CN210400683U - 一种新型高灵敏度多通道柔性压力传感器 - Google Patents

一种新型高灵敏度多通道柔性压力传感器 Download PDF

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刘健朝
徐淮良
苏越
李彩丽
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Abstract

本实用新型公开了一种新型高灵敏度多通道柔性压力传感器,属于传感器技术领域,该压力传感器从上到下依次由Parylene层、上导电层、下导电层及具有微纳结构的PDMS层组成,所述上导电层与下导电层通过导电银浆及导线连接,所述具有微纳结构的PDMS层由PDMS层及其上的微纳结构组成;本实用新型的柔性传感器,具有工艺简单、抗干扰能力强以及可大范围变形的优势;采用具有柱状微纳结构的PDMS层,可以实现对传感器灵敏度的增强以及调控;采用光刻的方式将导电层进行图案化,进而可以实现多通道的压力探测,提高了器件的感知密度;采用光刻的方式将导电层进行图案化,进而可以实现多通道的压力探测,提高了器件的感知密度。

Description

一种新型高灵敏度多通道柔性压力传感器
技术领域
本实用新型属于传感器技术领域,具体涉及一种新型高灵敏度多通道柔性压力传感器。
背景技术
近年来,随着人口老龄化的不断加剧,医疗资源不足为国家造成了的巨大的压力和负担。现阶段,柔性传感器的出现为健康医疗诊断提供了全新的解决方案,例如,柔性传感器贴覆在腕部是可以用来检测动脉搏动,而贴覆在喉咙上则可以探测声带振动,使不能发声的病人再次“说话”。装有柔性传感器的婴儿的穿戴设备可以将婴儿的生理信号传递到家长的手机中,进行实时观察。老年人的便携诊断设备可以记录各种生理状况,有效的预防心脏病和癫痫的发作。
目前的柔性传感器基于信号换算原理主要分为三大类:电容式、电阻式和压电式柔性压力传感器。各类传感器均有各自的优缺点,其中电阻式柔性传感器作为一种结构简单、制备工艺简单且成本相对低廉的柔性压力传感器得到了广泛的应用,并且具有抗干扰能力强以及可大范围变形的优势,然而其也存在灵敏度低、稳定性差等缺点,随着柔性电子的发展,制备高性能的柔性传感器显得尤为重要,然而研制出高灵敏度以及高感知密度的电阻式柔性传感器仍然具有很大的挑战。
实用新型内容
为了解决现有技术中存在的上述缺陷,本实用新型提供了一种新型高灵敏度多通道柔性压力传感器及其制备方法,本实用新型的方法是首先制备出图案化的硅微纳结构模板,进而制备出具有微纳米结构的PDMS薄膜,在PDMS柔性衬底上制备一层碳纳米管薄膜作为下导电层,另一电极则采用导电银浆、PEDOT:PSS或者碳纳米管在Parylene薄膜上制备出图案化的导电薄膜,并利用导电银浆将导电薄膜层和导线连接,最终将两组导电层采用正对组装的方式制备出高灵敏度多通道柔性压力传感器,在本实用新型中引入微纳结构来增强以及调控传感器的灵敏度,并通过图案化导电薄膜层的方式来提高器件的感知密度。
本实用新型通过如下技术方案实现:
一种新型高灵敏度多通道柔性压力传感器,从上到下依次由Parylene层1、上导电层2、下导电层5及具有微纳结构的PDMS层组成,所述上导电层与下导电层通过导电银浆及导线连接,所述具有微纳结构的PDMS层由PDMS层3及其上的微纳结构4组成。
进一步地,所述Parylene层的厚度为15-20μm,具有微纳结构的PDMS层的厚度为300μm。
进一步地,所述上导电层为图案化的PEDOT:PSS、银浆或碳纳米管(CNT)薄膜;所述下导电层为图案化的碳纳米管(CNT)薄膜;所述上导电层与下导电层的图案化相对应。
进一步地,所述的上导电层及下导电层的图案化均是通过光刻的方式,进而可实现多通道的压力探测,提高了器件的感知密度。
进一步地,所述的具有微纳结构的PDMS层是基于硅微纳结构模板翻模制备而成,可实现对传感器灵敏度的增强及调控。
本实用新型的另一目的还提供了一种新型高灵敏度多通道柔性压力传感器制备方法,具体步骤如下:
步骤1:制备硅微纳结构模板:
