一种柔性薄膜及其制作方法、压力传感器

技术领域

本发明涉及传感技术领域，尤指一种柔性薄膜及其制作方法、压力传感器。

背景技术

介电材料为电子设备中的重要组成部分，介电材料一般可以为高介电常数的无机氧化物，但因无机氧化物呈现出较差的拉伸性，所以难以应用至可拉伸的电子器件中。

发明内容

本发明实施例提供了一种柔性薄膜及其制作方法、压力传感器，该柔性薄膜具有可拉伸性能和较高的透明度，可以作为介电材料应用至透明可拉伸的电子器件中；并且，在将该柔性薄膜应用至压力传感器中时，可以减少压力传感器的形变溢出，减少力学串扰，从而提高压力传感器的性能。

第一方面，本发明实施例提供了一种柔性薄膜，包括多个沿厚度方向延伸的贯穿孔，且所述柔性薄膜的制作材料包括PDMS。

第二方面，本发明实施例提供了一种如第一方面中介绍的柔性薄膜的制作方法，包括：

在PDMS单体和交联剂的混合液中添加光引发剂，形成光敏PDMS溶液；

将所述光敏PDMS溶液涂覆在衬底之上，采用曝光工艺对所述衬底之上的所述光敏PDMS溶液进行图案化处理和烘干处理，形成具有贯穿孔的所述柔性薄膜；

将得到的所述柔性薄膜从所述衬底上剥离。

第三方面，本发明实施例提供了一种压力传感器，包括：上电极、下电极、以及位于所述上电极和所述下电极之间的柔性薄膜；

所述柔性薄膜为如第一方面中介绍的柔性薄膜或采用如第二方面中介绍的制作方法制作得到。

本发明有益效果如下：

本发明实施例提供的一种柔性薄膜及其制作方法、压力传感器，柔性薄膜采用PDMS制作且具有多个沿厚度方向延伸的贯穿孔，因采用PDMS制作所以使得制作出的柔性薄膜具有可拉伸性能和较高的透明度，可以作为介电材料应用至透明可拉伸的电子器件中。并且，在压力传感器包括该种柔性薄膜时，因柔性薄膜中贯穿孔的存在，可以大大减少形变溢出，还可以大大减少力学串扰，从而提高了压力传感器的检测精度，提高了压力传感器的性能。

附图说明

图1为本发明实施例中提供的一种柔性薄膜的结构示意图；

图2为沿图1中X1-X2方向的剖视图；

图3为本发明实施例中提供的柔性薄膜的测试结果示意图；

图4为本发明实施例中提供的柔性薄膜的制作流程的示意图；

图5为本发明实施例中提供的柔性薄膜的扫描电镜图；

图6为本发明实施例中提供的一种压力传感器的结构示意图；

图7为本发明实施例中提供的模拟结果示意图；

图8为本发明实施例中提供的另一种压力传感器的结构示意图；

图9为本发明实施例中提供的辅助层的结构示意图；

图10为本发明实施例中提供的上电极贴附在微结构表面的结构示意图；

图11为本发明实施例中提供的压力传感器内的形变情况示意图；

图12为本发明实施例中提供的人体脉搏测试结果的示意图；

图13为本发明实施例中提供的不同压力下的脉搏波形示意图；

图14为本发明实施例中提供的压力成像结果的示意图。

附图标记：

10-柔性薄膜，11-贯穿孔，12-间隔部，110-衬底，120-光敏PDMS溶液，130-掩模版，140-上电极，150-下电极，160-辅助层，161-微结构。

具体实施方式

下面将结合附图，对本发明实施例提供的一种柔性薄膜及其制作方法、压力传感器的具体实施方式进行详细地说明。需要说明的是，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在介绍本发明实施例之前，对涉及到的词语进行解释。

1、PDMS：英文全称为Polydimethylsiloxane，中文全称为聚二甲基硅氧烷。

2、PDMS膜：采用PDMS单体与交联剂进行交联后得到PDMS膜，该PDMS膜与本发明实施例中的柔性薄膜的区别在于是否具有贯穿孔，也即该PDMS膜无贯穿孔，柔性薄膜具有贯穿孔。

