CN110608825A - 基于聚酰亚胺基底微结构的柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于聚酰亚胺基底微结构的柔性压力传感器及其制备方法。本发明的柔性压力传感器包括下层柔性基底、力敏结构层和上层柔性封装层；下层柔性基底为聚酰亚胺薄膜，其上表面具有凸起的微结构阵列；力敏结构层与下层柔性基底上表面紧密贴合，其从下至上包括下部电极层、柔性压阻材料层和上部电极层，柔性压阻材料层是具有压阻特性的碳基纳米颗粒/聚合物压阻材料；上层柔性封装层与力敏结构层上表面紧密贴合，用以保护传感器和防水。本发明通过采用自下而上的微纳制造技术制备基于聚酰亚胺基底微结构的柔性压力传感器，具有灵敏度高、超薄超轻、工艺简单、易于阵列化制造和应用性强的优点。
Description
技术领域
本发明属于压力测量技术领域，尤其是涉及一种基于聚酰亚胺基底微结构的柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
皮肤在人类的生活中发挥出巨大的作用，在皮肤的帮助下很多工作才可以开展实施。但对于一些已经丧失部分皮肤感知功能的截肢、烧伤患者，一些高危精细的机械臂工作场合，有其他健康指标信号监测的患者，需要实时反馈出的外界信号及人身健康状况，柔性压力传感器因此产生并得到发展。
柔性压阻式压力传感器可以轻易得将压缩、弯曲和扭转等诸多形变转化为电信号，同时压阻式传感器较之压电式、电容式应变传感器，测试简便，干扰信号小，在对外界的压力感知方面不亚于人类皮肤。
近年来，国内外多家研究机构为了追求柔性压阻式压力传感器的高拉伸率和高灵敏度，将碳基导电颗粒与柔性聚合物相互混合制备出新型柔性压阻材料。常见的柔性聚合物例如聚酰亚胺（PI）、聚氨酯（PU）、聚偏氟乙烯（PVDF）、苯乙烯系热塑性弹性体（SBS）和聚二甲基硅氧烷（PDMS）等，赋予传感器可拉伸性、可弯曲性和透明性等特殊属性；碳基导电颗粒例如石墨烯、碳纳米管、石墨纳米片等赋予传感器电学性能。聚合物和导电颗粒相互混合并配合特殊的结构，可容易地满足压力传感器需求。但是大多数基于碳基导电颗粒掺杂聚合物的压力传感器存在尺寸大、工艺与结构复杂和应用性差的缺点。
发明内容
本发明旨在提供一种基于聚酰亚胺基底微结构的柔性压力传感器及其制备方法。本发明通过采用自下而上的微纳制造技术制备基于聚酰亚胺基底微结构的柔性压力传感器，具有灵敏度高、超薄超轻、工艺简单、易于阵列化制造和应用性强的优点。本发明的技术方案具体介绍如下。
本发明提供一种基于聚酰亚胺基底微结构的柔性压力传感器，其整体为薄膜结构，包括从下至上紧密贴合的下层柔性基底、力敏结构层和上层柔性封装层；所述下层柔性基底为聚酰亚胺薄膜，聚酰亚胺薄膜的上表面具有凸起的微结构阵列；所述力敏结构层从下至上包括下部电极层、柔性压阻材料层和上部电极层，柔性压阻材料层为一种或几种碳基纳米颗粒掺杂一种聚合物的压阻材料，其通过旋涂固化碳基纳米颗粒/聚合物混合溶液制备而成。
进一步的，微结构阵列通过光刻和等离子体刻蚀工艺制备而成，微结构之间的间距为10~500 μm，微结构的横截面为矩形、梯形或穹顶形。
进一步的，下部电极层为金属薄膜，其材料为导电金属，通过溅射或蒸镀技术图案化制造于下层柔性基底的上表面上，与下层柔性基底紧密贴合，下部电极层的厚度为100 n~1000 nm。
进一步的，柔性压阻材料层中的碳基纳米颗粒为石墨烯、碳纳米管或石墨纳米片，聚合物为聚酰亚胺PI、聚氨酯PU、聚偏氟乙烯PVDF、苯乙烯系热塑性弹性体SBS或聚二甲基硅氧烷PDMS。在压力的作用下，柔性压阻材料层与下层柔性基底上微结构的接触区域，会产生应力集中现象，可以增大柔性压阻材料层的变形，进一步提高压力传感器的灵敏度。
进一步的，所述上部电极层为金属薄膜，其材料为导电金属，通过溅射或蒸镀技术图案化制造于柔性压阻材料层的上表面上，上部电极层的厚度为100 ~1000 nm；上部电极层与柔性压阻材料层紧密贴合，上下部电极层对应处形成力敏单元，用于测量所述碳基纳米颗粒/聚合物压阻层上下表面间的电阻值及其变化，根据电阻值及其变化可以检测接触压力大小。
进一步的，所述上层柔性封装层由柔性聚合物经过浇筑、旋涂固化或蒸镀等工艺制备在力敏结构层上，柔性聚合物为聚酰亚胺（PI）或聚对二甲苯(Parylene)， 厚度为1~20μm；上层柔性封装层作为力敏结构层的力传递层，同时用以保护传感器和防水。上层柔性封装层受到外界接触压力作用时，会将压力传递至柔性压阻材料层，柔性压阻材料层会发生挤压变形，并且变形幅度会随着外界压力的增加而增大；当柔性压阻材料层发生挤压变形时，上部电极层和下部电极层之间的电阻发生变化，从而反应外界接触压力大小。
