本發(fā)明涉及了一種能應(yīng)用于可穿戴器件、健康監(jiān)測(cè)及電子皮膚領(lǐng)域的對(duì)極小壓力有響應(yīng)的高靈敏度電容型柔性壓力傳感器。

背景技術(shù)：

模仿人類皮膚功能的電子皮膚在很多領(lǐng)域如機(jī)器人皮膚、人類假肢及健康監(jiān)測(cè)等領(lǐng)域都有很廣泛的應(yīng)用前景。近些年來(lái)，應(yīng)用于電子皮膚的柔性壓力傳感器在很多性能如測(cè)力范圍、靈敏度、可拉伸性等都接近或超過(guò)了人類皮膚的感知性能。

柔性壓力傳感器一般分為以下幾種類型：(1)電阻型，利用壓阻型材料在受壓過(guò)程中電阻的改變感知壓力，其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但弛豫時(shí)間較長(zhǎng)，易受溫度影響。(2)壓電型，在受壓過(guò)程中，壓電材料內(nèi)部會(huì)產(chǎn)生極化電荷。壓電型壓力傳感器可以有效檢測(cè)震動(dòng)和很短時(shí)間內(nèi)力的變化，但無(wú)法測(cè)靜壓力。(3)電容型，通過(guò)一定的器件結(jié)構(gòu)，使得在受壓過(guò)程中，電容器兩極板間距離改變或兩極板間正對(duì)面積改變，從而得到電容的改變。電容型壓力傳感器有溫度影響小，輸出溫度，動(dòng)態(tài)響應(yīng)好等優(yōu)點(diǎn)。(4)光電型，表面聲波型等。

柔性壓力傳感器的主要性能指標(biāo)有：(1)靈敏度(2)測(cè)力的范圍(3)遲滯(4)抗干擾性(5)可重復(fù)性。

現(xiàn)有的電容型柔性壓力傳感器一般通過(guò)設(shè)計(jì)一定結(jié)構(gòu)的介電層材料，在受壓過(guò)程中介電層材料發(fā)生形變，從而改變電容極板間間距，從而得到電容的改變。但這種設(shè)計(jì)方法使得介電層厚度不可能變得很小，從而電容值不能達(dá)到很大，限制了電容的改變空間，也限制了傳感器的測(cè)力范圍及靈敏度。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明目的是，提供了一種電容型柔性壓力傳感器，可應(yīng)用于可穿戴設(shè)備、健康監(jiān)測(cè)或電子皮膚等領(lǐng)域。

本發(fā)明的技術(shù)方案是，一種電容型柔性壓力傳感器，結(jié)構(gòu)如下：多層次微結(jié)構(gòu)材料，附著于多層次微結(jié)構(gòu)材料表面上的電容器上電極，電介質(zhì)材料和電介質(zhì)材料下表面的電容器下電極；多層次微結(jié)構(gòu)材料和電介質(zhì)材料平面平行疊合；所述多層次微結(jié)構(gòu)材料，多層次微結(jié)構(gòu)材料為如下結(jié)構(gòu)：縱截面的形狀為面分布且排列的若干金字塔形或邊緣平滑的類金字塔形、半球形、橢球形、圓錐形、V字形形狀；總之，多層次微結(jié)構(gòu)材料采用聚全物彈性材料；柔性電容壓力傳感器的電容上電極，由多層次的彈性微結(jié)構(gòu)以及微結(jié)構(gòu)上的鈦或金薄膜組成；電容電介質(zhì)材料及下電極，由BOPP薄膜及背面鈦或金薄膜組成；

所述多層次，縱截面的形狀存在大小不一多種尺寸微結(jié)構(gòu)材料，使得在受壓過(guò)程中大尺寸微結(jié)構(gòu)先發(fā)生形變，實(shí)現(xiàn)較高靈敏度；隨著壓力增大，小尺寸金字塔后發(fā)生形變，實(shí)現(xiàn)壓力的可測(cè)范圍增大。

