CN106370327B - 一种柔性压力传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性压力传感器，包括相对设置的两个电极结构，每一电极结构包括柔性衬底以及设置在柔性衬底上的导电层，两个电极结构的导电层相互朝向地抵触连接；其中，柔性衬底包括衬底本体及设置于衬底本体上的多个凸结构，导电层覆设在柔性衬底的具有多个凸结构的表面上。根据本发明的柔性压力传感器利用位于其内部的由柔性材料形成的多个凸结构在受到压力作用时容易变形的特点，实现了两个相对的电极结构中的导电层在接触时接触面积的变化而引起的电阻的变化、调节和控制，进而实现了压力传感。本发明还公开了上述柔性压力传感器的制作方法，相比现有技术中柔性压力传感器一般所采用的MEMS加工工艺，该制作方法更为简单便利、成本更加低廉。

Description

一种柔性压力传感器及其制作方法

技术领域

本发明属于压力传感器技术领域，具体来讲，涉及一种柔性压力传感器及其制作方法。

背景技术

柔性压力传感器是一种能将应力转变为电学信号的柔性电子器件，其可广泛应用于柔性触屏、人工智能、可穿戴电子、移动医疗等领域。

根据信号转换机理，压力传感器主要分为电阻式传感器、电容式传感器和压电式传感器。其中电阻式压力传感器的基本工作原理是将被测压力的变化转变为传感器的电阻值的变化。电阻式压力传感器由于具有器件结构简单、电阻信号稳定易测、较高的灵敏度等优点备受关注。将电阻式压力传感器的电极阵列进行微结构化是提高传感器灵敏度、可靠性的有效途径之一。

在现有技术中，有利用硅作为模板制备出具有微纳指状结构阵列，然后在聚二甲基硅氧烷(简称PDMS)薄膜上溅射Pt薄膜电极，组装成对电极结构的压力传感器的技术；也有由上、下基底与本体电路组成的压感传感器，其中上、下基底具有相同的微立体结构的技术，如V形、U形、三菱锥形、正弦波形、球面立体等结构中的一种或多种；还有基于碳纳米管和高分子聚合物的柔性压力传感器，其以具有周期性排列的三角锥形为微结构进行制备。尽管上述技术均是将微结构的阵列应用到了柔性压力传感器中，但是它们的微结构阵列都是基于硅微模板法制得；而制作硅微模板，通常需要利用微电子机械系统(MEMS)加工技术，涉及腐蚀、键合、光刻、氧化、扩散、溅射等一系列复杂工艺，该技术虽然可以实现微结构阵列的精确、批量制作，但存在设备依赖性高、技术难度大、成本高等缺点。

发明内容

为解决上述现有技术存在的问题，本发明提供了一种柔性压力传感器及其制作方法，该柔性压力传感器利用位于其内部的由柔性材料形成的多个凸结构在受到压力作用时容易变形的特点，实现了两个相对的柔性衬底表面的电极层在接触时由接触面积的变化而导致电阻的变化、调节和控制，进而实现了压力传感。

为了达到上述发明目的，本发明采用了如下的技术方案：

一种柔性压力传感器，包括相对设置的两个电极结构，每一所述电极结构包括柔性衬底以及设置在所述柔性衬底上的导电层，所述两个电极结构的导电层相互朝向地抵触连接；其中，所述柔性衬底包括衬底本体及设置于所述衬底本体上的多个凸结构，所述导电层覆设在所述柔性衬底的具有多个凸结构的表面上。

进一步地，所述导电层的表面形状与所述柔性衬底的具有多个凸结构的表面形状一致。

进一步地，两个所述电极结构中的多个凸结构一一相对设置或相互交叉设置。

进一步地，所述柔性衬底的材料选自聚二甲基硅氧烷、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、芳香族无规共聚物、丁苯橡胶、聚氨酯类弹性体、聚烯烃类弹性体和聚酰胺类弹性体等中的任意一种。

进一步地，所述多个凸结构在所述所述衬底本体上阵列排布，所述凸结构的形状为球形；所述凸结构的直径为100nm～1mm，同一个所述柔性衬底中的相邻两个凸结构的间距不超过1mm。

