CN108615807A - 一种量程和灵敏度可调的柔性传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器制备领域，并公开了一种量程和灵敏度可调的柔性传感器及其制备方法。该方法包括：(a)在该刚性透明基板上依次沉积激光反应层和透明柔性基板，将激光反应层与刚性透明基板分离，以此获得激光反应层与透明柔性基板层的双层结构；(b)根据所需制备的传感器的类型沉积电极层；(c)激光照射柔性透明基板，激光反应层吸收所述激光的能量发生烧蚀分解反应，反应生成的气体将激光反应层被照射的区域顶起且与柔性透明基板分离，从而在柔性透明基板与激光反应层之间形成空腔，由此完成柔性传感器的制备。本发明还公开了该制备方法获得的产品，通过本发明，制备方法简单，制备的传感器灵敏度高，量程实时可调。

Description

一种量程和灵敏度可调的柔性传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于传感器制备领域，更具体地，涉及一种量程和灵敏度可调的柔性传感器及其制备方法。

背景技术

飞行器智能蒙皮是一种先进的智能材料结构，能够极大提高飞行器的飞行速度、操作机动性、环境感知和安全维护能力，一般由特定信息的传感器、控制器和驱动器组成，具备信息传递、信息处理和驱动三种功能。其中飞行器表面压力测量对研究飞行器的气动特性尤为重要。测量飞行器模型在风洞中各部件，如机翼、尾翼、机身、操纵面、外挂物等表面的压力分布，为飞行器及其各部件结构强度计算提供载荷，为飞行器及其各部件的性能，研究绕模型的流动特性提供数据。通过压力分布测量可以确定机翼上最小压力点位置、激波位置、气流是否分离，以及作用在模型上的升力、压差阻力和压力中心的位置等。

常规压力分布采用压力孔测量。在风洞测试中，压力传感器一般有表面安装、嵌入安装和通过管路***外接至扫描阀三种方式。但是测压孔的存在破坏了模型的整体性，增加了模型的加工难度，且造价高、周期长。另外测压孔改变了附近的流线曲率以及孔内存在漩涡，从而导致压力孔所测压力比真实压力要高，并且不同的孔径和孔缘不规则也会对测量产生不同的影响。部分电容传感器和压电传感器的作用原理均可归纳为相应的功能层结构发生变形，导致对应区域的电容发生变化，或基于压电效应而产生压电信号，从而实现对功能层结构变形的感知与测量，并利用这一原理实现各种压力、应变传感器的制备，现有技术中提高这一类型传感器灵敏度的一种思路是对传感器内部结构进行优化设计，提升用于传感的功能层结构在外界作用下的变形程度，从而增大感应信号。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种量程和灵敏度可调的柔性传感器及其制备方法，该方法利用激光加工技术获得空腔结构，该空腔结构内部为气体，外层为超薄薄膜，由于其中空的特性，在外界作用下，超薄薄膜结构极易发生变形，通过将传感用的功能层嵌入超薄薄膜，可以显著提高传感器的灵敏度，此外，通过调整空腔高度和内部的气压大小可调整传感器的量程和灵敏度，由此解决传感器灵敏度低和量程不可调的技术问题。并利用该空腔结构制备超灵敏传感器的方法。

为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种量程和灵敏度可调的柔性传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)选取刚性透明基板，在该刚性透明基板上沉积厚度在1微米至50微米之间的激光反应层，在该激光反应层上沉积厚度在50微米至5毫米之间的透明柔性基板，将所述激光反应层与所述刚性透明基板分离，以此获得激光反应层与透明柔性基板层的双层结构，判断所需制备的传感器的类型；

(b)当制备的传感器为压电传感器时，在所述激光反应层上方沉积采用压电材料的传感器功能层，然后在该功能层上方沉积用于引出待测量信号的电极层；当制备的传感器为平行板电容传感器时，在所述激光反应层的上方沉积电极层；