縱截面的各種形狀的長(zhǎng)度尺寸(高或邊長(zhǎng)、直徑等最長(zhǎng)尺寸)大小從5um-200um不等；

所述壓力傳感器，縱截面的形狀與形狀的中心間距從5um-500um不等。

所述壓力傳感器，其制備的工藝流程為：

1)<100>晶向硅片，在硅片表面鍍有100-500nm厚SiO₂薄膜，清洗，烘干；

2)Si-Si O₂表面旋涂S1805光刻膠，旋涂速度3000-6000轉(zhuǎn)/S，旋涂時(shí)間30-90S；置于熱臺(tái)90-130℃堅(jiān)膜，時(shí)間40-80S；(如可選用其它光刻膠如AZ1500、S1805光刻膠等)；

3)所得樣品放置在有掩模光刻機(jī)中，曝光時(shí)間2-10S；

4)所得樣品置于正膠顯影液中，顯影10-30S；

5)后烘干，90-130℃，2-10min；

6)所得樣品刻蝕，直到獲得金字塔形凹槽；(如置于2％-10％四甲基氫氧化銨(TMAH)溶液，50-100℃刻蝕)；

7)尖銳邊緣的刻蝕時(shí)，將步驟6)所得樣品置于BOE刻蝕液(49％HF水溶液：40％NH4F水溶液＝1：6(體積比))刻蝕2-10min。

8)對(duì)于邊緣光滑類金字塔形微結(jié)構(gòu)則跳過(guò)7)，將6)所得樣品置于65％HNO3：40％NH4F＝2:1溶液中刻蝕所得。

9)所得樣品置于紫外臭氧清洗機(jī)中處理0.5-2h，使表面親水；并置于0.1％-2％十八烷基三氯硅烷/正庚烷溶液中疏水處理1-2h。

將(以PDMS為例，更可采用PU等)PDMS預(yù)聚物和交聯(lián)劑混合液澆筑于得到的樣品模板上，并抽真空，排除氣泡，置于烘箱50℃-100℃，1-4h。聚合后揭開聚合物材料后得到多層次微結(jié)構(gòu)材料；

所述PDMS為道康寧公司所得，全稱為聚二甲基硅氧烷，其交聯(lián)劑與預(yù)聚物比例為5％-30％。(亦可使用其它高彈性材料進(jìn)行澆筑)

所述微結(jié)構(gòu)材料為高彈性材料，可為PDMS、聚氨酯、橡膠等。

所述電極的制備，(1)多層次微結(jié)構(gòu)材料及電介質(zhì)材料上制備金屬電極：使用電子束蒸鍍、熱蒸鍍、等離子體蒸鍍、磁控濺射、電鍍等方法，在多層次微結(jié)構(gòu)材料即PDMS微結(jié)構(gòu)及電介質(zhì)材料上表面及電介質(zhì)層表面先蒸鍍一層4-20nmTi，再蒸鍍一層20-100nm Au。(2)采用導(dǎo)電聚合物電極、石墨烯、碳納米管等電極材料覆蓋在多層次微結(jié)構(gòu)材料及電介質(zhì)材料上。

所述電介質(zhì)材料，其特征在于：1)使用商業(yè)電容薄膜BOPP，即雙向拉伸聚丙烯薄膜，其厚度為2-50um。2)使用聚乙烯、PDMS、硅橡膠等材料所得介電層薄膜。

所述柔性電容型壓力傳感器，其特征在于：整個(gè)壓力傳感器件所用材料均為柔性的材料，使得器件可貼附在大部分彎曲表面。

所述壓力傳感器的工作原理是：在受壓過(guò)程中，微結(jié)構(gòu)上電極產(chǎn)生形變，使得上電極與下電極間間距減小，從而使得電容產(chǎn)生改變。電容改變值供外部采集電路采集或作信號(hào)處理。在受力從小到大變化過(guò)程中，大的微結(jié)構(gòu)先產(chǎn)生形變，小的微結(jié)構(gòu)后產(chǎn)生形變，從而使得在低壓力范圍傳感器靈敏度很高，在高壓力范圍微結(jié)構(gòu)能夠提供足夠的力的支持，使得傳感器測(cè)力范圍大大提升。

所述壓力傳感器多層次微結(jié)構(gòu)上電極，微結(jié)構(gòu)形狀為金字塔形或邊緣平滑的類金字塔形、半球形、橢球形、圓錐形、V字形等形狀。微結(jié)構(gòu)大小從5um-200um不等，微結(jié)構(gòu)中心間距從5um-500um不等。根據(jù)不同需求，大小微結(jié)構(gòu)的比例，微結(jié)構(gòu)的間距可作靈活調(diào)整。