进一步地，所述电极层的材料选自纳米金、纳米银、纳米铝、纳米铜、纳米镍、纳米钯、纳米铂、纳米碳和铟锡氧化物中的任意一种。

本发明的另一目的在于提供一种如上任一所述的柔性压力传感器的制作方法，包括步骤：S1、提供第一模板，所述第一模板具有一平面以及在所述平面中凹陷设置的多个孔洞；S2、在所述平面上沉积柔性材料，所述柔性材料填充在所述孔洞中且覆盖在所述平面上；S3、去除所述第一模板，获得柔性衬底；其中，对应于所述平面上的柔性材料形成所述衬底本体，对应于所述多个孔洞中的柔性材料形成所述多个凸结构；S4、在所述柔性衬底的具有所述凸结构的表面上制备所述导电层，形成所述电极结构；S5、按照步骤S1-S4制备获得两个所述电极结构，将两个所述电极结构的导电层相互朝向地抵触连接，获得所述柔性压力传感器。

进一步地，所述第一模板的制作方法具体包括：选取一基底，并在所述基底上制备多个凸点；在所述基底上沉积第一模板材料，所述第一模板材料覆盖所述多个凸点；去除所述基底及所述多个凸点，获得所述第一模板；其中，所述多个凸点的位置对应形成所述多个孔洞。

进一步地，所述基底的材料为玻璃或硅片；所述多个凸点的材料选自聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和二氧化硅中的任意一种；所述第一模板的材料选自聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、丙烯酸树脂和乙烯基树脂中的任意一种。

进一步地，所述多个凸点通过浸泡法去除；当所述多个凸点的材料为聚苯乙烯时，浸泡试剂选自甲苯、氯仿、四氢呋喃和N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种，当所述多个凸点的材料为聚甲基丙烯酸甲酯时，浸泡试剂选自丙酮、氯仿、二氯甲烷、苯酚和苯甲醚中的至少一种，当所述多个凸点的材料为二氧化硅时，浸泡试剂为碱液或氢氟酸。

本发明的有益效果：

(1)本发明的柔性压力传感器通过将两个具有凸结构的电极结构相对设置，并保证其中的导电层相互朝向地抵触连接，从而获得了柔性压力传感器；该柔性压力传感器可利用柔性衬底中凸结构在压力作用下易于变形、从而导致两个导电层的接触面积发生变化的特性，从而提高灵敏度与可靠性。

(2)本发明的柔性压力传感器优选球状的凸结构，通过控制其粒径及间距等自组装形式，可实现这些凸结构形成的阵列的精细控制，从而实现微电极的精细化制作；

(3)本发明的柔性压力传感器的制作方法采用胶体自组装及化学腐蚀工艺来制作柔性衬底；相比现有技术中柔性压力传感器一般的MEMS加工工艺，该制作方法更为简单便利、成本更加低廉。

附图说明

通过结合附图进行的以下描述，本发明的实施例的上述和其它方面、特点和优点将变得更加清楚，附图中：

图1是根据本发明的实施例1的柔性压力传感器的结构示意图。

图2-图3是根据本发明的实施例1的柔性压力传感器的工作示意图。

图4是根据本发明的实施例2的柔性压力传感器的结构示意图。

图5是根据本发明的实施例2的柔性压力传感器的工作示意图。

图6-图11是根据本发明的实施例3的柔性压力传感器的制作方法的工艺流程图。

具体实施方式

以下，将参照附图来详细描述本发明的实施例。然而，可以以许多不同的形式来实施本发明，并且本发明不应该被解释为限制于这里阐述的具体实施例。相反，提供这些实施例是为了解释本发明的原理及其实际应用，从而使本领域的其他技术人员能够理解本发明的各种实施例和适合于特定预期应用的各种修改。在附图中，为了清楚起见，可以夸大元件的形状和尺寸，并且相同的标号将始终被用于表示相同或相似的元件。

实施例1

图1是根据本发明的实施例1的柔性压力传感器的结构示意图。

如图1所示，根据本实施例的柔性压力传感器包括相对设置的两个电极结构1，每个电极结构1包括柔性衬底11以及设置在柔性衬底11上的导电层12，两个电极结构1的导电层12相互朝向地抵触连接；其中，每个柔性衬底11包括衬底本体111及设置于该衬底本体111上的多个凸结构112，而导电层12即覆设在柔性衬底11的具有多个凸结构112的表面上，从而形成一完整的柔性压力传感器。