(c)在所述柔性透明基板的下方采用激光照射该柔性透明基板，其中，该透明柔性基板下方的两端放置掩膜版，所述激光穿透未放置掩膜版区域的柔性透明基板照射至所述激光反应层的下底面，该激光反应层吸收所述激光的能量发生烧蚀分解反应，该反应生成的气体将所述激光反应层被照射的区域顶起且与所述柔性透明基板分离，从而在所述柔性透明基板与激光反应层之间形成空腔，通过调节所述空腔的内部气压与高度和该空腔上方的激光反应层、功能层或电极层的厚度分别实现所述柔性传感器量程和灵敏度的调整。

进一步优选地，当制备的传感器为平行板电容传感器时，在步骤(c)之后，还需在所述透明柔性基板下方与所述空腔对应处沉积电极层。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述电极层分为两个部分，一个部分设置在所述空腔的上方，另一部分设置在非空腔的上方。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述刚性透明基板采用耐300℃以上高温的材料，优选采用石英玻璃或蓝宝石。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述激光反应层优选采用聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯或各种光敏感性光刻胶材料。

进一步优选地，在步骤(a)中，所述柔性透明基板优选采用聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯或铂催化硅橡胶，该柔性透明基板的沉积方法到优选采用旋转涂布、涂膜或模具浇注。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述压电材料优选采用聚偏氟乙烯材料及其衍生物，或者压电高聚物尼龙。

进一步优选地，在步骤(b)中，所述传感器功能层的厚度至少小于所述激光反应层厚度的五分之一。

进一步优选地，所述电极层的厚度不超过100纳米。

按照本发明的另一方面，提供了一种利用上述所述的一种量程和灵敏度可调的柔性传感器的制备方法所制备的柔性传感器。

进一步优选地，所述柔性传感器为一个单元，通过多个单元的排列和组合形成阵列化传感器，该阵列化传感器中的各个单元的空腔相互连通，并且与设置在该阵列化传感器外部的储气腔相连通，通过改变储气腔中的气压实现各个单元空腔的气压和高度的调整，以此实现所述阵列化传感器灵敏度和量程的调整。

总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：

1、本发明提出的利用激光加工产生的空腔结构制备柔性薄膜压力传感器，具有高灵敏度且量程/灵敏度可调的特性，可适用于不同马赫数下风洞的测压要求，通过大面积、阵列化排布，可以实现压力的全局测量，克服了常规压力测量需要测压孔和离散式测量的缺点，该种传感器超薄且可以共形于飞行器表面，从而几乎不对气流产生影响，提高了测量的准确性；

2、本发明空腔的一侧为柔性透明基板，另一侧为与激光发生烧蚀作用的聚合物薄膜，激光穿透透明基板被另一侧聚合物薄膜吸收，临近透明基板的聚合物薄膜材料发生烧蚀反应并产生气体，气体使原本闭合的界面发生分离，并顶起一侧的薄膜，形成空腔结构，由于聚合物对紫外光的剧烈吸收，烧蚀深度仅为数十纳米，因此，这一烧蚀过程对微米量级的薄膜几乎无损，最终制备得到的空腔结构外壁厚度可以降低至微米量级，从而极大的提高了空腔结构在外界作用下的变形程度，实现超灵敏传感器的制备；

3、本发明的空腔结构的大小，形状，高度，内部的气压可以通过改变工艺参数实现调节，进而对传感器探测的灵敏度，量程进行调控，适应多种工况，利用该种方法制备的气腔结构的形状可以任意图案化的特点，结合电容式和压电式两种类型，将传感器大面积、阵列化制备，实现静态和动态压力的同时、全局测量，克服了常规压力测量需要测压孔和离散式测量的缺点；

4、本发明提供的传感器由于可以控制该传感器厚度在数微米内，整体结构薄，共形于飞机表面后几乎不对气流产生影响，提高了测量的准确性，利用该方法可以在各个阵列化气腔中实现微流道的连接，可以通过控制外部气腔的压力实时调节传感器气腔内部的压力大小，气腔高度，从而实现对传感器探测灵敏度和探测范围的实时控制，满足不同马赫数下风洞的测压要求，另外，由于该传感器具有超薄、超灵敏等特性，在电子皮肤上也具有很好的应用前景。

