CN106568518B - 基于湿敏软管的集成温湿压柔性传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种基于湿敏软管的柔性集成温湿压传感器及其制备方法，传感器包括：湿敏聚合物软管衬底，以及设置于湿敏聚合物软管衬底上的电容式湿度传感器、温度传感器和压阻式压力传感器；电容式湿度传感器由网状电极构成并以湿敏聚合物软管衬底作为电容介质；温度传感器为由铂电极和铂铑电极组成的热电偶，且一部分铂铑电极覆盖一部分铂电极以构成热电偶的热结点；压阻式压力传感器由铂丝组成，铂丝环绕在湿敏聚合物软管衬底的外侧面上。本发明网状电极的电阻型湿度传感器结构简单、精度高，使湿敏聚合物介质与空气接触面积更大有利于吸湿；薄膜热电偶结构简单，测量精度高，可以有效的检测多个方向压力的变化。

Description

基于湿敏软管的集成温湿压柔性传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体的，涉及一种利用MEMS技术制作的一种基于湿敏聚合物软管衬底的温度、湿度和压力集成一体化的柔性传感器及其制备方法。

背景技术

物联网作为新一代信息技术的热点，有着非常广阔的前景。传感器技术是物联网实现的基础。目前的传感器大多为分体式传感器，即需要分别单独安装测量温度、压力和湿度的传感器，因此安装产品所需的面积大、成本高，尤其不利于安装在一些对尺寸要求严格的场合。因此集成化传感器是未来发展的必然趋势。集成化是指将一个（多个）功能相同（相同）的传感器或者集成电路集成在一个模块当中，已达到功能丰富化、小型化，器件微型化的特点。

柔性可穿戴设备在人们的生活中越来越普及，需要以柔性材料作为基底。传统的集成传感器，大多是基于坚硬的平面衬底，将传感器制作在一个硅或者玻璃平面上，这种传感器与柔性基底的兼容性很差。而目前制作在柔性基底材料的传感器，大多是将柔性基底贴于平面衬底上，然后在衬底上制作传感器后然后从平面基底上剥离，制成基于柔性基底的传感器，但采用这种方法制作的柔性传感器不能有大的变形弯曲，不能节省很大的空间，因此不能用于某些小空间。需要衬底材料大变形的场合。而利用可编程紫外光刻技术，在圆管上直接图形化制作传感器，制作的柔性传感器可以弯曲，发生大变形，并且体积很小，可广泛用于多种场合中，推动可穿戴设备的发展。

传统的压阻式压力传感器主要结构是用电镀或扩散的方法在平面硅薄膜上最大应变的位置形成电阻，来提高灵敏度。这些传感器的压阻实际测量的是薄膜边缘的应变；此外还有采用金属应变片，利用金属的应变效应来检测压力的变化。但这类压阻式传感器为增大输出信号而采用桥路的方式进行布置，并且为增大应变率而往往需要在薄膜下面刻蚀出一个空腔，因此增大了工艺复杂性和工艺难度，并且这种传感器只能检测一个方向的压力。而新型的铂丝环绕的压力传感器结构简单也不需要开空腔，工艺简单、并可检测扭转、拉伸、弯曲以及多个方向力的变化，可以广泛应用于多种领域和场合。

目前的温度传感器研究已比较成熟，运用铂和铂铑制作的热电偶，性能稳定结构简单，并且可以耐高温。

用来制备湿度传感器的感湿材料主要有陶瓷、多孔硅和高分子聚合物。高分子电解质材料吸湿后，水分子偶极矩的存在使其介电常数得到很大的提高。也由于高分子聚合物具备较好的柔性和机械性能，常用来制备柔性湿度传感器。湿敏聚合物本身也是一种性能很好的感湿材料，利用湿敏聚合物软管衬底本身作为湿度传感器的电容介质，使结构更加简单，节约空间。

发明内容

本发明针对目前平面式集成温湿压传感器的不足，提供一种基于湿敏软管的集成温湿压柔性传感器及其制备方法，具有制作工艺简单，灵敏度较高的特点，可以利用软管应用于多个复杂的领域。

本发明是通过以下技术方案实现的：

根据本发明的一个方面，提供一种基于湿敏软管的集成温湿压柔性传感器，包括：湿敏聚合物软管衬底，以及设置于所述湿敏聚合物软管衬底上的电容式湿度传感器、温度传感器和压阻式压力传感器；其中：

