基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器及制备方法技术

本发明专利技术提供了一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器及制备方法，包括：柔性基底，所述柔性基底上设有压力传感器、温度传感器以及湿度传感器，其中：所述压力传感器是导电填料填充PDMS复合材料作为压敏介质的压力传感器，所述温度传感器是由对温度敏感的金属电阻形成的温度传感器，所述湿度传感器为聚酰亚胺湿度传感器。本发明专利技术导电填料填充PDMS复合材料具有良好的导电性能和机械性能，并具有压阻特性；金属电阻温度传感器测量精度高、重复性好、可靠性高；聚酰亚胺湿度传感器其耐热、力学、介电性能好，因而本发明专利技术能够实现低成本、制备工艺简单、重量轻、可阵列化和可以使用在弯曲表面等要求，实现产业化应用。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及微传感器
，具体地，涉及一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器及制备方法。
技术介绍
随着科学技术的发展，机器人、智能传感等技术的发展越来越快，而传感器技术是其发展的基础。目前的传感器大多为分体式传感器，即需要分别单独安装某一特性功能的传感器，如测量温度、压力、湿度、检测气体等。因此所需的面积大、成本高，尤其不利于安装在一些对尺寸要求严格的场合。为此，集成化和微型化是传感器未来发展的必然趋势。集成化是指将一个(多个)功能相同(不同)的传感器或者集成电路集成在一个模块当中，达到减小系统尺寸、降低系统功耗、简化封装、降低成本、器件更微型化等目的。目前的集成型传感器中的压力传感器，主要分为压阻式压力传感器和电容式压力传感器。压阻式传感器的主要结构是用电镀或扩散的方法在平面硅薄膜上最大应变的位置形成电阻，来提高灵敏度。这些传感器的压阻实际测量的是薄膜边缘的应变；此外还有采用金属应变片，利用金属的应变效应来检测压力的变化。但这类压阻式传感器为增大输出信号而采用桥路的方式进行布置，并且为增大应变率而往往需要在薄膜下面刻蚀出一个空腔，因此增大了工艺复杂性和工艺难度。电容式压力传感器通常采用多电容结构，一个作为参考电容，另一个作为测量电容检测电容随压力变化量。压力电容也需要开空腔，并且工艺复杂，灵敏度比较低。而这些结构都不具备柔性，不能应用在任意曲面上，这就限制了传感器的使用范围。近些年来，柔性高分子聚合物材料如聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、环氧树脂等由于其成本低，柔性好，粘附性好、内应力低、制备工艺简单等优点，碳系材料如炭黑、石墨、碳纳米管、石墨烯等由于其良好的导电性，被用来作为导电填料。把碳系材料和高分子材料复合制备柔性压阻式传感器，或者高分子材料由于介电性能优异，用来制备柔性电容式传感器，已经被广大科研学者广泛研究。目前的温度传感器研究已比较成熟，主要是运用金属材料随温度变化电阻率变化的特性。应用较多的是铂、钯、银和铜，可以达到较高的准确度。用来制备湿度传感器的感湿材料主要有陶瓷、多孔硅和高分子聚合物。陶瓷作为感湿材料是利用吸附或凝聚在粒子表面上的水分子作为导电通路，吸湿量变化导致质子传导性相应改变。高分子电解质材料吸湿后，水分子偶极矩的存在使其介电常数得到很大的提高。也由于高分子聚合物具备较好的柔性和机械性能，常用来制备柔性湿度传感器。
技术实现思路
针对现有技术中的缺陷，本专利技术的目的是提供一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器及制备方法，利用MEMS加工技术将温湿压传感器集成，减小传感系统的体积，降低了生产成本，且具备柔性的特点可以使其应用复杂的曲面上，极大地提高了其应用范围。根据本专利技术的一个方面，提供一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器，包括：柔性基底，所述柔性基底上设有压力传感器、温度传感器以及湿度传感器，其中：所述压力传感器是由导电填料填充PDMS复合材料作为压敏介质的压力传感器，所述温度传感器是由对温度敏感的金属电阻形成的温度传感器，所述湿度传感器为聚酰亚胺湿度传感器。优选地，所述柔性基底包括玻璃基底，在玻璃基底上先旋涂聚合物粘附层，再贴干膜聚酰亚胺PI而形成。采用该基底可以使器件具有良好的柔性。更优选地，所述聚合物粘附层为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、环氧树脂中的一种。使用该种材料，既可以起到粘结的作用，固化后，也可以使上层器件进行很好的脱离，简化了工艺步骤。优选地，所述导电填料为炭黑、石墨、碳纳米管、石墨烯或其复合填料的一种。由于其具有很好的导电性，和PDMS混合工艺简单，其复合材料因隧道效应具有很好的压阻性。优选地，所述对温度敏感的金属电阻的材料为铂金、钯、银或铜，其电阻率对温度变化敏感，且具有很高的准确度和较宽的测量范围，制备工艺比较简单。优选地，所述压力传感器、温度传感器、湿度传感器均阵列化，通过多次甩胶光刻图形化形成，并批量生产。