具有压敏结构的柔性压力传感器

技术领域

本发明属于压力传感器技术领域，具体而言，涉及一种具有压敏结构的柔性压力传感器。

背景技术

近年来，压阻式压力传感器是指利用半导体材料的压阻效应制成，所谓“压阻效应”是指传感材料比如半导体、金属或复合材料在外部应力(弯曲、压缩、拉伸等)的影响下，能带结构或者导电网络发生了变化，使传感材料的电阻率发生变化的现象，因此可以通过阻值的变化来测得压力的传感器。

传统的刚性传感器是基于硅基材料和结构，具有尺寸小、灵敏度高等特点，然而该类传感器为硬质非柔性的，导致形变小，存在量程小、受温度影响大等问题，对于此类传感器，需要进一步提高其灵敏度和线性度。

随着智能化信息时代的发展，人们对智能终端的需求也越来越多，相对于传统的刚性传感器，柔性压力传感器由于刚度小，变形大等特点可以适用于多种复杂的工作环境中，各行各业对柔性智能压力传感器的性能要求与日俱增。将柔性压力传感器集成在可穿戴电子设备或做为电子皮肤直接贴在人体表面可以进行人体运动姿态的有效测量，结合远程信息传输和及时通讯的功能，未来可能实现远程的医疗诊断、健康监测及预防跌倒报警等功能。因此研发一种柔性好，灵敏性高，响应性好的柔性压阻式压力传感器具有重要的意义。

发明内容

本发明旨在提供一种具有压敏结构的柔性压力传感器，解决了现有MEMS压力传感器均匀性、一致性差且精度低的问题。

为了实现上述目的，根据本发明的一个方面，提供了一种具有压敏结构的柔性压力传感器，由上电极、下电极以及位于两者之间的柔性压敏结构构成；所述柔性压敏结构包括至少一层压敏稀疏层。

根据本发明，所述压敏稀疏层的形状满足接触面积形变与施加压力变化曲线呈非线性的关系。优选地，所述压敏稀疏层的形状为多个并列设置的矩形、圆柱形、三角形、梯形、菱形、六边形或五边形。

根据本发明，所述柔性压敏结构还包括至少一层压敏致密层，所述压敏致密层为叠加接触面积形变与施加压力变化曲线呈线性的压敏材料。

根据本发明，所述压敏致密层与所述上电极接触，所述压敏稀疏层与下电极接触。

根据本发明，所述压敏稀疏层为多个并排设置的三角形结构，且三角形底边与所述压敏致密层紧密接触，压敏致密层与上电极接触，压敏稀疏层与下电极接触。

根据本发明，所述压敏稀疏层为多个并排设置的三角形结构，且三角形底边与所述下电极紧密接触，三角形顶点与所述压敏致密层一端接触，所述压敏致密层另一端与上电极接触。

根据本发明，所述柔性压敏结构由位于中间的至少一层压敏致密层和分别位于上、下两侧的至少一层压敏稀疏层构成。优选地，所述压敏稀疏层为多个并排设置的三角形结构，且位于上侧的压敏稀疏层的三角形顶点与上电极接触，位于下侧的压敏稀疏层的三角形底边与下电极紧密接触。

根据本发明，所述柔性压敏结构包括分别与所述上电极和下电极接触的至少一层压敏致密层，且两层压敏致密层中间设置有至少两层压敏稀疏层。优选地，所述压敏稀疏层由多个并列三角形结构形成，且三角形顶点相对设置且接触。优选地，所述压敏稀疏层由多个并列等腰梯形结构形成，且等腰梯形的上底边相对设置且接触。

根据本发明，所述柔性压敏结构包括上、下两层并列的梯形结构，上下两层所述梯形的上底边相对接触设置形成压敏稀疏层。

根据本发明，在所述柔性压敏结构的表面和柔性压敏结构之间形成有金属导电层。

本发明的有益效果：

1)本发明通过掩蔽层腐蚀的方法形成沟槽结构，利用光刻工艺形成高精度的结构模具；采用表面硅烷化或者疏水材料处理使表面疏水化，从而增加结构的一致性；再在传感器表面镀导电层，增加传感器稳定性、降低接触电阻；通过多种结构的层叠，实现不同量程和不同灵敏度的传感器。

2)本发明在柔性传感器的基础上，通过改变压敏结构的构成方式，更改压敏结构中压敏材料的主要组成成分以及在压敏结构外表面溅射金属层的方式，得到了一种压力敏感的传感器结构。该传感器系统的性能较传统压阻式压力传感器有了大幅度提升，灵敏度提高了2倍以上，并且具有良好的柔性和较大的形变，可以在复杂的环境中使用而不影响其检测性能，是提升压力传感器灵敏度和柔性的最优选择之一。

