CN117479451A - 柔性传感器以及柔性传感器的制作方法 - Google Patents

柔性传感器以及柔性传感器的制作方法 Download PDF

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戴俊
杨梅
李艳禄
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Hongqisheng Precision Electronics Qinhuangdao Co Ltd
Avary Holding Shenzhen Co Ltd
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Hongqisheng Precision Electronics Qinhuangdao Co Ltd
Avary Holding Shenzhen Co Ltd
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Abstract

一种柔性传感器，包括层叠设置的第一线路基板、绝缘层、以及第二线路基板，第一线路基板包括第一线路层、第一电阻层以及第一介质层，第一线路层包括多个绝缘连接的第一子线路，第一电阻层包括多个绝缘连接的第一子电阻；第二线路基板包括第二线路层、第二电阻层以及第二介质层，第二线路层包括多个绝缘连接的第二子线路，第二电阻层包括多个绝缘连接的第二子电阻；第一介质层与第二介质层位于柔性传感器的外侧，其中，对应设置的第一子线路、第一子电阻、第二子线路、第二子电阻形成一个的弯曲单元的一部分，多个弯曲单元之间独立控制，进而可以控制柔性传感器的复杂变形。本申请还提供一种柔性传感器的制作方法。

Description

柔性传感器以及柔性传感器的制作方法
技术领域
本申请涉及传感器技术领域，尤其涉及一种柔性传感器以及柔性传感器的制作方法。
背景技术
现有的柔性传感器100’基于内埋于薄膜的电阻层42’发热驱动来实现机构的细微制动。具体的，如图1所示，在两层材料层45’、46’之间设置电阻层42’，当材料层45’的热膨胀系数(CTE)大于材料层46’的热膨胀系数和/或当材料层45’的厚度大于材料层46’的厚度时，电阻层42’发热，热量传递给材料层45’、46’，材料层45’、46’受热膨胀，柔性传感器100’的两端会向下弯曲，即柔性传感器100’仅适用于特定方向的弯曲，同时电阻层42’两侧的材料层45’、46’均需吸收热量，功耗高。
发明内容
一种柔性传感器，包括第一线路基板、第二线路基板以及绝缘层，第一线路基板包括层叠设置的第一线路层、第一电阻层以及第一介质层，所述第一线路层包括多个绝缘连接的第一子线路，所述第一电阻层包括多个绝缘连接的第一子电阻，每一所述第一子线路与每一所述第一子电阻电连接；第二线路基板包括层叠设置的第二线路层、第二电阻层以及第二介质层，所述第二线路层包括多个绝缘连接的第二子线路，所述第二电阻层包括多个绝缘连接的第二子电阻，每一所述第二子线路与每一所述第二子电阻电连接，每一所述第二子电阻与对应的所述第一子电阻的投影至少部分重合；绝缘层设置于所述第一线路基板以及所述第二线路基板之间，以使所述第一线路基板与所述第二线路基板绝缘连接，所述第一介质层位于所述第一电阻层背离所述绝缘层的一侧，所述第二介质层位于所述第二电阻层背离所述绝缘层的一侧。
在一些实施方式中，所述柔性传感器包括多个第一气腔，所述第一气腔开设于所述第一子电阻与所述第二子电阻之间的所述绝缘层上。
在一些实施方式中，所述第一子电阻的部分表面与所述第二子电阻的部分表面暴露于所述第一气腔。
在一些实施方式中，所述绝缘层还设置于相邻的所述第一子电阻、相邻的所述第一子线路、相邻的所述第二子电阻和/或相邻的所述第二子线路之间，所述第一子电阻、所述第一子线路、所述绝缘层、所述第二子线路、所述第二子电阻围设形成所述第一气腔。