本发明还提供一种上述的柔性压力传感器的制备方法，具体步骤如下：
（1）旋涂聚酰亚胺溶液于硅晶圆上，固化后得到聚酰亚胺薄膜；
（2）在聚酰亚胺薄膜的上表面旋涂光刻胶，经过光刻工艺后可形成光刻胶微结构阵列；以光刻胶微结构阵列作为掩膜，使用等离子体刻蚀工艺对聚酰亚胺薄膜上表面进行等离子体刻蚀加工，刻蚀气体使用O2和SF6，刻蚀结束后使用除胶液去除聚酰亚胺表面上的光刻胶，再丙酮清洗干净，制备成压力传感器的下层柔性基底；
（3）通过溅射或蒸镀技术在下层柔性基底的上表面上制造图案化金属电极，形成压力传感器的下部电极层；
（4）将一种或几种碳基纳米颗粒和一种聚合物在有机溶剂中混合均匀，旋涂碳基纳米颗粒/聚合物溶液于下层柔性基底上，加热固化后形成柔性压阻材料层；
（5）通过溅射或蒸镀技术在柔性压阻材料层的上表面上制造图案化金属电极，形成压力传感器的上部电极层；
（6）由柔性聚合物经过浇筑、旋涂固化或蒸镀工艺在力敏结构层上制备上层柔性封装层。
和现有技术相比，本发明的有益效果在于：
1、本发明基于聚酰亚胺基底微结构制造技术的柔性压力传感器可对接触压力大小进行测量；
2、传感器压力传感器整体为薄膜结构，各部分均使用柔性材料，更便于布置于曲面表面；
3、传感器的聚酰亚胺基底微结构可增大受力时柔性压阻材料层的应变，具有压力灵敏度高的优点；
4、传感器采用自下而上的微纳制造技术制备而成，具有超薄超轻、精度高、应用性强和易于实现阵列化制造的优点。
附图说明
图1为本发明的压力传感器结构示意图。
图2为本发明的聚酰亚胺基底表面穹顶形微结构阵列扫描电镜表征图。
图3为本发明的压力传感器截面图。
图4为本发明的力敏结构层受力变形示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明进行详细说明。
本发明提供一种基于聚酰亚胺基底微结构的柔性压力传感器，压力传感器整体为薄膜结构，通体采用柔性材料制成。如图1所示，压力传感器包括下层柔性基底1、力敏结构层2和上层柔性封装层3，三者紧密贴合。力敏结构层2包括下部电极层201、柔性压阻材料层202和上部电极层203。传感器具有结构简单，易于阵列化制造的优点。制备工艺具体如下：
（1） 旋涂聚酰亚胺溶液于硅晶圆上，固化温度和时间分别为120℃ 30 min、180℃ 30min和250℃ 30 min。固化后聚酰亚胺薄膜的厚度可根据聚酰亚胺溶液的浓度与旋涂转速调整；
（2）在聚酰亚胺薄膜的上表面旋涂光刻胶，经过光刻工艺后可形成光刻胶微结构阵列。以光刻胶微结构阵列作为掩膜，使用等离子体刻蚀工艺对聚酰亚胺薄膜上表面进行等离子体刻蚀加工，刻蚀气体使用O2和SF6，刻蚀功率不超过100 W。光刻胶微结构的高度与形貌可根据光刻工艺参数调整，刻蚀深度与形貌可根据刻蚀参数调整。刻蚀结束后使用除胶液去除聚酰亚胺表面上的光刻胶，使用丙酮清洗干净后，制备成压力传感器下层柔性基底1；柔性聚酰亚胺基底的上表面存在微结构阵列，图2为本发明的聚酰亚胺基底表面穹顶形微结构阵列扫描电镜表征图。如图3所示，下层柔性基底1上的微结构阵列与力敏结构层2紧密贴合，在压力的作用下，微结构阵列与力敏结构层2的接触区域产生应力集中现象，增大柔性压阻材料层202的变形。
（3）通过溅射或蒸镀技术图案化金属电极制造于下层柔性基底1的上表面上，与下层柔性基底1紧密贴合，形成压力传感器的下部电极层201，电极的厚度为100~1000 nm；
（4）将石墨烯、碳纳米管或石墨纳米片与和聚氨酯（PU）、苯乙烯系热塑性弹性体（SBS）或聚二甲基硅氧烷（PDMS）在甲苯中混合均匀，旋涂碳基纳米颗粒/聚合物溶液于下层柔性基底1上，加热固化后形成柔性压阻材料层202，柔性压阻材料层202的厚度可根据混合溶液浓度和旋涂转速调整，其电阻率可根据碳基导电颗粒掺杂比例调整；
（5）通过溅射或蒸镀技术图案化银、铬/金金属电极制造于柔性压阻材料层202的上表面上，形成压力传感器的上部电极层203，电极的厚度为100 ~1000 nm；
（6）柔性封装层3由聚酰亚胺（PI）或聚对二甲苯(Parylene)经过浇筑、旋涂固化或蒸镀等工艺制备在所述的力敏结构层上，作为力敏结构层的力传递层，同时用以保护传感器和防水，柔性封装层3厚度为1~20 μm。