在每一柔性衬底11中，多个凸结构112优选与衬底本体111一体形成；同时，导电层12将多个凸结构112完全包覆并覆盖在多个凸结构112之间的衬底本体111的表面上，也就是说，每个柔性衬底11表面上的导电层12是随着柔性衬底11表面的凹凸结构而起伏变化的，其是一个连续的整体，以保证实现良好的导电效果。

在本实施例中，两个柔性衬底11中的多个凸结构112呈一一相对的方式排布。同一个柔性衬底11中，两个相邻的凸结构112之间的间距控制不超过1mm，此处该间距是指两个相邻的凸结构的边沿之间的最短距离；由此可见，两个相邻的凸结构112之间的间距是可以调节的，二者之间的间距可以缩小直至相互接触，即上述间距为零的状态。

优选地，本实施例中，凸结构112的形状均为球状，且其直径控制为100nm～1mm，最终形成一凸结构阵列。

值得说明的是，当凸结构112的直径越大、相邻两个凸结构112之间的间距越大，那么在同等面积的衬底本体111上能够排布的凸结构112的数量将越少，如此将导致获得的柔性压力传感器的测试精度及灵敏度降低。

具体地，柔性衬底11的材料为聚二甲基硅氧烷(简称PDMS)，当然，也可以是其他如乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、芳香族无规共聚物、丁苯橡胶、聚氨酯类弹性体、聚烯烃类弹性体、聚酰胺类弹性体等柔性材料。

更为具体地，导电层12的材料为纳米金，当然，也可以是其他如纳米银、纳米铝、纳米铜、纳米镍、纳米钯、纳米铂、纳米碳、铟锡氧化物(简称ITO)等导电材料。与此同时，本领域技术人员将理解的是，此处导电层12的作用仅在于导电，以使该柔性压力传感器能够正常使用，因此无需对导电层12的厚度进行要求。

对本实施例的柔性压力传感器10进行测试，具体参照图2，将一根导线21的两端分别连接至柔性压力传感器10的两个电极层12，形成一电流回路，同时，在该电流回路中接入一测试仪表22，以进行电阻、电流等特征参数的检测。

参照图3，本实施例的柔性压力传感器的工作原理为：在外加的压力F的作用下，柔性压力传感器10中的多个凸结构112产生变形，使得两个电极结构1中的两个导电层12接触面积增大；压力F大小不同，两个导电层12的接触面积也不同，进而使该柔性压力传感器的电阻电流等特征参数发生相应改变；当压力F减小或撤除后，由于柔性衬底11由柔性材料制成，柔性材料具有弹性体的自动恢复能力，从而使柔性衬底11表面的两个导电层12的接触面积逐渐变小或恢复至原位，该柔性压力传感器的电阻电流等特征参数同时发生相应改变，而通过检测测试仪表22中电阻、电流等特征参数的变化即可推测出压力F的大小及其变化。

实施例2

在实施例2的描述中，与实施例1的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例1的不同之处。参照图4，实施例2与实施例1的不同之处在于，两个柔性衬底11中的多个凸结构112的排列方式不同；在本实施例中，两个柔性衬底11中的凸结构112相互交叉排布。其余参照实施例1中的结构及材料，获得另一柔性压力传感器。

采用同上述实施例1中相同的测试方法对本实施例的柔性压力传感器进行测试。本实施例的柔性压力传感器中的多个凸结构112在受到外加的压力F时，产生如图5所示的变形。从图5中可以看出，虽然本实施例中两个柔性衬底11上的凸结构112采用相互交叉的排布方式，但是当受到外加的压力F作用时，两个导电层12接触面积也会增大，而压力F减小或撤除后，凸结构112恢复形状，减小两个导电层12的接触面积，从而使该柔性压力传感器的电阻电流等特征参数发生相应改变，继而通过检测该过程中电阻、电流等特征参数的变化即可推测出压力F的大小及其变化。

实施例3

本实施例公开了上述实施例1中的柔性压力传感器的制作方法，具体参照图6-图11，根据本实施例的柔性压力传感器的制作方法包括下述步骤：

Q1、选取一基底41，并在该基底41上制备多个凸点42；其中，这些凸点42的形状以及排布方式与实施例1中的柔性压力传感器中的多个凸结构112的形状及排布方式相同，如图6所示。