附图说明

图1是按照本发明的优选实施例所构建的一种柔性传感器的制备过程示意图；

图2是按照本发明的优选实施例所构建的柔性传感器的工作原理示意图；

图3是按照本发明的优选实施例所构建的改变工艺参数来调控本发明所涉及的传感器的灵敏度和量程的原理性示意图；

图4是按照本发明的优选实施例所构建的利用光学掩膜版一步实现阵列化传感器制备的示意图；

图5是按照本发明的优选实施例所构建的阵列化传感器信号采集与处理流程图；

图6是按照本发明的优选实施例所构建的实时调控传感器的灵敏度和量程的方法示意图。

在所有附图中，相同的附图标记用来表示相同的元件或结构，其中：

10-刚性透明基板 20-激光反应层 11-柔性透明基板 30-传感器功能层 40-上电极层 401-图案化上电极层 41-下电极层 402-传感器单元 43-空腔正上方上层电极 42-非空腔区域上层电极 44-传感器空腔结构外壁 45-阵列化传感器单元 46-阵列化传感器单元 47-连接传感器单元的微流道 48-用于实施调控的传感器阵列的储气腔 63-图案化光学掩膜版 70-传感器单元的空腔结构 71-阵列化传感器单元 45对应的空腔结构 72-阵列化传感器单元 46对应的空腔结构

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。

图1是按照本发明的优选实施例所构建的一种柔性传感器的制备过程示意图，如图1所示，该传感器的制备通常需要包括如下步骤：

步骤1：准备一块刚性透明基板10，并在透明基板上沉积激光反应层20。该透明基板需要对激光具有高透过性。如石英玻璃或蓝宝石基板可以被使用。沉积的激光反应层是形成空腔结构的关键，其需要满足如下条件：1、该反应层可以剧烈吸收激光，其吸收深度通常需要小于100纳米。在吸收深度内的激光反应层受到激光的照射后剧烈升温，会发生烧蚀等分解反应。该反应会使激光反应层与透明基板发生界面分离，并产生大量气体产物。2、该反应层不能为脆性材料，同时还需具备一定柔性与延展性，以满足在烧蚀后的气体顶起该反应层形成空腔结构时，该层材料不会轻易发生断裂与损伤。大量聚合物(如聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、或各种光敏感性光刻胶材料)是该激光反应层的理想选择，利用紫外激光烧蚀集合物，可以发生界面分离并产生大量气体产物。优选的，可以采用聚酰亚胺作为激光反应层。该材料由于其优秀的机械、电学性能在电子制造中作为柔性绝缘基板被广泛采用。聚酰亚胺可以被308nm的准分子激光烧蚀而从刚性基板上分离，并产生大量气体产物，如二氧化碳、一氧化碳等各种气体。该工艺已广泛的适用于激光剥离技术用于制备柔性显示制造中。聚酰亚胺等聚合物材料可以通过旋转涂布等方式沉积在透明刚性基板上，其厚度通常控制在数微米至数十微米，随后进行高温处理，使聚酰亚胺材料亚胺化，得到良好的机械、电学性能。

步骤2：在激光反应层上方沉积一层透明柔性基板11，作为柔性传感器的基板材料。该透明材料需要对激光具有高穿透性，如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、铂催化硅橡胶(Ecoflex)等。该柔性透明基板可以通过旋转涂布，涂膜制备，或利用模具浇注等方法在激光反应层上方制备厚度均匀、高度可控的液态柔性透明材料层，并进行固化得到。该透明材料需要与激光反应层形成良好的界面接触，避免孔隙，空洞的产生。该透明材料层的厚度一般远大于激光反应层，其厚度可以控制在数百微米至数毫米。因此该柔性基板决定了最终柔性传感器的可变形程度。一般而言，基板越薄，可变形程度越好。

