CN110987089B - 单金属层电极的多功能柔性变胞传感器、制备方法及应用 - Google Patents

Abstract

本发明属于传感器设计与制造领域，并具体公开了一种单金属层电极的多功能柔性变胞传感器、制备方法及应用。所述传感器包括金属功能层以及柔性基底，金属功能层包括第一应变栅、第一叉指电极、引线一以及引线二，第一应变栅包括M个首尾依次连接且平行布置的S型结构，第一叉指电极包括M根平行布置的叉指结构。所述制备方法包括基底层和牺牲层的制备、金属功能层的制备、传感器的剥离。本发明多功能柔性变胞传感器可应用于温度、应变、流速和湿度的测量。本发明可通过引线之间的变拓扑切换实现多功能小尺寸原位感知，同时，可实现少量引脚的变拓扑多模态的变胞感知，还可采用两种原理测量相互补充验证提高***的鲁棒性和稳定性。

Description

单金属层电极的多功能柔性变胞传感器、制备方法及应用

技术领域

本发明属于传感器测量领域，更具体地，涉及一种单金属层电极的多功能柔性变胞传感器、制备方法及应用。

背景技术

人体健康监测、人机交互、风洞测量测量、航空航天智能蒙皮等***中，传感器件发挥着重要的作用。温度、变形、流场、湿度是影响人体健康和机体健康的重要因素。如温度过高会影响飞机的电子***，大形变会导致机体产生裂纹，流场会影响机身效率，湿度会加快零部件的腐蚀。同样，对于电子皮肤而言，体表温度、张力、呼吸***和环境流场，体表湿度等也关乎人体的健康和舒适度。但目前所采用的测试传感器多是单功能传感器，多个传感器并用的方式测量，功能少体积大，实时测量不便。因此对需要测量多个量的场合，设计可集测量温度、应变、流速、湿度为一体的传感器意义重大。

不仅如此，传感器的设计除了能感知多个参数外，还需考虑其他因素影响，体积过大会限制传感器的应用场景，影响精度。硬质基板不能与被测表面完全贴合导致测量误差产生，多个功能传感器的集成会产生大量的引线，在体积和可操作性上存在很大的问题，多路复用会造成引脚之间的相互干扰，局部损伤会造成传感功能完全失效。因此传感器的设计还要做体积、柔性、引线数、鲁棒性方面的考量。

目前多功能传感器设计取得了一定的发展，但许很多问题仍未解决。如发明专利201620798993.6中提到通过并排叉指结构实现的一种湿度、温度、光强的多功能传感器。该传感器功能较少，引脚数多且鲁棒性差。王等人采用表皮电子的方式在同一表面实现了温度、湿度、ECG等信号的采集(Wang Y，Qiu Y，Ameri S K，et al.Low-cost，μm-thick，tape-free electronic tattoo sensors with minimized motion and sweat artifacts[J].npj Flexible Electronics)，但是该种采集方式面积大，所用引线量大，且金属图案易损坏导致整个功能失效，鲁棒性差。其他多功能传感器也存在有类似的问题，要解决这些问题，需考虑多个方面的影响。

综上所述，研究在柔性基底上、具备小尺寸、轻质量、高集成度特点的可通过少量引线实现多模态功能变胞测量的高鲁棒性单层金属电极传感器，具有十分重要的意义。

发明内容

针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供了一种单金属层电极的多功能柔性变胞传感器、制备方法及应用，其中结合柔性变胞传感器自身的特征及其多功能耦合的工艺特点，相应设计了多功能柔性变胞传感器，并对其关键组件如金属功能层的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可通过引线之间的变拓扑切换实现多功能小尺寸原位感知，同时，可实现少量引脚的变拓扑多模态的变胞感知，本发明还可采用两种原理测量相互补充验证提高***的鲁棒性和稳定性。本发明设计了一种基于单层金属功能层的多功能柔性变胞传感器，本发明中对变胞传感器的多种模态感知进行设计，设计理念减少了彼此之间的相互干扰使其既能进行组合测量，又能进行拆分测量。因而尤其适用于在测量温度、应变、流速和湿度的应用，极大提高了***的应用范围。