附图说明

图1为现有技术中的压敏传感器的简单结构示意图。

图2示出了本发明的柔性压力传感器的不同压敏结构图。

图3示出了本发明的柔性压力传感器的压敏致密结构检测原理图。

图4示出了本发明的柔性压力传感器的压敏结构表面溅射金属层的结构图。

图5示出了本发明的柔性压力传感器的制备工艺流程图。

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，下面结合本附图及实施例，对本发明做进一步的详细说明。需要强调，此处描述的具体实施例仅用于更好的阐述本发明，为本发明部分实施例，而非全部实施例，所以并不用作限定本发明。此外，下面描述的本发明实施例中涉及的技术特征，只要彼此间未构成冲突，即可以相互组合。

为了进一步提升相同压敏材料下由施加单位压力而引起的形变，提升整个压阻式压力传感器系统的灵敏度，尤其是对于微弱力的检测灵敏度，本发明提出了一种具有压敏结构的柔性压力传感器，其主要是针对目前压阻式传感器存在的刚性大、灵敏度差、不能使用较为复杂的应用环境等问题。

综合参考图1至图4所示，压敏结构柔性压力传感器由上电极10、下电极20及位于两者之间的柔性压敏结构构成，其中柔性压敏结构包括至少一层压敏稀疏层30。通过设置压敏稀疏层30使其具有良好的柔性和较大的形变，使得压力传感器的灵敏度提高了2倍以上，从而提高了整个压力传感器的系统性能，可以在复杂的环境中使用而不影响其检测性能，是提升压力传感器灵敏度和柔性的最优选择。

根据本发明，所述压敏稀疏层30的形状满足接触面积形变与施加压力变化曲线呈非线性关系，压敏稀疏层30的形状为多个并列设置的矩形、圆柱形、三角形、梯形、菱形、六边形或五边形。

根据本发明，所述柔性压敏结构还包括至少一层压敏致密层40，所述压敏致密层与上电极接触，压敏稀疏层与下电极接触。压敏致密层40是叠加接触面积形变与施加压力变化曲线呈线性的压敏材料结构。如柔性压敏结构可以是只有一层压敏稀疏层30、或者一层压敏致密层40和一层压敏稀疏层30、或者两层压敏致密层40加两层压敏稀疏层30等结构。压敏稀疏层30和压敏致密层40可以是任意结构、层数和方向上的叠加。

在本发明的一种实施例中，如图2(b)所示，压敏稀疏层30是由多个并列设置的三角形结构形成，且三角形的底边与压敏致密层40紧密接触。

如图2(c)所示，所述压敏稀疏层30由多个并列的三角形结构形成，且三角形的底边与下电极紧密接触，三角形顶点与压敏致密层40接触，压敏致密层40与上电极10紧密接触。

如图2(d)所示，所述柔性压敏结构由位于中间的至少一层压敏致密层40和分别位于所述压敏致密层40上、下两侧的至少一层压敏稀疏层30构成。其中，压敏稀疏层30为多个并列的三角形结构，位于上侧的压敏稀疏层30的三角形顶点与上电极10接触，位于下侧的压敏稀疏层30的三角形底边与下电极20紧密接触。

如图2(e)所示，所述压敏稀疏层30由上、下两层多个并列等腰梯形结构形成，等腰梯形的上底边相对紧密接触设置。

优选地，所述柔性压敏结构包括分别与上电极10和下电极20接触的至少一层压敏致密层40，两层压敏致密层40中间设置有至少两层压敏稀疏层30。如图2(f)所示，压敏稀疏层30由多个并列三角形结构形成，且三角形顶点相对设置且接触。

如图3所示，在上、下电极施加相同单位压力情况下，压敏致密层40与其上下电极或其它层接触面积小的地方可以快速产生较大形变，提高传感器检测的灵敏度，从而实现对外界负载压力，尤其是微弱压力的快速检测，而压敏稀疏层30在施加负载压力前后的形变的高度差可以达2mm以上。

如图4所示，在柔性压敏结构的表面和柔性压敏结构之间还设置有金属导电层50。金属导电层50的引入一方面可以降低接触电阻，另一方面在压力作用下金属导电层50的生物接触面发生变化，从而进一步提高灵敏度。

综上所述，本发明的柔性压力传感器结构采用如下三点提高灵敏度：

1)将中间柔性压敏材料进行结构化，传感器在受到压力以后，发生形变，通过结构中面积的变化进一步提升传感器的灵敏度。

2)为了提高压敏材料在压力作用下的阻值变化率，采用如PDMS(聚二甲基硅氧烷)、硅胶、橡胶等新型柔性胶体聚合物，同时掺杂其他柔性基材，如石墨烯、碳纳米管或金属纳米颗粒等方式，形成压力敏感材料。

3)为了降低柔性压敏材料之间以及与上下电极之间的接触电阻，提高灵敏度，在柔性压敏结构表面或者柔性压敏结构之间形成金属导电层。金属导电层的引入一方面可以降低接触电阻，另一方面在压力作用下金属接触层生物接触面发生变化，从而进一步提高灵敏度。