步骤3：利用激光剥离工艺分离刚性基板，得到柔性透明基板与激光反应层的双层结构。激光穿透透明刚性基板10，被激光反应层20吸收，发生界面反面，导致界面分离。激光剥离工艺目前已广泛应用于柔性显示制造中，用于分离柔性显示器与刚性玻璃基板，工艺已十分成熟，在此不做赘述。需要说明的是，通常不能直接在柔性透明基板上沉积激光反应层，而需要利用激光剥离工艺得到该双层结构。原因在于，一般来说，激光反应层需要高温固化工艺，一般的柔性透明基板难以承受。如，聚酰亚胺需要长时间高温(200-300度)才能实现亚胺化，得到良好的机械和电学性能，一般的透明柔性基板长时间暴露在该温度下发生分解。若激光吸收层可以直接沉积在柔性透明基板，或传感器无需柔性化，可省略步骤2和步骤3。

步骤4：在激光反应层上方沉积传感器功能层30。该功能层的是实现传感器功能的关键。利用该功能层材料变形而产生的信号实现对相关物理量的测量。该功能层可以选用压电材料，如聚偏氟乙烯(PVDF)材料及其衍生物、压电高聚物尼龙等。压电材料功能层在变形时，会由于压电效应导致内部电压分布变化，通过对电压的测量可以实现对其变形程度的传感与测量。对于电容传感器，激光反应层与空腔共同组成功能层，该步骤可以省略，功能层发生变形时，电极间的电容发生改变，通过测量电极间电容的变化可以对其变形进行传感与测量。功能层的厚度远小于激光反应层，通常控制在1微米以下，功能层的厚度影响空腔的鼓起程度，避免太厚导致灵敏度降低。可以利用旋转涂布，磁控溅射等工艺进行沉积，得到高质量的薄膜作为功能层结构。

步骤5：在功能层上方沉积上电极层40，利用引线连接电极，另一端接入测量设备实现对特定信号的测量。该电极可以通过磁控溅射或真空蒸镀方式沉积，可以选择金属材料，如金、铜等。电极层通常需要根据传感器的设计和排列进行图案化。图案化的方法可以通过在沉积时上方覆盖镂空掩膜版实现。利用磁控溅射或真空蒸镀方式沉积的电极层的厚度通常为100纳米以下。

步骤6：利用激光60透过柔性透明基板11，照射于特定区域的激光反应层界面50。激光，以一定入射能量、照射频率，对特定区域进行照射。激光的入射能量，与照射频率可以通过调节激光器的功率和脉冲频率进行控制。实现对特定区域照射，可以在透明柔性基板入射一侧添加掩膜版62，掩膜版可以通过对吸光或反光薄片的材料薄片进行机械加工方式的得到。激光在扫描时，掩膜板实体部分会吸收或反射激光，掩膜版对应区域的激光反应层界面51未受到照射。激光会穿过掩膜版的镂空部分，照射对应区域的激光反应层界面50。

步骤7：激光反应层在激光的照射下发生分解反应，激光反应层界面发生分离。激光反应层界面在分解时，产生大量激光反应层气体产物。由于未照射界面51依然闭合，气体无法排出，于是形成密闭结构。当气体量逐渐增多时，密闭区域内的内部气体压力逐渐升高，并向上顶起上层薄膜。最终形成具有一定高度的空腔结构70。空腔结构70的形状由激光照射区域的形状决定。由于功能层30和电极层40的厚度远小于激光反应层20，功能层30和电极层20的刚度相对于激光反应层20可以忽略。空腔结构70的高度和内部气体压力，由激光反应层20的刚度决定。下文会详细说明空腔内部气压和高度参数的调控机理。

步骤8：若所提及的传感器为平行板电容传感器，需要在在透明柔性基板另一侧沉积与上电极层对应的下电极层41，从而使上下电极形成平行板电容的两个电极。若制备的传感器为平面电容传感器或压电传感器，该步骤可忽略。具体的沉积方法与沉积上电极40方法类似。

利用该种方式制备的传感器可以灵敏地感知外界压力的变化。若为平行板电容传感器，则有：

式中ε₀为真空介电常数，ε_l、ε_air分别为激光反应层和空腔内气体的介电常数，d_l、d_air分别为激光反应层和空腔层的厚度。

传感器空腔内部气体压力作为参考压力，在外界压力的作用下，空腔薄膜发生变形，d_l在变形过程中几乎不变，d_air减小，两极板间的电容随之增大。若为平面电容压力传感器，空腔薄膜的变形使得两电极间的介电场发生变化，从而平面电容的变化。若为压电传感器，压电功能层薄膜发生变形而产生电信号。通过对电信号的测量得到气腔外壁的变形情况，进而实现对外界压力变化的感知与测量。