为实现上述目的，本发明提出了一种单金属层电极的多功能柔性变胞传感器，包括金属功能层以及柔性基底，所述金属功能层设于所述柔性基底上，其中，

所述金属功能层包括第一功能模块，所述第一功能模块包括第一应变栅、第一叉指电极、引线一以及引线二，所述第一应变栅的一端与所述引线一连接，所述第一叉指电极与所述引线二连接，且所述第一应变栅与所述第一叉指电极同侧对应布置，所述引线一与所述引线二同侧平行布置；

所述第一应变栅包括M个首尾依次连接且平行布置的S型结构，所述第一叉指电极包括M根平行布置的叉指结构，每个所述S型结构与一根叉指结构对应平行设置，每根叉指结构伸入与其对应的S型结构中且与该S 型结构保持一定间隙，以此方式，通过连接所述引线一与所述引线二，所述第一应变栅和第一叉指电极构成电容传感器，当所述柔性基底吸收水分时，电容传感器的介电常数改变，根据该介电常数改变的改变量实现对外界环境湿度的原位感知，其中M为大于1的整数。

作为进一步优选的，所述金属功能层还包括第二功能模块，所述第二功能模块与第一功能模块的结构相同，且所述第二功能模块与第一功能模块对称布置；所述第二功能模块包括第二叉指电极、第二应变栅、引线三和引线四，其中，所述第二叉指电极与所述引线三连接，所述第二应变栅与所述引线四连接，所述第一应变栅远离所述引线一的一端与所述第二应变栅远离所述引线四的一端连接，以此方式，通过分别连接所述引线一与所述引线二或者所述引线三和引线四，所述第一应变栅和第一叉指电极或者所述第二叉指电极和第二应变栅构成电容传感器，且两个电容器的测量结果可相互验证；同时，通过连接所述引线一和所述引线四，所述第一应变栅和所述第二应变栅构成温度传感器。

作为进一步优选的，所述金属功能层还包括第三功能模块，所述第三功能模块包括热电偶金属电极和引线五，其中，所述热电偶金属电极一端与所述引线五连接，另一端与所述第一应变栅和第二应变栅连接，以此方式，通过分别连接所述引线一和引线五或者引线四和引线五，所述热电偶金属电极与所述第一应变栅或者所述热电偶金属电极与所述第二应变栅构成温度传感器或者热损失型流速传感器，其中，所述温度传感器通过所述热电偶金属电极与所述第一应变栅或者所述热电偶金属电极与所述第二应变栅产生的电动势实现对环境的温度测量，且两个温度传感器的测量结果可相互验证，所述热损失型流速传感器通过控制对所述热电偶金属电极的加热，然后根据惠斯通电桥和线性补偿网络实现对所述热损失型流速传感器的电阻、电压等参数的测量，从而实现环境中热损失型流速的测量。

作为进一步优选的，所述金属功能层还包括第四功能模块，所述第四功能模块的一端与所述第一叉指电极最靠近所述热电偶金属电极的一根叉指连接，另一端与第二叉指电极最靠近所述热电偶金属电极的一根叉指连接，所述第四功能模块包括多个首尾依次连接且平行布置的U型结构，以此方式，当连接所述引线二和所述引线三，所述第一叉指电极与所述第二叉指电极构成应变测量传感器；当所述引线二和所述引线三连接恒压电源作为热源，通过连接所述引线一和引线五测量上游温度，通过连接引线四和引线五测量下游温度，并根据热温差的公式实现取环境中的热损失型流速的测量。

作为进一步优选的，所述多功能柔性变胞传感器还包括金属贴附层，该金属贴附层设于所述柔性基底远离所述金属功能层的一侧，以此方式，所述金属贴附层、所述柔性基底以及所述热电偶金属电极构成微带贴片天线，并通过该微带贴片天线谐振频率的变化获取环境的应变变化。

作为进一步优选的，本发明中引线一、引线二、引线三、引线四、引线五、热电偶金属电极，第四功能模块，第一应变栅，第一叉指电极，第二叉指电极，第二应变栅均布置在同一水平面上。

作为进一步优选的，本发明中引线一、引线二、引线三、引线四、第四功能模块，第一应变栅，第一叉指电极，第二叉指电极，第二应变栅的厚度相同，均为100nm～400nm；所述引线五、热电偶金属电极的厚度相同，均为50nm～350nm。

