CN113959603A

CN113959603A - 一种柔性电容式压力传感器及其制造方法

Info

Publication number: CN113959603A
Application number: CN202111174915.0A
Authority: CN
Inventors: 吴德志; 陈卓; 吴益根; 王中宝; 张扬
Original assignee: Xiamen University
Current assignee: Xiamen University
Priority date: 2021-10-09
Filing date: 2021-10-09
Publication date: 2022-01-21

Abstract

一种柔性电容式压力传感器及其制造方法，属于柔性压力传感器领域。柔性电容式压力传感器从上至下依次设有封装层、第一电极层、离子型介电层、第二电极层和柔性基底；第一电极层和第二电极层中至少一个的电极表面为多级结构。多级结构可通过激光烧蚀/微纳加工多级结构模具倒模制备，或通过激光加工/丝网印刷/3D打印等方法直接制备。当外力施加在传感器表面时，电极表面不同级和不同尺度的凸起结构具有高可压缩性和高比表面积，与离子型介电层的接触面积以及形成的双电层电容能在超宽压力范围内发生显著变化，具有宽量程、高灵敏度和高分辨率等特征。该压力传感器可在机器人、可穿戴设备、航空航天、海洋探测等领域应用。

Description

一种柔性电容式压力传感器及其制造方法

技术领域

本发明属于柔性压力传感器领域，尤其是涉及柔性电极表面具有多级结构的一种柔性电容式压力传感器及其制造方法。

背景技术

柔性压力传感器因具有可弯曲，轻薄便携特性在智能机器人、可穿戴、航空航天、海洋探测等领域应用前景广阔。特别是在非结构化环境应用中，对于压力传感器的灵敏度、测量范围和分辨率提出更高的要求。

按敏感原理来分，柔性压力传感器分为压阻式、电容式、压电式传感器等，其中柔性电容式压力传感器一般检测限较高、结构简单和功耗低，是柔性压力传感器的主要类型之一。目前，在敏感层或柔性电极上制作微结构是提高传感器性能的关键手段，如金子塔结构、柱状结构，小球互锁结构，海绵状多孔结构，纳米纤维结构等，但传感器仍存在着低压灵敏度高、高压灵敏度低、线性度差、检测范围小且不能调控的缺陷。

近年来，基于双电层原理，离电型电容式压力传感器利用离子型介电层和电极之间形成的双电层超级电容可大幅度提高传感器的动态性能，是研究热点。但直接采用表面平整的离子凝胶和电极的离电型压力传感器依然无法满足一些高灵敏度、大量程敏感的应用需求。因此开发一种高灵敏度、大量程的离电型电容式压力传感器及其制造方法成为突破的关键。

发明内容

本发明针对现有离电型压力传感器的缺陷，提出在柔性电极表面制备多级结构，提供一种高灵敏度、大量程的柔性电容式压力传感器及其制造方法。

所述柔性电容式压力传感器从上至下依次设有封装层、第一电极层、离子型介电层、第二电极层和柔性基底；所述第一电极层和第二电极层中至少一个的电极表面为多级结构。

所述多级结构至少叠设两级尺度不同的结构。

所述多级结构中每级结构的截面形状包括但不限于矩形、圆形、三角形、梯形、半圆形、椭圆形等规则图形，也包括自由曲线封闭形成的不规则图形。

柔性电容式压力传感器的制造方法，包括以下步骤：

1)制备多级结构柔性基底；

在步骤1)中，所述柔性基底表面多级结构一方面可先利用激光烧蚀/微纳加工多级结构模具，然后通过聚合物溶液旋涂在该模具上加热固化、倒模制备，另一方面也可以直接通过激光加工/丝网印刷/3D打印等方法加工柔性聚合物制备；优选地，所述柔性基底采用固化的柔性聚合物,厚度大于1μm；优选地，所述柔性聚合物包括但不限于硅橡胶，聚酰亚胺(PI)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)，聚酯(PET)，聚偏氟乙烯(PVDF)，聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)，聚乙烯醇(PVA)、聚醚砜(PES)和热塑性聚氨酯弹性体橡胶(TPU)等聚合物中的一种；

