一种柔性振动传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及振动传感器领域，特别是涉及一种柔性振动传感器及其制作方法。

背景技术

近年来,随着各种传感器在可穿戴设备上的广泛应用，以及微电子技术、柔性电子学、纳米材料科学及其微纳加工技术的快速发展推动下,现代传感器技术已进入以柔性化、多功能化、可穿戴和网络化为典型特征的新型传感器阶段，对于传感材料及器件的小型化、柔性化及稳定性提出了更高的要求。柔性传感器一般具有柔性基底，克服了传统刚性传感器变形易损以及不可延展弯曲等缺点，可实现在柔性组织例如人体皮肤上集成，从而形成可穿戴式柔性电子器件。

以上背景技术内容的公开仅用于辅助理解本发明的发明构思及技术方案，其并不必然属于本专利申请的现有技术，在没有明确的证据表明上述内容在本专利申请的申请日已经公开的情况下，上述背景技术不应当用于评价本申请的新颖性和创造性。

发明内容

本发明的主要目的在于弥补现有技术的不足，提供一种柔性振动传感器及其制作方法，使其既具有高灵敏度的优点，又具有柔软的传感结构，易安装在需要检测振动的表面，且在成本和结构稳定性上具有优势。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种柔性振动传感器，包括振动敏感层、电极和空腔结构层，所述振动敏感层为带有振动敏感区的聚合物薄膜，所述振动敏感区包含多孔石墨烯薄膜，所述多孔石墨烯薄膜的两端分别连接所述电极，所述空腔结构层为柔性的聚合物材料，所述振动敏感层与所述空腔结构层固定在一起并使得所述振动敏感区悬空于所述空腔结构层的空腔之上。

进一步地：

所述空腔结构层包括基底和连接于所述基底的两侧的侧壁部，所述基底和所述侧壁部形成凹槽结构，所述振动敏感层覆盖在所述凹槽结构的顶端，所述振动敏感区沿所述凹槽结构的长度方向设置于所述顶端的中央。

所述基底与所述侧壁部连接在一起或为一体成型结构。

所述空腔结构层的材料为SU-8或聚甲基丙烯酸甲酯，优选地，厚度为10μm-500μm。

所述振动敏感层与所述空腔结构层粘连或键合在一起。

所述多孔石墨烯薄膜被所述聚合物薄膜包围。

所述多孔石墨烯薄膜形成直线形、蛇形和涡状线形中的至少一种图形，更优选地，所述图形的线宽为20-4000μm，更优选地，蛇形图形的转角处宽度为线宽的2-4倍；优选地，所述多孔石墨烯薄膜的孔隙率为25％-65％；优选地，所述多孔石墨烯薄膜的厚度为40-200μm。

所述聚合物薄膜为聚酰亚胺或聚醚酰亚胺薄膜，所述多孔石墨烯薄膜为激光诱导石墨烯薄膜。

一种制作所述的柔性振动传感器的方法，包括以下步骤：

S1、准备聚酰亚胺薄膜或聚醚酰亚胺薄膜；

S2、通过激光烧蚀所述聚酰亚胺薄膜或聚醚酰亚胺薄膜，诱导生成激光诱导石墨烯薄膜，形成振动敏感区；

S3、在所述聚酰亚胺薄膜或聚醚酰亚胺薄膜上制作与所述振动敏感区相连的电极；

S4、制作空腔结构层，优选地，所述空腔结构层为包括基底与侧壁部的凹槽结构，所述基底与所述侧壁部通过SU-8光刻工艺形成，或者通过聚甲基丙烯酸甲酯热压的方式形成一体结构；

S5、将制作好电极的带有所述激光诱导石墨烯薄膜的聚酰亚胺薄膜或聚醚酰亚胺薄膜与所述空腔结构层通过热压或者涂胶的方式键合或粘连，形成柔性振动传感器。

进一步地，步骤S2中，所述激光为蓝色激光，优选地，波长为445nm±5nm，功率为0.8W到3.8W；优选地，激光烧蚀所述聚合物薄膜的相对运动速率为0.2mm/s-200mm/s。