本發(fā)明的有益效果，是一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的柔性壓力傳感器，所述電容型柔性壓力傳感器，其整個(gè)器件所用材料都是柔性材料，使得器件可貼附在彎曲表面，實(shí)現(xiàn)對(duì)人體脈搏、心跳、外界微弱壓力等信號(hào)的感知。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明器件結(jié)構(gòu)圖；圖中上半為微結(jié)構(gòu)材料，下半為電介質(zhì)材料及電極；

圖2為微結(jié)構(gòu)制備流程圖；六個(gè)圖對(duì)應(yīng)制備工藝的六個(gè)步驟；圖2中：其中a為硅片，b為光刻刻蝕二氧化硅，c刻蝕硅，d刻蝕二氧化硅，e紫外臭氧處理OTS表面處理，f為PDMS澆筑固化揭膜。

圖3.1-3.3均為不同的微結(jié)構(gòu)材料的SEM圖；

圖4.1-4.2、壓力傳感器件微結(jié)構(gòu)在受壓過(guò)程中形變光學(xué)顯微鏡圖，4.1為小壓力下僅僅大金字塔形變圖，4.2位大壓力下，小金字塔隨之發(fā)生形變圖；

圖5、不同微結(jié)構(gòu)器件電容隨壓力變化曲線：sensor1、sensor2、sensor3分別對(duì)應(yīng)圖3.1、3.2、3.3的；

圖6、器件貼附手腕處脈搏響應(yīng)圖。

具體實(shí)施方式

參照附圖，進(jìn)一步闡述了本發(fā)明的實(shí)際應(yīng)用。此處描述的具體實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明，但不用于限定本發(fā)明。

參照附圖2，微結(jié)構(gòu)的制備流程為：

(1)<100>晶向硅片，硅片表面鍍有100-500nm厚SiO2薄膜，清洗，烘干。

(2)Si-SiO2表面旋涂S1805光刻膠，旋涂速度3000-6000轉(zhuǎn)/S，旋涂時(shí)間30-90S；置于熱臺(tái)90-130℃堅(jiān)膜，時(shí)間40-80S。(亦可選用其它光刻膠如AZ1500等)

(3)所得樣品放置在有掩模光刻機(jī)中，曝光時(shí)間2-10S。光刻圖案為方、圓、橢圓、多邊形排列，但要設(shè)有大小不同尺寸的圖形，腐蝕時(shí)會(huì)有深淺，形成不同尺寸的立體形，從而可以將本發(fā)明的效果實(shí)現(xiàn)。

(4)所得樣品置于正膠顯影液中，顯影10-30S

(5)后烘，90-130℃，2-10min。

(6)所得樣品置于2％-10％四甲基氫氧化銨(TMAH)溶液，50-100℃刻蝕，直到獲得金字塔形凹槽。

(7)所得樣品置于BOE刻蝕液(49％HF水溶液：40％NH4F水溶液＝1：6(體積比))刻蝕2-10min。

(8)對(duì)于邊緣光滑類金字塔形微結(jié)構(gòu)則跳過(guò)(7)，將(6)所得樣品置于65％HNO3：40％NH4F＝2:1溶液中刻蝕所得。

(9)所得樣品置于紫外臭氧清洗機(jī)中處理0.5-2h，使表面親水；并置于0.1％-2％十八烷基三氯硅烷/正庚烷溶液中疏水處理1-2h。

(10)將PDMS(預(yù)聚物、交聯(lián)劑混合液)澆筑于模板上，并抽真空，排除氣泡，置于烘箱50℃-100℃，1-4h。所述PDMS為道康寧公司所得，全稱為聚二甲基硅氧烷，其交聯(lián)劑與預(yù)聚物比例為5％-30％。(亦可使用其它高彈性材料進(jìn)行澆筑)

本發(fā)明所示柔性壓力傳感器可應(yīng)用于健康監(jiān)測(cè)，比如脈搏、心跳的監(jiān)測(cè)。參照附圖6，為所得壓力傳感器貼附于手腕處測(cè)得手腕脈搏曲線圖，可明顯看到脈搏的三個(gè)特征峰。