2)在多级结构柔性基底表面沉积金属得到多级结构电极；

在步骤2)中，所述沉积金属的方式包括但不限于真空蒸镀、溅射镀和离子镀等；所述沉积的金属包括但不限于金(Au)、银(Ag)、钛(Ti)、铜(Cu)、铟(In)、锡(Sn)、铋(Bi)等中的一种或者两种以上的合金；所述沉积金属的厚度为1～1000nm；

3)制备离子型介电层，取多级结构电极作为第一电极层，普通电极/多级结构电极作为第二电极层，将离子型介电层放置在第一电极层和第二电极层之间，分别从两个电极层引出导线；

在步骤3)中，所述离子型介电层为离子凝胶或离子复合材料，可以为一层或多层叠加；所述离子型介电层表面的结构不限定，可以没有结构，也可以有结构；所述第一电极层和第二电极层中至少一层为多级结构柔性电极，另一层可为多级结构柔性电极或是表面没有多级结构的普通电极；普通电极可以通过铜箔、铝箔等直接裁剪制备，或在光滑表面的柔性基底上沉积金属制备。

4)封装整个器件，得到柔性电容式压力传感器。

本发明制备的柔性电容式压力传感器可用于机器人、可穿戴设备、航空航天、海洋探测等领域。

本发明的制备流程主要包括多级结构柔性电极制备。受压过程中，电极表面不同级和不同尺度的凸起结构具有高可压缩性和高比表面积，与介电层的接触面积以及形成的双电层电容能在超宽压力范围内发生显著变化，实现对压力的高度敏感。本发明制备的多级结构柔性电极能极大提高传感器的灵敏度和量程，且工艺简单、制造成本低、性能可调控，可制备单个或大面积的阵列式柔性离电型电容式压力传感器应用于机器人、可穿戴设备、航空航天、海洋探测等领域，具有高灵敏度、宽量程等特征。

附图说明

图1为柔性电容式压力传感器结构示意图；

图2本发明多级结构形状示意图；

图3为本发明多级结构柔性电极形状示意图；

图4为本发明利用激光烧写模具倒模制备多级结构柔性电极方法流程图；

图5为激光烧写多级结构模具路径图案。

具体实施方式

以下结合具体附图对本发明做进一步说明，但本发明不仅仅限于下列实施例。

参见图1所示柔性电容式传感器结构，从上至下依次为封装层10、第一电极层11、离子型介电层12、第二电极层13、聚合物薄膜柔性基底14；第一电极层11和第二电极层13分别引出铜导线15。下列实施例在第一电极层11电极表面制备多级结构，第二电极层为无结构柔性电极层。所述多级结构也可制备在第二电极层表面，或同时制备在两个电极层的电极表面。所述多级结构至少叠设两级尺度不同的结构。所述多级结构中每级结构的截面形状包括但不限于矩形、圆形、三角形、梯形、半圆形、椭圆形等规则图形，也包括自由曲线封闭形成的不规则图形；

实施例一：

本实施例采用CO₂激光烧写多级结构模具，离子凝胶作为介电层，其中多级结构截面形状为半圆形(一级)和不规则形(二级),柔性基底表面溅射导电金属Au。

图4为本实施例制备多级结构柔性电极方法流程图，具体制备步骤如下：

1.激光烧写PI：将100μm厚的聚酰亚胺薄膜42进行裁剪成50×50mm，然后使用双面胶带将薄膜平整紧密地贴在金属基板上，用无水乙醇清洗薄膜表面去除油污和杂质，调聚酰亚胺薄膜42表面与CO₂激光器光源41间的距离为17.1cm，使激光聚焦于薄膜表面；在CO₂激光器控制软件中，绘制激光烧写多级结构模具路径图案为图5所示3×3mm矩形，其中横向间距dx＝0.4mm，纵向间距dy＝0.4mm，设定激光频率1kHz，激光功率100％，移动速度100mm/s,对每条轨迹间隔>0.5s进行逐条加工，每条线段烧写一次，得到表面具有激光诱导石墨烯的聚酰亚胺薄膜；

