含直线诱导的裂纹的高灵敏度传感器及其制造方法技术

本发明专利技术提供了一种具有导电薄膜的高灵敏度传感器，其中导电薄膜含有线性诱导的裂纹。该高灵敏度传感器涉及一种传感器，该传感器是通过在形成于支撑体上的导电薄膜上形成直线诱导的微裂纹来获得，用于通过测量由微裂纹形成的微结合结构中的变化、短路或开口引起的电阻变化，来测量外部张力和压力。另外，这种高灵敏度的导电性裂纹传感器可应用于高精度测量或人造皮肤，并且可以通过使传感器像素化而用作定位检测传感器。因此，该高灵敏度传感器可以有效地用于精确测量的领域，通过人体皮肤等生物测量装置，人体运动测量传感器和显示面板传感器等。

High sensitivity sensor with linear induced crack and its manufacturing method

The invention provides a high sensitivity sensor with conductive film, wherein the conductive film contains linearly induced cracks. The high sensitivity sensor involves a sensor that is obtained by forming a linear induced micro crack on a conductive film formed on a supporting body, and is used to measure external tension and pressure by measuring resistance changes caused by changes, short circuits, or openings in microcracks formed by microcracks. In addition, this highly sensitive conductive crack sensor can be applied to high precision measurement or artificial skin, and can be used as a location detection sensor by making the sensor pixel. Therefore, the high sensitivity sensor can be effectively used in the field of accurate measurement, through biological measurement devices such as human skin, human motion sensor and display panel sensor.

