CN112097946B - 一体化柔性温度和压力传感器及其制备方法和用于非平面温度测量的*** - Google Patents

一体化柔性温度和压力传感器及其制备方法和用于非平面温度测量的*** Download PDF

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一体化柔性温度和压力传感器及其制备方法和用于非平面温度测量的***，属于传感器设计与加工领域。为了解决柔性温度传感器使用过程中无法准确判断温度传感器是否良好贴合待测表面的问题，要点是以柔性材料为衬底的传感器，包括柔性温度传感器和柔性压力传感器，柔性温度传感器以金属为温度敏感电阻，柔性压力传感器以碳基材料为敏感电阻，且柔性温度传感器和柔性压力传感器通过柔性衬底材料集成，效果是能够提高温度测量的准确性，极大的利于柔性温度传感器的推广使用。

Description

一体化柔性温度和压力传感器及其制备方法和用于非平面温 度测量的***
技术领域
本发明属于传感器设计与加工领域，涉及一种一体化柔性温度压力传感器制备方法。
背景技术
柔性温度传感器广泛使用于弯曲表面、人体组织等非平面的测量，具有贴合好、测量准确的优点。柔性温度传感器使用过程中需要与被测面形成良好的接触，通常采用施加外力(包括使用胶带粘贴等方法)，但是随着外力的衰弱或者被测曲面的移动，往往造成温度传感器与被测曲面的脱离，这是温度传感器使用中很大的问题，因此如何判断接触是否良好成为亟需解决的问题。
发明内容
为了解决柔性温度传感器使用过程中无法准确判断温度传感器是否良好贴合待测表面的问题，提出一体化的柔性温度和压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
(1)在载体涂覆衬底材料预聚体并固化；
(2)在衬底材料上涂光刻胶并图形化形成表面；
(3)在表面沉积粘附层/金属形成样品；
(4)将样品去掉光刻胶及光刻胶上的粘附层/金属，剩余的金属形成图形化的金属电阻和引线电极，形成温度传感器；
(5)在金属电阻和引线电极上涂覆与衬底材料相同的预聚体并固化形成绝缘层，作为后续加工的衬底材料薄膜；
(6)在上述衬底材料薄膜的两端生长压力传感器的电极；
(7)导电碳基浆料烘干后形成薄膜状的力敏电阻，且将其安装在两个压力传感器的电极间；
(8)将薄膜状的力敏电阻通过导电胶与两个压力传感器的电极粘结在一起；
(9)在薄膜状力敏电阻和压力传感器的电极上涂覆与衬底材料相同的预聚体并固化形成表面绝缘层薄膜，同时作为保护层薄膜；
(10)刻蚀表面绝缘层薄膜，部分或全部暴露出温度传感器的电极和压力传感器的电极；
(11)将薄膜状的一体式的温度传感器和压力传感器从载体上剥离，形成一体化的柔性温度和压力传感器。
本发明还涉及一种由所述的制备方法获得的一体化的柔性温度和压力传感器。
本发明还涉及一体化柔性温度压力传感器，是以柔性材料为衬底的传感器，包括柔性温度传感器和柔性压力传感器，柔性温度传感器以金属为温度敏感电阻，柔性压力传感器以碳基材料为敏感电阻，且柔性温度传感器和柔性压力传感器通过柔性衬底材料集成。
本发明还涉及一种柔性传感器用于非平面温度测量的***，包括所述的一体化柔性温度压力传感器和控制器；柔性温度传感器测量非平面的温度的同时，通过与柔性温度传感器的柔性衬底材料集成的柔性压力传感器实时对一体化柔性温度压力传感器与待测表面的压力信息进行采集，根据压力采集信息判断一体化柔性温度压力传感器是否良好贴合待测表面，并在判断一体化柔性温度压力传感器未与非平面良好贴合而放弃温度传感器的采集数据，且发出温度传感器未良好贴合待测表面的信息。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
(1)所采用的一体化柔性温度和压力传感器是基于硅微加工技术的，易于通过传统的MEMS技术实现，加工工艺性好。
(2)利用压力传感器来监测温度传感器与待测表面的贴合情况，能够提高温度测量的准确性，极大的利于柔性温度传感器的推广使用。
附图说明
图1传感器结构示意图。
图2柔性温度传感器使用时与待测表面的贴合示意图。
图3传感器的加工步骤示意图，(a)～(h)表示加工步骤，(i)表示材料名称。
图4传感器的压力校准曲线图。
图5传感器的温度校准曲线图。
1.压力传感器，2.温度传感器，3.柔性衬底，4.产生的空隙。
具体实施方式
柔性温度传感器广泛使用于弯曲表面、人体组织等非平面的测量。在测量时，本发明首先利用柔性压力传感器测得温度传感器与接触面的压力，来判断传感器是否与非平面接触良好，之后再进行温度的测量，可以更大程度的确保温度测量的准确。本发明在柔性温度传感器的基础上，一体化引入柔性压力传感器，利用柔性压力传感器来监测温度传感器与待测面的接触情况，使温度测量更准确。
