CN108267248A - 用于监测人体生理信号的柔性压力传感器及其制造方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种用于监测人体生理信号的柔性压力传感器及其制造方法。所述方法包括：在预设有微结构列阵的模具工作面的预设区域上，印刷柔性导电材料，形成下电极薄膜；在下电极薄膜和模具工作面上，印制柔性聚合物形成柔性基板；将预先制备好的上电极薄膜同时与下电极薄膜和柔性基板封装在一起形成柔性压敏电阻。本发明通过制备带有微结构列阵的模具上，制备下电极薄膜和柔性基板，使得它们具有特殊形状的导电微结构和支撑微结构，并配合无特殊微结构的上电极薄膜封装成具有高灵敏度的柔性压敏电阻，供柔性压力传感器的制备，使得柔性压力传感器的制备方法简单快捷，大大降低了制备成本。
Description
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种用于监测人体生理信号的柔性压力传感器及其制造方法。
背景技术
随着人们生活水平的不断提高，人们开始越来越愿意关注自身的健康问题。可穿戴医疗监测设备，由于其良好的穿戴性和便捷性，受到人们的青睐。
柔性压力传感器是可穿戴医疗监测设备中，在医疗应用和运动条件下，实时监测人体生理信号的重要元件。而现有的柔性压力传感器，要么在监测微小压力性能不好，要么造价昂贵，不适合大规模推广使用。
发明内容
为了解决现有技术的问题，本发明实施例提供了一种用于监测人体生理信号的柔性压力传感器及其制造方法。所述技术方案如下：
一方面，本发明实施例提供了一种用于监测人体生理信号的柔性压力传感器制造方法，所述方法包括：
在预设有微结构列阵的模具工作面的预设区域上，印制柔性导电材料，所述柔性导电材料由金属颗粒与柔性聚合物混合构成；
采用预设温度对印制好的柔性导电材料进行加热固化，形成下电极薄膜；
在下电极薄膜和模具工作面上，印制柔性聚合物并固化，形成用于支撑下电极薄膜的柔性基板；
采用剥离工艺，将模具从下电极薄膜和柔性基板的表面剥离，形成表面具有多个导电微结构的下电极薄膜和表面具有多个支撑微结构的柔性基板；
将预先制备好的上电极薄膜同时与下电极薄膜的导电微结构和柔性基板的支撑微结构接触并封装在一起，形成柔性压敏电阻，所述柔性压敏电阻用于与相应信号监测电路连接，组成柔性压力传感器。
本发明实施例上述的用于监测人体生理信号的柔性压力传感器制造方法中，所述柔性聚合物为聚二甲基硅氧烷，所述金属颗粒为金、银、铜中任一种。
在本发明实施例上述的用于监测人体生理信号的柔性压力传感器制造方法中，所述模具由硅晶片制备而成。
在本发明实施例上述的用于监测人体生理信号的柔性压力传感器制造方法中，在浇注柔性导电材料之前，所述方法还包括：
采用三氯硅烷对所述模具工作面进行表面处理。
在本发明实施例上述的用于监测人体生理信号的柔性压力传感器制造方法中，所述导电微结构和所述支撑微结构的形状均为锥型或棱锥型。
在本发明实施例上述的用于监测人体生理信号的柔性压力传感器制造方法中，在开始制备柔性压力传感器之前，所述方法还包括：
采用预设的光刻工艺，制备具有预设图样的掩膜，所述预设图样包括多个微米级或纳米级开口；
将制备好的掩膜放置在还未开模的模具工作面，采用预设刻蚀工艺，在模具的工作面刻蚀出与预设图样对应的多个微结构，形成在工作面具有所需微结构列阵的模具。
另一方面，本发明实施例提供了一种用于监测人体生理信号的柔性压力传感器，采用了上述用于监测人体生理信号的柔性压力传感器制造方法制备，所述柔性压力传感器包括：柔性压敏电阻和相应的监测电路，所述柔性压敏电阻包括：
上电极薄膜，用于作为柔性压敏电阻的一个电极，与监测电路电连接；
下电极薄膜，与所述上电极薄膜的接触面上具有按预设规律分布的导电微结构，用于作为柔性压敏电阻的另一个电极，与监测电路电连接；
柔性基板，覆盖在下电极薄膜上，且与上电极薄膜的接触面上具有支撑微结构，用于负载所述下电极薄膜和所述上电极薄膜，所述柔性基板的支撑微结构和所述下电极薄膜的导电微结构，均是在具有微结构列阵的模具上制备而成的。