【技术实现步骤摘要】
【国外来华专利技术】含直线诱导的裂纹的高灵敏度传感器及其制造方法
本专利技术涉及含直线诱导的裂纹的高灵敏度传感器及其制造方法，更具体地涉及可应用于度量衡学或人造皮肤的高灵敏度传感器，这些使用形成有直线诱导的细裂纹的导电薄膜来高精度检测张力和压力。
技术介绍
一般而言，高灵敏度传感器是感测微小信号，并将该微小信号作为现代工业中所必需的组成部分之一的数据(例如电信号)进行传递。在这些传感器中，电容传感器、压电传感器、应变计等已知是用于测量压力或张力的传感器。传统张力传感器的应变式传感器是检测机械变化作为电信号的传感器。如果它粘附到机器或结构的表面上，则可以测量微小尺寸上的变化，即，可以发现在其表面上发生的应变(strain)，和对于从应变尺寸确定强度和安全性而言重要的应力。此外，应变计用于根据金属电阻元件的电阻值变化来测量待测量对象的表面的变形，通常，当测量对象被外力而拉伸时金属材料的电阻值增加，而当它被压缩时金属材料的电阻值减少。应变计还用作将诸如力、压力、加速度、位移和扭矩等物理量转换成电信号的传感元件，并且不仅广泛地应用于实验和研究，还应用于测量控制。然而，传统应变式传感器由于使用金属线而容易腐蚀，并且灵敏度较低。此外，传统应变式传感器的输出值小，因此需要额外的电路来补偿小信号，而且半导体张力传感器有热敏感的缺点。压力传感器是一种能够测量施加于表面的压力的传感器，这是制造人造皮肤时的必要因素。应变表示施加于表面的水平方向上的长度变化，而压力表示垂直于表面施加的力。传统的压力传感器测量随着压力变化的硅膜的电阻，并且不仅广泛地应用于研究和测量，还应用于工业。然而，传统的压力传感器具有一个缺点，即由于它们非常不灵敏而不能区分小的压力，而且它们不能弯曲。这些缺点导致传统的压力传感器不适用于人造皮肤。因此，有必要制作一种可弯曲同时可感测小的压力的传感器。由于上述问题，传感器可能仅在特定环境中被驱动或者受到各种环境因素的影响，导致测量值的准确行下降。另外，在重复驱动中存在难以确保某一测量值的问题。进一步的，这些传感器还存在由于传感器本身的结构问题而难以制造柔性结构的问题。随着人们对可穿戴式医疗和人造电子皮肤装置以及高性能传感器开发的研究兴趣的增加，已开发出了各种类型的累积外部信息的基于纳米线、硅橡胶、压电和有机薄膜晶体管的压力传感器。裂纹通常被认为是缺陷，所以被认为是要避免的。然而，最近报道了与裂纹、用于纳米线生产的薄膜开裂以及互连器(interconnector)等裂纹有关的研究。此外，还报道了基于碳纳米管、纳米纤维、石墨烯薄片(grapheneplatelet)和机械裂纹的应变传感器。裂纹传感器受到蜘蛛感觉系统的影响。已知蜘蛛的感觉传感器对应变和震动非常敏感。裂纹通常被认为是应该避免的缺陷，但最近对裂纹的图案化研究已经报道了用于纳米线和互连器制造的薄膜裂纹形成，并且据报道与蜘蛛感觉系统类似的裂纹传感器对应变和震动非常敏感，但具有仅2％应变的限制。因此，需要开发一种能够克服上述问题的新的高灵敏度传感器。
技术实现思路
【技术问题】本专利技术提供了一种高灵敏度传感器，该高灵敏度传感器即使在环境影响被最小化并反复使用的情况下，也能够由于测量值的灵活性而检测到施加于各个区域的张力和压力的变化，同时保持测量的准确性。本专利技术的另一目的是提供一种制造高灵敏度传感器的方法。【技术方案】为了解决上述技术问题，本专利技术提供了一种高灵敏度传感器，所述高灵敏度传感器包括：柔性支撑件，所述柔性支撑件具有形成在其中的孔图案；和导电薄膜，所述导电薄膜形成于所述支撑件的至少一个表面上，其中，所述导电薄膜包括线性诱导的裂纹，所述线性诱导的裂纹具有与所述表面的至少一部分相接触并且彼此面对面的裂纹面，其中，所述裂纹面是由形成在所述柔性支撑件上的规则的孔图案线性诱导的，其中，所述高灵敏度传感器通过测量所述裂纹面因外部物理刺激进行移动从而使接触面积变化、或者短路或再接触所引起的电变化，来测量外部刺激。此外，本专利技术还提供了一种上述高灵敏度传感器的制造方法：在柔性支撑件中形成规则的孔图案；在所述柔性支撑件的至少一个表面上形成导电薄膜；及拉伸所述导电薄膜，以在直线上诱导裂纹。【有益效果】本专利技术的高灵敏度传感器通过使用在支撑体的一个表面上形成有直线诱导的裂纹的导电薄膜，高灵敏度地测量张力和/或压力，本专利技术的高灵敏度传感器具有柔性并且可应用于各种领域。如上所述的这种高灵敏度传感器可以应用于高精度测量或人造皮肤，并且可以通过使传感器像素化而用作定位检测传感器，因此，可以在精密仪器、人体皮肤等活体测量装置、人的移动测试的传感器、显示面板传感器等领域中有效被利用。此外，上述高灵敏度传感器可以通过简单的工艺进行批量生产，因此具有非常高的经济效率。附图说明图1是晶粒尺寸为1的裂纹唇缘模型。图2示出了复平面的被完整轮廓线环绕的一部分。图3是根据一实施例的裂纹传感器的制造过程的示意图。图4是对根据一实施例的裂纹传感器进行拉伸之前和进行拉伸之后的传感器表面的变化(a，b)和导电薄膜上裂纹变化的SEM图像(c，d)。图5是示出了(a)施加张力前和(b，c)施加张力后沿裂纹的滞后开裂的SEM图像。图6是示出了在各种间隙长度下形成裂纹的样子的SEM图像。图7是示出了各种间隙长度下的裂纹形成图案的差异(a)和用于识别该差异的FEM模拟结果(c)的曲线图(b，d)。图8是不进行图案化、无序形成的基于裂纹的传感器的表面，和使用它测量的电阻变化的曲线图。图9是示出了按照张力方向的电阻变化的概念图和曲线图。图10是用于测量由压力和张力引起的变化的测力元件。图11是示出了通过重复实验，按照变化率范围和再现性进行加载和卸载所引起的电阻变化的曲线图。图12示出了按照变化率范围及其滞后，通过加载和卸载进行电阻变化测量的结果。图13示出了通过将根据等式6的理论值与裂纹传感器所测量的实验值进行比较，而获得的归一化电阻vs应变曲线。图14是示出了突变的反应速率的曲线图。图15表示由0～10kPa的压力范围(a)、小蚂蚁的压力(b)和腕部脉搏的压力(c，d)的按压条件各自引起的电阻变化的实验结果。图16示出了能够使用多像素阵列同时显示位置和压力的高灵敏度传感器，及使用它的测量结果。具体实施方式在下文中，将描述本专利技术的实施例以便于理解本专利技术。然而，在不脱离由所附权利要求书限定的本专利技术的精神和范围的情况下可以进行各种改变和修改，这对于本领域技术人员来说是显而易见的。很显然，这些改变和修改都落入所附权利要求书的范围内。。最近，已经报道了一种基于机械裂纹的传感器，该传感器使用了对变形和震动具有高灵敏度的非裂纹并行系统。然而，为了实现超快速性能，必须通过形成裂纹的高度拉伸性和可控性来放大对力的灵敏度。本专利技术提供了一种基于在规则的微型图案内诱导更准确的机械开裂的，廉价且超灵敏的应变和压力传感器。根据本专利技术的传感器可以通过对装置表面上的孔进行图案化，将应力集中在孔周围的特定区域，并且可以由此准确地形成连接孔的均匀裂纹。本专利技术的传感器是能够测量拉伸率并能够测量施加于表面上的压力的传感器。它可以在金属薄膜沉积在聚合物上之后，通过产生机械裂纹来制造。它可以有效地应用于可穿戴式健康保健，并且可以替代现有的扩展传感器或压力传感器。在下文中，将详细描本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种高灵敏度传感器，包括：柔性支撑件，所述柔性支撑件具有形成在其中的孔图案；和导电薄膜，所述导电薄膜形成在所述支撑件的至少一个表面上，其中，所述导电薄膜包括线性诱导的裂纹，所述线性诱导的裂纹具有与所述表面的至少一部分相接触并且彼此面对面的裂纹面，其中，所述裂纹面是由形成在所述柔性支撑件上的规则的孔图案线性诱导的，其中，所述高灵敏度传感器通过测量所述裂纹面因外部物理刺激进行移动从而使接触面积变化、或者短路或再接触所引起的电变化，来测量外部刺激。