图1是一体化柔性温度压力传感器结构示意，传感器包括以聚酰亚胺为代表的柔性衬底，以金属作为敏感电阻的温度传感器和以碳基材料为敏感电阻的压力传感器。衬底材料也可以是PDMS或PMMA中的一种。
图2表示了柔性温度传感器使用的时候存在与待测面脱离或者无法紧密接触的情况，基于该种情况，本发明提出了传感器的加工步骤，并由该制备方法得到一体化柔性温度压力传感器。如图3所示，制备方法包括：
①如图3的(a)所示，在载体硅片或者玻璃片上涂覆一层聚酰亚胺(PI)预聚体并用阶梯式温度进行固化形成厚度45～55微米的聚酰亚胺薄膜，厚度优选50微米。
②如图3的(b)所示，在聚酰亚胺(PI)上利用lift-off工艺形成金属图形，在一种优选方案中金属为铂金，金属还可以为黄金。具体的，lift-off工艺包括首先在聚酰亚胺(PI)上涂光刻胶并图形化，之后沉积20/200nm的Ti/Pt而形成样品，其中Ti作为粘附层，Pt作为温度敏感层，最后将样品浸泡于丙酮溶液中去掉光刻胶及光刻胶上的Ti/Pt，剩余的Pt形成图形化的Pt电阻和引线电极，形成温度传感器使用，Pt电阻和引线电极是一体的。
③如图3的(c)所示，对Pt电阻和引线电极涂覆1.8～2.2微米的聚酰亚胺(PI)形成聚酰亚胺薄膜作为保护层，至此温度传感器制作完成，聚酰亚胺薄膜的厚度优选为2微米。
④如图3的(d)所示，采用化学离子交换和喷墨打印相结合的方法，在聚酰亚胺薄膜的两端生长一层500纳米～5微米厚度的银电极作为压力传感器的电极，并配置引线；
⑤配置导电材料浆料，烘干后形成薄膜状作为力敏电阻使用，其中制备导电材料浆料的材料包括石墨颗粒、碳纳米管、石墨烯中至少一种；如图3的(e)所示，将薄膜状力敏电阻通过导电银胶与银电极粘结在一起，优选的薄膜状力敏电阻位于两个银电极间。
⑥如图3的(f)所示，在粘结在一起的薄膜状力敏电阻和银电极上涂1.8～2.2微米厚的聚酰亚胺(PI)形成聚酰亚胺薄膜作为保护层，至此压力传感器制作完成；优选的，聚酰亚胺薄膜厚度是2微米。
⑦如图3的(g)所示，刻蚀聚酰亚胺薄膜使其分割，并部分或全部暴露出温度传感器的电极和压力传感器的电极，优选为部分暴露。
⑧如图3的(h)所示，将薄膜状的一体式的温度传感器和压力传感器从载体硅片上剥离下来，形成一体化的柔性温度和压力传感器。
温度传感器和压力传感器的校准如图5所示，压力传感器的量程为0～35KPa，温度传感器的量程为0～250℃。
在一种实施例中，与上述实施例的区别在于，将聚酰亚胺(PI)替换为PDMS或PMMA。
由上述实施实例制备得到一体化柔性温度压力传感器，具体的，是以柔性材料为衬底的传感器，包括柔性温度传感器和柔性压力传感器，柔性温度传感器以金属为温度敏感电阻，柔性压力传感器以碳基材料为敏感电阻，且柔性温度传感器和柔性压力传感器通过柔性衬底材料集成。
使用上述一体化柔性温度压力传感器用于非平面温度采集，本实施例给出一种柔性传感器用于非平面温度测量的***，包括所述的一体化柔性温度压力传感器和控制器；柔性温度传感器测量非平面的温度的同时，通过与柔性温度传感器的柔性衬底材料集成的柔性压力传感器实时对一体化柔性温度压力传感器与待测表面的压力信息进行采集，根据压力采集信息判断一体化柔性温度压力传感器是否良好贴合待测表面，并在判断一体化柔性温度压力传感器未与非平面良好贴合而放弃温度传感器的采集数据，且发出温度传感器未良好贴合待测表面的信息。
通过压力信息，使用设置阈值或查表的方法，能够确定传感器与贴合待测表面是否存在空隙，在确定某个区域压力明显低于其他区域压力，或者某个局部区域明显低于整个区域压力的平均值时，明确为当前区域未良好贴合，或者通过查表，可以明确当前压力信息通过查表方法反应出的间隙，明确当前区域未良好贴合时而放弃温度传感器的采集数据，且发出温度传感器未良好贴合待测表面的信息。
本发明的一体化柔性温度压力传感器主要用于机械以及人体等曲面的测量。由于采用了压力传感器监测传感器与待测曲面的粘结程度，因此使温度传感器的测量结果更为准确。使用制备得到的一体化柔性集成温度和压力测量的传感器，在温度传感器测量的同时，压力传感器实时对温度传感器与待测表面的压力信息进行采集，并基于采集信息判断温度传感器是否良好贴合待测表面。
以上所述，仅为本发明创造较佳的具体实施方式，但本发明创造的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明创造披露的技术范围内，根据本发明创造的技术方案及其发明构思加以等同替换或改变，都应涵盖在本发明创造的保护范围之内。