本发明实施例提供了一种柔性薄膜10，如图1和图2所示，图2为沿图1中X1-X2方向的剖视图，该柔性薄膜10包括多个沿厚度方向(即图2中的F1方向)延伸的贯穿孔11，且柔性薄膜10的制作材料包括PDMS。

其中，对该柔性薄膜测试了拉伸性能和透明度，测试结果如图3所示，(a)图表示拉伸性能测试结果，曲线1对应PDMS膜，曲线2对应柔性薄膜，(b)图表示透明度测试结果；从(a)图中的结果发现：若与PDMS膜相比，虽然该柔性薄膜的可拉伸性能略低于PDMS膜，但在200％的形变以内时，二者具有一致的应变曲线，表示二者的可拉伸性能一致，说明该柔性薄膜具有较好的可拉伸性能；从(b)图中的结果发现：该柔性薄膜具有较好的透明度，且透明度可以达到91.85％，同时在整个可见光范围内均具有较高的透明度。

如此，制作出的柔性薄膜具有可拉伸性能和较高的透明度，可以作为介电材料应用至透明可拉伸的电子器件中。

在一些实施例中，柔性薄膜10中的贯穿孔11的排列方式和设置数量并不限于图1中所示，此处只是以图1所示为例进行说明而已，具体的排列方式和设置数量可以根据实际需要进行调整，在此并不限定。

基于同一发明构思，本发明实施例提供了一种柔性薄膜的制作方法，如图4所示，包括：

步骤1：在PDMS单体和交联剂的混合液中添加光引发剂，形成光敏PDMS溶液；

步骤2：将光敏PDMS溶液涂覆在衬底之上，采用曝光工艺对衬底之上的光敏PDMS溶液进行图案化处理和烘干处理，形成具有贯穿孔的柔性薄膜；

如图4所示，(a)图中示出的是衬底110，在衬底110之上涂覆光敏PDMS溶液后形成(b)中所示的结构，120表示的是涂覆后的光敏PDMS溶液后形成的膜层，且涂覆的方式可以但不限于包括旋涂、刮涂或喷涂等其他方式，只要能够将光敏PDMS溶液120均匀地涂覆在衬底110表面即可，对于具体的涂覆方式并不限定。

在采用曝光工艺进行图案化处理时，可以包括曝光步骤和显影步骤，在执行曝光步骤时，如图4中的(c)所示，可以借助于掩模版130对光敏PDMS溶液120进行紫外曝光处理，在被掩模版130遮挡的地方(如虚线框1所示的位置)，光敏PDMS溶液120不会受到紫外光照射，在未被掩模版130遮挡的地方(如虚线框2所示的位置)，光敏PDMS溶液120则会受到紫外光照射。

并且，在光敏PDMS溶液120为正性光敏溶液时，光敏PDMS溶液120中受到紫外光照射的区域内PDMS单体与交联剂之间未不会生交联反应，所以在显影步骤后会被洗掉从而形成贯穿孔11；光敏PDMS溶液120中未受到紫外光照射的区域内PDMS单体与交联剂之间会发生交联反应，所以在显影步骤中不会被洗掉，从而形成隔绝各贯穿孔11的间隔部12。

在光敏PDMS溶液120为负性光敏溶液时，光敏PDMS溶液120中受到紫外光照射的区域内PDMS单体与交联剂之间会发生交联反应，所以在显影步骤中不会被洗掉，从而形成隔绝各贯穿孔11的间隔部12；光敏PDMS溶液120中未受到紫外光照射的区域内PDMS单体与交联剂之间不会发生交联反应，所以在显影步骤后会被洗掉从而形成贯穿孔11。

基于此，在一些实施例中，光引发剂包括苯甲酮时，光敏PDMS溶液为正性光敏溶液；光引发剂包括二苯基氧化膦时，光敏PDMS溶液为负性光敏溶液。

其中，以光引发剂包括苯甲酮为例，对光敏PDMS溶液中的发生反应的原理进行说明：

PDMS单体为-OSi(CH

在一些实施例中，在曝光步骤和显影步骤之间，可以执行烘干处理，促使PDMS单体与交联剂之间发生交联反应，在显影步骤结束后，使得未发生交联反应的区域被洗掉，从而形成贯穿孔。并且，在进行烘干处理之前，光敏PDMS溶液为液态，具有一定的流动性，如果未进行烘干就进行显影，可能会出现厚度不均匀或从衬底之上脱落，无法形成厚度均匀的柔性薄膜，在显影步骤之前执行烘干处理，可以避免上述问题的产生。