所述电容式湿度传感器由网状电极构成并以湿敏聚合物软管衬底作为电容介质，所述网状电极对称分布在湿敏聚合物软管衬底的侧壁上，形成电容式湿度传感器的上、下极板；

所述温度传感器为由铂电极和铂铑电极组成的热电偶，且一部分铂铑电极覆盖一部分铂电极以构成热电偶的热结点；铂电极和铂铑电极溅射在湿敏聚合物软管衬底的侧壁上，用于监测温度的变化；

所述压阻式压力传感器由铂丝组成，所述铂丝环绕在湿敏聚合物软管衬底的外侧面上，用于检测湿敏聚合物软管衬底的拉伸、弯曲、扭转的多个方向力的变化。

优选地，所述湿敏聚合物软管衬底采用湿敏聚合物材料，所述湿敏聚合物包括并不限于聚酰亚胺、聚乙炔苯、醋酸纤维素的电容型聚合物材料。

更优选地，所述湿敏聚合物软管衬底的外径为2-4毫米、内径为1-3毫米、长度为20-30毫米，更小的尺寸可以应用于更多更加精密的场合。

优选地，所述网状电极的两个对称的上、下极板包裹在湿敏聚合物软管衬底的外壁上，且上、下极板之间留下间隙以防止极板间短路。

更优选地，所述网状电极的材料为铂、银和铜的一种。

优选地，所述热电偶：铂电极和铂铑电极为两块对称的T字型薄膜金属层，两块T字型薄膜金属层的尾部叠放在一起以形成热电偶的热结点，且除了面积为0.01-0.1平方微米的热结点外，其余部分的两块T字型薄膜金属层均相互绝缘。

优选地，所述铂丝通过在湿敏聚合物软管衬底上溅射铂，使铂环绕在湿敏聚合物软管衬底侧壁上，以形成压阻式压力传感器；

当湿敏聚合物软管衬底受到外力的作用产生弯曲拉伸扭转变形时，铂丝同时发生变形，导致铂丝的电阻发生变化，从而实现检测多个方向以及扭转的压力变化。

优选地，所述湿度传感器的网状电极与所述压力传感器的铂丝分别位于由铂电极和铂铑电极组成的热电偶，即温度传感器的两侧，以防止各传感器间发生短路。

本发明采用湿敏聚合物软管作为衬底，并作为电容式湿度传感器的电容介质，湿敏聚合物材料本身具有吸湿的特性，从而明显改变介质的介电常数，使电容值变化更大；同时可以有效的减小制作湿度传感器的体积和工艺复杂性；此外还可以利用湿敏聚合物软管体积小、柔性好的优点应用多种复杂场合。

本发明所述电容式湿度传感器的电极为网状电极，网状电极可以有效的增加湿敏聚合物电容介质与外界环境的接触面积，从而增大吸湿性。

根据本发明的另一方面，提供一种基于湿敏软管的集成温湿压柔性传感器的制备方法，所述方法通过在湿敏聚合物软管衬底上经过多次曲面甩胶、旋转光刻、溅射技术，从而形成基于湿敏聚合物软管衬底的集成温湿压柔性传感器；

所述方法包括如下步骤：

第一步、在湿敏聚合物软管衬底上喷涂光刻胶，通过可编程紫外光刻设备并运用旋转光刻技术，对湿度传感器的网状电极进行图形化，溅射铬粘结层，铜、铂或银电极层，去除光刻胶，形成湿敏传感器网状电极的上下极板；

第二步、在制作完成湿敏传感器网状电极的湿敏聚合物软管衬底上喷涂光刻胶以遮盖网状电极层，通用旋转光刻技术，采用不同的掩膜版分别对热电偶的铂，以及压力传感器的铂丝进行图形化，溅射钛粘结层、铂电极层；然后去除光刻胶，形成压力传感器的铂丝以及热电偶的铂电极；

第三步、在经过前两步加工的的湿敏聚合物软管衬底上喷涂光刻胶遮盖制作好的热电偶的铂电极，图形化铂铑电极，显影后，溅射钛粘结层、铂铑电极层，最后去除光刻胶，形成热电偶的铂铑电极；

至此，得到基于湿敏软管的集成温湿压柔性传感器。

与现有技术相比，本发明具有如下的有益效果：

本发明通过使用感湿材料湿敏聚合物软管作为衬底，可以作为电容式湿度传感器的电容介质，有效的减小制作湿度传感器的体积和工艺复杂性；环绕软管的铂丝压阻型压力传感器用于检测圆管拉伸、弯曲、扭转等多个方向力的变化。此外，本发明制作工艺简单，灵敏度较高，可以利用软管应用于多个复杂的领域。