在一些实施方式中，相邻的所述第一子电阻、相邻的所述第一子线路、相邻的所述第二子电阻和/或相邻的所述第二子线路之间设置第二气腔。
在一些实施方式中，所述第一介质层的材质与所述第二介质层的材质相同。
在一些实施方式中，所述第一介质层的材质与所述第二介质层的材质不同。
一种柔性传感器的制作方法，包括以下步骤：提供第一线路基板，包括层叠设置的第一线路层、第一电阻层以及第一介质层，所述第一线路层包括多个绝缘连接的第一子线路，所述第一电阻层包括多个绝缘连接的第一子电阻，每一所述第一子线路与每一所述第一子电阻电连接；提供第二线路基板，包括层叠设置的第二线路层、第二电阻层以及第二介质层，所述第二线路层包括多个绝缘连接的第二子线路，所述第二电阻层包括多个绝缘连接的第二子电阻，每一所述第二子线路与每一所述第二子电阻电连接；提供绝缘层，按照所述第一线路基板、所述绝缘层以及所述第二线路基板的顺序叠加设置后并压合，以使每一所述第二子电阻与对应的所述第一子电阻的投影至少部分重合，形成所述柔性传感器。
在一些实施方式中，在压合步骤之前，冲压形成具有通孔的所述绝缘层，所述通孔与所述第一子电阻未被所述第一子线路覆盖的表面以及所述第二子电阻未被所述第二子线路覆盖的表面对应设置。
在一些实施方式中，在压合步骤之前，冲压形成具有通孔的所述绝缘层，所述通孔与所述第一介质层未被所述第一子电阻覆盖的表面以及所述第二介质层未被所述第二子电阻覆盖的表面对应设置。
本申请实施例提供的柔性传感器，通过设置在第一线路基板上设置多个绝缘连接的第一子线路、绝缘连接的第一子电阻、在第二线路基板上设置多个绝缘连接的第二子线路、绝缘连接的第二子电阻，使得对应设置的第一子线路、第一子电阻、第二子线路、第二子电阻形成一个的弯曲单元的一部分，多个弯曲单元之间独立控制，进而可以控制柔性传感器的复杂变形；另外，每一子电阻产生的热量仅需传递给位于电阻层一表面的介质层，热量利用率高，功耗小；进一步地，还可以根据需要控制第一子线路、第二子线路的电流大小，实现功耗最小化。
附图说明
图1为相关技术提供的柔性传感器的截面示意图。
图2为本申请一些实施例提供的柔性传感器的截面示意图。
图3为本申请另一些实施例提供的柔性传感器的截面示意图。
图4为本申请另一些实施例提供的柔性传感器的截面示意图。
图5为本申请一些实施例提供的制作第一线路基板的截面流程示意图。
图6为本申请另一些实施例提供的压合第一线路基板、绝缘层以及第二线路基板后形成图3所示的柔性传感器的截面流程示意图。
主要元件符号说明
如下具体实施方式将结合上述附图进一步说明本申请。
具体实施方式
为了能够更清楚地理解本申请的上述目的、特征和优点，下面结合附图和具体实施方式对本申请进行详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施方式及实施方式中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本申请，所描述的实施方式仅仅是本申请一部分实施方式，而不是全部的实施方式。
除非另有定义，本文所使用的所有的技术和科学术语与属于本申请的技术领域的技术人员通常理解的含义相同。本文中在本申请的说明书中所使用的术语只是为了描述具体的实施方式的目的，不是旨在于限制本申请。本文所使用的术语“和/或”包括一个或多个相关的所列项目的所有的和任意的组合。
在本申请的各实施例中，为了便于描述而非限制本申请，本申请专利申请说明书以及权利要求书中使用的术语“连接”并非限定于物理的或者机械的连接，不管是直接的还是间接的。“上”、“下”、“上方”、“下方”、“左”、“右”等仅用于表示相对位置关系，当被描述对象的绝对位置改变后，则该相对位置关系也相应地改变。
