CN207976237U - 基于锯齿结构的柔性压力传感器 - Google Patents
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Abstract
本实用新型公开了一种基于锯齿结构的柔性压力传感器，包括两层锯齿形金属电容极板（1），在上下两层锯齿形金属电容极板（1）之间设置有钛酸钡与PDMS复合微球层（2）；所述锯齿形金属电容极板（1）包括柔性PDMS衬底，所述柔性PDMS衬底的上表面为锯齿形结构，在柔性PDMS衬底的锯齿形结构上表面生长一层金属薄膜，形成锯齿形金属电容极板（1）。该压力传感器具有工艺简单、成本低且能够实现大面积批量化制造优点，同时，该电容结构结合了锯齿结构的可拉伸特性，保障了在拉伸、弯曲、扭转在测量环境下金属电容极板不断裂，使得压力传感器有良好的可拉伸性能。
Description
技术领域
本实用新型涉及压力传感器领域，具体是一种基于锯齿结构的高灵敏柔性压力传感器。
背景技术
可穿戴设备、仿生电子皮肤等智能柔性电子技术因具有隐蔽性、生物兼容性、低成本潜力等特性，颠覆了人们对传统传感器件形态和功能的认知，逐渐成为研究热点。而其中，柔性压力传感结构能够检测凹凸不平表面的压力分布信息，成为国内外柔性传感技术领域的研究重点方向之一。
目前，柔性压力传感器的灵敏度主要是利用纳米材料作为电极、在薄膜介电层表面引入微结构的方法来提高的，然而，受限于因传感结构形变导致电极断裂、灵敏度低、成本高等原因，成为柔性压力传感器工程化批量制造的主要技术瓶颈。
发明内容
本实用新型目的是提供一种基于柔性PDMS薄膜、钛酸钡与PDMS复合微球、锯齿形金属导电薄膜的高灵敏柔性压力传感器。
本实用新型是采用如下技术方案实现的：
一种基于锯齿结构的柔性压力传感器，包括两层锯齿形金属电容极板，在上下两层锯齿形金属电容极板之间设置有钛酸钡与PDMS复合微球层。
所述锯齿形金属电容极板包括柔性PDMS衬底，所述柔性PDMS衬底的上表面为锯齿形结构，在柔性PDMS衬底的锯齿形结构上表面生长一层金属薄膜，形成锯齿形金属电容极板。
本实用新型利用锯齿形金属结构作为平行板电容结构的极板结构，中间填充钛酸钡复合介质微球作为高介电常数介质层，通过二者封装制备高灵敏的柔性压力传感器，该压力传感器具有工艺简单、成本低且能够实现大面积批量化制造优点，同时，该电容结构结合了锯齿结构的可拉伸特性，保障了在拉伸、弯曲、扭转在测量环境下金属电容极板不断裂，使得压力传感器有良好的可拉伸性能，而且，利用锯齿结构在压力作用下对钛酸钡介质微球进行挤压，使得介质微球形变力度大，引起介电常数的变化，从而实现对压力的高灵敏检测，具有高灵敏的优点。
使用时，该压力传感器能够贴合在人体皮肤表面，比如手指关节、脉搏、喉咙、膝盖等人体运动关节处的皮肤表面，可以实现对关节运动过程信息的实时采集，同时，也可以作为机器人的仿生电子皮肤，实现对外界触摸、按压等压力信息的检测，反馈到机器人的采集控制系统中心，使机器人能够像人一样有触感。
本实用新型设计合理，具有很好的市场应用及推广价值。
附图说明
图1表示锯齿形金属电容极板的制备流程。
图2表示柔性压力传感器的结构示意图。
图中：1-锯齿形金属电容极板，2-钛酸钡与PDMS复合微球层。
具体实施方式
下面结合附图对本实用新型的具体实施例进行详细说明。
一种基于锯齿结构的柔性压力传感器，如图2所示，包括两层锯齿形金属电容极板1，在上下两层锯齿形金属电容极板1之间设置有钛酸钡与PDMS复合微球层2，封装后制备柔性压力传感器。
其中，该锯齿形金属电容极板1包括柔性PDMS衬底，柔性PDMS衬底的上表面为锯齿形结构，在柔性PDMS衬底的锯齿形结构上表面生长一层金属薄膜，形成锯齿形金属电容极板1。
上述柔性传感器的具体制备方案如下：
1、锯齿形金属电容极板结构制备