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为本发明一优选实施例的结构正视图；

图中：PI软管衬底1，网状电极2，铂电极3，铂铑电极4，铂丝5；

图2为本发明一优选实施例的透视图；

图3为本发明一优选实施例的右视图；

图4为本发明一优选实施例的俯视图。

具体实施方式

下面对本发明的实施例做详细说明，本实施例在以本发明技术方案为前提下进行实施，给出了详细的实施方式和具体的操作过程，但本发明的保护范围不限于下属的两个实施例。

实施例1

如图1-图4所示，一种基于湿敏软管的集成温湿压柔性传感器，由PI软管衬底1、网状电极2和PI软管衬底1构成的湿度传感器、铂电极3和铂铑电极4组成的热电偶、铂丝5组成的压力传感器组成；其中：

所述湿度传感器以PI软管衬底1作为电容介质，所述网状电极对称分布在PI软管衬底1的侧壁上，形成电容式湿度传感器的上、下极板；

所述铂电极3和铂铑电极4溅射在PI软管衬底1的侧壁上，用于监测温度的变化，且一部分铂铑电极4覆盖一部分铂电极3以构成热电偶的热结点；

所述铂丝5环绕在PI软管衬底1的外侧面上，当PI软管衬底1受到外力的作用产生弯曲拉伸扭转变形时，铂丝5同时发生变形，导致铂丝5的电阻发生变化，从而实现检测多个方向以及扭转的压力变化。

作为一优选的实施方式，所述PI软管衬底1的直径为3微米。

作为一优选的实施方式，所述网状电极2的网眼长为100微米、宽为50微米，网眼间的间距为70微米；所述网状电极2可以有效增加PI软管衬底1与外界环境的接触面积，从而增大吸湿性。

作为一优选的实施方式，所述铂电极3和铂铑电极4为两块对称的T字型薄膜金属层，两块T字型薄膜金属层的尾部叠放在一起以形成热电偶的热结点，且除了面积为0.01-0.1平方微米的热结点外，其余部分的两块T字型薄膜金属层均相互绝缘。

进一步的，所述铂电极3的厚为1微米；所述铂铑电极4的厚为1微米。

作为一优选的实施方式，所述铂丝5的宽为70微米、间隔为50微米，共50匝。

本实施例通过使用PI软管作为衬底，可以作为电容式湿度传感器的电容介质，有效的减小制作湿度传感器的体积和工艺复杂性；相比于传统的平面型压力传感器，环绕软管的铂丝压阻型压力传感器用于检测圆管拉伸、弯曲、扭转等多个方向力的变化。此外，本实施例制作工艺简单，灵敏度较高，可以利用软管应用于多个复杂的领域。

实施例2

一种基于湿敏软管的集成温湿压柔性传感器的制备方法，所述方法包括如下步骤：

第一步、在PI软管衬底上喷涂1-3微米的光刻胶，通过可编程紫外光刻设备，运用旋转光刻技术对湿度传感器的网状电极进行图形化，溅射30-50纳米铬粘结层、1微米厚的铜电极层，去除光刻胶，形成湿敏传感器网状电极的上下极板；

第二步、喷涂光刻胶遮盖网状电极层，通用旋转光刻技术，采用不同的掩膜版分别对热电偶的铂，以及压力传感器的铂丝进行图形化，溅射30纳米的钛粘结层、以及1微米的铂电极层，然后去除光刻胶，形成压力传感器的铂丝以及热电偶的铂电极；

第三步、喷涂光刻胶遮盖制作好的热电偶的铂电极，图形化铂铑电极，显影后溅射30纳米的钛粘结层、1微米铂铑电极层，最后去除光刻胶，形成热电偶的铂铑电极。

以上实施例在工艺流程简单的基础上，通过在PI软管衬底上制作温湿压柔性传感器，使传感器的结构更加简单，体积更小，应用于更多复杂场合。

本发明网状电极的电阻型湿度传感器具有结构简单，测量精度高的优点，网状电极使湿敏聚合物介质与空气接触面积更大有利于吸湿；薄膜热电偶结构简单，测量精度高；利用旋转光刻技术制作的环形铂丝结构简单，可以有效的检测多个方向压力的变化。