请参阅图2，本申请实施例提供一种柔性传感器100，所述柔性传感器100包括第一线路基板10、第二线路基板20以及绝缘层30，所述绝缘层30位于所述第一线路基板10以及所述第二线路基板20之间，所述第一线路基板10与所述第二线路基板20绝缘连接，即第一线路基板10与所述第二线路基板20的线路控制是相互独立的。
所述第一线路基板10包括沿第一方向L1层叠设置的第一线路层11、第一电阻层13以及第一介质层15，即第一电阻层13位于所述第一线路层11与所述第一介质层15之间。所述第一线路层11的层数可以为一层或者多层，在本实施例中，以第一线路层11为一层为例进行说明。
所述第一线路层11包括多个绝缘连接的第一子线路115，即多个第一子线路115之间的线路控制是相互独立的。多个第一子线路115沿不同于第一方向L1的第二方向L2间隔排列设置，在本实施例中，第二方向L2与第一方向L1垂直。
所述第一电阻层13包括多个绝缘连接的第一子电阻135，即第一介质层15的部分表面未被第一子电阻135覆盖，每一第一子电阻135与对应的第一子线路115电连接。所述第一子线路115在通电过程中，使得与第一子线路115电连接的第一子电阻135产生热量，热量传递给与所述第一子电阻135相连接区域的第一介质层15，所述第一介质层15受热膨胀。
所述第二线路基板20包括沿第一方向L1层叠设置的第二线路层21、第二电阻层23以及第二介质层25，即第二电阻层23位于所述第二线路层21与所述第二介质层25之间。所述第二线路层21的层数可以为一层或者多层，在本实施例中，以第二线路层21为一层为例进行说明。
所述第一介质层15位于所述第一电路层背离所述绝缘层30的一层，所述第二介质层25位于所述第二线路层21背离所述绝缘层30的一侧，即所述第一介质层15以及所述第二介质层25位于所述柔性传感器100的外侧。
所述第二线路层21包括多个绝缘连接的第二子线路215，即多个第二子线路215之间的线路控制是相互独立的。多个第二子线路215沿第二方向L2间隔排列设置。
所述第二电阻层23包括多个绝缘连接的第二子电阻235，即第二介质层25的部分表面未被第二子电阻235覆盖，每一第二子电阻235与对应的第二子线路215电连接。所述第二子线路215在通电过程中，使得与第二子线路215电连接的第二子电阻235产生热量，热量传递给与所述第二子电阻235相连接区域的第二介质层25，所述第二介质层25受热膨胀。
每一所述第二子电阻235与对应的第一子电阻135沿第一方向L1的投影至少部分重合，每一所述第一子电阻135、与所述第一子电阻135电连接的第一子线路115、位于所述第一子电阻135表面的第一介质层15、与所述第一子电阻135对应设置的第二子电阻235、与所述第二子电阻235电连接的第二子线路215、位于所述第二子电阻235表面的第二介质层25以及位于第一子电阻135和第二子电阻235之间的绝缘层30形成一个弯曲单元A，当同一个弯曲单元A中的第一子电阻135和/或第二子电阻235产生热量时，使得第一介质层15和/或第二介质层25受热产生形变，第一介质层15与第二介质层25形变量不同时，弯曲单元A发生弯曲，弯曲的方向朝向形变量小的一侧弯曲。
具体地，在本实施例中，以第一介质层15与第二介质层25的材质相同、厚度相同为例，定义第一介质层15以及第二介质层25因膨胀所受到的应力分别为σ1和σ2，由胡克定律可知σ1和σ2分别与温度T之间的关系为：
σ1＝E∫α1(T)dT，σ2＝E∫α2(T)dT
其中，α1为第一介质层15的热膨胀系数，α2为第二介质层25的热膨胀系数，E为第一介质层15以及第二介质层25的弹性模量。则每一弯曲单元A的弯曲曲率k为：
