一种聚酰亚胺基电阻式薄膜应变传感器及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开了一种聚酰亚胺基电阻式薄膜应变传感器及其制备方法与应用。所述应变传感器自下而上包括：聚酰亚胺基片、敏感栅薄膜以及电极层，所述敏感栅为钨钛合金薄膜，所述钨钛合金薄膜由65～85％的钨和35～15％的钛组成。所述感应器的制备方法为：(1)将敏感栅掩膜覆于聚酰亚胺薄膜基片上，采用磁控溅射法将钨钛合金靶材沉积在聚酰亚胺薄膜基片上，形成钨钛合金薄膜，即得敏感栅；(2)将电极掩膜覆于敏感栅上，采用磁控溅射法，将镍金属沉积在敏感栅上，形成镍薄膜，将金金属沉积在镍薄膜上，形成金薄膜，制得聚酰亚胺基电阻式薄膜应变传感器。本发明专利技术制备的聚酰亚胺基薄膜应变传感器具有良好的线性度、小的迟滞、高的灵敏度。

A Polyimide Resistance Thin Film Strain Sensor and Its Preparation Method and Application

The invention discloses a polyimide resistance type film strain sensor, a preparation method and application thereof. The strain sensor comprises a polyimide substrate, a sensing gate film and an electrode layer from bottom to top. The sensing gate is a tungsten-titanium alloy film. The tungsten-titanium alloy film consists of 65-85% tungsten and 35-15% titanium. The preparation method of the inductor is as follows: (1) the sensitive gate mask is coated on the polyimide film substrate, the tungsten-titanium alloy target is deposited on the polyimide film substrate by magnetron sputtering method, and the tungsten-titanium alloy film is formed, thus the sensitive gate is obtained; (2) the electrode mask is coated on the sensitive gate, and the nickel metal is deposited on the sensitive gate by magnetron sputtering method to form nickel film and gold metal. A polyimide-based resistive film strain sensor was prepared by depositing gold film on nickel film. The polyimide film strain sensor prepared by the invention has good linearity, small hysteresis and high sensitivity.

