单向弯曲敏感传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是一种单向弯曲敏感传感器及其制备方法。
背景技术
目前，许多智能化的检测设备已经大量地采用了各种各样的传感器，其应用早已渗透到诸如工业生产、海洋探测、环境保护、医学诊断、生物工程、智能家居等方方面面。随着信息时代的应用需求越来越高，对被测量信息的范围、精度和稳定情况等各性能参数的期望值和理想化要求逐步提高。针对特殊环境与特殊信号下气体、压力、湿度的测量需求，对普通传感器提出了新的挑战和要求。
现阶段，各类新型传感器层出不穷。其中，能对外界环境的刺激做出准确而迅速反应的柔性传感器成为研究的热点。柔性传感器主要渗透到以下四个领域：可穿戴设备，植入传感器设备，电子皮肤及功能化器件。其中，用于弯曲测量的传感器中，单向弯曲测量在多轴伺服控制系统中至关重要，特别是对于与人类相互作用的机器人。由于对正弯曲和负弯曲的敏感性，为弯曲测量开发的大多数柔性传感器仅具有有限的应用。而且，这些传感器通常具有对压力的响应，这意味着需要额外的校准，以及由压力带来的对测量结果的干扰。
发明内容
本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种单向弯曲敏感传感器及其制备方法。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
一种单向弯曲敏感传感器，包括聚合物基底、叉指电极以及聚合物弹性体介电层；所述叉指电极覆盖在所述聚合物基底的表面；所述聚合物弹性体介电层具有向上凸起的微结构阵列，并覆盖在所述叉指电极的表面。
进一步地：
所述聚合物弹性体介电层的微结构包括锥形、截顶锥形和球形中的至少一种。
所述微结构的锥形包括圆锥形或棱锥形，所述微结构的截顶锥形包括截顶圆锥形或截顶棱锥形，所述锥形或所述截顶锥形的锥度在30°-90°之间。
所述微结构凸起的底面尺寸为直径10-60μm或底边边长为10-60μm。
所述微结构凸起的间距为10-120μm。
所述聚合物弹性体介电层的材料为PDMS、TPU、PET、硅橡胶或聚氨酯橡胶。
所述聚合物弹性体介电层的厚度为6-100μm。
所述聚合物基底的材料为PET、PI或PP薄膜，薄膜厚度为5-15μm。
所述叉指电极的电极宽度为10-100μm，叉指间距为10-100μm，电极厚度为50-150nm。
所述叉指电极的材料为金、银、铜、碳纳米管或铬。
一种所述的单向弯曲敏感传感器的制作方法，包括以下步骤：
制备聚合物薄膜作为传感器的聚合物基底；
在所述聚合物基底上形成叉指电极；
使用具有微结构凸起阵列模板的硅模具制作在一面具有微结构凸起阵列的聚合物弹性体介电层；
将带有所述叉指电极的所述聚合物衬基底键合在所述聚合物弹性体介电层的另一面，将键合后的所述聚合物弹性体介电层从硅模具上剥离下来。
本发明具有如下有益效果：
本发明提供的单向弯曲敏感传感器包括聚合物基底、金属叉指电极以及聚合物弹性体介电层；所述金属叉指电极覆盖在所述聚合物基底的表面；所述聚合物弹性体介电层具有向上凸起的微结构并覆盖在所述金属叉指电极的表面。此传感器的工作原理是基于边缘效应，这种效应通过此传感器中设置的叉指电极与具有微结构阵列的聚合物弹性体介电层相配合来实现和增强。边缘效应产生的电场深度是叉指电极的宽度与间隙的总和。当传感器朝向微结构弹性介电层方向弯曲时，由叉指电极产生的边缘效应电场中的微结构所占体积发生变化，导致介电常数的变化，进一步影响电容的变化。相反，当向相反方向弯曲时，微结构在边缘效应电场中变得更稀疏，这对器件的介电常数的影响相对较小。由此，本发明的传感器实现了仅对单方向的弯曲敏感。