其中，I为惯性矩、y为第一介质层15或第二介质层25距离绝缘层30的距离。当k＞0时，弯曲单元A的两端朝向第二介质层25所在一侧弯曲(即向下弯曲)；当k＝0时，弯曲单元A不发生弯曲；当k＜0时，弯曲单元A的两端朝向第一介质层15所在一侧弯曲(即向上弯曲)。
可以根据实际需求设置不同的电流值，控制每一弯曲单元A中的第一介质层15与第二介质层25因膨胀所受到的应力的大小。例如，需要k增加时，可以增加σ1和/或减小σ2，即升高第一子电阻135的温度和/或降低第二子电阻235的温度，亦即增加第一子线路115的电流和/或减小第二子线路215的电流，从而控制弯曲单元A弯曲的状态和程度。另外，当弯曲单元A其中一侧弯曲，例如朝向第二介质层25，则可以控制第一子线路115的电流最大、第二子线路215的电流最小，使得弯曲单元A的两端朝向第二介质层25所在一侧弯曲，即分贝控制可以实现最小功耗。
上述为其中一个弯曲单元A的发生弯曲的原理，可以分别控制多个弯曲单元A中的第一子线路115的电流和/或第二子线路215中电流的大小，实现不同的弯曲状态，从而实现“S”形等复杂的变形，柔性传感器100可以适用与机器人手指的活动、医疗电子生物探头等电子领域，增加了柔性传感器100的适用范围。
所述第一介质层15以及所述第二介质层25需要具有一定的刚性，以便于产生形变且降温之后能够恢复形变。所述第一介质层15以及所述第二介质层25均可以选自聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚偏氟乙烯(PVDF)、聚二甲基珪氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)等高分子绝缘材料中的一种。
在同一个实施例中，所述第一介质层15与所述第二介质层25可以为相同的材质，也可以为不同的材质，可以根据柔性传感器100所需要的弯曲形态进行选择。例如，柔性传感器100的每一个弯曲单元A的弯曲方向均相同(同向上或同向下弯曲)，为减小功耗，第一介质层15可以选自PET、PVDF、PDMS等热膨胀系数大于100ppm/℃的材质，第二介质层25可以限自PI等热膨胀系数小于50ppm/℃的材质，即第一介质层15与第二介质层25的材质不同；当不同的弯曲单元A的弯曲方向不一致时，即局部向上、局部向下弯曲时，为减小功耗，第一介质层15与第二介质层25的材质可以相同，例如同选自热膨胀系数大于100ppm/℃的材质。
为了提高弯曲精准度和灵敏度，避免弯曲过程中第一线路基板10与第二线路基板20产生相对位移，绝缘层30的弹性模量可以大于0.1GPa，例如环氧树脂。
所述第一电阻层13以及所述第二电阻层23的材质可以选自合金、金属氧化物、碳材料等导电且具有一定的电阻的材料，例如NiP、NiCr、碳化合物等。第一电阻层13以及第二电阻层23的厚度可以根据需要设置，例如小于1μm。
请再次参阅图2，所述绝缘层30填充于第一线路基板10与第二线路基板20之间的间隙，即所述绝缘层30覆盖所述第一子电阻135未被所述第一子线路115覆盖的表面、所述第二子电阻235未被所述第二子线路215覆盖的表面、所述第一介质层15未被所述第一子电阻135覆盖的表面以及所述第二介质层25未被所述第二子电阻235覆盖的表面。
请参阅图3，本申请另一些实施例中，所述柔性传感器100a还可以设置多个第一气腔31，所述第一气腔31设置于每一弯曲单元A中，所述第一气腔31开设于所述第一子电阻135与所述第二子电阻235之间的绝缘层30a上。所述第一气腔31的设置，一方面便于所述弯曲单元A的弯曲，即每一弯曲单元A更倾向于在第一气腔31所在位于发生弯曲，有利于提升柔性传感器100a弯曲疲劳寿命；另一方面，所述第一气腔31可以起到隔热作用，减小同一弯曲单元A的第一子电阻135与第二子电阻235之间的热量影响，从而更精准的单独控制第一介质层15以及第二介质层25形变量，实现更精准的弯曲。在本实施例中，所述第一气腔31还进一步贯穿所述第一子线路115以及第二子线路215，所述第一子电阻135的部分表面以及所述第二子电阻235的部分表面暴露于所述第一气腔31，所述第一子电阻135、所述第一子线路115、所述绝缘层30a、所述第二子线路215、所述第二子电阻235围设形成所述第一气腔31。