如图2所示，为本发明所涉及的传感器的工作原理示意图。示意图选取一个典型的传感器单元来说明。该传感器单元包括透明柔性基板11、空腔70、激光反应层20、功能层30、空腔正上方上层电极43、非空腔区域上层电极42、下层电极41。当处于稳定的外界环境时，该传感器单元内部气体压力，包裹气腔的外层薄膜的张力，与外界气压平衡，传感器气腔高度稳定为H1。当存在外界压力或外界气压改变时，上述平衡状态被打破，传感器空腔结构外壁薄膜会发生变形。气腔内部压力会发生变化以达到新的平衡。若温度保持不变，根据理想气体状态方程，气腔内部气体的体积会改变，由于气腔的形状是固定的，因此最终改变的是气腔的高度。如图所以，传感器单元正上方收到外界压力，空腔被压缩，内部体积减少，空腔高度变化为H2，内部气压升高以平衡外加压力。传感器单元内部空腔的高度的变化使嵌入气腔外壁的功能层结构发生变形，从而利用检测该功能层变形实现对气腔变形的检测，进而实现对外界压力的感知与测量。

该种传感器有多种工作模式。主要包括以下三种：1、平面电容式传感器。激光反应层与空腔共同作为功能层。空腔正上方上层电极43与非空腔区域上层电极42间构成平面电容器，在外界气压作用下，气腔外壁薄膜发生变形，空腔内介电场发生变化，平面电容也随之改变，进而可以对外界压力进行感知。除了对压力变化敏感外，平面电容传感器在模型内也会形成一定的介电场，用于模型表面或内部裂纹等结构损伤的探测。2、平行板电容式传感器。激光反应层与空腔共同作为功能层。空腔正上方上层电极43与下层电极41之间构成平行板电容器。外界压力的作用使得薄膜的发生变形，导致平行板电容发生变化，从而实现压力的测量。3、压电传感器：当气腔体积改变时，气腔外壁发生变形，若功能层为压电材料，压电薄膜变形时，由于压电效应空腔正上方上层电极43与非空腔区域上层电极42间的电压发生变化，可以通过对电信号的测量得到气腔外壁的变形情况，进而实现对外界压力变化的感知与测量。由于电容传感器依赖于功能层自身的变形能力，故一般适用于静态压力或低频压力的测量，而压电式压力传感器对振动信号更敏感，适用于高频或脉动压力的测量。若将两种传感器结合，则可扩大压力的测量范围。同时，结合平面电容传感器还可实现飞行器的结构健康监测。

如图3所示，为改变工艺参数来调控本发明所涉及的传感器的灵敏度和量程的原理性示意图。该种构造的传感器的灵敏度和量程由气腔内部初始压力，气腔外壁刚度、气腔初始高度决定。气腔外壁刚度越小，气腔内部气压越低，其在外界压力变化下的体积变化越显著，从而外壁变形越大，测得的信号越强，从而传感器具备更高的测量灵敏度。气腔初始高度越大，外壁可变形的幅度越大，可感知的外界压力的范围越大，从而传感器具备更大的量程。上述提及的与传感器测量灵敏度和量程相关的气腔内部初始压力，气腔外壁刚度、气腔初始高度三个参数在制备传感器的过程中，可以通过改变工艺参数进行灵活的调控。具体的调控方法为适当的改变激光照射参数和改变气腔外壁厚度。利用一定参数的激光照射界面后，界面分离，界面材料发生分解，产生气体产物。气体封闭在密闭结构里无法排除，随着气体产生的增加，内部压力逐渐升高，气体顶起空腔外壁44，形成具有一定高度的空腔结构。当气体总量稳定时，影响最终空腔高度的是空腔外壁44的弯曲刚度(变形刚度)。空腔外壁44的弯曲刚度越大，气体向上顶起需要的气压越大，气体的体积越小，空腔高度越低。如图，气腔外壁较厚时，用较低能量、较低频率的激光61照射部分界面区域。低频低能量的激光烧蚀的界面物质有限，产生气体量有限。有限的气体难以顶起变形刚度较大的较厚的气腔外壁，最终得到的气腔高度较低，且内部气压较低。如图，若在不改变气腔外壁的情况下，利用能量更高，频率更高的激光62照射。高能高频的激光烧蚀的界面物质增多，产生的气体的量增加。大量的气体可以被压缩得到更大的内部气压从而进一步顶起气腔外壁。最终得到的气腔结构高度升高，内部气压升高。如图，当减小气腔外壁的厚度，从而降低其变形刚度时。用较低能量、较低频率的激光61照射部分界面区域。低频低能量的激光虽然烧蚀的界面物质有限，产生气体量有限。但由于气腔外壁的变形刚度降低，较低的内部气压一样可以顶起空腔外壁。最终得到的气腔结构有一定的高度，同时内部气压有限。