在本实施例中，基底41的材料为玻璃，凸点42的材料为聚苯乙烯(简称PS)；凸点42的形状优选为球状，且其粒径控制为100nm～1mm，本实施例中优选为20μm。

当然，基底41的材料还可以是硅片或表面光滑的塑料制品等，同时，凸点42的材料还可以是如聚甲基丙烯酸甲酯(简称PMMA)、二氧化硅等单分散的微纳米球乳液或胶体。

具体地，在本实施例中，采用重力自沉降法在基底41的表面上制备单层自组装的PS微球阵列，以形成所述多个凸点42；同时，通过选择合适的分散液溶剂并控制PS微球乳液的浓度，使多个凸点42的间距控制不超过1mm，本实施例中优选为2μm。

当然，在基底41上制备多个凸点42的方法还可以是如垂直沉积法、浸渍提拉法、倾斜基片法、界面自组装法、旋涂法等。

Q2、在基底41上沉积第一模板材料，第一模板材料覆盖多个凸点42，获得第一模板前驱体43a，如图7所示。

在本实施例中，由于预制作的第一模板的材料为聚二甲基硅氧烷(简称PDMS)，因此以质量比为5:1～12:1、优选为10:1的PDMS预聚物与该PDMS预聚物搭配使用的固化剂混合以作为第一模板材料；将二者混合均匀，以200rpm的旋转速度，将上述第一模板材料旋涂在基底41的具有多个凸点42的一侧，控制旋涂时间为10s，获得厚度为800μm的第一模板前驱体43a；将该第一模板前驱体43a置于100℃～150℃的烘箱中加热固化10min～2h，本实施例中优选在150℃的烘箱中加热固化30min，待冷却至室温后即可。

值得说明的是，第一模板前驱体43a的厚度只需保证不小于凸点42的高度即可。

Q3、去除基底41及多个凸点42，获得第一模板43，如图8所示。

具体地，首先将基底41直接进行剥离；然后将夹带有多个凸点42的第一模板43浸泡至四氢呋喃中24h，以PS为材料的凸点42即被四氢呋喃溶解去除，仅保留第一模板43，而多个凸点42的位置处即形成为第一模板43的平面上的多个孔洞431，这些孔洞431的形状与预制作的柔性压力传感器中多个凸结构的形状相匹配；换句话说，该第一模板43具有一平面，并且在该平面中凹陷设置有多个孔洞431。

当然，当多个凸点42的材料不同时，用于溶解去除的浸泡试剂也不同，当凸点42的材料为聚苯乙烯时，浸泡试剂还可选自甲苯、氯仿和N,N-二甲基甲酰胺中的至少一种；当凸点43的材料为聚甲基丙烯酸甲酯时，浸泡试剂可选自丙酮、氯仿、二氯甲烷、苯酚和苯甲醚中的至少一种；当凸点43的材料为二氧化硅时，浸泡试剂为强碱液或氢氟酸等。

同时，第一模板43的材料并不限于本实施例中的PDMS，可以选自环氧树脂、丙烯酸树脂、乙烯基树脂等。

Q4、向第一模板43的平面上沉积柔性材料11a，该柔性材料11a填充在孔洞431中且覆盖在平面上，如图9所示。

在本实施例中，预制备的柔性衬底11的材料为PDMS，因此以质量比为3:1～15:1、优选为12:1的PDMS预聚物及上述固化剂进行混合作为柔性材料11a；以500rpm的旋转速度、20s的旋转时间，在第一模板43的具有孔洞431的一侧进行旋涂，控制厚度为50μm～1mm，本实施例中优选为500μm；然后在室温～100℃下固化2h～24h即可；本实施例中优选置于80℃的烘箱中加热固化2h，待冷却至室温后即可。

当然，能够用作柔性衬底11的材料并不限制于本实施例中的PDMS，还可以是诸如乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、芳香族无规共聚物、丁苯橡胶、聚氨酯类弹性体、聚烯烃类弹性体、聚酰胺类弹性体等柔性材料。

Q5、去除第一模板43，获得柔性衬底11，该柔性衬底11包括衬底本体111及设置在衬底本体111上的多个凸结构112，如图10所示。

具体地，对应于第一模板43的平面上的柔性材料11a形成衬底本体111，对应于多个孔洞431中的柔性材料11a形成多个凸结构112。

Q6、在柔性衬底11的具有凸结构112的表面制备导电层12，形成电极结构1，如图11所示。

在本实施例中，导电层12的材料为纳米金；当然，能够作为导电层12的材料还可以是诸如纳米银、纳米铝、纳米铜、纳米镍、纳米钯、纳米铂、纳米碳、铟锡氧化物(简称ITO)等导电材料。

