CN109556768B - 压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种压力传感器及其制备方法，所述压力传感器包括相对设置的第一电极板和第二电极板，其特征在于，所述第一电极板包括第一衬底以及设置在所述第一衬底上的金属叉指电极，所述金属叉指电极的表面形成为粗糙表面；所述第二电极板包括一侧表面具有微结构阵列的第二衬底和覆设于所述微结构阵列上的复合金属层；其中，所述复合金属层与所述粗糙表面相互抵触连接。所述压力传感器在提高其灵敏度的同时又能保持器件循环的稳定性。

Description

压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于传感器技术领域，尤其涉及一种压力传感器及其制备方法。

背景技术

近年来，越来越多的科研工作者正从事将压力传感器件应用于人工智能、电子皮肤等领域的研究，其研究内容主要包括理论基础、先进材料、制备工艺以及封装技术等方面，已在实现压力传感器微型化、商业化等方面取得一系列重要进展。

在被研究的众多新型压力传感器件中，依据其作用原理的不同将其主要分为三大类：

第一类，电阻式压力传感器，(于留波，赵湛，方震.基于MEMS技术的金属应变式压力传感器优化设计.仪表技术与传感器，2010.2)即主要是通过测量电阻的变化来反映压力的大小，其中又可以根据电阻变化的方式将其分为应变式和压阻式：应变式压力传感器是通过材料发生形变引起电阻变化来显示压力大小的，即当压力传感器受到一定压力时，上下“三明治”结构的导电材料接触面积随之改变，最终导致压力传感器件电阻发生改变；而压阻式压力传感器主要是通过导体的导电通路随着压力的改变电阻值发生变化来表现的。

第二类，电容式压力传感器，(Cohen D J，Mitra D，Peterson K，et al.A highlyelastic，capacitive strain gauge based on percolating nanotube networks[J].Nano letters，2012，12(4):1821-1825.)即主要是通过测量电路电容的变化来反映压力的大小；当压力传感器件受到一定压力时，此时引起电容器的电容值发生一定改变，通过测量电容值的变化量来间接反映所施加压力的大小；其影响压力传感器件灵敏度的主要影响因素是介电层的弹性、介电常数等等。

第三类，压电式压力传感器，(胡向东，刘金城，余成波等.传感器与检测技术[M].北京：机械工业出版社,2013.)即主要是通过测量在施加一定压力时压力传感器件两端的电势变化来反映压力大小的；当压力传感器件受到一定外力时，器件中的压电材料会发生一定形变，此时压电材料会在沿着压力方向的两端积累一定的正电荷和负电荷，而在外力撤销后压电材料中的电荷分布又会回到起始状态，因此通过测量压力传感器件两端的电势变化大小来反映所施加压力的大小。

一般地，对于评价一个压力传感器件的性能，主要是通过测试以下几个性能参数来体现的，它们分别是：灵敏度，动态量程，响应时间和稳定性。

然而，压力传感器件作为需要能够迅速、准确识别外界微小压力并随之能够将力的变化转化为电信号输出的电子器件，如何在大幅度提高其灵敏度的同时保持器件循环稳定性一直是困扰国内外学者的一个关键性问题。

发明内容

有鉴于此，本发明的目的在于提供一种具有高灵敏度并且能够保持器件循环稳定性的压力传感器及其制造方法，以满足在压力传感器的应用领域中日益增长的需求。

为实现上述发明目的，本发明采用了如下技术方案：

一种压力传感器，包括相对设置的第一电极板和第二电极板，其中，所述第一电极板包括第一衬底以及设置在所述第一衬底上的金属叉指电极，所述金属叉指电极的表面形成为粗糙表面；所述第二电极板包括一侧表面具有微结构阵列的第二衬底和覆设于所述微结构阵列上的复合金属层；其中，所述复合金属层与所述粗糙表面相互抵触连接。