因此，在执行完步骤2时，可以得到形成在衬底110之上且具有贯穿孔11的柔性薄膜10，如图4中的(d)所示。

步骤3：将得到的柔性薄膜从衬底上剥离。

下面以具体实施例说明柔性薄膜的制作过程：

以光引发剂包括苯甲酮为例。

按照苯甲酮与二甲苯的预设比例(例如但不限于重量比为1:2至1:20)，将苯甲酮溶解于二甲苯中，制得光引发剂；随后，将光引发剂添加到PDMS单体与交联剂的混合液中以形成光敏PDMS溶液(其中，光引发剂与混合液的重量比可以但不限于为1wt％至9wt％)，使用离心机以一定速度(例如但不限于为40000rpm/min)离心一定时间(例如但不限于为10分钟)，以去除光敏PDMS溶液中的气泡；然后，将光敏PDMS溶液旋涂在衬底表面，采用紫外灯进行曝光处理；曝光一定时间(例如但不限于为4min)后，在120℃的烘箱中烘干约150s得到样品；之后，将样品放入甲苯中进行显影处理，再用异丙醇冲洗后吹干，得到具有贯穿孔的柔性薄膜。

其中，光引发剂可以看作是引发剂的稀释液，其中包括稀释剂和引发剂，在上述例子中，苯甲酮可以看作是引发剂，二甲苯可以看作是稀释剂，并且不同的引发剂需要选择合适的稀释剂。

在一些实施例中，柔性薄膜中贯穿孔的制作精度可以根据引发剂的添加量、稀释剂的添加量、烘干时间和曝光时间等其中的至少一个因素进行调整，在此并不限定。例如，图5示出的是苯甲酮与二甲苯的质量比为1:15、苯甲酮与混合液的质量比为3％、曝光时间为4min、以及烘干时间为120s时得到的柔性薄膜的扫描电镜图，掩模版中的孔为方形孔，基于制作精度的问题，得到的贯穿孔看上去接近圆形，但是相邻贯穿孔之间被很好地隔绝开，未发现贯穿孔相连的情况，说明采用上述制作方法可以较容易地制作出柔性薄膜。在实际情况中，贯穿孔的截面形状并不限于方形、圆形，还可以为其他形状，具体可以根据实际需要进行设置，在此并不限定。

并且，在一些实施例中，在采用旋涂的方式在衬底表面涂覆光敏PDMS溶液时，可以基于旋涂速度控制柔性薄膜的厚度，实现柔性薄膜的厚度可控。

综上，通过步骤1至步骤3，即可制作出具有贯穿孔的柔性薄膜，该柔性薄膜具有可拉伸性能和较高的透明度，可以作为介电材料应用透明可拉伸的电子器件中。

基于同一发明构思，本发明实施例还提供了一种压力传感器，如图6所示，包括：上电极140、下电极150、以及位于上电极140和下电极150之间的柔性薄膜10，其中，柔性薄膜10可以为上述内容中介绍的柔性薄膜或采用上述内容中介绍的制作方法制作得到。

柔性薄膜中因具有贯穿孔，而贯穿孔具有限制局部应变的作用，所以在应用至压力传感器中时，可以减少形变溢出和力学串扰。

例如，采用二维几何模型分析外部压力下压力传感器的变化，模拟结果如图7所示，其中(a)图为采用柔性薄膜制作的压力传感器的模拟结果，(b)图为采用PET代替柔性薄膜制作的压力传感器的模拟结果，(c)图为分别采用PDMS膜、PET和柔性薄膜制作的三种压力传感器的模拟统计结果，曲线1表示采用柔性薄膜制作的压力传感器，曲线2表示采用PDMS膜制作的压力传感器，曲线3表示采用PET制作的压力传感器；(c)图中的横坐标表示沿x轴方向的形变，纵坐标表示沿y轴方向的形变；

