一种集成纳米裂纹传感单元的超灵敏柔性电子触须的制造方法

技术领域

本发明属于触觉传感领域，涉及一种集成纳米裂纹传感单元的超灵敏柔性电子触须传感器的制造方法。

背景技术

动物可以通过自身敏感高效的感觉器官，如眼睛、皮肤、鼻子、舌头、耳朵和触须，来感知周围环境的微小变化。这些感觉器官也为人们设计具有类似功能的传感器提供了灵感。目前，通过模仿这些感觉器官的原理和结构，人们已经制造出了许多仿生传感器，如电子眼、电子皮肤、电子鼻、电子舌、电子耳、电子触须。其中，电子触须能够感知物体的结构特征和流体的运动轨迹，近年来引起了人们的极大兴趣。

本质上，电子触须是由悬臂梁和应变传感单元组成。在电子触须工作过程中，施加到悬臂梁上的机械刺激最终会导致应变传感单元的变形，因此应变传感单元的灵敏度对电子触须传感器有很大的影响。为感知微弱外界刺激，如微小的表面轮廓变化或微弱的流体运动，电子触须传感器需要具有超高的灵敏度。到目前为止，各种类型的应变传感单元已经被集成到电子触须中，如电容式、光电式、压电式和摩擦电。然而，这些传感单元的灵敏度相对较低，难以真正实现对微弱外界刺激的感应。

2014年，受蜘蛛裂纹状感觉器官的启发，韩国科学家首次提出了一种基于裂纹的应变传感器。他们通过弯曲在聚氨酯-丙烯酸酯基底上沉积的铂薄膜，形成垂直于弯曲力的横向裂纹。由于纳米裂纹的张开和闭合，铂薄膜在微小变形下的电阻值发生了很大的变化，传感器的灵敏度达到了令人难以置信的水平，传感器的应变灵敏度为2000，甚至比传统金属应变计的灵敏度(～2)高出三个数量级。然而，到目前为止，这种平面型传感器难以实现平面外应变现象如表面形貌和气流的检测。

为此，制造一种集成纳米裂纹传感单元的超灵敏柔性电子触须传感器显得尤为必要。

发明内容

根据上述提出的技术问题，本发明提出了一种集成纳米裂纹传感单元的超灵敏柔性电子触须的制造方法。

本发明采用的技术方案如下：

一种集成纳米裂纹传感单元的超灵敏柔性电子触须的制造方法，主要包括集成U型纳米裂纹应变传感单元的悬臂梁的制作、带有电极的基板的制作以及柔性纤毛和基板的键合。其中，将具有超高灵敏度和柔性的纳米裂纹应变传感单元集成在电子触须传感器悬臂梁的固定端附近，不仅能够保持柔性电子触须传感器的柔性，还可以大大提高其灵敏度。具体包括以下步骤：

第一步，制作集成具有纳米裂纹的U型应变传感单元的悬臂梁。

利用薄膜沉积系统在矩形柔性聚合物基底上表面沉积纳米金属薄膜；利用标准光刻技术和湿法腐蚀技术完成纳米金属薄膜的图案化，得到U型结构的纳米金属薄膜，U型结构包括中部梁结构和两壁结构，并保留纳米金属薄膜上面的光刻胶；其中，所述U型结构纳米金属薄膜位于矩形柔性聚合物基底中部。

利用标准光刻技术进行二次光刻以完成纳米金属薄膜上光刻胶的图案化，得到水平排列在金属薄膜两壁上的光刻胶条纹，其中，U型结构的中部梁和两壁前端不进行光刻胶图案化处理，保留光刻胶。

沿着垂直于光刻胶条纹的方向对金属薄膜和基底进行弯曲，由于光刻胶条纹的保护作用，金属薄膜上无光刻胶的区域出现纳米裂纹；再去除掉纳米金属薄膜表面的所有光刻胶，得到具有纳米裂纹的U型应变传感单元，U型应变传感单元的两壁前端为它的电极，电极处由于没有进行图案化有光刻胶的保护而没有纳米裂纹。

弯曲的结构平铺后，将矩形聚合物基底切割成触须形状，即得到具有长条凸起(作为触须结构)的基底结构，其中，U型应变传感单元的纳米裂纹位于长条凸起处，U型应变传感单元的电极所在位置为固定端，用于后续与带有固定电极的基板键合，最终得到集成U型纳米裂纹应变传感单元的悬臂梁(如图7所示)。

所述的柔性聚合物指PDMS纤维。

第二步，制作带有固定电极的基板。

首先，利用薄膜沉积系统在玻璃上表面依次沉积一层Cr和一层Au，其中，Au作为基板的导电层，而Cr作为黏附层以提高Au和玻璃之间的粘附；然后，利用标准光刻技术和湿法腐蚀技术对Au和Cr进行图案化操作，得到金电极；最后，去除掉Au薄膜表面的所有剩余光刻胶，得到带有固定电极的基板，其中玻璃作为基板，Au层作为固定电极。