利用光刻胶作为硅片的保护层,采用干法刻蚀的方式在硅片上刻蚀出相应的图案,制备出硅微纳结构模板;其中,为减少PDMS与模具的的粘附性,在硅微纳结构模板的表面生长一层Parylene,并在生长Parylene之前先对硅微纳结构模板进行硅烷化处理,以用来增强Parylene与模具之间的粘附性;
步骤2:具有微纳结构的PDMS层的制备:
在步骤1制备的硅微纳结构模板上旋涂配置好的PDMS溶液,抽真空后置于热板上进行加热固化,最后使用镊子将固化后的PDMS取下,得到具有微纳结构的PDMS层;
步骤3:将步骤2得到的具有微纳结构的PDMS层进行氧等离子处理,然后将碳纳米管水分散液滴涂在具有微结构的PDMS层表面,最后将其置于热板上进行加热固化形成图案化的碳纳米管(CNT)薄膜;
步骤4:首先在硅片上沉积Parylene衬底层,进而在衬底层上旋涂一层抗粘附剂,进而再沉积第二层Parylene,用来图形化上导电层;
步骤5:上导电层的图形化:
首先在步骤4得到的第二层Parylene上沉积铝,并利用光刻胶光刻出图形,腐蚀出铝图形进而形成刻蚀掩膜层;然后通过反应离子刻蚀(RIE)的方法刻蚀沉积铝后的Parylene层,进而旋涂上导电层,置于热板上进行热烘处理,最后用镊子将第二层Parylene揭起,最终将Paylene衬底层从硅片表面上揭下,实现上导电层的图形化;
步骤6:利用导电银浆将上导电层以及下导电层与导线相连,最后将两组导电层通过正对组装的方式制备出柔性压力传感器。
进一步地,步骤1所述的Parylene层的厚度为300-500nm。
进一步地,步骤2所述的加热温度为120℃,步骤3所述的加热温度为180℃。
进一步地,步骤4所述的Parylene衬底层的厚度为15um-20um,所述第二层Parylene的厚度为15um。
与现有技术相比,本实用新型的优点如下:
1.本实用新型制备的电阻式柔性传感器,具有工艺简单、抗干扰能力强以及可大范围变形的优势;
2.本实用新型制备的柔性传感器中的PDMS层具有柱状微纳结构,可以实现对传感器灵敏度的增强以及调控。
3.本实用新型提供的柔性传感器采用光刻的方式将导电层进行图案化,进而可以实现多通道的压力探测,提高了器件的感知密度。
附图说明
图1.为本实用新型的高灵敏度多通道柔性压力传感器的结构示意图;
图2为本实用新型的高灵敏度多通道柔性压力传感器的上层结构的平面示意图;
图3.为本实用新型的高灵敏度多通道柔性压力传感器的上结构层的加工工艺流程图;
图中:Parylene层1、上导电层2、PDMS层3、微纳结构4、下导电层5、银浆6、导线7。
具体实施方式
以下结合附图对本实用新型的具体实施方式进行详细说明。应当理解的是,此处所描述的具体实施方式仅用于说明和解释本实用新型,并不用于限制本实用新型。
实施例1
本实用新型公开了一种新型高灵敏度多通道柔性压力传感器的制备方法,首先制备出图案化的硅微纳结构模板,进而制备出具有微纳米结构的PDMS薄膜,在PDMS柔性衬底上制备一层碳纳米管薄膜作为下导电层,另一电极则采用导电银浆、PEDOT:PSS或者碳纳米管在Parylene薄膜上制备出图案化的导电薄膜,并利用导电银浆将导电薄膜层和导线连接,最终将两组导电层采用正对组装的方式制备出高灵敏度多通道柔性压力传感器,在本实用新型中引入微纳结构来增强以及调控传感器的灵敏度,并通过图案化导电薄膜层的方式来提高器件的感知密度。
便于对本实施例进行理解,首先对本实用新型实施例提供的一种新型高灵敏度多通道柔性压力传感器进行详细介绍,如图1所示,从上到下依次由Parylene层1、上导电层2、下导电层5及具有微纳结构的PDMS层组成,所述上导电层与下导电层通过导电银浆及导线连接,所述具有微纳结构的PDMS层由PDMS层3及其上的微纳结构4组成。
所述Parylene层的厚度为15μm,具有微纳结构的PDMS层的厚度为300um。
所述上导电层为图案化的PEDOT:PSS、银浆或碳纳米管(CNT)薄膜;所述下导电层为图案化的碳纳米管(CNT)薄膜;
在本实例中,采用光刻的方式对上导电层进行图案化,
具有微纳结构的PDMS层是基于硅微纳结构模板翻模制备而成。下导电层采用滴涂碳纳米管水分散液的方式在PDMS衬底上制备出CNT导电薄膜。
在本实例中在PDMS层上具有柱状微纳结构,可以实现对传感器灵敏度的增强以及调控。利用光刻的方式图案化导电层可以实现多通道的压力探测,提高了器件的感知密度。