作为进一步优选的，所述第一应变栅和第二应变栅均由铂金属制备而成。

作为进一步优选的，所述第一叉指电极和第二叉指电极均由康铜制备而成。

作为进一步优选的，所述热电偶金属电极由铂铑合金制备而成，所述热电偶金属电极的长宽比值为0.2～1。

按照本发明的另一个方面，提供一种基于单金属层电极的多功能柔性变胞传感器的制备方法，包括以下步骤：

S1基底层和牺牲层的制备；

去经前处理后的硅片，在该硅片上旋涂PMMA溶液后加热，得到PMMA 薄膜作为牺牲层，在所述牺牲层上旋涂聚酰亚胺溶液，从而获取制备于所述牺牲层上的柔性基底；

S2金属功能层的制备；

在所述柔性基底上采用光刻方法光刻溅射金属功能层的图案，从而在所述柔性基底上制备得到指定厚度的金属功能层；

S3传感器的剥离；

采用激光剥离技术去除所述牺牲层，将所述柔性基底和金属功能层从所述硅片上剥离，以此获得多功能柔性变胞传感器。

按照本发明的另一个方面，还提供了一种基于单金属层电极的多功能柔性变胞传感器在测量温度、应变、流速和湿度的应用。

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，主要具备以下的技术优点：

1.本发明设计了单金属层多功能变胞传感器结构，将多种功能的传感器集成在一起，使得传感器在更小的面积下具备了更多的功能，解决了多种功能测量时测点过多，测点布置面积过大的问题。

2.本发明设计了引线互用模式，通过传感器引线的变胞组合利用少量引线实现了多种功能的采集，解决了多功能传感器使用时引线过多过乱的问题。

3.本发明金属功能层为有效区域，通过变胞引线的组合，使得风速、应变、温度功能均采用两种功能实现。提高了传感器鲁棒性，解决了传感器在使用过程中的易损坏失效的问题。

4.本发明采用薄膜金属和柔性基底，制作的传感器具有柔性可以更好的共形贴附于曲面，不会对模型表面破坏，进一步提高了传感器测量数据的准确性。

附图说明

图1是本发明实施例涉及的一种单金属层电极的多功能柔性变胞传感器的结构示意图；

图2是图1中A-A剖视图；

图3为本发明实施例涉及的变胞传感器中温度测量部分结构示意图及原理图，其中，图3中的(a)为本发明一种实施例涉及的变胞传感器中温度测量部分结构示意图，图3中的(b)为本发明另一种实施例涉及的变胞传感器中温度测量部分结构示意图，图3中的(c)为本发明变胞传感器温度测量的原理图；

图4为本发明实施例涉及的变胞传感器中应变测量部分结构示意图及原理图，其中，图4中的(a)为本发明一种实施例涉及的变胞传感器中应变测量部分结构示意图，图4中的(b)为本发明另一种实施例涉及的变胞传感器中应变测量部分结构示意图，图4中的(c)为本发明变胞传感器应变测量的原理图；

图5为发明实施例涉及的变胞传感器中流速测量部分结构示意图及原理图，图5中的(a)为本发明一种实施例涉及的变胞传感器中流速测量部分结构示意图，图5中的(b)为本发明另一种实施例涉及的变胞传感器中流速测量部分结构示意图，图5中的(c)为图5中的(a)涉及的变胞传感器流速测量的原理图，图5中的(d)为图5中的(b)涉及的变胞传感器流速测量的原理图；

图6为发明实施例涉及的变胞传感器中湿度测量部分结构示意图；

图7为本发明实施例涉及的一种单金属层电极的多功能柔性变胞传感器的的流程图。

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： 1-引线一，2-引线二，3-引线三，4-引线四，5-引线五，6-热电偶金属电极，7-第四功能模块，8-第一应变栅，9-第一叉指电极，10-第二叉指电极， 11-第二应变栅。