所述绝缘层30a还可以设置于相邻的第一子电阻135、相连的第一子线路115、相邻的第二子电阻235和/或相邻的第二子线路215之间，用于间隔相邻的第一子电阻135、相连的第一子线路115、相邻的第二子电阻235和/或相邻的第二子线路215，在柔性电路板的弯曲过程中，可以避免相邻的弯曲单元A之间发生电连接。
请参阅图4，本申请再一些实施例中，所述柔性传感器100b还可以设置多个第二气腔33相邻的第一子电阻135、相连的第一子线路115、相邻的第二子电阻235和/或相邻的第二子线路215之间可以设置所述第二气腔33，第二气腔33可以起到隔热作用，减小相邻的弯曲单元A的第一子电阻135或第二子电阻235之间的热量影响，从而更精准的控制相邻的弯曲单元A中的第一介质层15或第二介质层25形变量，实现更精准的弯曲。
请参阅图3、图5和图6，本申请实施例还提供一种图3所示的柔性传感器100a的制作方法，包括以下步骤：
步骤S1：请参阅图5，提供第一线路基板10。
可以采用以下步骤形成所述第一线路基板10。
步骤S11：请再次参阅图5，提供以铜箔41，在所述铜箔41上形成电阻层42。
形成所述电阻层42的方式包括但不限于电镀、溅射、涂覆等方式。电阻层42的材质包括但不限于合金、金属氧化物、碳材料等材料。
步骤S12：在所述电阻层42背离所述铜箔41的表面形成第一介质层15。形成所述第一介质层15的方式包括但不限于涂布或者滚压。
步骤S13：将所述铜箔41形成第一线路层11、将所述电阻层42形成第一电阻层13，所述第一线路层11包括多个相互绝缘的第一子线路115，所述第一电路层包括多个相互绝缘的第一子电阻135，得到所述第一线路基板10。
具体地，在所述铜箔41背离所述第一介质层15的表面覆盖干膜43，曝光、蚀刻所述铜箔41以及所述电阻层42，将所述电阻层42形成相互绝缘的第一子电阻135；再进一步覆盖干膜43、蚀刻铜箔41，以形成多个相互绝缘的第一子线路115，去除所述干膜43后得到第一线路基板10。
步骤S2：制作形成第二线路基板20。
制作形成所述第二线路基板20的步骤可以同第一线路基板10，这里不再赘述。
步骤S4：请参阅图6，预先冲型形成具有通孔35的绝缘层30a按照第一线路基板10、绝缘层30a以及第二线路基板20的顺序叠加设置后并压合，形成具有第一气腔31的所述柔性传感器100a。
其中，所述通孔35与所述第一子电阻135未被所述第一子线路115覆盖的表面以及所述第二子电阻235未被所述第二子线路215覆盖的表面对应设置，以便于压合之后形成所述第一气腔31。
当形成图2柔性传感器100时，绝缘层30的形状也可以无需具有通孔；当形成图4中具有第二气腔33的柔性传感器100b时，绝缘层30b需要预留形成通孔(图未示)，通孔与所述第一介质层15未被所述第一子电阻135覆盖的表面以及所述第二介质层25未被所述第二子电阻235覆盖的表面对应设置，以便于压合之后形成所述第二气腔33。
本申请实施例提供的柔性传感器100、100a、100b，通过设置在第一线路基板10上设置多个绝缘连接的第一子线路115、在第二线路基板20上设置多个绝缘连接的第一子电阻135、绝缘连接的第二子线路215、绝缘连接的第二子电阻235，使得对应设置的第一子线路115、第一子电阻135、第二子线路215、第二子电阻235形成一个的弯曲单元的一部分，多个弯曲单元之间独立控制，进而可以控制柔性传感器100、100a、100b的复杂变形；另外，每一子电阻产生的热量仅需传递给位于电阻层一表面的介质层，热量利用率高，功耗小；进一步地，还可以根据需要控制第一子线路115、第二子线路215的电流大小，实现功耗最小化。