具体地，所述粗糙表面的表面粗糙度为5～10μm。

具体地，所述金属叉指电极中，每一子电极的长度为10～20mm，宽度为0.10～0.12mm，相邻两个子电极的中心间距为0.10～0.12mm。

具体地，所述第二衬底的厚度为1～2mm，所述微结构阵列的高度为5～7μm，相邻两个微结构的中心间距为5～10μm。

具体地，所述微结构阵列中包含有多种高度不同的微结构，每一个微结构的形状为圆台状。

具体地，所述第一衬底为刚性衬底或柔性衬底，所述第二衬底的材料为PDMS。

具体地，所述复合金属层包括叠层设置的第一金属层和第二金属层，其中所述第二金属层与所述粗糙表面相互抵触连接。

具体地，所述第一金属层的材料为铬或镍或钛，所述第二金属层的材料为金或银。

具体地，所述第一金属层的厚度为5～10nm，所述第二金属层的厚度为90～100nm。

本发明还提供了一种如上所述的压力传感器的制备方法，其包括：

第一电极板的制备，包括：提供第一衬底，应用电化学沉积工艺在所述第一衬底制备形成具有粗糙表面的金属薄膜层，应用刻蚀工艺将所述金属薄膜层刻蚀形成表面为粗糙表面的金属叉指电极；

第二电极板的制备，包括：应用刻蚀工艺或倒模工艺制备形成一侧表面具有微结构阵列的第二衬底，在所述第二衬底的微结构阵列的表面上沉积复合金属层；

将所述第二电极板叠层设置在所述第一电极板上，获得所述压力传感器。

本发明实施例提供的压力传感器，其中第一电极板的表面形成为粗糙表面，第二电极板的表面形成有微结构阵列，粗糙表面的电极结构与微结构阵列的电极结构在一定压力下的接触可分为四个过程：依次是点接触、点饱和、面接触和面饱和，因此在低量程范围内外界压力的轻微改变将会导致接触点的迅速增加，从而可显著增加该压力传感器件的灵敏度和动态量程，并且也能够保持器件循环的稳定性。另外，该压力传感器的结构简单、其制备工艺难度低，易于大规模生产。

附图说明

图1是本发明实施例的压力传感器的结构示意图；

图2是本发明实施例中的第一电极板的结构示意图；

图3是本发明实施例中的第二电极板的结构示意图；

图4是本发明实施例中的金属叉指电极的俯视图；

图5a至图5g是本发明实施例的压力传感器的制备方法中，各个工艺步骤对应获得的器件结构的示例性图示；

图6是本发明实施例的压力传感器的电性测试曲线图；

图7是本发明实施例的压力传感器的循环稳定性测试曲线图。

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，下面结合附图对本发明的具体实施方式进行详细说明。这些优选实施方式的示例在附图中进行了例示。附图中所示和根据附图描述的本发明的实施方式仅仅是示例性的，并且本发明并不限于这些实施方式。

本实施例首先提供了一种压力传感器，如图1所示，所述压力传感器包括第一电极板10和第二电极板20，所述第一电极板10和所述第二电极板20相对设置。

其中，参阅图1至图3，所述第一电极板10包括第一衬底11以及设置在所述第一衬底11上的其中金属叉指电极12，所述金属叉指电极12的每一子电极12a的表面形成为粗糙表面13。所述第二电极板20包括一侧表面具有微结构21a阵列的第二衬底21和覆设于所述微结构21a阵列上的复合金属层22。其中，所述复合金属层22与所述粗糙表面13相互抵触连接。

其中，所述第一衬底11可以选择为刚性衬底或柔性衬底：具体地，刚性衬底可采用导电性差的金属材质，还可以用玻璃、陶瓷、石英等简单易的材料；柔性衬底可采用有机聚合物，如PET(聚对苯二甲酸乙二醇酯)、PEN(聚萘二甲酸乙二醇酯)、PI(聚酰亚胺)等。所述第二衬底21的材料可以选择为PDMS(聚二甲聚硅氧烷)。