在本发明实施例上述的用于监测人体生理信号的柔性压力传感器中，所述柔性聚合物为聚二甲基硅氧烷。
在本发明实施例上述的用于监测人体生理信号的柔性压力传感器中，所述金属颗粒为金、银、铜中任一种。
在本发明实施例上述的用于监测人体生理信号的柔性压力传感器中，所述导电微结构和所述支撑微结构的形状均为锥型或棱锥型。
本发明实施例提供的技术方案带来的有益效果是：
通过制备带有微结构列阵的模具上，制备下电极薄膜和柔性基板，使得它们具有特殊形状的导电微结构和支撑微结构，并配合无特殊微结构的上电极薄膜封装成具有高灵敏度的柔性压敏电阻，供柔性压力传感器的制备，使得柔性压力传感器的制备方法简单快捷，大大降低了制备成本，而且，通过重新设计模具的微结构的形状或者微结构的排列，即可对柔性压敏电阻的性能做出调整，有利于开发不同性能的柔性压敏电阻，大大降低了新型柔性压敏电阻的开发成本。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1是本发明实施例一提供的一种用于监测人体生理信号的柔性压力传感器制造方法流程图；
图2是本发明实施例一提供的一种柔性压敏电阻制备过程的示例图；
图3是本发明实施例一提供的一种柔性压敏电阻制备过程的示例图；
图4是本发明实施例二提供的一种用于监测人体生理信号的柔性压力传感器的结构示意图；
图5是本发明实施例二提供的一种柔性压敏电阻的结构示意图。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明实施方式作进一步地详细描述。
实施例一
本发明实施例提供了一种用于监测人体生理信号的柔性压力传感器制造方法，参见图1，该方法可以包括：
步骤S11，采用预设的光刻工艺，制备具有预设图样的掩膜，该预设图样包括多个按预设规律分布的微米级或纳米级的开口。
在本实施例中，首先采用光刻工艺，在掩膜上按照预设规律(例如：均匀分布)，刻出微米级或纳米级的开口(开口可以是方形的，也可以是圆形的，这里不做限制)，然后利用制备好的掩膜来制备所需的模具。
步骤S12，将制备好的掩膜放置在还未开模的模具工作面，采用预设刻蚀工艺，在模具的工作面刻蚀出与预设图样对应的多个微结构，形成在工作面具有所需微结构列阵的模具。
在本实施例中，模具可以采用硅晶片制备而成。将制备好的掩膜放置在未开模的模具工作面上，然后采用刻蚀工艺，在模具的工作面上进行刻蚀，这样在掩膜的预设图样对应的模具工作面上，可以刻蚀出按照预设规律分布的微结构，其中，微结构列阵由多个按照微结构按照预设规律分布构成的。在实际应用中，制备好的模具可以反复使用，能大大降低制备成本。
步骤S13，采用三氯硅烷对模具工作面进行表面处理。
在本实施例中，采用三氯硅烷对模具工作面进行表面处理，可以防止后续柔性聚合物聚二甲基硅氧烷，在固化时粘连在模具上，不利于后续的模具剥离。
步骤S14，在预设有微结构列阵的模具工作面的预设区域上，印制柔性导电材料，该柔性导电材料由金属颗粒与柔性聚合物混合构成。
在本实施例中，柔性导电材料只印制在模具工作面的一部分区域上，并非完全覆盖在模具工作面上，例如参见图2，制备好了的模具400上具有微结构401，柔性导电材料印制在模具400的预设区域上，再经过一些加热、封装工艺处理，形成下电极薄膜200，该下电极薄膜200在与模具400的微结构401接触处形成导电微结构201。
可选地，柔性聚合物为聚二甲基硅氧烷，金属颗粒为金、银、铜中任一种。
在本实施例中，聚二甲基硅氧烷(Polydimethylsiloxane，简称“PDMS”)因其成本低，使用简单，同硅晶片之间具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性等特点，成为一种广泛应用于微流控等领域的聚合物材料。
步骤S15，采用预设温度对印制好的柔性导电材料进行加热固化，形成下电极薄膜。