并且，此传感器对压力不敏感，这是由于边缘效应引起的电场穿透深度是电极宽度和间距的总和，而压力主要施加在微结构的尖端上，因此与初始介电常数相比，在电场中引起的介电常数变化的压力可忽略不计。本发明的弯曲测量的电容式传感器将外界的弯曲信号转化为电信号，且可实现单一方向的弯曲测量，不会因为压力等其他信号的作用产生额外的输出。通过简单的不对称微观结构设计，本发明的单向敏感柔性电容式传感器在正负弯曲时能够产生不均匀的响应，从而实现对弯曲的方向和角度的测量，并且此传感器对压力的响应可忽略不计，能够避免法向压力对测量带来的干扰，不需要额外的校准，对单向弯曲的测量简便而准确。
附图说明
图1是本发明实施例的单向弯曲敏感传感器的结构示意图；
图2是本发明实施例的单向弯曲敏感传感器的剖面示意图；
图3是本发明实施例中的聚合物弹性体介电层的微结构示意图；
图4是本发明实施例中的聚合物弹性体介电层的剖面示意图；
图5是本发明实施例中的叉指电极的结构示意图；
图6是本发明实施例的工作原理图；
图7是本发明实施例的单向弯曲敏感传感器制作方法的流程示意图；
图8是本发明实施例的单向弯曲敏感传感器的测量结果图。
具体实施方式
以下对本发明的实施方式作详细说明。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。
参阅图1至图5，在一种实施例中，一种单向弯曲敏感传感器，该电容式单向敏感弯曲测量传感器包括聚合物基底3、叉指电极2以及聚合物弹性体介电层1；所述叉指电极2覆盖在所述聚合物基底3的表面；所述聚合物弹性体介电层1具有向上凸起的微结构阵列，并覆盖在所述叉指电极2的表面。作为用于弯曲测量的电容式单向敏感柔性传感器，此传感器的工作原理是基于边缘效应，这种效应通过此传感器中设置的叉指电极与具有微结构阵列的聚合物弹性体介电层相配合来实现和增强。边缘效应产生的电场深度是叉指电极的宽度与间隙的总和。参阅图6，当传感器朝向微结构弹性介电层方向弯曲时，由叉指电极产生的边缘效应电场中的微结构所占体积发生变化，导致介电常数的变化，进一步影响电容的变化。相反，当向相反方向弯曲时，微结构在边缘效应电场中变得更稀疏，这对器件的介电常数的影响相对较小。由此，本发明的传感器实现了仅对单向弯曲敏感。并且，此传感器对压力不敏感，这是由于边缘效应引起的电场穿透深度是电极宽度和间距的总和，而压力主要施加在微结构的尖端上，因此与初始介电常数相比，在电场中引起的介电常数变化的压力可忽略不计。此传感器结构简单，可实现对弯曲的方向和角度的测量，同时对法向压力不敏感，因此可避免法向压力带来的干扰，提高了测量的准确性，也不需要额外的校准，对于单向弯曲的测量简便而可靠。
在优选的实施例中，所述锥形包括圆锥形或棱锥形(如金字塔形)，所述截顶锥形包括截顶圆锥形或截顶棱锥形(如截顶金字塔形)，所述锥形或所述截顶锥形的锥度在30°-90°之间。
在优选的实施例中，所述微结构凸起的底面尺寸为直径10-60μm或底边边长为10-60μm。
在优选的实施例中，所述微结构凸起的间距为10-120μm。
在不同的实施例中，所述聚合物弹性体1材料为PDMS、TPU、PET、硅橡胶或聚氨酯橡胶。
在不同的实施例中，所述聚合物弹性体介电层1的厚度为6-100μm。
在不同的实施例中，所述聚合物基底3材料为PET、PI以及PP薄膜，薄膜厚度为5-15μm。
在不同的实施例中，所述叉指电极2材料可以是金、银、铜、碳纳米管、铬等。
在优选的实施例中，所述叉指电极2的电极宽度为10-100μm，叉指间距为10-100μm，电极厚度为50-150nm。