本发明还提供了一种压敏结构柔性压力传感器的制备方法，如图5所示，工艺流程包括以下步骤：

第一步：准备硅片衬底，硅片的晶向为100、110、111其中的一种。

第二步：在硅片衬底表面沉积绝缘介质层或金属层以形成掩蔽层。掩蔽层用于在对硅片衬底进行图形化时保护样品表面。若为金属层，可以采用磁控溅射、蒸发等物理气相淀积在硅片衬底的表面沉积金属层，金属层可以为Pt、Al、Au、Ti、Cr、Ni等金属。如果掩蔽层为绝缘介质层，可采用热氧化法和低压化学气相沉积法在硅片衬底表面沉积绝缘介质层。所述绝缘介质层为氮化硅、氧化硅、氧化铪、氧化铝或者SU-8光刻胶材料。

第三步：通过光刻的方式，对绝缘介质层或金属层进行图形化，形成压力敏感结构图形。例如可以采用氮化硅薄膜用作掩蔽层，使用光刻进行图形化，并使用RIE、ICP的干法刻蚀，也可以使用湿法腐蚀对氮化硅进行图形化。光刻的图形为压力敏感结构横截面，其主要结构为阵列化排布的圆形、矩形、椭圆形、六边形、五边形、菱形形状中的一种或者多种的组合，图形尺寸小于500微米。

第四步，对硅片衬底进行腐蚀和刻蚀。腐蚀方法主要包括三种，可以是采用KOH或者TMAH溶液对露出表面的Si片衬底进行各向异性腐蚀，也可以使用氢氟酸水溶液对露出表面的硅片衬底腐蚀，将硅片衬底作为一个化学电极，通过电化学方法进行腐蚀，还可以采用ICP或者RIE干法刻蚀。通过控制腐蚀速度、横向/纵向腐蚀比例，可以形成锥形、圆柱形、倒梯形等沟槽形状，如图5中示出了锥形沟槽形状。本发明所采用的KOH或TMAH溶液的质量百分比浓度为0.1～30％，氢氟酸水溶液的质量百分比浓度为0.1～20％。

第五步，通过湿法腐蚀去掉表面的掩膜层。

第六步，为了提高压敏结构的完整性和微结构的一致性，还包括对处理后硅片衬底表面进行疏水化处理的步骤，通过降低表面能，使得在后续工艺中降低与压敏材料之间的粘附力。疏水化处理包括采用表面硅烷化处理、或在表面涂覆疏水化材料，例如Cytop材料或特氟龙材料。

第七步：使用压敏材料填充沟槽结构。然后在50～150℃下或者紫外线照射下固化。

传统的压敏聚合物复合材料通常使用单晶硅作为导电填料，但这些材料通常表现出低灵敏度以及大的滞后性。本发明通过将柔性基底材料与导电颗粒进行一定比例混合，使得导电颗粒在柔性基底材料中充分分散，均匀分布。柔性胶体聚合物采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、硅胶或橡胶、聚酰亚胺中的一种或者多种混合，导电颗粒采用金属微棒、微球，也可以是石墨烯、碳纳米管颗粒或者聚合物导电球等材料。优选采用具有嵌入式导电填料的导电聚合物，其易于获得且成本低。采用压敏材料同时掺杂导电材料形成高灵敏度的混合材料，将其作为柔性压力传感器压敏结构的主要成分，其灵敏度会远远高于传统的单晶硅传感器，对于压阻式的压力传感器，本发明通过改变压敏聚合物的材料特性从而改变了灵敏度等传感特性。图2(e)为压敏结构采用PDMS+新型纳米结构材料的压力传感器图。

第八步：将压敏结构与Si片衬底分离，得到稀疏压敏结构30。优选采用KOH、HCl或TMAH溶液将压敏材料与硅片衬底脱离，所述KOH、HCl或TMAH溶液的质量百分比浓度为0.1～30％。

第九步：使用磁控溅射、蒸发或者旋涂等工艺方法，在稀疏压敏结构的一面或者两面溅射一定厚度(优选不超过50微米)的金属层。金属层所采用的材料应当具有良好的导电性，电阻率介于10-8-1Ωm之间，如Au、Al、Pt、Ni、Ti、Cr或者导电聚合物材料。在前述方案的基础上，进一步通过此方式增加压敏稀疏结构与其他层的接触面积，减少与其他层的接触电阻，充分发挥压敏系数结构与材料上的灵敏性，进一步提高柔性压力传感器的灵敏度等系统性能。

第十步：将一个压敏稀疏层30与传感器电极材料连接；或者将多个压敏稀疏层组合后与传感器电极材料连接；或者将至少一个压敏稀疏层与至少一个压敏致密层组合后再与传感器电极材料连接，形成压敏结构柔性压力传感器。

以上所述仅是本发明的优选应用实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。