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。

如图1所示，本发明一种单金属层电极的多功能柔性变胞传感器包括金属功能层以及柔性基底，所述金属功能层设于所述柔性基底上，其中，所述金属功能层包括第一功能模块，所述第一功能模块包括第一应变栅11、第一叉指电极10、引线一1以及引线二2，所述第一应变栅11的一端与所述引线一1连接，所述第一叉指电极10与所述引线二2连接，且所述第一应变栅11与所述第一叉指电极10同侧对应布置，所述引线一1与所述引线二2同侧平行布置。

所述第一应变栅11包括M个首尾依次连接且平行布置的S型结构，所述第一叉指电极10包括M根平行布置的叉指结构，每个所述S型结构与一根叉指结构对应平行设置，每根叉指结构伸入与其对应的S型结构中且与该S型结构保持一定间隙，以此方式，通过连接所述引线一1与所述引线二2，所述第一应变栅11和第一叉指电极10构成电容传感器，当所述柔性基底吸收水分时，电容传感器的介电常数改变，根据该介电常数改变的改变量实现对外界环境湿度的原位感知，其中M为大于1的整数。

进一步的，所述金属功能层还包括第二功能模块，所述第二功能模块与第一功能模块的结构相同，且所述第二功能模块与第一功能模块对称布置；所述第二功能模块包括第二叉指电极9、第二应变栅8、引线三3和引线四4，其中，所述第二叉指电极9与所述引线三3连接，所述第二应变栅 8与所述引线四4连接，所述第一应变栅11远离所述引线一1的一端与所述第二应变栅8远离所述引线四4的一端连接，以此方式，通过分别连接所述引线一1与所述引线二2或者所述引线三3和引线四4，所述第一应变栅11和第一叉指电极10或者所述第二叉指电极9和第二应变栅8构成电容传感器，且两个电容器的测量结果可相互验证；同时，通过连接所述引线一1和所述引线四4，所述第一应变栅11和所述第二应变栅8构成温度传感器。

进一步的，所述金属功能层还包括第三功能模块，所述第三功能模块包括热电偶金属电极6和引线五5，其中，所述热电偶金属电极6一端与所述引线五5连接，另一端与所述第一应变栅11和第二应变栅8连接，以此方式，通过分别连接所述引线一1和引线五5或者引线四4和引线五5，所述热电偶金属电极6与所述第一应变栅11或者所述热电偶金属电极6与所述第二应变栅8构成温度传感器或者热损失型流速传感器，其中，所述温度传感器通过所述热电偶金属电极6与所述第一应变栅11或者所述热电偶金属电极6与所述第二应变栅8产生的电动势实现对环境的温度测量，且两个温度传感器的测量结果可相互验证，所述热损失型流速传感器通过控制对所述热电偶金属电极6的加热，然后根据惠斯通电桥和线性补偿网络实现对所述热损失型流速传感器的电阻、电压等参数的测量，从而实现环境中热损失型流速的测量。

进一步的，所述金属功能层还包括第四功能模块7，所述第四功能模块 7的一端与所述第一叉指电极10最靠近所述热电偶金属电极6的一根叉指连接，另一端与第二叉指电极9最靠近所述热电偶金属电极6的一根叉指连接，所述第四功能模块7包括多个首尾依次连接且平行布置的U型结构，以此方式，当连接所述引线二2和所述引线三3，所述第一叉指电极10 与所述第二叉指电极9构成应变测量传感器；当所述引线二2和所述引线三3连接恒压电源作为热源，通过连接所述引线一1和引线五5测量上游温度，通过连接引线四4和引线五5测量下游温度，并根据热温差的公式实现取环境中的热损失型流速的测量。

进一步的，所述多功能柔性变胞传感器还包括金属贴附层，该金属贴附层设于所述柔性基底远离所述金属功能层的一侧，以此方式，所述金属贴附层、所述柔性基底以及所述热电偶金属电极6构成微带贴片天线，并通过该微带贴片天线谐振频率的变化获取环境的应变变化。

本发明中引线一、引线二、引线三、引线四、引线五、热电偶金属电极，第四功能模块，第一应变栅，第一叉指电极，第二叉指电极，第二应变栅均布置在同一水平面上。本发明中引线一、引线二、引线三、引线四、第四功能模块，第一应变栅，第一叉指电极，第二叉指电极，第二应变栅的厚度相同，均为100nm～400nm；所述引线五、热电偶金属电极的厚度相同，均为50nm～350nm。