例如，在具体实施例中，微结构凸起的形状可以为三角锥、多边形棱锥、圆锥、棱台、圆台等，当微结构为锥形或截顶锥形时，锥度范围在30°～90°之间，底边边长为10-60μm。微结构阵列中的凸起形状可以是一种，也可以是多种，当然，为了便于方便加工，优选微结构阵列中的凸起的形状是一种。微结构阵列的单元间距为10-120μm。所述聚合物弹性体介电层的厚度为6-100μm，更优选的厚度为10-50μm。所述聚合物弹性体为PDMS、TPU、PET、硅橡胶或聚氨酯橡胶，优选是PDMS。优选地，所述聚合物基底材料为PET、PI以及PP薄膜，薄膜厚度为5-15μm。优选地，所述叉指电极材料可以是金、银、铜、碳纳米管、铬等。优选地，所述叉指电极的电极宽度为10-100μm，叉指间距为10-100μm，电极厚度为50-150nm，具体地，采用光刻和金属刻蚀工艺以获得高精度的电极。
如图1和图2所示，在一个具体实施例中，单向弯曲敏感传感器包括PI材料的聚合物基底3、金属Cr材料的叉指电极2以及PDMS材料的聚合物弹性体介电层1。本例中，聚合物PI基底为5μm，金属Cr叉指电极厚度为60nm，电极宽度为40μm，间距15μm，PDMS聚合物介电层的微结构形状为棱锥形。
参阅图7，在另一种实施例中，一种制作前述任一实施例的电容式压力传感器的制作方法，包括以下步骤：
制备聚合物薄膜作为传感器的聚合物基底，例如，使用聚酰胺酸在硅片上旋涂制备聚酰亚胺薄膜作为传感器的基底；
在所述聚合物基底上形成叉指电极，例如，在聚酰亚胺薄膜基底上电子束蒸镀金属并进行光刻和刻蚀形成叉指电极结构；
使用具有微结构凸起阵列模板的硅模具制作在一面具有微结构凸起阵列的聚合物弹性体介电层；
将所述制备好叉指电极的聚合物基底层压并键合在所述聚合物弹性体介电层的另一面，将键合后的聚合物弹性体介电层从硅模具上剥离下来；
如图7所示，在优选的实施例中，该单向弯曲敏感传感器的制作过程包括以下步骤：
S1、使用S1813胶对硅片进行标准光刻工艺，本实例采用的是100晶向硅片。
S2、利用BOE进行刻蚀，BOE溶液的配置为：80g NH4F、20mL 49％HF溶液、120mLH2O，刻蚀速率为1000A/min。
S3、利用硅的湿法刻蚀技术制作硅模具，硅刻蚀液的配置成分为：70g KOH与190mLH2O，前两者完全溶解后，加入40mL IPA，在80℃水浴情况下，刻蚀速率为8000A/min。
S4、对此微结构硅模具进行硅烷化处理表面，本例中用1H,1H,2H,2H-全氟癸基三氯硅烷，在120℃下处理3h获得疏水表面。
S5、在制作好的硅模具上真空旋涂PDMS(polydimethylsiloxane，聚二甲基硅氧烷)，以得到未固化的聚合物弹性体介电层，后续可在80℃环境下烘烤3h固化；本例中PDMS与固化剂的质量配比10:1，真空度-0.1MPa；图4为聚合物弹性体介电层的剖面示意图，其阵列间的间距b3与微结构高度b1与介电层的厚度b2与叉指电极的尺寸有关，在本例中，b1为28μm，b2为33μm，b3为75μm。
S6、在洁净的硅片上旋涂PMMA牺牲层并旋涂聚酰胺酸，加热固化。
S7、蒸镀金属电极，使用电子束蒸镀金属Cr 60nm.
S8、旋涂S1813正光刻胶并进行光刻过程，形成叉指电极的光刻胶图案作为金属刻蚀的掩膜。
S9、刻蚀金属Cr，形成叉指电极，在本例中，a1为40μm，a2为15μm。
S10、去除硅片，溶解牺牲层PMMA，得到聚酰胺酸PI为基底的叉指电极层。
S11、层压键合，将叉指电极层覆盖在经步骤S5得到的未固化的聚合物弹性体介电层上，5kPa，80℃条件下处理3h。
S12、将键合后的器件从硅模具上剥离下来。
图8为上述单向弯曲敏感传感器的测量结果，在敏感方向上，随着弯曲半径的减小，电容值增大；在非敏感反向上，电容值发生微小的波动。
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。