在本实例中,还提供了一种新型高灵敏度多通道柔性压力传感器的制备方法,具体步骤如下:
步骤1:制备硅微纳结构模板,利用光刻胶(AZ 4620)作为硅片的保护层,进而采用干法刻蚀的方式在硅片上刻蚀出相应的图案。为减少PDMS与模具的的粘附性,增加翻模成功率,在模具表面生长一层Parylene,并在生长前首先对模具进行硅烷化处理,以便于减少氢键束缚,降低表面极性,进而增强Parylene与模具的粘附性。
步骤2:配置PDMS(SYLGARD 184)溶液并放置真空箱30min以实现气泡的抽取,在模具上旋涂配置好的PDMS溶液,抽真空后置于热板上进行加热固化,最后使用镊子将固化后的PDMS小心取下,实现具有微结构的PDMS层的制备。
步骤3:对PDMS层进行氧等离子处理,将碳纳米管水分散液(成都有机化学有限公司)滴涂在具有微结构的PDMS表面,由于氧等离子处理后的具有微结构的PDMS表面具有超亲水特性,因而碳纳米管更有利于涂覆在具有微结构的区域,有利于实现下导电层的图案化,最后将其置于热板上进行加热固化形成图案化的碳纳米管(CNT)薄膜。
步骤4:首先在硅片上沉积Parylene衬底层(图3a),进而在衬底层上旋涂一层Micro-90抗粘附剂(图3b),目的是为了后面方便揭掉第二层parylene,进而沉积第二层Parylene(图3c),用来图形化上导电层。
步骤5:沉积铝并利用光刻胶光刻出图形(图3d),腐蚀出铝图形进而形成刻蚀掩膜层(图3e)。通过反应离子刻蚀(RIE)的方法刻蚀Parylene(图3f),旋涂导电层(PEDOT:PSS、导电银浆、CNT)(图3g),置于热板上进行热烘处理,最后用镊子将第二层Parylene轻轻揭起(图3h),最终将Paylene衬底层从硅片表面上揭下(图3i),实现上导电层的图形化。
步骤6:利用导电银浆将上导电层以及下导电层利用引线引出,最后将两组导电层通过正对组装的方式制备出柔性压力传感器。
步骤1所述的Parylene层的厚度为300-500nm。
步骤2所述的加热温度为120℃,步骤3所述的加热温度为180℃。
步骤4所述的Parylene衬底层的厚度为15um-20um,所述第二层Parylene的厚度为15um。
制备出的高灵敏度多通道柔性压力传感器在承受外界施加压力时候,其电阻率发生变化从而实现压力的检测。
以上结合附图详细描述了本实用新型的优选实施方式,但是,本实用新型并不限于上述实施方式中的具体细节,在本实用新型的技术构思范围内,可以对本实用新型的技术方案进行多种简单变型,这些简单变型均属于本实用新型的保护范围。
另外需要说明的是,在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征,在不矛盾的情况下,可以通过任何合适的方式进行组合,为了避免不必要的重复,本实用新型对各种可能的组合方式不再另行说明。
此外,本实用新型的各种不同的实施方式之间也可以进行任意组合,只要其不违背本实用新型的思想,其同样应当视为本实用新型所公开的内容。

Claims (4)

1.一种新型高灵敏度多通道柔性压力传感器,其特征在于,从上到下依次由Parylene层(1)、上导电层(2)、下导电层(5)及具有微纳结构的PDMS层组成,所述上导电层与下导电层通过导电银浆及导线连接,所述具有微纳结构的PDMS层由PDMS层(3)及其上的微纳结构(4)组成。
2.如权利要求1所述的一种新型高灵敏度多通道柔性压力传感器,其特征在于,所述Parylene层的厚度为15-20μm,具有微纳结构的PDMS层的厚度为300μm。
3.如权利要求1所述的一种新型高灵敏度多通道柔性压力传感器,其特征在于,所述上导电层为图案化的PEDOT:PSS、银浆或碳纳米管(CNT)薄膜;所述下导电层为图案化的碳纳米管(CNT)薄膜;所述上导电层与下导电层的图案化相对应。
4.如权利要求1所述的一种新型高灵敏度多通道柔性压力传感器,其特征在于,所述的上导电层及下导电层的图案化均是通过光刻的方式,所述的具有微纳结构的PDMS层是基于硅微纳结构模板翻模制备而成。
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