2.去除石墨烯：加工完毕，将无水乙醇涂抹在聚酰亚胺薄膜(PI)42表面，用棉签多次轻轻擦拭除去激光诱导石墨烯，冲洗干净后得到表面具有多级结构的聚酰亚胺模具43，其中多级结构参见图2，激光扫描过的路径留下一级结构21，一级结构21内部由于聚酰亚胺薄膜被激光诱导石墨烯化形成多孔的二级结构22；

3.聚合物旋涂、固化：配制PDMS溶液44(PDMS和固化剂的比例为10︰1)，旋涂在聚酰亚胺模具43表面，加热固化然后剥离得到多级结构柔性基底45；

4.表面沉积金属:在多级结构柔性基底45表面蒸镀30nm厚导电金属Au 46得到多级结构柔性电极参见图3。

离子凝胶制备：取1g聚乙烯醇(PVA)和9g去离子水，将PVA溶解在去离子水中加入磁粒子在85℃温度下搅拌3h直到完全溶解，随后将PVA溶液冷却至室温，加入1.5g磷酸(H₃PO₄)搅拌2h，最后将得到的PVA/H₃PO₄混合溶液旋涂在剥离上，室温冷却24h，剥离离子凝胶薄膜，裁剪为3mm×3mm得到离子凝胶薄膜介电层12。

柔性电容式传感器制备：取制备好的多级结构柔性电极作为第一电极11，第二电极13选择在光滑PMDS表面直接蒸镀30nm厚Au然后粘贴在30μm厚的聚酰亚胺薄膜柔性基底14上，离子凝胶薄膜介电层12设置在第一电极11和第二电极13之间，分别在两个电极引出铜导线15，最后利用30μm厚的聚酰亚胺薄膜作为封装层10封装整个器件，组成柔性电容式压力传感器。

实施例二：

与实施例一不同的是，本实施例中多级结构电极模具使用湿法刻蚀硅片制备，其中多级结构截面形状为半椭圆形(一级)和不规则形(二级),柔性基底表面溅射导电金属Cu。

多级结构柔性电极具体制备步骤如下：

1.湿法刻蚀多级结构模具：将经过表面粗糙处理后的4寸各向同性硅片浸泡在双氧水与浓硫酸混合溶液(双氧水︰浓硫酸＝1︰3)中，并在200℃的加热台上加热15min，去除表面氧化物后，用去离子水清洗，在120℃真空箱中烘干。随后，在晶圆表面溅射30nm Cr和300nm Au，涂覆适量的光刻胶，用热板烘烤后准备光刻。制作直径为5μm的圆形阵列作为掩膜版，硅片经过曝光显影后，冲洗吹干并放置在王水中将圆形阵列图案转移到Au层。随后，将硅片置于丙酮溶液中去除表面光刻胶，将该样品置于氢氟酸中浸泡刻蚀图案，去除Au层后，即可在硅片表面刻蚀得到多级结构阵列。

2.聚合物旋涂、固化：配制PDMS溶液(PDMS和固化剂的比例为10:1)，旋涂在多级结构硅片模具表面，加热固化然后剥离得到多级结构柔性基底；

3.表面沉积金属:在多级结构柔性基底表面溅射30nm厚导电金属Cu得到多级结构柔性电极。

离子凝胶制备：取1g聚乙烯醇(PVA)和9g去离子水，将PVA溶解在去离子水中加入磁粒子在85℃温度下搅拌3h直到完全溶解，随后将PVA溶液冷却至室温，加入1.5g磷酸(H₃PO₄)搅拌2h，最后将得到的PVA/H₃PO₄混合溶液旋涂在剥离上，室温冷却24h，剥离离子凝胶薄膜，裁剪为3mm×3mm得到离子凝胶薄膜介电层。