【技术实现步骤摘要】
一种聚酰亚胺基电阻式薄膜应变传感器及其制备方法与应用
本专利技术属于电阻式应变传感器
，具体涉及一种聚酰亚胺基电阻式薄膜应变传感器及其制备方法与应用。
技术介绍
电阻式应变传感器是一种能将应变变化转换为电阻变化的传感元件，其工作原理是基于材料的应变电阻效应，常用于土木工程、地质勘探、微电子与医疗等领域，同时也是构成重量、压力、加速度及位移等电阻式传感器的核心元件。电阻式应变传感器由基片、敏感栅、电极和保护层四部分构成。根据敏感栅的制备工艺，电阻式应变传感器可分为丝式、箔式及薄膜式三种。前两类传感器由于敏感栅与基片通过粘结剂胶合易出现视在误差和经时稳定性差等问题，目前正逐渐被电阻式薄膜应变传感器取代。相比之下，电阻式薄膜应变传感器直接将敏感栅沉积于基片上，具有更好的应变传递特性与温度和时间稳定性。电阻式薄膜应变传感器特性决定于敏感栅材料，敏感薄膜材料的应变灵敏系数越大，电阻温度系数越小，则性能越佳。目前可用于制造电阻式应变传感器的敏感栅材料有金属、半导体与陶瓷等。半导体材料温度稳定性差，陶瓷材料易脆且工艺重复性差，因此商品化产品大多采用电阻率与电阻温度系数低的金属材料作为电阻敏感栅，其中典型的材料为镍铬合金、铜镍合金、镍铬铝合金。商品化的电阻式薄膜应变传感器仍广泛存在以下两个问题：(1)敏感栅应变灵敏系数较小，约为1～3.5左右；(2)敏感栅高应变灵敏系数与低电阻温度系数无法兼得。随着可穿戴设备的普及，小型化、集成化与柔性化成为薄膜应变传感器的发展方向，传统的电阻式薄膜应变传感器已难以满足当今需求。因此，需要一种性能优良，具有好的集成性与扩展性的柔性金属薄膜应变传感器。
技术实现思路
为解决现有技术的缺点和不足之处，本专利技术的首要目的在于提供一种聚酰亚胺基电阻式薄膜应变传感器。本专利技术的另一目的在于提供上述一种聚酰亚胺基电阻式薄膜应变传感器的制备方法。本专利技术的再一目的在于提供上述一种聚酰亚胺基电阻式薄膜应变传感器在可穿戴设备、应变式压力传感器和体重计中的应用。本专利技术目的通过以下技术方案实现：一种聚酰亚胺基电阻式薄膜应变传感器，自下而上包括基片、敏感栅和电极；所述基片为聚酰亚胺薄膜；所述敏感栅为钨钛合金薄膜，按质量百分数计，所述钨钛合金薄膜由65～85％的钨和35～15％的钛组成；所述电极为镍和金双层结构。所述聚酰亚胺薄膜的厚度优选为0.15～0.2mm，更优选为0.18mm。所述敏感栅的厚度优选为50～500nm，更优选为77～289nm。所述钨钛合金薄膜优选为由70％的钨和30％的钛组成。所述敏感栅的制备方法优选为磁控溅射法，更优选为直流磁控溅射法和射频磁控溅射法。所述电极为双金属层结构，自下而上的第一层为镍薄膜，第二层为金薄膜。所述镍薄膜的厚度优选为0.7～1μm，金薄膜的厚度优选为200～300nm。所述电极的制备方法优选为磁控溅射法。所述电极中镍薄膜的制备方法更优选为励磁磁控溅射法(即采用励磁电源施加磁场的磁控溅射法)；所述电极中金薄膜的制备方法更优选为射频磁控溅射法。所述敏感栅和电极的图形化均优选为采用金属掩膜或光刻工艺实现。上述一种聚酰亚胺基电阻式薄膜应变传感器的制备方法，包括以下步骤：(1)将敏感栅掩膜覆于聚酰亚胺薄膜基片上，采用磁控溅射法将钨钛合金靶材沉积在聚酰亚胺薄膜基片上，形成钨钛合金薄膜，即得敏感栅；(2)将电极掩膜覆于敏感栅上，采用磁控溅射法，将镍金属沉积在敏感栅上，形成镍薄膜，将金金属沉积在镍薄膜上，形成金薄膜，即为双金属层电极，制得聚酰亚胺基电阻式薄膜应变传感器。步骤(1)所述敏感栅掩膜和步骤(2)所述电极掩膜的材料均优选为301不锈钢。步骤(1)所述聚酰亚胺薄膜基片在使用前经过清洁处理。所述清洁处理为：先用清洁剂去除聚酰亚胺薄膜基片表面油污，然后先后将其在去离子水、丙酮及无水乙醇中各超声清洗10min，洗净烘干后获得清洁的聚酰亚胺薄膜基片步骤(1)所述钨钛合金靶材购买于中诺新材(北京)科技有限公司。步骤(1)所述钨钛合金靶材和步骤(2)所述镍金属进行沉积前，均先将磁控溅射仪工作腔抽至高真空环境，使其本底真空度小于5×10-4Pa；然后将工作气体通入工作腔内。所述工作腔本底真空度更优选为4.5×10-4Pa；所述工作气体优选为氩气，更优选为高纯氩气。步骤(1)所述沉积的条件优选为：气体流量为10～25sccm，工作真空度为0.9～2Pa，溅射功率为40～70W，沉积时间为2.5～12.5min。步骤(1)所述沉积的条件更优选为：气体流量为20sccm，工作真空度1Pa，溅射功率为60W，沉积时间为7.5min。步骤(1)所述钨钛合金靶材在沉积前先进行直流预溅射处理，所述直流预溅射处理的时间为5～10min，气体流量为10～25sccm，真空度为0.9～2Pa，溅射功率为40～70W。步骤(2)所述镍金属的沉积方法为励磁磁控溅射法，沉积条件优选为：气体流量为10sccm，工作真空度为2Pa，励磁功率为30W，溅射功率为38～42W，沉积时间为15min。步骤(2)所述金金属的沉积方法为射频磁控溅射法，沉积条件优选为：气体流量为10sccm，工作真空度为1Pa，射频功率为40～45W，自偏电压为100～120V，沉积时间为5min。步骤(2)所述聚酰亚胺基电阻式薄膜应变传感器通过切割获得所需尺寸(长和宽)。上述一种聚酰亚胺基电阻式薄膜应变传感器在可穿戴设备、应变式压力传感器和体重计中的应用。与现有技术相比，本专利技术具有以下优点及有益效果：(1)本专利技术采用钨钛合金薄膜作为敏感栅，钨钛合金薄膜具有强附着能力，不易脱落，既能提高传感器使用寿命，又有益于应变传递，提升传感器应变性能。(2)本专利技术采用磁控溅射成膜工艺方法，通过调节气体流量、工作真空、溅射功率、沉积时间改变钨钛合金薄膜的结晶状态和厚度，实现钨钛合金敏感栅薄膜电阻温度系数与应变灵敏系数的控制，且基片、敏感栅和电极的层与层之间无需使用粘结剂粘结。(3)本专利技术所述聚酰亚胺基电阻式薄膜应变传感器的电阻温度系数为42ppm/℃，灵敏度系数可达5.04，应变曲线线性度为0.97％，迟滞误差为6.67％，同时具有好的集成性与扩展性，可有效解决商业化电阻式薄膜应变传感器所存在敏感栅应变灵敏系数较小、敏感栅高应变灵敏系数与低电阻温度系数无法兼得的问题。附图说明图1为本专利技术聚酰亚胺基电阻式薄膜应变传感器的结构示意图，其中聚酰亚胺(PI)为基片，钨钛合金薄膜(WTi)为敏感栅，镍薄膜(Ni)和金薄膜(Au)为双结构电极。图2为实施例中敏感栅掩膜(301不锈钢)示意图，其中黑色部分为镂空，图中实际尺寸单位均为mm。图3为实施例中电极掩膜(301不锈钢)示意图，其中黑色部分为镂空，图中长宽实际尺寸单位均为mm。图4为实施例1制得的传感器的电阻相对变化与应变的关系图。图5为实施例1制得的传感器的电阻相对变化与温度的关系图。图6为实施例2制得的传感器的电阻相对变化与应变的关系图。图7为实施例2制得的传感器的电阻相对变化与温度的关系图。图8为实施例3制得的传感器的电阻相对变化与应变的关系图。图9为实施例3制得的传感器的电阻相对变化与温度的关系图。图10为实施例4中钨钛合金薄膜沉积时间5min制得的传感器的电阻相对变化与应变的关系图。图11为实施例4中本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种聚酰亚胺基电阻式薄膜应变传感器，其特征在于，自下而上包括基片、敏感栅和电极；所述基片为聚酰亚胺薄膜；所述敏感栅为钨钛合金薄膜，按质量百分数计，所述钨钛合金薄膜由65～85％的钨和35～15％的钛组成；所述电极为镍和金双层结构。