进一步的，所述第一应变栅11和第二应变栅8均由铂金属制备而成。

进一步的，所述第一叉指电极10和第二叉指电极9均由康铜制备而成。

进一步的，所述热电偶金属电极6由铂铑合金制备而成，所述热电偶金属电极6的长宽比值为0.2～1。

具体而言，多模态变胞传感器包括金属功能层、柔性基底、金属贴附层。金属功能层又包括功能部分和引线部分，金属功能层贴附在基底上，外接引线包括引线一、引线二、引线三、引线四和引线五，引线之间的变拓扑切换可实现四种功能七种原理的鲁棒测量。本发明中金属功能层共包含三种金属分别为康铜、铂、铂铑，功能并非单纯的组合在一起而是通过引线的拓扑复用实现多模态高精度稳定的测量。

第一模态为电容测量，通过连接引线一和引线二，或者引线三和引线四，组成电容传感器，电容传感器可用来测量湿度，体表水合和应变，薄膜柔性基底为高分子材料聚酰亚胺。湿度变化时聚酰亚胺吸收部分水份导致湿敏电容的介电常数发生变化，电容传感器的电容量也就发生了变化，因为电容的变化与湿度变化成正比，因此通过电容的变化也就得到湿度变化，该测量中两组引脚的组合得到的结果相同，可以防止引线电极的破损，提高了传感器的稳定性。另外传感器应变时，电容两端的正对面积发生变化，可通过测量电容量测得传感器应变量。

第二模态为电阻测量，电阻的测量可以用来表征应变和温度，引线二与引线三之间为康铜金属，一种常用制作应变栅的金属材料。随着基底的变形，金属箔材也会随着应变伸长或缩短，金属箔材电阻也会随着箔材的伸长或缩短而产生增大或减小，通过测量引线二与引线三之间的电阻变化即可得到结构应变。引线一和引线四组成的回路为热电阻温度测量，两引线之间采用铂，一种电阻随温度变化的金属，通过测量引线两端的电阻得到环境的温度。

第三模态为电势测量，通过连接引线一与引线五或者引线四与引线五，组成的回路为热电偶测量原理，金属铂和金属铂铑是性能优异的热电偶测温材料组合，当热电偶的两端存在温度梯度时，在热电偶回路中会产生相应的电动势，通过测量冷端的电动势得到环境的温度。

第四模态为频率测量，频率的测量可以用来表征天线的性能进而用来表征应变量的大小。引线五与铂铑金属区域(也可使用金属铜)组成辐射源，聚酰亚胺为介质基层，金属贴附层为接地板，三者组成矩形微带贴片天线，利用矢量网络分析仪的同轴电缆和SMA转接头贴附在引线监测天线的谐振频率，应变变化时矩形尺寸变化从而改变了其固有的谐振频率。通过谐振频率的变化可知道应变变化。

第五模态为组合模态流速测量，采用热损失检测原理和热温差检测原理，其中通过连接引线一与引线五或者引线四与引线五，从而组成热损失型流速传感器，通过CCA等控制电路实现对铂金属的加热，同时通过惠斯通电桥和线性补偿网络实现对传感器电阻、电压等参数的测量运用king公式得出热点的工作温度从而实现风速的测量。另一方面通过引线二与引线三加载恒压源或恒流源使栅极加热成为热源，通过引线一与引线五的电阻变化测量上游温度，通过引线四与引线五的电阻变化测量下游温度，通过热温差的公式可推演出流速的大小，两种流速的测量方式性能参数略有差别，其中热损失型测量精度低，但测量的量程大，热温差型测量方式精度的较高，测量的量程较小。两种测量流速的方式是通过引脚的拓扑复用实现，两者在测量范围的重叠区域内互验互证，在非重叠区域内相互补充，提高的测量的鲁棒性能和综合性能。

第六模态为组合模态，两种不同的原理测量应变传感器，原理上互不干扰。两种模态同时工作时，即使一种应变模态失效情况下依然正常工作。同时，还可以通过模态二中的电阻应变测量和模态四种的频率应变测量完成应变测量之间的相互验证。