具体地，首先将第一模板43剥离；然后将柔性衬底11置于蒸镀设备中，在该柔性衬底11的具有凸结构112的一侧表面上蒸镀一层纳米金作为导电层12。

Q7、参照上述步骤Q1-Q6制备获得两个电极结构1，将两个电极结构1的导电层12相互朝向地抵触连接，获得柔性压力传感器。

值得说明的是，在本实施例中，两个电极结构1相对叠扣在一起时，采用将多个凸结构112一一相对的方式，即获得了如实施例1中的图1所示的柔性压力传感器。

实施例4

本实施例公开了如上述实施例2的柔性压力传感器的制作方法；本实施例的制作方法与实施例3的制作方法的相同之处在此不再赘述，只描述与实施例3的不同之处。实施例4与实施例3的不同之处在于，在步骤Q7中，两个电极结构1在相对叠扣在一起时，采用将多个凸结构112相互交叉的方式，即获得了如实施例2中的图4所示的柔性压力传感器。

虽然已经参照特定实施例示出并描述了本发明，但是本领域的技术人员将理解：在不脱离由权利要求及其等同物限定的本发明的精神和范围的情况下，可在此进行形式和细节上的各种变化。

Claims (8)

1.一种柔性压力传感器的制作方法，其特征在于，包括步骤：

S1、提供第一模板，所述第一模板具有一平面以及在所述平面中凹陷设置的多个孔洞；

S2、在所述平面上沉积柔性材料，所述柔性材料填充在所述孔洞中且覆盖在所述平面上；

S3、去除所述第一模板，获得柔性衬底；其中，对应于所述平面上的柔性材料形成衬底本体，对应于所述多个孔洞中的柔性材料形成多个凸结构；

S4、在所述柔性衬底的具有所述凸结构的表面上制备导电层，所述导电层覆设在所述柔性衬底的具有多个凸结构的表面上，形成电极结构；

S5、按照步骤S1-S4制备获得两个所述电极结构，将所述两个电极结构的导电层相互朝向地抵触连接，获得所述柔性压力传感器。

2.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述第一模板的制作方法具体包括：

选取一基底，并在所述基底上制备多个凸点；

在所述基底上沉积第一模板材料，所述第一模板材料覆盖所述多个凸点；

去除所述基底及所述多个凸点，获得所述第一模板；其中，所述多个凸点的位置对应形成所述多个孔洞。

3.根据权利要求2所述的制作方法，其特征在于，所述基底的材料为玻璃或硅片；所述多个凸点的材料选自聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯和二氧化硅中的任意一种；所述第一模板的材料选自聚二甲基硅氧烷、环氧树脂、丙烯酸树脂和乙烯基树脂中的任意一种。

4.根据权利要求3所述的制作方法，其特征在于，所述多个凸点通过浸泡法去除；当所述多个凸点的材料为聚苯乙烯时，浸泡试剂选自甲苯、氯仿、四氢呋喃和N, N-二甲基甲酰胺中的至少一种，当所述多个凸点的材料为聚甲基丙烯酸甲酯时，浸泡试剂选自丙酮、氯仿、二氯甲烷、苯酚和苯甲醚中的至少一种，当所述多个凸点的材料为二氧化硅时，浸泡试剂为碱液或氢氟酸。

5.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述导电层的表面形状与所述柔性衬底的具有多个凸结构的表面形状一致。

6.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述柔性材料选自聚二甲基硅氧烷、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚乙烯醇、苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物、芳香族无规共聚物、丁苯橡胶、聚氨酯类弹性体、聚烯烃类弹性体和聚酰胺类弹性体中的任意一种。

7.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述凸结构的直径为100 nm~1 mm，同一个所述柔性衬底中的相邻两个凸结构的间距不超过1 mm。

8.根据权利要求1所述的制作方法，其特征在于，所述导电层的材料选自纳米金、纳米银、纳米铝、纳米铜、纳米镍、纳米钯、纳米铂、纳米碳和铟锡氧化物中的任意一种。

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