柔性电容式传感器制备：取制备好的多级结构柔性电极裁剪为3mm×3mm作为第一电极，第二电极选择厚度为30μm的商用铜箔粘贴在30μm厚的聚酰亚胺薄膜柔性基底上并裁剪为3mm×3mm，离子凝胶薄膜放置在第一电极和第二电极之间，分别在两个电极引出铜导线，最后利用30μm厚的聚酰亚胺薄膜作为封装层封装整个器件，组成柔性电容式压力传感器。

需要说明的是，所述柔性基底表面多级结构制备方法除了以上实施例中激光烧蚀和微纳加工多级结构模具，然后通过聚合物溶液旋涂在该模具上加热固化、倒模制备外，还可以直接通过刻蚀/压印/3D打印/激光加工等方法直接加工固化后的柔性聚合物制备。

上述实施例仅用来进一步说明本发明的多级结构柔性电极及柔性电容式传感器制造方法，但本发明并不局限于此实施例，凡是依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰，均落入本发明技术方案的保护范围内。

Claims

1.一种柔性电容式压力传感器，其特征在于从上至下依次设有封装层、第一电极层、离子型介电层、第二电极层和柔性基底；所述第一电极层和第二电极层中至少一个的电极表面为多级结构。

2.如权利要求1所述一种柔性电容式压力传感器，其特征在于所述多级结构至少叠设两级尺度不同的结构。

3.如权利要求1所述一种柔性电容式压力传感器，其特征在于所述多级结构中每级结构的截面形状包括但不限于矩形、圆形、三角形、梯形、半圆形、椭圆形等规则图形，也包括自由曲线封闭形成的不规则图形。

4.如权利要求1所述一种柔性电容式压力传感器，其特征在于所述离子型介电层采用离子凝胶或离子复合材料，可以为一层或多层叠加。

5.如权利要求1所述一种柔性电容式压力传感器的制造方法，其特征在于包括以下步骤：

1)制备多级结构柔性基底；

2)在多级结构柔性基底表面沉积金属得到多级结构电极；

3)制备离子型介电层，取多级结构电极作为第一电极层，普通电极或多级结构电极作为第二电极层，将离子型介电层放置在第一电极层和第二电极层之间，分别从两个电极层引出导线；

4)封装整个器件，得到柔性电容式压力传感器。

6.如权利要求5所述一种柔性电容式压力传感器的制造方法，其特征在于在步骤1)中，所述多级结构柔性基底采用固化的柔性聚合物,厚度大于1μm；

优选地，所述柔性聚合物包括但不限于硅橡胶，聚酰亚胺，聚二甲基硅氧烷，聚酯，聚偏氟乙烯，聚甲基丙烯酸甲酯，聚乙烯醇、聚醚砜和热塑性聚氨酯弹性体橡胶聚合物中的一种。

7.如权利要求5所述一种柔性电容式压力传感器的制造方法，其特征在于在步骤1)中，所述多级结构柔性基底一方面可先利用激光烧蚀/微纳加工多级结构模具，然后通过聚合物溶液旋涂在该模具上加热固化、倒模制备，另一方面也可以直接通过激光/丝网印刷/3D打印等方法加工柔性聚合物制备。

8.如权利要求5所述一种柔性电容式压力传感器的制造方法，其特征在于在步骤2)中，所述沉积金属的方式包括但不限于真空蒸镀、溅射镀或离子镀；所述金属包括但不限于金、银、钛、铜、铟、锡、铋中的一种或两种以上的合金；所述沉积金属的厚度可为1～1000nm。

9.如权利要求5所述一种柔性电容式压力传感器的制造方法，其特征在于在步骤3)中，所述离子型介电层为离子凝胶或离子复合材料，采用一层或多层叠加，表面结构不限定，可以没有结构，也可以有结构。

10.如权利要求5所述一种柔性电容式压力传感器的制造方法，其特征在于在步骤3)中，所述第一电极层和第二电极层中至少一层为多级结构柔性电极，另一层可以采用多级结构柔性电极或无多级结构的普通电极；普通电极可以通过铜箔、铝箔等直接裁剪制备，或在光滑表面的柔性基底上沉积金属制备。