第七模态为组合模态，通过两种原理测量温度，可以应用在极端环境中如航天、船舶、武器***中。该模态通过第二模态和第三模态实现，通过第二模态测量铂电阻测温同时通过第三模态热电偶测量温度，两种模态下测量的温度相互验证，相互补充。

更具体而言，如图3所示，当本发明的多功能柔性变胞传感器用作构成电容传感器是，其热电偶的计算公式为：

可知热电偶为温度的函数，在引线一处接第一应变栅，在引线五处接热电偶金属电极，在参考端，即测试端，通过电压表测量电动势，由于使用标准的金属组合，所以得出参考温度T0下的FAB(T0，T)之后可通过查询热电偶分度表得到热端的温度。

本发明的多功能柔性变胞传感器，对于热损失型流速传感器在一定范围内电阻和温度之间的关系可近似表示为：

R_t＝R₀(1+At+Bt²)

其中A、B为常数，可通过查找相关的常数值通过电阻反推出测量的温度。

如图4所示，通过引线二和引线三可以测量康铜电阻，电阻受长度和横截面积的影响：

其中ρ为电阻率，L为金属丝的长度，S为金属丝的截面积。又因为ΔR/R＝K₀ε，ε＝ΔL/L可以得到应变与电阻之间的关系，拟合出相应的曲线之后使用惠斯通电桥即可进行测试。

同时对于微带贴片天线，即贴片传感器，可由公式知：

其中，c为光速，ΔL为补偿长度，L为辐射源长度，ε_re为有效介电常数，得知共振频率与尺寸之间的关系，通过矢量网络分析仪与引线五相连，测试相关的共振频率，拟合测试曲线，便可通过天线的共振频率测量应变。

如图5所示，其中引线一(或四)与引线五构成热损失型的流速传感器，对于热损失型的流速传感器由公式：

其中Q(v)、ΔT、v分别为传感器热量损失量、传感器与被测流体温差以及流体速度，A、B为常数，通过图3说明中pt电阻的侧量公式计算测量温度，通过数据拟合出温度与流速之间的关系，标配定出A、B参数即可进行测量。引线一，引线二，引线三，引线四，引线五共同构成热温差型流速传感器，对于热温差型流速传感器，由公式：

可知温度与流速之间的关系，其中引线一与引线五构成上游的测温单元，引线四与引线五构成下游的测温单元，引线二与引线三构成加热电阻，通过测量上下游的温度差和流速之间的关系，拟合出A’和B’常数，即可拟合出完整曲线进行测量。

如图6所示，引线一铂电极与引线二康铜电极之间构成叉指型电容器，本处仅对基本原理进行说明，聚酰亚胺的对相对湿度近似成线性关系，电容公式中电容与介质的介电常数也成正比关系，所以可用测得的湿度和测得的电容值进行拟合，拟合出的曲线作为标准曲线对被测环境进行标定。

本发明对不同功能模态传感器之间干扰减小进行了重点考量和结构上的设计，其中应变传感器引线上背向叉指设计，可以减少电容叉指电阻对应变电阻的影响。康铜和铂的电阻率接近可以排除因电阻影响电容传感器的测量精度。双侧对称的叉指电容的设计，一方面提高了铂的长度增加了热电阻测量的精度，另一方面提高了叉指电容的正对面积提高了电容对的大小增加了测量的精度。铂铑合金的贴片天线部分的整体面积较宽，电阻较小，减少了因热电偶功能不同金属材料对热阻式温度传感器的干扰，由于上下连接部分的材料有变化，电阻率不同连接处相对尺寸较小，减少了传感器下方对贴片天线的干扰。