【技术特征摘要】
【国外来华专利技术】2015.11.30 KR 10-2015-0169195;2016.08.01 KR 10-2011.一种高灵敏度传感器，包括：柔性支撑件，所述柔性支撑件具有形成在其中的孔图案；和导电薄膜，所述导电薄膜形成在所述支撑件的至少一个表面上，其中，所述导电薄膜包括线性诱导的裂纹，所述线性诱导的裂纹具有与所述表面的至少一部分相接触并且彼此面对面的裂纹面，其中，所述裂纹面是由形成在所述柔性支撑件上的规则的孔图案线性诱导的，其中，所述高灵敏度传感器通过测量所述裂纹面因外部物理刺激进行移动从而使接触面积变化、或者短路或再接触所引起的电变化，来测量外部刺激。2.根据权利要求1所述的高灵敏度传感器，其中，在所述裂纹面上，由外力引起的应力集中在相邻的孔之间，从而沿孔图案在以直线形态诱导裂纹。3.根据权利要求1所述的高灵敏度传感器，其中，所述裂纹面被设置在相邻的孔之间，并且所述裂纹面的长度G相对于直线P具有60％以上的长度，所述直线P连接所述裂纹面所在的相邻孔的中心。4.根据权利要求1所述的高灵敏度传感器，其中，施加在所述裂纹面上的外力的角度施加在相对于所述裂纹面形成90°或45°的方向上。5.根据权利要求1所述的高灵敏度传感器，在7～10kPa范围的压力下，具有2×104以上的灵敏度。6.根据权利要求1所述的高灵敏度传感器，其中，所述孔图案的形状是由具有与四个弧结合的四个顶点的曲线或十字形构成的菱形形状。7.根据权利要求1所述的高灵敏度传...

【专利技术属性】
技术研发人员：崔瑢桓，李泰珉，李建熙，崔万秀，姜大植，拜特洛·皮其特撒，
申请(专利权)人：多次元能源系统研究集团，首尔大学校产学协力团，
类型：发明
国别省市：韩国,KR