空腔外壁44通常由三层结构构成，分别为激光反应层20、传感器功能层30和上电极层40。由于功能层30和电极层40的厚度通常远小于激光反应层20。薄膜的弯曲刚度与其厚度的三次方成正比，因此功能层30与电极层40的弯曲刚度相对于激光反应层可以忽略。优选的，利用聚酰亚胺薄膜作为激光反应层时，其典型厚度为1微米到50微米。聚酰亚胺薄膜本身可作为电容传感器的电介质层，此时传感器无需沉积功能层。利用真空蒸镀工艺制备的金属电极层的厚度通常在100纳米以下，聚酰亚胺薄膜的弯曲刚度大约是电极层的200倍左右。因此仅仅需要考虑聚酰亚胺薄膜的变形刚度对空腔高度的影响即可。在制备过程中，当聚酰亚胺薄膜较厚时，利用低频、低能量激光61照射，得到的气腔高度较低，内部压力适中。举例说明，当聚酰亚胺层的厚度为20微米左右时，利用308纳米波长的准分子激光器，以160mJ/cm²的能量密度，以单位面积照射10次的频率照射，得到的空腔高度约为1.5微米。若希望增加内部气腔压力、同时提高气腔高度以扩大传感器量程。可以在不改变聚酰亚胺层厚度的前提下，使用高能量、高照射频率的激光61，使更多物质发生烧蚀反应，产生更大量的气体。得到的气腔高度升高，内部压力升高。如当聚酰亚胺层的厚度为20微米左右时，利用308纳米波长的准分子激光器，以220mJ/cm²的能量密度，以单位面积照射20次的频率照射，得到的空腔高度约为3微米，空腔高度相比之前工况，提高了一倍。若仅希望提高气腔高度以扩大传感器量程，并不希望显著增加气腔压力从而降低传感器灵敏度。可以在制备时降低激光反应层的厚度。如当聚酰亚胺层的厚度为10微米左右时，利用308纳米波长的准分子激光器，以160mJ/cm²的能量密度，以单位面积照射10次的照射频率，得到的空腔高度同样约为3微米。针对不同的激光反应层材料，激光反应层厚度，激光加工工艺参数，需要进行反复工艺实验确定在不同参数组合下得到的空腔高度和内部气压情况，从而在制备时实现对传感器灵敏度和量程的控制。