在本实施例中，所述金属叉指电极12上的粗糙表面13的表面粗糙度为5～10μm。所述金属叉指电极12的材料可以选择为金或银，应用电化学沉积工艺在所述第一衬底制备形成具有粗糙表面的金或银金属薄膜层，应用刻蚀工艺将所述金或银金属薄膜层刻蚀形成表面为粗糙表面13的金属叉指电极12。

在本实施例中，参阅图2和图4，所述叉指电极12中的每一子电极12a的长度L1为10～20mm，宽度D1为0.10～0.12mm，相邻两个子电极12a的中心间距H1为0.10～0.12mm。

在本实施例中，参阅图3，所述第二衬底21的厚度H2为1～2mm，其中的微结构21a阵列的高度H3为5～7μm，相邻两个微结构21a的间距H4为5～10μm。更进一步地，本实施例中第二衬底21上的微结构21a呈圆台状结构，其上表面的半径为2～3μm，下表面的半径为6～8μm，并且所述微结构21a阵列中包含有多种高度不同的微结构21a。在另外的实施例中，所述微结构21a阵列中所有的微结构21a也可以是设置为具有相同的高度。

在本实施例中，参阅图3并结合图1，所述复合金属层22包括叠层设置的第一金属层22a和第二金属层22b，其中所述第二金属层22b与所述粗糙表面13相互抵触连接。所述第一金属层22a的材料选择为铬(Cr)，所述第二金属层22b的材料选择为金(Au)。在另外的一些实施例中，所述第一金属层22a的材料也可以选择为镍(Ni)或钛(Ti)，所述第二金属层22b的材料也可以选择为银(Ag)。

进一步地，本实施例中，所述第一金属层22a的厚度为5～10nm，所述第二金属层122b的厚度为90～100nm。

以上实施例提供的压力传感器具有高灵敏度，并且能够保持器件循环稳定性，可以满足在压力传感器的应用领域中日益增长的需求。

本实施例还提供了如上所述的压力传感器的制备方法，参阅图5a至图5g并结合图1，所述压力传感器的制备方法包括：

步骤一、第一电极板10的制备。该步骤具体包括：

S11、参阅图5a，提供第一衬底11，应用电化学沉积工艺在所述第一衬底11上沉积金属薄膜层120。本实施例中，所述金属薄膜层120的材料选择为金(Au)，通过控制电化学沉积工艺的具体参数，使得Au薄膜层120的表面形成为粗糙表面130。具体地，所述金薄膜层120的厚度可以选择为3～7μm，粗糙表面130的表面粗糙度为5～10μm。在另外的实施例中，所述金属薄膜层120的材料也可以选择为金(Ag)。

S12、参阅图5b，应用刻蚀工艺将所述金属薄膜层120刻蚀形成叉指电极12，所述叉指电极12的每一子电极12a的表面均形成为粗糙表面13，由此制备获得所述第一电极板10。

步骤二、第二电极板20的制备。该步骤具体包括：

S21、应用刻蚀工艺或倒模工艺制备形成一侧表面具有微结构21a阵列的第二衬底21。

本实施例中，所述第二衬底21的材料选择为PDMS，并且是通过倒模工艺制备形成。具体如下：

S211、参阅图5c，首先依次用去污粉、乙醇、去离子水超声清洗完玻璃基底30(或者其他刚性基底)后用氮***将其吹干；然后在玻璃基底30上旋涂光刻胶层，接着对所述光刻胶层进行曝光、显影工艺，由此在所述玻璃基底30上制备获得光刻胶膜板40，所述光刻胶膜板40中形成有孔洞41阵列。

具体地，本实施例中玻璃基底30的规格为长5cm×宽5cm×厚2mm，依次用去污粉、乙醇、去离子水超声清洗后再用氮***将其吹干，然后静置十分钟；在该玻璃基底30旋涂完正性光刻胶，具体是先在500转/分钟下转动旋涂10s，再在3000转/分钟下转动旋涂30s，随后在120℃下前烘6min,在光刻机下曝光8s，接着在120℃下后烘3min,并在显影液中显影3min，最后在用去离子水冲洗上述曝光后的光刻胶后在100℃下硬烘5min，由此制备得到具有孔洞41阵列的光刻胶膜板40。