若将每个贯穿孔看作是一个像素点时，当某个像素点受到外部压力时，上电极在具有较好的弹性时该像素点对应的那部分上电极将会发生变形，且这种形变会逐渐向相邻像素点扩展，从而产生力学串扰；如果在像素点的边界建立一个坐标系，观察沿x轴和y轴的延伸应变时就会发现：

对于采用柔性薄膜制作的压力传感器，沿x轴方向的应变迅速下降到一个很小的值，这时的应变可以称之为应变截止点，虽然由于PDMS的翘曲，在应变截止点之后，相邻像素点的部分区域的位移也会增加，但总体值仍在一个小范围内，表示采用柔性薄膜制作的压力传感器的形变溢出较小，力学串扰较小；

对于采用PET代替柔性薄膜制作的压力传感器，沿x轴方向的形变下降缓慢，这意味着相邻像素点必然受到较大的力学串扰，形变溢出较高；

并且，经过统计，采用柔性薄膜制作的压力传感器，与采用PET制作的压力传感器相比形变溢出可以减少90.3％，与采用PDMS膜制作的压力传感器相比同样具有较低的形变溢出。

因此，在压力传感器包括该种柔性薄膜时，因柔性薄膜中贯穿孔的存在且具有较好的可拉伸性能，可以大大减少形变溢出，还可以大大减少力学串扰，从而提高了压力传感器的检测精度，提高了压力传感器的性能。

在一些实施例中，柔性薄膜的厚度可以但不限于为15μm至500μm，通过控制柔性薄膜的厚度可以调节压力传感器的检测范围。例如，在柔性薄膜的厚度越大时，检测范围向高压偏移，柔性薄膜的厚度越小时，检测范围向低压偏移，在厚度为15μm时，检测到的压力可以低至150Pa，在厚度为200μm时，检测到的压力可以高至100kPa，在厚度为500μm时，检测到的压力可以达到更高。因此，可以通过对柔性薄膜的厚度的控制，使得压力传感器可以适用于不同检测范围的场景。

在一些实施例中，柔性薄膜中的贯穿孔可以呈阵列排布，这样可以提高不同位置检测结果的均一度，从而可以适用于压力成像等场景。并且，相邻贯穿孔之间的距离可以至少为1μm，相邻贯穿孔之间的距离可以根据曝光精度来调节，这样可以增加贯穿孔的空间分辨率，从而可以应用于精准触觉探测领域。例如，在相邻贯穿孔之间的距离为1μm，贯穿孔的截面形状为正方形，边长为5μm时，串扰隔离度约为22.43dB，实现了较小的力学串扰，且空间分辨率可以达到4000ppi，达到了较高的空间分辨率。

在一些实施例中，上电极的制作材料可以但不限于包括石墨烯；和/或，下电极的制作材料可以但不限于包括：金属纳米线，例如但不限于银纳米线。这样可以增加压力传感器的透明度和可拉伸性能，实现透明可拉伸的设计。并且，如图8所示，在下电极采用金属纳米线制作时，可以将下电极制作在衬底110之上，通过衬底110对下电极进行支撑。

在一些实施例中，下电极可以设计为叉指电极，但并不限于此，还可以设计为其他形式的电极，如整面设置的电极等，可以根据实际需要进行设计，以满足不同应用场景的需要。

在一些实施例中，如图8所示，压力传感器还可以包括：位于上电极140背离下电极150一侧的辅助层160，使得辅助层160、上电极140、柔性薄膜10和下电极150依次叠层设置；其中，如图9和图10所示，辅助层160朝向上电极140的一侧表面设置有多个微结构161，上电极140贴附在微结构161表面。

因柔性薄膜的上下表面分别设有上电极和下电极，且在贯穿孔处上电极和下电极之间具有间隙，在对贯穿孔处施加压力时，上电极与下电极之间的距离逐渐减小至接触，接触面积的大小影响着接触电阻的大小，进而影响压力传感器向外输出的信号的大小，即上电极和下电极的接触面积越大，接触电阻越小，压力传感器向外输出的信号越大，所以该压力传感器可以看作是一种压阻传感器。