Claims (4)

1.一体化柔性温度和压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在载体涂覆衬底材料预聚体并固化；
(2)在衬底材料上涂光刻胶并图形化形成表面；
(3)在表面沉积粘附层/金属形成样品；
(4)将样品去掉光刻胶及光刻胶上的粘附层/金属，剩余的金属形成图形化的金属电阻和引线电极，形成温度传感器；
(5)将金属电阻和引线电极涂覆与衬底材料相同的预聚体并固化形成绝缘层，作为后续加工的衬底材料薄膜；
(6)在上述衬底材料薄膜的两端生长压力传感器的电极；
(7)导电碳基浆料烘干后形成薄膜状的力敏电阻，且将其安装在两个压力传感器的电极间；
(8)将薄膜状的力敏电阻通过导电胶与两个压力传感器的电极粘结在一起；
(9)在薄膜状力敏电阻和压力传感器的电极上涂覆与衬底材料相同的预聚体并固化形成表面绝缘层薄膜，同时作为表面保护层薄膜；
(10)刻蚀表面绝缘层薄膜，部分或全部露出温度传感器的电极和压力传感器的电极；
(11)将薄膜状的一体式的温度传感器和压力传感器从载体上剥离，形成一体化的柔性温度和压力传感器。
2.由权利要求1所述的制备方法获得的一体化的柔性温度和压力传感器。
3.一体化柔性温度压力传感器，其特征在于，是根据权利要求1所述的制备方法制备的以柔性材料为衬底的传感器，包括柔性温度传感器和柔性压力传感器，柔性温度传感器以金属为温度敏感电阻，柔性压力传感器以碳基材料为敏感电阻，且柔性温度传感器和柔性压力传感器通过柔性衬底材料集成。
4.柔性传感器用于非平面温度测量的***，包括权利要求3所述的一体化柔性温度压力传感器和控制器，其中一体化柔性温度压力传感器是根据权利要求1所述的制备方法制备的；柔性温度传感器测量非平面的温度的同时，通过与柔性温度传感器的柔性衬底材料集成的柔性压力传感器实时对一体化柔性温度压力传感器与待测表面的压力信息进行采集，根据压力采集信息判断一体化柔性温度压力传感器是否良好贴合待测表面，并在判断一体化柔性温度压力传感器未与非平面良好贴合而放弃温度传感器的采集数据，且发出温度传感器未良好贴合待测表面的信息。
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