采用MEMS加工工艺，首先在硅基氧化硅衬底的表面通过光刻和腐蚀方法制备锯齿形结构模具，然后在其表面旋涂一层PDMS柔性薄膜，通过倒模工艺在柔性衬底PDMS表面形成锯齿形结构，然后在利用磁控溅射技术，在锯齿形表面溅射一层100nm后的金属薄膜，形成锯齿形金属电容极板结构，如图1所示，具体工艺流程如下：
（1）、以浓硫酸、双氧水（3:1）的混合溶液对硅基氧化硅片进行煮沸15min，去除表面碳氢化合物；使用SC1清洗液对硅基氧化硅片进行煮沸15min去除表面有机氧化层。
（2）、在硅基氧化硅片表面旋涂一层2微米厚度的光刻胶，80度热烘2分钟。
（3）、采用光刻工艺，在光刻胶上图像化制备条形结构，采用显影液腐蚀掉被紫外光曝光的光刻胶，实现对掩膜版上的图像转移到光刻胶上。
（4）、采用湿法刻蚀对SiO2层进行刻蚀，把光刻胶上的图像转移到SiO2层上。
（5）、采用湿法腐蚀技术刻蚀硅材料表面，以SiO2层为掩膜，通过硅材料的晶向的各向异性特性，刻蚀制备出锯齿形结构。
（6）、形成锯齿形结构后，继续对硅材料进行各向异性刻蚀，直到SiO2层在刻蚀过程中掉落，在硅材料表面形成锯齿形尖状结构。
（7）、对硅基锯齿形结构进行有机清洗，在其表面旋涂PDMS柔性材料薄膜，经过PDMS固化后，硅基锯齿形结构转移到PDMS柔性材料表面。
（8）、利用磁控溅射技术，在锯齿形柔性PDMS表面溅射一层金属，形成锯齿形金属电容极板结构。
2、钛酸钡与PDMS复合微球制造
首先利用钛酸钡粉末和PDMS胶体进行重复搅拌混合，然后按照10:1的比例加入固化剂，在微球型模具中加入该复合材料混合胶体，在真空中60℃加热30分钟，制备出钛酸钡与PDMS复合微球。
3、柔性压力传感器制造
利用加工好的柔性锯齿形金属电容极板结构为衬底，在其上加入一层5微米厚的钛酸钡与PDMS复合微球，然后利用另一块柔性锯齿形金属电容极板结构覆盖在其上，对两块柔性锯齿形金属电容极板进行对准夹持，随后在其中灌入胶体状PDMS，等PDMS胶体完全渗入到两块柔性锯齿形金属电容极板中间，放入真空箱中80℃加入30分钟，固化后实现对柔性压力传感器结构的封装。
采用MEMS微纳加工技术和倒模制备技术来制备锯齿形电容极板结构，工艺简单、成本低且能够实现大面积批量化制造，同时均匀性和一致性良好，微纳锯齿形结构的尺寸可控。而且，钛酸钡复合介质微球采用溶胶凝胶方法，也具有工艺简单、成本低且能够实现大面积批量化制造优点。
总之，本实用新型的基于锯齿形结构的高灵敏柔性压力传感器，利用微纳加工工艺制备锯齿形金属电容极板结构和高介电常数介质层微球，通过固化PDMS胶体实现对柔性压力传感器的键合和封装。
以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照本发明实施例进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明的技术方案的精神和范围，其均应涵盖权利要求保护范围中。
Claims (4)
1.一种基于锯齿结构的柔性压力传感器，其特征在于：包括两层锯齿形金属电容极板（1），在上下两层锯齿形金属电容极板（1）之间设置有钛酸钡与PDMS复合微球层（2）；
所述锯齿形金属电容极板（1）包括柔性PDMS衬底，所述柔性PDMS衬底的上表面为锯齿形结构，在柔性PDMS衬底的锯齿形结构上表面生长一层金属薄膜，形成锯齿形金属电容极板（1）。
2.根据权利要求1所述的基于锯齿结构的柔性压力传感器，其特征在于：所述锯齿形金属电容极板（1）上的金属薄膜厚度为100nm。
3.根据权利要求1或2所述的基于锯齿结构的柔性压力传感器，其特征在于：所述钛酸钡与PDMS复合微球层（2）的厚度为5μm。
4.根据权利要求1所述的基于锯齿结构的柔性压力传感器，其特征在于：所述钛酸钡与PDMS复合微球层（2）通过PDMS胶体固化于上下两层锯齿形金属电容极板（1）之间。
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