明利用应力诱导微剥离，通过调节溅射基底温度和薄膜厚度弱化了薄膜热电偶在基底表面的结合力，并调控薄膜热电偶的微观结构，优化了薄膜电阻率和热电输出线性度；
2、通过本发明的制备方法，可以高效、简易地在PET、PI柔性基底上制备出线性度好的薄膜温度传感器；
3、本发明利用PVD法制备的正、负极热电偶薄膜致密，通过高温处理，调控微观结构，转印后得到的柔性薄膜电极的电阻率低，塞贝克系数高且线性度好；
4、本发明直接将液态柔性基底材料涂覆于热电偶材料之上进行固化，形成两者之间的机械咬合作用，增强了热电偶薄膜与柔性基底界面处的结合力；
5、本发明通过应力诱导弱化薄膜热电偶与基底表面界面结合力，实现了高效、无损和适用性强地转印；
6、本发明通过高温处理+转印的方式，打破了柔性基底耐热性的影响，可以对薄膜热电偶进行灵活的热处理，优化性能。
附图说明
通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本发明的其它特征、目的和优点将会变得更明显：
图1为本发明的柔性温度传感器的制备方法的步骤流程图；
图2为本发明的柔性温度传感器的制备的流程示意图；
图3为本发明的柔性温度传感器的结构图；
图4为不同温度退后ITO薄膜电阻率的变化图。
图中示出：
柔性绝缘基底1 温度敏感区域4
正极热电偶薄膜2 冷端5
负极热电偶薄膜3
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。
实施例1：
如图1～4所示，本实施例提供一种柔性温度传感器，包括：柔性绝缘基底1、正极热电偶薄膜2以及负极热电偶薄膜3，正极热电偶薄膜2和负极热电偶薄膜3设置在柔性绝缘基底1上，正极热电偶薄膜2的一端与负极热电偶薄膜3的一端重叠作为温度敏感区域4，正极热电偶薄膜2的另一端与负极热电偶薄膜3的另一端共同作为冷端5。
柔性绝缘基底1的材质为PET或PI，正极热电偶薄膜2的材质为氧化铟锡，负极热电偶薄膜3的材质为氧化铟。
本实施例还提供一种柔性温度传感器的制备方法，用于制备上述的柔性温度传感器，包括如下步骤：
步骤1：对陶瓷片基底进行预处理；步骤1具体为：选择陶瓷片基底作为溅射基底，对溅射基底进行超声清洗，超声清洗流程依次为：弱碱超声清洗、丙酮超声清洗、酒精超声清洗、去离子水超声清洗；超声清洗之后，用去离子水冲洗基底，用氮气将基底上的水渍吹干。
步骤2：对预处理过的陶瓷片基底进行均胶烘干；步骤2具体为：在清洗好的基底表面滴满光刻胶，然后将基底转移至烘箱中进行烘烤，使光刻胶与基底结合。
步骤3：对均胶烘干后的陶瓷片基底进行光刻显影；步骤3具体为：将完成覆胶的基底在紫外光下曝光，将与光刻胶配套的显影液与去离子水按预设比例混合配制出浸泡液，把基底浸没在浸泡液中，控制显影时间，之后取出基底用去离子水冲洗，再用氮气将基底吹干。
步骤4：对显影后的陶瓷片基底进行溅射镀膜，形成正极热电偶薄膜2，之后再次重复步骤1～4，形成负极热电偶薄膜3；步骤4具体为：对显影后的基底表面进行薄膜热电偶的溅射沉积，溅射沉积条件是：溅射功率为150W，背底真空5*10-4Pa,射气压是氩气0.4Pa，溅射时间为20～50min。
步骤5：对在陶瓷片基底上制备好的薄膜热电偶进行高温退火处理；步骤5具体为：将陶瓷片基底上制备好的薄膜热电偶置于600～800℃温度的大气环境下烧结0.5～2h。
步骤6：将薄膜热电偶向柔性基底上进行转印；步骤6具体为：用吸管在经过高温处理的基底上抹涂一层PI或PET溶剂，经均胶、固化后，将溅射基底固定，沿一侧使柔性基底与溅射基底进行剥离，使薄膜热电偶与溅射基底发生分离，并完成薄膜热电偶向柔性基底上的转印，得到柔性薄膜热电偶温度传感器。
本实施例的制备方法利用应力诱导微剥离，通过调节溅射基底温度和薄膜厚度弱化薄膜热电偶在高温硬质基底表面的结合力，调控薄膜热电偶的微观结构，通过转印方法，实现薄膜传感器到柔性基底的转移。
实施例2：
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的更为具体的说明。
本实施例公开了一种柔性温度传感器及其制备方法，本实施例首先在预处理后的基底上进行正极热电偶薄膜及负极热电偶薄膜的溅射沉积；其中，正极热电偶薄膜的一端与负极热电偶薄膜的一端重叠作为温度敏感区域，正极热电偶薄膜的另一端与负极热电偶薄膜的另一端作为冷端，然后将薄膜热电偶在高温炉中退火处理，降低电阻率，提高薄膜热电偶热电输出的线性度。之后将薄膜热电偶向柔性基底上转印，得到柔性薄膜温度传感器。