图4为利用光学掩膜版一步实现阵列化传感器制备的示意图。阵列化传感器可以实现对测量区域的多点同时测量，以便获取该测量域的全场信息。利用激光加工的灵活性，可以在激光照射时利用光学掩膜版来形成任意图案的、任意阵列排布的空腔结构，从而实现利用一次激光扫描实现高密度阵列化传感器的制备。如图所示，在激光照射时，在透明基板入射一侧放置光学掩膜版63。该光学掩膜版在特定区域允许激光穿过，在特定区域吸收或反射入射激光，阻止激光穿过。若该对阵列化传感器的加工精度要求不高，该掩膜版可以通过机械加工的方式，在金属等不透光物质平板上刻制镂空图案得到。利用激光按照预设的路径扫描整个透明基板。非镂空部分的激光未能穿透掩膜版，对应区域的界面未受到照射。掩膜版的镂空部分激光可以穿过，对应区域界面发生分离并形成空腔结构，每个单独的空腔结构即可形成一个传感器单元。最终传感器单元的形状，排布规律，排布密度等由掩膜版的镂空部分的形状控制。若想在一个透镜基板上制备如图4所示的4乘3排布的阵列化传感器。则光学掩膜版63为4乘3排布的圆形孔洞。每个镂空部分形成单独的气腔，从而形成一个独立的传感器单元。激光按照预定路径扫描整个透明基板，对应镂空部分形成4乘3排布的圆形气腔70，利用该阵列化气腔可以制备4乘3排布的传感器阵列。该阵列化电极的图案化可以通过在沉积时覆盖掩膜版进行图案化得到。从而利用一次激光扫描完成整个阵列化传感器的制备。

图5为阵列化传感器的信号采集与处理流程图。若为电容传感器阵列，通过前端多路复用器(MUX)连接到电容数字转换器(AD7747)，将电容信号直接转换为电压数字信号，从而实现整个阵列化电容的测量，微型控制单元(MCU)对整个工作过程起到控制的作用。若为压电阵列化传感器阵列，首先将压电信号进行放大和滤波，然后连接至前端多路复用器(MUX)，经过采集卡A/D转换为数字信号，MCU对整个过程起到控制的作用，最后数据通过USB输出至PC或进行下一步处理。

图6为一种实时控制本专利所涉及的传感器的灵敏度和量程的方法示意图。不同风洞试验，在不同的马赫数下，所需测压的量程和灵敏度往往不同，而且对于超高音速风洞试验，模型表面压力跨度大，需要多种量程的压力传感器，因此可控量程和灵敏度的传感器具有广泛的适用性，能够满足不同风洞测压试验要求。该方法利用上述提及的，可以利用掩膜版对阵列化空腔的形状进行任意图案化这一特点。将传感器阵列45用微流道47连接。微流道47的目的是将各个传感器单元的气腔与其他传感器单元导通，形成一个联通的气腔。利用微流道将气腔最终连通到储气腔48。储气腔48的体积在整个联通气腔的总体积占据较大份额。可以通过对储气腔48施压，从而改变整个气腔内部的压力，进而调节连通在一起的各个传感器单元的气腔的高度和内部气压，实现对各个传感器单元量程和灵敏度的实时控制。如图，在一块基板上制备左右两个完全一致的传感器阵列45、46，各个阵列的传感器均通过微流道47连接至储气腔48。左右两个传感器阵列气腔分别为71、72。初始时气腔71与气腔72高度一致，压力一致。通过调控右边阵列传感器阵列46内部气腔的压力和气腔高度以实现对该阵列传感器的灵敏度和量程的调整。可按压右边阵列传感器的储气腔。实现对右边传感器阵列内部气压的增压。此时，右边传感器46的气腔72由于内部气压的升高，气腔高度升高。右边阵列的传感器阵列46相对于未加压的左边传感器阵列45，其灵敏度和量程均发生了改变。其改变的程度可以通过挤压气腔的程度进行控制。该方法可以实现对本发明所提及的传感器单元的灵敏度和量程进行实时调节和控制。

通过调节所述激光的能量密度、照射频率和该空腔上方的激光反应层、功能层或电极层的厚度实现空腔的高度和内部气压的调整，空腔的高度与内部气压和该空腔上方的激光反应层、功能层或电极层的厚度分别实现所述柔性传感器量程和灵敏度的调整。

利用该种方式制备的传感器的空腔结构形状大小可控，空腔高度可控、空腔内部气体压力可控,可以在制备时实现对传感器测量灵敏度、量程的调控。该空腔的大小和形状取决于激光照射的范围,该空腔的高度和内部压力取决于产生气体的摩尔量和空腔外壁的刚度,利用高能量激光重复照射可以显著增加反应产生的气体，从而增加空腔高度和内部压力,相同气体量下，空腔外壁刚度越大，气体顶起外壁所需要的压力越大，最终空腔体积越小，高度越低,空腔外壁刚度和气体产量共同决定了空腔高度与压力,空腔高度与内部气体压力可以显著影响传感器最终的灵敏度和量程，从而实现对传感器参数的控制。