如图7所示，本发明传感器的制作过程如下：

S1基底层和牺牲层的制备。去经前处理后的硅片，在该硅片上旋涂PMMA 溶液后加热，得到PMMA薄膜作为牺牲层，在所述牺牲层上旋涂聚酰亚胺溶液，从而获取制备于所述牺牲层上的柔性基底。具体而言，准备一片干净的硅片，将硅片浸泡于丙酮中进行40W，10min超声清洗后取出，去离子水冲洗后使用氮气吹干，然后浸泡于用酒精中进行40W，3min超声清洗后取出，去离子水冲洗后使用氮气吹干，最后使用去离子水进行40W，1min超声清洗，烘干备用。采用PMMA作为牺牲层，采用胶头剥离滴管取PMMA溶液，旋涂在硅片上旋涂参数为500转/分钟，10s；然后3000转/分钟，30s；加速度500r/s²，180℃加热3min，得到1um厚的PMMA薄膜。溅射底层金属铝(或其他金属也可不溅射，测试时将传感器贴到金属表面即可)溅射参数为0.6Pa，85W，10分钟。旋涂聚酰亚胺基底，PI的旋涂参数500转/分钟， 15s，然后1500转/分钟，45s加速度r/s²，90度前烘，采用1000-2000cp 黏度的聚酰亚胺溶液旋涂一次，后采用5000-6000cp黏度的聚酰亚胺溶液旋涂两次，旋涂参数前烘温度不变，最后将其放入烘箱220℃保温3h，将聚酰亚胺亚胺化处理得到厚度为10um聚酰亚胺薄膜。

S2金属功能层的制备。在所述柔性基底上采用光刻方法光刻溅射金属功能层的图案，从而在所述柔性基底上制备得到指定厚度的金属功能层。具体而言，光刻溅射铂铑金属图案，旋涂AZ5214光刻胶，旋涂的参数为 1000rpm，旋涂的时间为10s，然后以2000转/分钟的速度旋涂12s，以3000 转/分钟的速度旋涂15s；加速度500r/s²，110℃加热1min蒸发溶剂，紫外曝光8s，显影后进行溅射，溅射参数为0.6pa、70w，溅射时间20分钟。使用丙酮脱胶，得到厚度约为200nm的金属薄膜。光刻溅射铂金属图案，参数同上得到厚度约为200nm的金属薄膜。光刻溅射康铜金属图案，光刻参数同上溅射参数为70W溅射15分钟，后使用丙酮脱胶得到150nm的康铜金属薄膜。

S3传感器的剥离。采用激光剥离技术去除所述牺牲层，将所述柔性基底和金属功能层从所述硅片上剥离，以此获得多功能柔性变胞传感器。具体而言，剥离采用TRT转印胶带粘贴在变胞传感器上层，然后轻轻撕下，剥离成功后放在热板130℃，1分钟后TRT胶带自动脱落，得到完整传感器，贴到金属表面即可进行测试。

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 (8)

1.一种单金属层电极的多功能柔性变胞传感器，其特征在于，包括金属功能层以及柔性基底，所述金属功能层设于所述柔性基底上，其中，

所述金属功能层包括第一功能模块，所述第一功能模块包括第一应变栅(11)、第一叉指电极(10)、引线一(1)以及引线二(2)，所述第一应变栅(11)的一端与所述引线一(1)连接，所述第一叉指电极(10)与所述引线二(2)连接，且所述第一应变栅(11)与所述第一叉指电极(10)同侧对应布置，所述引线一(1)与所述引线二(2)同侧平行布置；

所述第一应变栅(11)包括M个首尾依次连接且平行布置的S型结构，所述第一叉指电极(10)包括M根平行布置的叉指结构，每个所述S型结构与一根叉指结构对应平行设置，每根叉指结构伸入与其对应的S型结构中且与该S型结构保持一定间隙，以此方式，通过连接所述引线一(1)与所述引线二(2)，所述第一应变栅(11)和第一叉指电极(10)构成电容传感器，当所述柔性基底吸收水分时，电容传感器的介电常数改变，根据该介电常数改变的改变量实现对外界环境湿度的原位感知，其中M为大于1的整数；

所述金属功能层还包括第二功能模块，所述第二功能模块与第一功能模块的结构相同，且所述第二功能模块与第一功能模块对称布置；所述第二功能模块包括第二叉指电极(9)、第二应变栅(8)、引线三(3)和引线四(4)，其中，所述第二叉指电极(9)与所述引线三(3)连接，所述第二应变栅(8)与所述引线四(4)连接，所述第一应变栅(11)远离所述引线一(1)的一端与所述第二应变栅(8)远离所述引线四(4)的一端连接，以此方式，通过分别连接所述引线一(1)与所述引线二(2)或者所述引线三(3)和引线四(4)，所述第一应变栅(11)和第一叉指电极(10)或者所述第二叉指电极(9)和第二应变栅(8)构成电容传感器，且两个电容器的测量结果可相互验证；同时，通过连接所述引线一(1)和所述引线四(4)，所述第一应变栅(11)和所述第二应变栅(8)构成温度传感器；