本实施例的柔性温度传感器的制备方法，利用应力诱导微剥离，通过调节溅射基底温度和薄膜厚度弱化了薄膜热电偶在高温硬质基底表面的结合力，调控薄膜热电偶的微观结构，通过转印方法，实现薄膜传感器到柔性基底的转移，最终优化柔性基底上的薄膜电阻温度传感器的线性度和薄膜热电偶热电输出线性度。
柔性绝缘基底1的材质为PET或PI(聚酰亚胺)等。对于热电阻温度传感器，热电阻薄膜为Pt或Au、Ni。对于热电偶，其正极热电偶薄膜2的材质为氧化铟锡，负极热电偶薄膜3的材质为氧化铟。
本实施例的柔性温度传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
步骤1～4，在清洗干净的硬质绝缘基底上甩胶，光刻，溅射薄膜，利用liftoff对薄膜进行图形化；
步骤5，薄膜热电偶的高温退火处理，将温度传感器薄膜在置于高温大气环境下退火0.5--2h；
步骤6，薄膜热电偶或热电阻向柔性基底上的转印方法：高温处理的陶瓷基底上悬涂一层PI或PET溶剂，经均胶、固化后；将溅射基底固定，沿一侧使柔性基底与溅射基底进行剥离，使薄膜热电偶与溅射基底发生分离，并完成薄膜热电偶向柔性基底上的转印，得到柔性薄膜热电偶温度传感器。
实施例3：
本领域技术人员可以将本实施例理解为实施例1的更为具体的说明。
本实施例提供一种柔性温度传感器包括PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)或PI(聚酰亚胺)等柔性基底1以及设置于柔性绝缘基底1上的正极热电偶薄膜2及负极热电偶薄膜3，其中，正极热电偶薄膜2的一端与负极热电偶薄膜3的一端重叠作为温度敏感区域4，正极热电偶薄膜的另一端与负极热电偶薄膜的另一端作为冷端5。
柔性绝缘基底的材质为PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)或PI(聚酰亚胺)任意一种。
负极热电偶薄膜的材质为氧化铟。正极热电偶薄膜的材质为氧化铟锡。
本实施例还提供一种柔性温度传感器的制备方法，具体包括以下步骤：
第一步，溅射基底预处理：
选择基底作为溅射基底；清洗流程为依次弱碱，丙酮、酒精和去离子水各超声清洗5min；其目的是为了去除基底表面的污染物和有机物。超声清洗之后，再用去离子水冲洗基底，最后用氮气将水渍吹干。
第二步，匀胶烘干：
基底清洗好之后需要进行匀胶，首先在基底表面滴满光刻胶，以1200r/min的速度匀胶30s，然后将基底转移至烘箱中，在90℃下烘烤15min，使光刻胶与基底结合牢固，并且避免光刻胶粘附在掩膜版上造成污染。
第三步，光刻显影：
对覆盖掩膜版的基底在紫外光下曝光。将与光刻胶配套的显影液与去离子水按1:3的比例混合把基底浸没在配好的溶液中，控制显影时间，之后取出基底用去离子水冲洗，再用氮气将基底吹干。
第四步，溅射镀膜：
在显影后的陶瓷基底表面进行薄膜热电偶的溅射沉积，溅射沉积条件是：溅射功率为150W，背底真空5X10-4 Pa,射气压是氩气0.4Pa，溅射时间为20-50min。
第五步，薄膜热电偶的高温退火处理，将温度传感器样本在置于600--800℃温度的大气环境下烧结0.5--2h。
第六步，薄膜热电偶向柔性基底上的转印方法；用吸管在经过高温处理的陶瓷基底上抹涂一层PI或PET溶剂；然后，经均胶、固化后；将溅射基底固定，沿一侧使柔性基底与溅射基底进行剥离，使薄膜热电偶与溅射基底发生分离，并完成薄膜热电偶向柔性基底上的转印，得到柔性薄膜热电偶温度传感器。
本实施例提供了一种柔性温度传感器及其制备方法，通过本实施例可以高效、简易地在PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PI(聚酰亚胺)等柔性基底上制备出柔性薄膜热电偶。
本实施例利用应力诱导微剥离，通过调节溅射基底温度和薄膜厚度弱化了薄膜热电偶热在陶瓷基底表面的结合力，并调控薄膜热电偶的微观结构，优化了薄膜电阻率和热电输出线性度。
本发明可以高效、简易地在PET、PI柔性基底上制备出线性度好的薄膜温度传感器。