S212、参阅图5d，将PDMS前驱物与固化剂混合搅拌，获得混合液；将混合液放在真空干燥箱中，除去混合液中的气泡；将上述的混合液用旋涂仪旋涂在所述光刻胶膜板40上，然后置于加热台上加热，获得PDMS固化层50。

具体地，PDMS前驱物与固化剂重量比可以选择为9～11:1，优选为10:1；上述混合搅拌可以采用磁力搅拌，搅拌时间可以选择为15min左右；上述在真空干燥箱放置时间可以选择为30min左右；上述旋涂速率可以选择为400r/min，时间可以选择为30s；上述加热固化的温度可以选择为75～85℃，加热固化的时间可以选择2h。

本实施例中，使用电子天平准确称量15g PDMS前驱物和1.5g固化剂于100ml烧杯中，放入磁子后采用磁力搅拌15min，并形成均匀透明溶液，最后再将其放入干燥箱中常温下抽至真空放置30min左右，直至肉眼不再能观察到溶液中有气泡存在即可，随后以上述光刻胶膜板40为衬底在匀胶机下以400转/分钟旋涂速度旋涂30s上述混合液，并于空气中静置十分钟后在75-85℃下加热固化2小时，由此在光刻胶膜板40制备获得PDMS固化层50。

S213、参阅图5d和5e，将制备形成有PDMS固化层50后的玻璃基底30浸入在丙酮或者丙二醇甲醚醋酸酯等有机溶液中，再将其放置超声清洗机中清洗10min左右，通过溶解光刻胶膜板40从而使得PDMS固化层50从玻璃基底30上剥离，剥离出的PDMS固化层50即为所述第二衬底21，PDMS固化层50对应于所述光刻胶膜板40的孔洞41阵列的部分即形成为第二衬底21上的微结构21a阵列。

需要说明的是，通过在以上步骤S211中的曝光、显影工艺，控制孔洞41的形状、大小、深度以及孔间距，可以获得相应形状的微结构阵列。

S22、参阅图5f，在所述第二衬底21的微结构21a阵列的表面上沉积复合金属层22，由此制备获得所述第二电极板20。

本实施例中，所述复合金属层22包括叠层设置的第一金属层22a和第二金属层22b。其中，所述第一金属层22a的材料选择为铬，所述第二金属层22b的材料选择为金。

具体地，首先可以采用电子束蒸发工艺在所述第二衬底21的微结构21a阵列上蒸镀铬金属层22a；然后采用热蒸发工艺在所述铬金属层22a上蒸镀金金属层22b，使用热蒸发工艺蒸镀金所需的金原料纯度是99.999％。

步骤三、参阅图5g，将所述第二电极板20叠层设置在所述第一电极板10上，其中，复合金属层22与粗糙表面13相互抵触连接，获得如图1所示的压力传感器。具体地，在所述第一电极板10和所述第二电极板20分别焊接出电极引线(通常使用铜导线)，由此获得类似于“三明治结构”的高灵敏度压力传感器件，在人工智能、电子皮肤等领域有相当广阔的应用前景。

作为一个对比的实施例，在其他条件等同的情况下，将以上实施例提供的压力传感器中的叉指电极12的表面设置为平坦表面。经过测试采用粗糙表面和采用平坦表面的压力传感器的灵敏度，发现采用粗糙表面的叉指电极12的压力传感器的灵敏度显著增加，这是由于叉指电极12的表面形成为粗糙表面时，第二电极板20的微结构21a阵列的电极表面与粗糙表面在相同压力下接触面积更大，因此可以提高压力传感器的灵敏度。因此，本发明实施例提供的压力传感器，由于第一电极板10的叉指电极12的表面形成为粗糙表面，由此极大地提高了压力传感器的灵敏度。