本发明的具有如下有益效果：

本发明的柔性振动传感器中设置有振动敏感层和空腔结构层，所述振动敏感层为带有振动敏感区的聚合物薄膜，所述振动敏感区包含多孔石墨烯薄膜，所述空腔结构层为柔性的聚合物材料，所述振动敏感区悬空于所述空腔结构层的空腔之上，这种柔性振动传感器既具有石墨烯带来的高灵敏度的优点，又具有柔软的传感结构，易安装在需要检测振动的表面，尤其是可方便稳定地贴覆于各种曲面上进行振动测量，具有高灵敏度、结构稳定性好、易加工、成本低等优点。

附图说明

图1为本发明实施例的柔性振动传感器结构示意图；

图2为本发明实施例的柔性振动传感器剖面示意图；

图3为使用本发明实施例所制作的传感器实测得到的振动信号示例图。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式做详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。另外，连接既可以是用于固定作用也可以是用于耦合或连通作用。

需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明实施例和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多该特征。在本发明实施例的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。

参阅图1和图2，本发明实施例提供一种柔性振动传感器，包括振动敏感层2、电极5和空腔结构层(例如可包括基底4和侧壁部3)，所述振动敏感层2为带有振动敏感区的聚合物薄膜，所述振动敏感区包含多孔石墨烯薄膜1，多孔石墨烯薄膜1可以根据实际需要形成为各种图形，所述多孔石墨烯薄膜1的两端分别连接所述电极5，所述空腔结构层为柔性的聚合物材料，所述振动敏感层2与所述空腔结构层固定在一起并使得所述振动敏感区悬空于所述空腔结构层的空腔之上。

工作过程中，当柔性振动传感器受到振动作用时，悬空的聚合物薄膜发生变形，其振动敏感区的多孔石墨烯薄膜将薄膜变形转换为电阻变化。通过测量多孔石墨烯薄膜的电阻变化，就可以测量出振动传感器接收到的振动信号。本发明实施例的柔性振动传感器既具有石墨烯带来的高灵敏度的优点，又具有柔软的传感结构，易安装在需要检测振动的表面，尤其是可方便稳定地贴覆于各种曲面上进行振动测量，具有高灵敏度、结构稳定性好、易加工、成本低等优点。

在优选的实施例中，所述聚合物薄膜为聚酰亚胺或聚醚酰亚胺薄膜，所述多孔石墨烯薄膜1为在所述聚酰亚胺或聚醚酰亚胺薄膜上通过激光诱导方式形成的激光诱导石墨烯薄膜。多孔石墨烯薄膜1具有疏松、多孔的特点。在优选的实施例中，所述空腔结构层的材料为SU-8或聚甲基丙烯酸甲酯。

在优选的实施例中，所述空腔结构层包括基底4和连接于所述基底4的两侧的侧壁部3，所述基底4和所述侧壁部3形成凹槽结构，所述振动敏感层2覆盖在所述凹槽结构的顶端，所述振动敏感区沿所述凹槽结构的长度方向设置于所述顶端的中央。

参阅图1与图2，在一种实施例中，一种柔性振动传感器，包括由电极5和带有振动敏感区的振动敏感层2组成的传感器上层，以及由柔性的聚合物材料例如SU-8形成的侧壁部3和基底4的空腔结构层，所述振动敏感层2的材质可为聚酰亚胺或聚醚酰亚胺，所述振动敏感区镶嵌有多孔石墨烯薄膜1。优选地，所述多孔石墨烯薄膜1利用激光烧蚀聚酰亚胺或聚醚酰亚胺生成。