所述金属功能层还包括第三功能模块，所述第三功能模块包括热电偶金属电极(6)和引线五(5)，其中，所述热电偶金属电极(6)一端与所述引线五(5)连接，另一端与所述第一应变栅(11)和第二应变栅(8)连接，以此方式，通过分别连接所述引线一(1)和引线五(5)或者引线四(4)和引线五(5)，所述热电偶金属电极(6)与所述第一应变栅(11)或者所述热电偶金属电极(6)与所述第二应变栅(8)构成温度传感器或者热损失型流速传感器，其中，所述温度传感器通过所述热电偶金属电极(6)与所述第一应变栅(11)或者所述热电偶金属电极(6)与所述第二应变栅(8)产生的电动势实现对环境的温度测量，且两个温度传感器的测量结果可相互验证，所述热损失型流速传感器通过控制对所述热电偶金属电极(6)的加热，然后根据惠斯通电桥和线性补偿网络实现对所述热损失型流速传感器的电阻、电压的测量，从而实现环境中热损失型流速的测量。

2.根据权利要求1所述的一种单金属层电极的多功能柔性变胞传感器，其特征在于，所述金属功能层还包括第四功能模块，所述第四功能模块的一端与所述第一叉指电极(10)最靠近所述热电偶金属电极(6)的一根叉指连接，另一端与第二叉指电极(9)最靠近所述热电偶金属电极(6)的一根叉指连接，所述第四功能模块包括多个首尾依次连接且平行布置的U型结构，以此方式，当连接所述引线二(2)和所述引线三(3)，所述第一叉指电极(10)与所述第二叉指电极(9)构成应变测量传感器；当所述引线二(2)和所述引线三(3)连接恒 压电源作为热源，通过连接所述引线一(1)和引线五(5)测量上游温度，通过连接引线四(4)和引线五(5)测量下游温度，并根据热温差的公式实现取环境中的热损失型流速的测量。

3.根据权利要求2所述的一种单金属层电极的多功能柔性变胞传感器，其特征在于，所述多功能柔性变胞传感器还包括金属贴附层，该金属贴附层设于所述柔性基底远离所述金属功能层的一侧，以此方式，所述金属贴附层、所述柔性基底以及所述热电偶金属电极(6)构成微带贴片天线，并通过该微带贴片天线谐振频率的变化获取环境的应变变化。

4.根据权利要求1所述的一种单金属层电极的多功能柔性变胞传感器，其特征在于，所述第一应变栅(11)和第二应变栅(8)均由铂金属制备而成。

5.根据权利要求1所述的一种单金属层电极的多功能柔性变胞传感器，其特征在于，所述第一叉指电极(10)和第二叉指电极(9)均由康铜制备而成。

6.根据权利要求1所述的一种单金属层电极的多功能柔性变胞传感器，其特征在于，所述热电偶金属电极(6)由铂铑合金制备而成，所述热电偶金属电极(6)的长宽比值为0.2～1。

7.根据权利要求1-6任一项所述的一种单金属层电极的多功能柔性变胞传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1基底层和牺牲层的制备；

去经前处理后的硅片，在该硅片上旋涂PMMA溶液后加热，得到PMMA薄膜作为牺牲层，在所述牺牲层上旋涂聚酰亚胺溶液，从而获取制备于所述牺牲层上的柔性基底；

S2金属功能层的制备；

在所述柔性基底上采用光刻方法光刻溅射金属功能层的图案，从而在所述柔性基底上制备得到指定厚度的金属功能层；

S3传感器的剥离；

采用激光剥离技术去除所述牺牲层，将所述柔性基底和金属功能层从所述硅片上剥离，以此获得多功能柔性变胞传感器。

8.根据权利要求1-6任一项所述的一种单金属层电极的多功能柔性变胞传感器在测量温度、应变、流速和湿度的应用。

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