本发明的工作原理：
如图4所示，柔性压阻材料层202为碳基纳米颗粒/聚合物复合材料，下部电极层201和上部电极层203之间的电阻，即为柔性压阻材料层202的电阻，取决于柔性压阻材料层202中导电碳基纳米颗粒构成的导电网络。在没有外界压力时，柔性压阻材料层202的电阻为R0。当受到外界接触压力F作用时，上层柔性封装层3将压力传递至柔性压阻材料层202，柔性压阻材料层202在压力作用时，发生压缩变形，变形导致柔性压阻材料层202内碳基导电颗粒之间的间距减小、接触面积增大，使得碳基导电颗粒之间接触电阻降低，导电通路增多，最终柔性压阻材料层202的电阻降低至R1。电阻变化量R0-R1大小和接触压力F呈正相关。进一步的，根据电阻值的变化，可以反应外界接触压力大小。
以上所述仅为本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应该视为本发明的保护范围。
Claims (7)
1.一种基于聚酰亚胺基底微结构的柔性压力传感器，其特征在于：其整体为薄膜结构，包括从下至上紧密贴合的下层柔性基底、力敏结构层和上层柔性封装层；所述下层柔性基底为聚酰亚胺薄膜，聚酰亚胺薄膜的上表面具有凸起的微结构阵列；所述力敏结构层从下至上包括下部电极层、柔性压阻材料层和上部电极层，柔性压阻材料层为一种或几种碳基纳米颗粒掺杂一种聚合物的压阻材料，其通过旋涂固化碳基纳米颗粒/聚合物混合溶液制备而成。
2.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于：微结构阵列通过光刻和等离子体刻蚀工艺制备而成，微结构之间的间距为10~500 μm，微结构的横截面为矩形、梯形或穹顶形。
3.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于：下部电极层的材料为导电金属，其通过溅射或蒸镀技术图案化制造于下层柔性基底的上表面上，下部电极层的厚度为100 ~1000 nm。
4.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于： 柔性压阻材料层中的碳基纳米颗粒为石墨烯、碳纳米管或石墨纳米片； 聚合物为聚酰亚胺PI、聚氨酯PU、聚偏氟乙烯PVDF、苯乙烯系热塑性弹性体SBS或聚二甲基硅氧烷PDMS。
5.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于：上部电极层的材料为导电金属，其通过溅射或蒸镀技术图案化制造于柔性压阻材料层的上表面上，上部电极层的厚度为100 ~1000 nm。
6.根据权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于：上层柔性封装层由柔性聚合物经过浇筑、旋涂固化或蒸镀工艺制备在力敏结构层上，厚度为1~20 μm。
7.一种根据权利要求1~6之一所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：
（1） 旋涂聚酰亚胺溶液于硅晶圆上，固化后得到聚酰亚胺薄膜；
（2）在聚酰亚胺薄膜的上表面旋涂光刻胶，经过光刻工艺后可形成光刻胶微结构阵列；以光刻胶微结构阵列作为掩膜，使用等离子体刻蚀工艺对聚酰亚胺薄膜上表面进行等离子体刻蚀加工，刻蚀气体使用O2和SF6，刻蚀结束后使用除胶液去除聚酰亚胺表面上的光刻胶，再丙酮清洗干净，制备成压力传感器的下层柔性基底；
（3）通过溅射或蒸镀技术在下层柔性基底的上表面上制造图案化金属电极，形成压力传感器的下部电极层；
（4）将一种或几种碳基纳米颗粒和一种聚合物在有机溶剂中混合均匀，旋涂碳基纳米颗粒/聚合物溶液于下层柔性基底上，加热固化后形成柔性压阻材料层；
（5）通过溅射或蒸镀技术在柔性压阻材料层的上表面上制造图案化金属电极，形成压力传感器的上部电极层；
（6）由柔性聚合物经过浇筑、旋涂固化或蒸镀工艺在力敏结构层上制备上层柔性封装层。
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Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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