步骤S16，在下电极薄膜和模具工作面上，印制柔性聚合物并固化，形成用于支撑下电极薄膜的柔性基板。
在本实施例中，该柔性压敏电阻的上下电极均为薄膜形态制备，因此需要一层柔性基板来对它们进行支持和依附的基础。这里采用与柔性导电材料中相同的柔性聚合物来做柔性基板的制备材料，可以有效降低柔性基板的材质对下电极薄膜的干扰。另外，也可以保障柔性基板与下电极薄膜的延展性和可拉伸性相近，避免两者之间脱离。参见图3，下电极薄膜200并未完全覆盖模具400的工作面，在模具400工作面的其他区域和下电极薄膜200的表面，同时印制柔性聚合物，形成柔性基板300。这样，柔性基板300在与模具400的微结构接触处形成了，与下电极薄膜200的导电微结构201形状相同的支撑微结构301。
步骤S17，采用剥离工艺，将模具从下电极薄膜和柔性基板的表面剥离，形成表面具有多个导电微结构的下电极薄膜和表面具有多个支撑微结构的柔性基板。
在本实施例中，在下电极薄膜和柔性基板制备好后，通过预设的剥离工艺，将它们从模具中剥离出来，这样下电极薄膜的导电微结构和柔性基板的支撑微结构就制备完成了，整个制备过程简单快捷，方便重复多次制备，大大降低了制备成本，而且，柔性压敏电阻的性能主要依靠的是下电极薄膜上的导电微结构和导电微结构列阵，如需对柔性压敏电阻的性能做出调整，需要多导电微结构的形状或者导电微结构列阵的分布做出调整即可，而上述调整过程十分方便快捷，只需要调整模具即可，大大降低了柔性压敏电阻系统产品的开发成本。
可选地，该导电微结构的形状与支撑微结构的形状相同，导电微结构和支撑微结构的形状均为锥型或棱锥型。
在本实施例中，下电极薄膜的导电微结构直接影响到后续制备的柔性压敏电阻的性能，这种导电微结构能保障柔性压敏电阻具有高灵敏性，适用于监测低压信号。
步骤S18，将预先制备好的上电极薄膜同时与下电极薄膜的导电微结构和柔性基板的支撑微结构接触并封装在一起，形成柔性压敏电阻，该柔性压敏电阻用于与相应信号监测电路连接，组成柔性压力传感器。
在本实施例中，在下电极薄膜和柔性基本制备好后，只需要将预先制备好的上电极薄膜与它们封装在一起即可制备出柔性压敏电阻，其中，上电极薄膜由于无需特殊的结构要求，只需要制备一层导电薄膜，因此，制备十分方便快捷。另外，对柔性压敏电阻进行信号监测的电路是比较常规的电路结构，这里不做详细说明。
本发明实施例通过制备带有微结构列阵的模具上，制备下电极薄膜和柔性基板，使得它们具有特殊形状的导电微结构和支撑微结构，并配合无特殊微结构的上电极薄膜封装成具有高灵敏度的柔性压敏电阻，供柔性压力传感器的制备，使得柔性压力传感器的制备方法简单快捷，大大降低了制备成本，而且，通过重新设计模具的微结构的形状或者微结构的排列，即可对柔性压敏电阻的性能做出调整，有利于开发不同性能的柔性压敏电阻，大大降低了新型柔性压敏电阻的开发成本。
实施例二
本发明实施例提供了一种用于监测人体生理信号的柔性压力传感器，采用了实施例一所述的制备方法，参见图4，该柔性压力传感器可以包括：柔性压敏电阻1和相应的监测电路2。
参见图5，该柔性压敏电阻1可以包括：
上电极薄膜100，用于作为柔性压敏电阻1的一个电极，与监测电路2电连接。
下电极薄膜200，与上电极薄膜100的接触面上具有按预设规律分布的导电微结构201，用于作为柔性压敏电阻1的另一个电极，与监测电路2电连接。
柔性基板300，覆盖在下电极薄膜200上，且与上电极薄膜100的接触面上具有支撑微结构301，用于负载下电极薄膜200和上电极薄膜100，柔性基板300的支撑微结构301和下电极薄膜200的导电微结构201，均是在具有微结构列阵的模具上制备而成的。
可选地，柔性聚合物为聚二甲基硅氧烷，金属颗粒为金、银、铜中任一种。
可选地，导电微结构和所述支撑微结构的形状均为锥型或棱锥型。
在本实施例中，该柔性压力传感器的制备方法在实施例一中已有详细说明，这里不在赘述，需要说明的是，该压敏电阻由于其采用按规律分布的导电微结构来实现阻值的变化，进而对压力进行监测，具有灵敏度高的特点，可以适用于低压状态下的信号监测。