在本申请的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“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申请和简化描述，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申请的限制。
以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。

Claims (10)

1.一种柔性温度传感器，其特征在于，包括：柔性绝缘基底(1)、正极热电偶薄膜(2)以及负极热电偶薄膜(3)；
所述正极热电偶薄膜(2)和所述负极热电偶薄膜(3)设置在所述柔性绝缘基底(1)上，所述正极热电偶薄膜(2)的一端与所述负极热电偶薄膜(3)的一端重叠作为温度敏感区域(4)，所述正极热电偶薄膜(2)的另一端与所述负极热电偶薄膜(3)的另一端共同作为冷端(5)。
2.根据权利要求1所述的柔性温度传感器，其特征在于，所述柔性绝缘基底(1)的材质为PET或PI。
3.根据权利要求1所述的柔性温度传感器，其特征在于，所述正极热电偶薄膜(2)的材质为氧化铟锡，所述负极热电偶薄膜(3)的材质为氧化铟。
4.一种柔性温度传感器的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1至3任一项所述的柔性温度传感器，包括如下步骤：
步骤1：对陶瓷片基底进行预处理；
步骤2：对预处理过的陶瓷片基底进行均胶烘干；
步骤3：对均胶烘干后的陶瓷片基底进行光刻显影；
步骤4：对显影后的陶瓷片基底进行溅射镀膜，形成正极热电偶薄膜(2)，之后再次重复步骤1～4，形成负极热电偶薄膜(3)；
步骤5：对在陶瓷片基底上制备好的薄膜热电偶进行高温退火处理；
步骤6：将柔性PET或PI旋涂与步骤5处理后的样片表面并固化，进行薄膜热电偶向柔性绝缘基底(1)上的转印。
5.根据权利要求1所述的柔性温度传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤1具体为：选择陶瓷片基底作为溅射基底，对溅射基底进行超声清洗，超声清洗流程依次为：弱碱超声清洗、丙酮超声清洗、酒精超声清洗、去离子水超声清洗；
超声清洗之后，用去离子水冲洗基底，用氮气将基底上的水渍吹干。
6.根据权利要求5所述的柔性温度传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤2具体为：在清洗好的基底表面滴满光刻胶，然后将基底转移至烘箱中进行烘烤，使光刻胶与基底结合。
7.根据权利要求6所述的柔性温度传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤3具体为：将完成覆胶的基底在紫外光下曝光，将与光刻胶配套的显影液与去离子水按预设比例混合配制出浸泡液，把基底浸没在浸泡液中，控制显影时间，之后取出基底用去离子水冲洗，再用氮气将基底吹干。
8.根据权利要求7所述的柔性温度传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤4具体为：对显影后的基底表面进行薄膜热电偶的溅射沉积，溅射沉积条件是：溅射功率为150W，背底真空5*10-4Pa,射气压是氩气0.4Pa，溅射时间为20～50min；
所述步骤5具体为：将陶瓷片基底上制备好的薄膜热电偶置于600～800℃温度的大气环境下烧结0.5～2h。
9.根据权利要求8所述的柔性温度传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤6具体为：用吸管在经过高温处理的基底上抹涂一层PI或PET溶剂，经均胶、固化后，将溅射基底固定，沿一侧使柔性基底与溅射基底进行剥离，使薄膜热电偶与溅射基底发生分离，并完成薄膜热电偶向柔性基底上的转印，得到柔性薄膜热电偶温度传感器。
10.根据权利要求9所述的柔性温度传感器的制备方法，其特征在于，利用应力诱导微剥离，通过调节溅射基底温度和薄膜厚度弱化薄膜热电偶在高温硬质基底表面的结合力，调控薄膜热电偶的微观结构，通过转印方法，实现薄膜传感器到柔性基底的转移。
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