电极可以包括多孔石墨烯1、导电银浆5形成的电极等。空腔区3和基底区4可为紧密连接的双层结构。

在优选实施例中，所述多孔石墨烯薄膜1的孔隙率为25％-65％。

在优选实施例中，所述多孔石墨烯薄膜1的厚度为40-200μm。

在优选实施例中，所述多孔石墨烯薄膜1形成为蛇形、涡状线形和直线形中的至少一种图形。在更优选实施例中，所述多孔石墨烯薄膜1图形的线宽为20-4000μm。

在一种具体的优选实施例中，多孔石墨烯薄膜1采用蛇形图形且蛇形图形的转角处的宽度为线宽的2倍到4倍。

在另一些实施例中，一种制作所述的柔性振动传感器的方法，包括以下步骤：

S1、准备聚酰亚胺薄膜或聚醚酰亚胺薄膜；

S2、通过激光烧蚀所述聚酰亚胺薄膜或聚醚酰亚胺薄膜，诱导生成激光诱导石墨烯薄膜，形成振动敏感区；优选地，激光的波长为445nm±5nm，功率为0.8W到3.8W可调；更优选地，激光为波长445nm的蓝色激光；在更优选实施例中，激光烧蚀聚合物薄膜的相对运动速率为0.2mm/s到200mm/s；

S3、在所述聚酰亚胺薄膜或聚醚酰亚胺薄膜上制作与所述振动敏感区相连的电极；

S4、制作空腔结构层，优选地，所述空腔结构层为包括基底与侧壁部的凹槽结构，所述基底与所述侧壁部通过SU-8光刻工艺形成为紧密双层结构，或者通过聚甲基丙烯酸甲酯热压的方式形成一体结构；

S5、将制作好电极的带有所述激光诱导石墨烯薄膜的聚酰亚胺薄膜或聚醚酰亚胺薄膜与所述空腔结构层通过热压或者涂胶的方式键合或粘连，形成柔性振动传感器。

以下结合附图进一步描述具体实施例。

如图1和图2所示，该传感器的实施例包括带振动敏感区的振动敏感层2、由侧壁部3和基底4组成的空腔结构层以及电极5，振动敏感层2的主材料为聚合物薄膜(如聚酰亚胺或聚醚酰亚胺)，多孔石墨烯薄膜1设于其振动敏感区。振动敏感区的剖面图如图2所示。可以根据需要选择不同的振动敏感区的多孔石墨烯薄膜图形，如直线、蛇形或涡状线形，以便测量不同特征的信号。优选地，多孔石墨烯薄膜的孔隙率为25％-65％，厚度为40-200μm，更优选的厚度为40μm。多孔石墨烯薄膜图形的线宽在20μm至4mm，可根据激光器精度进行选择。蛇形图形的转角处宽度为线宽的2倍到4倍。电极5可以根据外接电路的不同接口形式选择多种电极连接方式，如导电金属、薄膜连接器等。

制作该实施例柔性振动传感器的过程包括：

在硅片表面覆盖聚酰亚胺薄膜；

通过蓝光激光烧蚀所述聚酰亚胺薄膜，诱导生成激光诱导石墨烯薄膜；

空腔体和柔性基底可以通过SU-8光刻工艺形成双层结构或者通过聚甲基丙烯酸甲酯金属模具热压的方式形成一体结构；

将带有所述激光诱导石墨烯薄膜的聚酰亚胺薄膜从硅片上剥离下来，在暴露出的所述激光诱导石墨烯薄膜的表面制作电极；

将制作好电极的带有所述激光诱导石墨烯薄膜的聚酰亚胺薄膜与空腔体结构通过热压或者涂胶的方式键合，形成柔性振动传感器。

本实施例中，多孔石墨烯薄膜1是直接用激光烧蚀振动敏感层2的聚酰亚胺薄膜得到，其与未通过激光烧蚀的聚酰亚胺薄膜形成整体结构。可涂覆导电银浆于多孔石墨烯薄膜1的一部分，再烘烤固化得到电极5。

本实施例的振动传感器的振动频率范围为0-1000Hz。如图3所示为使用该柔性振动传感器测得的800Hz振动信号示例。

本发明的背景部分可以包含关于本发明的问题或环境的背景信息，而不一定是描述现有技术。因此，在背景技术部分中包含的内容并不是申请人对现有技术的承认。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。在本说明书的描述中，参考术语“一种实施例”、“一些实施例”、“优选实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本发明的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。在不相互矛盾的情况下，本领域的技术人员可以将本说明书中描述的不同实施例或示例以及不同实施例或示例的特征进行结合和组合。尽管已经详细描述了本发明的实施例及其优点，但应当理解，在不脱离专利申请的保护范围的情况下，可以在本文中进行各种改变、替换和变更。