以上实施方式仅用以说明本申请的技术方案而非限制，尽管参照以上较佳实施方式对本申请进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本申请的技术方案进行修改或等同替换都不应脱离本申请技术方案的精神和范围。

Claims (10)

1.一种柔性传感器，其特征在于，包括：
第一线路基板，包括层叠设置的第一线路层、第一电阻层以及第一介质层，所述第一线路层包括多个绝缘连接的第一子线路，所述第一电阻层包括多个绝缘连接的第一子电阻，每一所述第一子线路与每一所述第一子电阻电连接；
第二线路基板，包括层叠设置的第二线路层、第二电阻层以及第二介质层，所述第二线路层包括多个绝缘连接的第二子线路，所述第二电阻层包括多个绝缘连接的第二子电阻，每一所述第二子线路与每一所述第二子电阻电连接，每一所述第二子电阻与对应的所述第一子电阻的投影至少部分重合；以及
绝缘层，设置于所述第一线路基板以及所述第二线路基板之间，以使所述第一线路基板与所述第二线路基板绝缘连接，所述第一介质层位于所述第一电阻层背离所述绝缘层的一侧，所述第二介质层位于所述第二电阻层背离所述绝缘层的一侧。
2.根据权利要求1所述的柔性传感器，其特征在于，所述柔性传感器包括多个第一气腔，所述第一气腔开设于所述第一子电阻与所述第二子电阻之间的所述绝缘层上。
3.根据权利要求2所述的柔性传感器，其特征在于，所述第一子电阻的部分表面与所述第二子电阻的部分表面暴露于所述第一气腔，所述第一子电阻、所述第一子线路、所述绝缘层、所述第二子线路、所述第二子电阻围设形成所述第一气腔。
4.根据权利要求1所述的柔性传感器，其特征在于，所述绝缘层还设置于相邻的所述第一子电阻、相邻的所述第一子线路、相邻的所述第二子电阻和/或相邻的所述第二子线路之间。
5.根据权利要求1所述的柔性传感器，其特征在于，相邻的所述第一子电阻、相邻的所述第一子线路、相邻的所述第二子电阻和/或相邻的所述第二子线路之间设置第二气腔。
6.根据权利要求1所述的柔性传感器，其特征在于，所述第一介质层的材质与所述第二介质层的材质相同。
7.根据权利要求1所述的柔性传感器，其特征在于，所述第一介质层的材质与所述第二介质层的材质不同。
8.一种柔性传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
提供第一线路基板，包括层叠设置的第一线路层、第一电阻层以及第一介质层，所述第一线路层包括多个绝缘连接的第一子线路，所述第一电阻层包括多个绝缘连接的第一子电阻，每一所述第一子线路与每一所述第一子电阻电连接；
提供第二线路基板，包括层叠设置的第二线路层、第二电阻层以及第二介质层，所述第二线路层包括多个绝缘连接的第二子线路，所述第二电阻层包括多个绝缘连接的第二子电阻，每一所述第二子线路与每一所述第二子电阻电连接；以及
提供绝缘层，按照所述第一线路基板、所述绝缘层以及所述第二线路基板的顺序叠加设置后并压合，以使每一所述第二子电阻与对应的所述第一子电阻的投影至少部分重合，形成所述柔性传感器。
9.根据权利要求8所述的柔性传感器的制作方法，其特征在于，
在压合步骤之前，冲压形成具有通孔的所述绝缘层，所述通孔与所述第一子电阻未被所述第一子线路覆盖的表面以及所述第二子电阻未被所述第二子线路覆盖的表面对应设置。
10.根据权利要求8所述的柔性传感器的制作方法，其特征在于，在压合步骤之前，冲压形成具有通孔的所述绝缘层，所述通孔与所述第一介质层未被所述第一子电阻覆盖的表面以及所述第二介质层未被所述第二子电阻覆盖的表面对应设置。
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