【技术特征摘要】
1.一种聚酰亚胺基电阻式薄膜应变传感器，其特征在于，自下而上包括基片、敏感栅和电极；所述基片为聚酰亚胺薄膜；所述敏感栅为钨钛合金薄膜，按质量百分数计，所述钨钛合金薄膜由65～85％的钨和35～15％的钛组成；所述电极为镍和金双层结构。2.根据权利要求1所述一种聚酰亚胺基电阻式薄膜应变传感器，其特征在于，所述敏感栅的厚度为50～500nm。3.根据权利要求1所述一种聚酰亚胺基电阻式薄膜应变传感器，其特征在于，所述聚酰亚胺薄膜的厚度为0.15～0.2mm。4.根据权利要求1或2或3所述一种聚酰亚胺基电阻式薄膜应变传感器，其特征在于，所述电极为双金属层结构，自下而上的第一层为镍薄膜，第二层为金薄膜；所述镍薄膜的厚度为0.7～1μm；金薄膜的厚度为200～300nm。5.根据权利要求4所述一种聚酰亚胺基电阻式薄膜应变传感器，其特征在于，所述敏感栅和电极的制备方法均为磁控溅射法。6.权利要求1-5任一项所述一种聚酰亚胺基电阻式薄膜应变传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)将敏感栅掩膜覆于聚酰亚胺薄膜基片上，采用磁控溅射法将钨钛合金靶材沉积在聚酰亚胺薄膜基片上，形成钨钛合金薄膜，即得敏感栅；(2)将电极掩膜覆于敏感栅上，采用磁控溅射法，将镍金属沉积在敏感栅上，形成镍薄膜，将金金属沉积在镍薄膜上，形成金薄膜，即为双金属层电极，制得聚酰亚胺基电阻式薄膜应变传感...

【专利技术属性】
技术研发人员：凌志远，陈少波，
申请(专利权)人：华南理工大学，
类型：发明
国别省市：广东,44