通过掩膜版可以实现阵列化传感器的制备,同时可以通过对气腔进行图案化设计，使各个阵列化气腔利用微流道相互连接，并最终连接到外部储气腔。通过控制外部储气腔体积的控制，可以实时控制传感器内部气腔的压力和气腔高度,从而实现对传感器阵列的灵敏度和量程的实时调控。

本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，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、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (10)

1.一种量程和灵敏度可调的柔性传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括下列步骤：

(a)选取刚性透明基板，在该刚性透明基板上沉积厚度在1微米至50微米之间的激光反应层，在该激光反应层上沉积厚度在50微米至5毫米之间的透明柔性基板，将所述激光反应层与所述刚性透明基板分离，以此获得激光反应层与透明柔性基板层的双层结构，判断所需制备的传感器的类型；

(b)当制备的传感器为压电传感器时，在所述激光反应层上方沉积采用压电材料的传感器功能层，然后在该功能层上方沉积用于引出待测量信号的电极层；当制备的传感器为平行板电容传感器时，在所述激光反应层的上方沉积电极层；

(c)在所述柔性透明基板的下方采用激光照射该柔性透明基板，其中，该透明柔性基板下方的两端放置掩膜版，所述激光穿透未放置掩膜版区域的柔性透明基板照射至所述激光反应层的下底面，该激光反应层吸收所述激光的能量发生烧蚀分解反应，该反应生成的气体将所述激光反应层被照射的区域顶起且与所述柔性透明基板分离，从而在所述柔性透明基板与激光反应层之间形成空腔，通过调节所述空腔的内部气压与高度和该空腔上方的激光反应层、功能层或电极层的厚度分别实现所述柔性传感器量程和灵敏度的调整。

2.如权利要求1所述的一种量程和灵敏度可调的柔性传感器的制备方法，其特征在于，当制备的传感器为平行板电容传感器时，在步骤(c)之后，还需在所述透明柔性基板下方与所述空腔对应处沉积电极层。

3.如权利要求1或2所述的一种量程和灵敏度可调的柔性传感器的制备方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述电极层分为两个部分，一个部分设置在所述空腔的上方，另一部分设置在非空腔的上方。

4.如权利要求1-3任一项所述的一种量程和灵敏度可调的柔性传感器的制备方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述刚性透明基板采用耐300℃以上高温的材料，优选采用石英玻璃或蓝宝石；所述柔性透明基板优选采用聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯或铂催化硅橡胶，该柔性透明基板的沉积方法到优选采用旋转涂布、涂膜或模具浇注。

5.如权利要求1-4任一项所述的一种量程和灵敏度可调的柔性传感器的制备方法，其特征在于，在步骤(a)中，所述激光反应层优选采用聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯或各种光敏感性光刻胶材料。

6.如权利要求1-5任一项所述的一种量程和灵敏度可调的柔性传感器的制备方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述压电材料优选采用聚偏氟乙烯材料及其衍生物，或者压电高聚物尼龙。

7.如权利要求1-6任一项所述的一种量程和灵敏度可调的柔性传感器的制备方法，其特征在于，在步骤(b)中，所述传感器功能层的厚度至少小于所述激光反应层厚度的五分之一。

8.如权利要求1-7任一项所述的一种量程和灵敏度可调的柔性传感器的制备方法，其特征在于，所述电极层的厚度不超过100纳米。

9.一种利用权利要求1-8任一项所述的一种量程和灵敏度可调的柔性传感器的制备方法所制备的柔性传感器。

10.如权利要求9所述的柔性传感器，其特征在于，所述柔性传感器为一个单元，通过多个单元的排列和组合形成阵列化传感器，该阵列化传感器中的各个单元的空腔相互连通，并且与设置在该阵列化传感器外部的储气腔相连通，通过改变储气腔中的气压实现各个单元空腔的气压和高度的调整，以此实现所述阵列化传感器灵敏度和量程的调整。