例如，压力传感器的灵敏度曲线可以包括：低压区、线性区和饱和区，这三个区域可对应压力传感器承受外压时的三种不同情况；如图11所示，以微结构为金字塔状为例：

如(a)图所示，当压力传感器受到轻微压力时，只有金字塔的尖端受到压力而产生应力集中，使得上电极和下电极的接触面积和变形都相对较小，压力传感器输出的电流较小，所以对应低压区；

如(b)图所示，随着压力的增加，在金字塔状的微结构的作用下，上电极和下电极之间的接触面积逐渐增加，导致上电极、金字塔和间隔层(即柔性薄膜中隔绝各贯穿孔的结构)都产生应力集中并具有较大变形，在这一阶段，压力传感器输出的电流将急剧变化，所以对应线性区；

如(c)图所示，随着压力的继续增加，导致上电极和微结构完全变形，使得上电极和下电极完全且紧密接触，压力传感器输出的电流也逐渐趋于饱和，所以对应饱和区。

如此，通过设置辅助层，且辅助层朝向上电极的一侧表面设置微结构，可以使得上电极贴附在微结构表面，在微结构的作用下，即使不施加压力，上电极与下电极之间也可以存在一定的接触，且接触面积受微结构的大小和形状的影响，这样施加较小的压力，就可以改变上电极和下电极之间的接触面积，从而实现对较小的压力的检测，提高压力传感器的检测灵敏度。

在一些实施例中，微结构可以呈金字塔状或锥状等其他形状，在此并不限定；并且，辅助层的制作材料包括PDMS，这样使得辅助层具有可拉伸性能，进而使得辅助层与上电极可以完全贴附，有利于实现上电极和下电极的完全接触。

在一些实施例中，柔性薄膜中的每个贯穿孔对应至少一个微结构，其中每个贯穿孔可以对应一个微结构，使得微结构的体积与贯穿孔的截面面积相匹配；或者每个贯穿孔对应多个微结构，且不同贯穿孔对应的微结构的数量可以相同也可以不同。

这样，使得每个贯穿孔均有对应的微结构，该微结构可以推动上电极与下电极接触，从而有利于进一步提高压力传感器的灵敏度，以及提高压力传感器中不同位置的均一性。

由于该压力传感器具有较高的可拉伸性能、不同位置的检测均一性较好、较好的检测灵敏度等优势，该压力传感器可以用于检测人体脉搏信号和实现压力成像。

例如，如图12所示，将压力传感器贴附于桡动脉处，并通过传统的血压袖带向腕部施加三种不同的压力，比如20kPa、10kPa、5kPa；结果表明：随着压力的增加，压力传感器具有更大的基线电流；在基线电流之上具有稳定的电流波动；如图13所示，基线电流中包含了人体的脉搏波信号，比如(a)图和(b)图所示，将20kPa以及5kPa下的电流信号进一步放大可观察到明显的脉搏波形，其中脉搏波形包括三个明显可区分的峰值，即主波(P

又例如，如图14所示，(a)图为传统的压力传感器(称之为参考传感器)对应的成像效果，(b)图为本发明实施例提供的压力传感器对应的成像效果，且(b)图中柔性薄膜中的贯穿孔的设置方式为6×6，结果表明：在字母“B”分别按压在两种压力传感器上时，参考传感器几乎无法识别图案，而本发明实施例提供的压力传感器可清楚地看到字母“B”，串扰隔离可达33.41dB。

在一些实施例中，柔性薄膜除了可以应用至压力传感器中之外，还可以应用至其他的电子器件中，例如可以用于制作柔性晶体管、柔性可拉伸的逻辑电路和显示器等等。

总之，本发明实施例提供的技术方案，可以实现以下技术效果：

1、柔性薄膜具有透明和可拉伸性能，可以作为介电材料应用至透明可拉伸的电子器件中。

2、采用柔性薄膜制作的压力传感器具有较高的检测灵敏度、不同位置具有较好的检测均一性、具有较小的力学串扰和较少的形变溢出，有效提高了压力传感器的检测灵敏度，在压力成像和人体脉搏检测方面均有较好的应用。

显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。