第三步，键合纳米裂纹应变传感单元与带有固定电极的基板。

首先，在步骤2)带有固定电极的基板表面涂覆导电胶；然后，将PDMS纤维上纳米裂纹应变传感单元的电极和固定电极按压在一起实现键合，最终得到一种集成纳米裂纹传感单元的超灵敏柔性电子触须。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

上述方法制造出的电子触须应用了柔性纳米裂纹应变传感单元，不仅可以保持电子触须的柔性，还可以大大提高电子触须的灵敏度。

附图说明

图1为本发明的集成纳米裂纹传感单元的超灵敏柔性电子触须的示意图。

图2为在柔性基底表面沉积金属薄膜的示意图。

图3为对柔性基底表面的金属薄膜进行图形化的示意图。

图4为对金属薄膜表面的光刻胶进行二次图形化的示意图。

图5为对柔性基底表面的金属薄膜进行弯曲的示意图。

图6为对金属薄膜进行去胶的示意图。

图7为在具有纳米裂纹的U型应变传感单元的悬臂梁的示意图(俯视图)。

图8为在玻璃片表面沉积金属薄膜的示意图。

图9为对玻璃片表面的金属薄膜进行图形化的示意图。

图10为对金属薄膜进行去胶的示意图。

图11为键合纳米裂纹应变传感单元与带有固定电极的基板的示意图。

图中，1PDMS基片，2铬薄膜，3金薄膜，4正性光刻胶，5不锈钢管，6玻璃片，7铬薄膜，8金薄膜，9正性光刻胶

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。下面将参考附图并结合实施例来详细说明本发明。

一种集成纳米裂纹传感单元的超灵敏柔性电子触须传感器的制造方法，包括以下步骤：

1)将PDMS预聚物与固化剂按照质量比10：1进行充分混合(根据具体需要可更改二者配比)。搅拌均匀后，利用真空烘箱进行脱气操作，后加热固化后得到了厚度为0.5mm的PDMS薄膜，将得到的PDMS薄膜裁成外形尺寸为20mm×30mm的小块，完成PDMS基片1的制作。在PDMS基片1上依次溅射一层厚度为5nm的铬薄膜2和50nm的金薄膜3，得到表面有一层铬薄膜2和一层金薄膜3的PDMS基片1，如图2所示。

2)利用匀胶机在步骤1)得到的金薄膜3表面旋涂一层型号为BP212的正性光刻胶4，为了避免在加热条件下开裂，前烘在室温下进行，前烘时间为24小时。利用标准光刻技术对光刻胶4进行紫外曝光，曝光强度为6.4mW/cm

3)利用标准光刻技术对步骤2)得到的已图形化的光刻胶4再次进行紫外曝光，曝光强度为6.4mW/cm

4)将步骤3)得到的完成再次光刻胶图案化的样片在半径为2mm的不锈钢管5沿着垂直于光刻胶条纹的方向弯曲，得到局部产生了纳米裂纹的金薄膜3，如图5所示。

5)将步骤4)得到的局部产生了纳米裂纹的金薄膜3平铺后，进行第三次紫外曝光，曝光强度为6.4mW/cm

6)利用刀模将步骤5)完成后的样品切割为触须形状，切割时保证纳米裂纹应变传感单元尽量靠近PDMS纤维1的固定端，如图7所示。具体的：将矩形聚合物基底进行切割，得到具有长条凸起(触须形状)的基底结构，其中，U型应变传感单元的纳米裂纹位于长条凸起处，U型应变传感单元的电极所在位置为固定端；所述的触须形状的长L

7)在外形尺寸为20mm×20mm的玻璃片6上依次溅射一层厚度为5nm的铬薄膜7和50nm的金薄膜8，如图8所示。

8)利用匀胶机在步骤7)得到玻璃片的金薄膜表面旋涂一层型号为BP212的正性光刻胶9，在85℃的热板上前烘30min；利用标准光刻技术对光刻胶9进行紫外曝光，曝光强度6.4mW/cm

9)将步骤8)得到的玻璃片7浸入丙酮溶液中去除金薄膜8表面剩余的光刻胶9，时间为20s，得到带有固定电极的基板，如图10所示。

10)在步骤9)得到的带有固定电极的基板上涂覆导电银胶，并将步骤6)得到的纳米裂纹应变传感单元的电极按压在涂覆导电银胶的固定电极上，20℃静置12小时，从而完成二者的键合，得到集成纳米裂纹传感单元的超灵敏柔性电子触须，如图11所示。

以上所述实施例仅表达本发明的实施方式，但并不能因此而理解为对本发明专利的范围的限制，应当指出，对于本领域的技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些均属于本发明的保护范围。