作为另一个对比的实施例，在其他条件等同的情况下，将以上实施例提供的压力传感器中的第二电极板20的表面设置为平坦表面。经过测试采用微结构阵列的电极表面和采用平坦电极表面的压力传感器的动态量程范围和灵敏度，发现第二电极板20采用微结构阵列的电极表面后，压力传感器的动态量程范围和灵敏度要明显增加。因此。因此，本发明实施例提供的压力传感器，由于第二电极板20的电极表面形成为微结构阵列，由此提高了压力传感器的动态量程范围和灵敏度。

图6是本发明实施例的压力传感器的电性测试曲线图，具体是压强与电流变化相对值的相关曲线图。具体地，给定大小为1V的恒压在压力传感器件的两端，通过控制施加压力的大小，最终测量出电流相对变化值对于压强的变化曲线，由该曲线斜率可得到该压力传感器件在低压量程内(4Pa～2.2kPa)的灵敏度为1368kPa^-1，且具有很宽的工作量程(0.4Pa～82kPa)。

图7是本发明实施例的压力传感器的循环稳定性测试曲线图，具体是持续周期性给定一定压力(700Pa)后迅速释放得到的1000次循环下电流相对变化值对时间响应曲线，从图中可以表明该传感器件具有很好的循环稳定性和很长的使用寿命。

综上所述，如上实施例提供的压力传感器，其中第一电极板的表面形成为粗糙表面，第二电极板的表面形成有微结构阵列，粗糙表面的电极结构与微结构阵列的电极结构在一定压力下的接触可分为四个过程：依次是点接触、点饱和、面接触和面饱和，因此在低量程范围内外界压力的轻微改变将会导致接触点的迅速增加，从而可显著增加该压力传感器件的灵敏度和动态量程，并且也能够保持器件循环的稳定性。另外，该压力传感器的结构简单、其制备工艺难度低，易于大规模生产。

需要说明的是，在本文中，诸如第一和第二等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本申请的具体实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本申请原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本申请的保护范围。

Claims (9)

1.一种压力传感器，包括相对设置的第一电极板和第二电极板，其特征在于，所述第一电极板包括第一衬底以及设置在所述第一衬底上的金属叉指电极，所述金属叉指电极的表面形成为粗糙表面；所述第二电极板包括一侧表面具有微结构阵列的第二衬底和覆设于所述微结构阵列上的复合金属层；其中，所述复合金属层与所述粗糙表面相互抵触连接；

其中，所述粗糙表面的表面粗糙度为5～10μm。

2.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述金属叉指电极中，每一子电极的长度为10～20mm，宽度为0.10～0.12mm，相邻两个子电极的中心间距为0.10～0.12mm。

3.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第二衬底的厚度为1～2mm，所述微结构阵列的高度为5～7μm，相邻两个微结构的中心间距为5～10μm。

4.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述微结构阵列中包含有多种高度不同的微结构，每一个微结构的形状为圆台状。

5.根据权利要求1所述的压力传感器，其特征在于，所述第一衬底为刚性衬底或柔性衬底，所述第二衬底的材料为PDMS。

6.根据权利要求1-5任一所述的压力传感器，其特征在于，所述复合金属层包括叠层设置的第一金属层和第二金属层，其中所述第二金属层与所述粗糙表面相互抵触连接。

7.根据权利要求6所述的压力传感器，其特征在于，所述第一金属层的材料为铬或镍或钛，所述第二金属层的材料为金或银。

8.根据权利要求6所述的压力传感器，其特征在于，所述第一金属层的厚度为5～10nm，所述第二金属层的厚度为90～100nm。

9.一种如权利要求1-8任一所述的压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：

第一电极板的制备，包括：提供第一衬底，应用电化学沉积工艺在所述第一衬底制备形成具有粗糙表面的金属薄膜层，应用刻蚀工艺将所述金属薄膜层刻蚀形成表面为粗糙表面的金属叉指电极；

第二电极板的制备，包括：应用刻蚀工艺或倒模工艺制备形成一侧表面具有微结构阵列的第二衬底，在所述第二衬底的微结构阵列的表面上沉积复合金属层；

将所述第二电极板叠层设置在所述第一电极板上，获得所述压力传感器。

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