本发明实施例通过制备带有微结构列阵的模具上，制备下电极薄膜和柔性基板，使得它们具有特殊形状的导电微结构和支撑微结构，并配合无特殊微结构的上电极薄膜封装成具有高灵敏度的柔性压敏电阻，供柔性压力传感器的制备，使得柔性压力传感器的制备方法简单快捷，大大降低了制备成本，而且，通过重新设计模具的微结构的形状或者微结构的排列，即可对柔性压敏电阻的性能做出调整，有利于开发不同性能的柔性压敏电阻，大大降低了新型柔性压敏电阻的开发成本。
上述本发明实施例序号仅仅为了描述，不代表实施例的优劣。
以上所述仅为本发明的较佳实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种用于监测人体生理信号的柔性压力传感器制造方法，其特征在于，所述方法包括：
在预设有微结构列阵的模具工作面的预设区域上，印制柔性导电材料，所述柔性导电材料由金属颗粒与柔性聚合物混合构成；
采用预设温度对印制好的柔性导电材料进行加热固化，形成下电极薄膜；
在下电极薄膜和模具工作面上，印制柔性聚合物并固化，形成用于支撑下电极薄膜的柔性基板；
采用剥离工艺，将模具从下电极薄膜和柔性基板的表面剥离，形成表面具有多个导电微结构的下电极薄膜和表面具有多个支撑微结构的柔性基板；
将预先制备好的上电极薄膜同时与下电极薄膜的导电微结构和柔性基板的支撑微结构接触并封装在一起，形成柔性压敏电阻，所述柔性压敏电阻用于与相应信号监测电路连接，组成柔性压力传感器。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述柔性聚合物为聚二甲基硅氧烷，所述金属颗粒为金、银、铜中任一种。
3.根据权利要求2所述的方法，其特征在于，所述模具由硅晶片制备而成。
4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于，在浇注柔性导电材料之前，所述方法还包括：
采用三氯硅烷对所述模具工作面进行表面处理。
5.根据权利要求1所述的方法，其特征在于，所述导电微结构和所述支撑微结构的形状均为锥型或棱锥型。
6.根据权利要求1-5任一项所述的方法，其特征在于，在开始制备柔性压力传感器之前，所述方法还包括：
采用预设的光刻工艺，制备具有预设图样的掩膜，所述预设图样包括多个微米级或纳米级开口；
将制备好的掩膜放置在还未开模的模具工作面，采用预设刻蚀工艺，在模具的工作面刻蚀出与预设图样对应的多个微结构，形成在工作面具有所需微结构列阵的模具。
7.一种用于监测人体生理信号的柔性压力传感器，采用权利要求1所述的方法制备，所述柔性压力传感器包括：柔性压敏电阻和相应的监测电路，其特征在于，所述柔性压敏电阻包括：
上电极薄膜，用于作为柔性压敏电阻的一个电极，与监测电路电连接；
下电极薄膜，与所述上电极薄膜的接触面上具有按预设规律分布的导电微结构，用于作为柔性压敏电阻的另一个电极，与监测电路电连接；
柔性基板，覆盖在下电极薄膜上，且与上电极薄膜的接触面上具有支撑微结构，用于负载所述下电极薄膜和所述上电极薄膜，所述柔性基板的支撑微结构和所述下电极薄膜的导电微结构，均是在具有微结构列阵的模具上制备而成的。
8.根据权利要求7所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性聚合物为聚二甲基硅氧烷。
9.根据权利要求7所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述金属颗粒为金、银、铜中任一种。
10.根据权利要求7-9任一项所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述导电微结构和所述支撑微结构的形状均为锥型或棱锥型。
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