需要指出的是，上述实施例采用微加工方法只是本发明的两个实施例，还可以改变聚合物的种类、金属结构的尺寸及种类，不仅仅局限于上述实例的描述，均可实现本发明的目的。

以上实例描述了本发明的优点及微加工方法，本行业的技术人员应该了解，在不脱离本发明精神和范围的前提下本发明还会有各种改进和优化，这些改进和优化都落入要求保护的本发明范围内，本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等同物界定。

Claims (9)

1.一种基于湿敏软管的集成温湿压柔性传感器，其特征在于，包括：湿敏聚合物软管衬底，以及设置于所述湿敏聚合物软管衬底上的电容式湿度传感器、温度传感器和压阻式压力传感器；其中：

所述电容式湿度传感器由网状电极构成并以湿敏聚合物软管衬底作为电容介质，所述网状电极对称分布在湿敏聚合物软管衬底的侧壁上，形成电容式湿度传感器的上、下极板；

所述温度传感器为由铂电极和铂铑电极组成的热电偶，且一部分铂铑电极覆盖一部分铂电极以构成热电偶的热结点；铂电极和铂铑电极溅射在湿敏聚合物软管衬底的侧壁上，用于监测温度的变化；

所述压阻式压力传感器由铂丝组成，所述铂丝环绕在所述湿敏聚合物软管衬底的外侧面上，用于检测湿敏聚合物软管衬底的拉伸、弯曲、扭转的多个方向力的变化。

2.根据权利要求1所述的一种基于湿敏软管的集成温湿压柔性传感器，其特征在于，所述湿敏聚合物软管衬底采用湿敏聚合物材料，所述湿敏聚合物材料为电容型聚合物材料。

3.根据权利要求2所述的一种基于湿敏软管的集成温湿压柔性传感器，其特征在于，所述湿敏聚合物软管衬底的外径为2-4毫米、内径为1-3毫米、长度为20-30毫米。

4.根据权利要求1所述的一种基于湿敏软管的集成温湿压柔性传感器，其特征在于，所述网状电极的两个对称的上、下极板包裹在湿敏聚合物软管衬底的外壁上，且上、下极板之间留下间隙以防止极板间短路。

5.根据权利要求4所述的一种基于湿敏软管的集成温湿压柔性传感器，其特征在于，所述网状电极的材料为铂、银和铜的一种。

6.根据权利要求1所述的一种基于湿敏软管的集成温湿压柔性传感器，其特征在于，所述热电偶：铂电极和铂铑电极为两块对称的T字型薄膜金属层，两块T字型薄膜金属层的尾部叠放在一起以形成热电偶的热结点，且除了面积为0.01-0.1平方微米的热结点外，其余部分的两块T字型薄膜金属层均相互绝缘。

7.根据权利要求1所述的一种基于湿敏软管的集成温湿压柔性传感器，其特征在于，所述铂丝通过在湿敏聚合物软管衬底上溅射铂，使铂环绕在湿敏聚合物软管衬底侧壁上，以形成压阻式压力传感器；

当湿敏聚合物软管衬底受到外力的作用产生弯曲拉伸扭转变形时，铂丝同时发生变形，导致铂丝的电阻发生变化，从而实现检测多个方向以及扭转的压力变化。

8.根据权利要求1-7任一项所述的一种基于湿敏软管的集成温湿压柔性传感器，其特征在于，所述湿度传感器的网状电极与所述压力传感器的铂丝分别位于由铂电极和铂铑电极组成的热电偶，即温度传感器的两侧，以防止各传感器间发生短路。

9.一种根据权利要求1-8任一项所述的基于湿敏软管的集成温湿压柔性传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：

第一步、在湿敏聚合物软管衬底上喷涂光刻胶，通过可编程紫外光刻设备并运用旋转光刻技术，对湿度传感器的网状电极进行图形化，溅射铬粘结层，铜、铂或银电极层，去除光刻胶，形成湿敏传感器网状电极的上下极板；

第二步、在制作完成湿敏传感器网状电极的湿敏聚合物软管衬底上喷涂光刻胶以遮盖网状电极层，通用旋转光刻技术，采用不同的掩膜版分别对热电偶的铂，以及压力传感器的铂丝进行图形化，溅射钛粘结层、铂电极层；然后去除光刻胶，形成压力传感器的铂丝以及热电偶的铂电极；

第三步、在经过前两步加工的湿敏聚合物软管衬底上喷涂光刻胶遮盖制作好的热电偶的铂电极，图形化铂铑电极，显影后，溅射钛粘结层、铂铑电极层，最后去除光刻胶，形成热电偶的铂铑电极；

至此，得到基于湿敏软管的集成温湿压柔性传感器。