根据本专利技术的另一个方面，提供一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器的制备方法，所述方法包括如下步骤：第一步、在玻璃基片上甩一层聚合物粘附层，并在聚合物粘附层上粘贴聚酰亚胺PI干膜以形成柔性基底；第二步、在聚酰亚胺PI干膜上甩胶，光刻图形化感温电阻丝；之后溅射1-3微米厚的金属电阻丝和衬底接出引线，并去除图形化留下的光刻胶，以形成温度传感器；第三步、旋涂光刻胶做掩膜层以遮盖金属电阻丝，光刻图形化湿度传感器电极和衬底接出引线；溅射湿度传感器电极和衬底接出引线，并去除图形化留下的光刻胶；旋涂聚酰亚胺PI并烘干，之后旋涂光刻胶，光刻图形化湿敏介质PI，显影去除图形化留下的聚酰亚胺PI和光刻胶；之后固化湿敏介质PI并去除光刻胶，以形成湿度传感器；第四步、旋涂光刻胶以遮盖温度传感器和湿度传感器，对压力传感器进行光刻图形化；旋涂压敏复合材料，烘干；溅射Cr/Cu金属层，再旋涂光刻胶，光刻图形化压力传感器电极和衬底接出引线；最后去除图形化留下的光刻胶和Cr/Cu金属层以形成压力传感器；第五步，把聚酰亚胺PI干膜从玻璃基底上揭下来，最终形成以柔性聚合物PI为基底的单片集成温度、湿度和压力的柔性传感器。优选地，第一步中，所述聚合物粘附层的厚度为5-20微米。优选地，第三步中，所述掩膜层的光刻胶的厚度大于3微米。优选地，第三步中，所述湿度传感器电极为叉指型、平板型、螺旋形、蛇形中的一种。更优选地，所述湿度传感器电极的材料为Cr/Cu，其中Cr作为种子层，其很好的粘结作用。优选地，第三步中，所述烘干的温度为110-150℃；所述固化的温度为210-270℃。优选地，第四步中，所述压敏复合材料的制备方法为：将导电填料和PDMS预聚物按照质量比(1～4):100混合，加入稀释剂(比如OS-20)，之后球磨10-24h使其混合均匀，再加入PDMS固化剂，球磨1-3h后脱气，从而形成压敏复合材料。与现有技术相比，本专利技术具有如下的有益效果：本专利技术先通过光刻显影工艺进行图形化，溅射形成金属电阻丝，进行Lift-off工艺去除多余光刻胶，制备温度传感器；然后通过多次重复甩胶光刻显影和溅射工艺，从而形成一种单片集成温湿压的柔性传感器。该制备过程的工艺流程简单，成本较低，可用于工业化生产。本专利技术通过使用导电填料填充PDMS复合材料制备压阻性柔性传感器，使传感器的制作成本降低了很多，其柔性得到了很大的提升，其极强的柔性使其可以应用在各种复杂的曲面上，扩大了其使用范围。附图说明通过阅读参照以下附图对非限制性实施例所作的详细描述，本专利技术的其它特征、目的和优点将会变得更明显：图1为本专利技术一实施例的结构俯视图；图2为本专利技术一实施例的结构正视图；图3为本专利技术一实施例的柔性压阻传感器的结构示意图，其中：(a)为正视图，(b)为A-A剖视图；图4为本专利技术一实施例的柔性温度传感器的结构示意图，其中：(a)为正视图，(b)为B-B剖视图；图5为本专利技术一实施例的柔性湿度传感器的结构示意图，其中：(a)为正视图，(b)为C-C剖视图；图中：柔性基底1、感压材料2、压敏传感器电极3、感温电阻丝4、叉指电极5、感湿介质6。具体实施方式下面结合具体实施例对本专利技术进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本专利技术，但不以任何形式限制本专利技术。应当指出的是，对本领域的普通技本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器，所述传感器包括：柔性基底，其特征在于，所述柔性基底上设有压力传感器、温度传感器以及湿度传感器，其中：所述压力传感器是由导电填料填充聚二甲基硅氧烷PDMS复合材料作为压敏介质的压力传感器，所述温度传感器是由对温度敏感的金属电阻形成的温度传感器，所述湿度传感器为聚酰亚胺湿度传感器。

【技术特征摘要】
1.一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器，所述传感器包括：柔性基底，其特征在于，所述柔性基底上设有压力传感器、温度传感器以及湿度传感器，其中：所述压力传感器是由导电填料填充聚二甲基硅氧烷PDMS复合材料作为压敏介质的压力传感器，所述温度传感器是由对温度敏感的金属电阻形成的温度传感器，所述湿度传感器为聚酰亚胺湿度传感器。2.根据权利要求1所述的一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器，其特征在于，所述柔性基底包括玻璃基底，在玻璃基底上先旋涂聚合物粘附层，再贴干膜聚酰亚胺PI而形成。3.根据权利要求2所述的一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器，其特征在于，所述聚合物粘附层为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、环氧树脂中的一种。4.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器，其特征在于，所述导电填料为炭黑、石墨、碳纳米管、石墨烯或其复合填料的一种。5.根据权利要求1-3任一项所述的一种基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器，其特征在于，所述对温度敏感的金属电阻的材料为铂金、钯、银或铜中的一种。6.一种权利要求1-5任一项所述的基于聚合物衬底的单片集成温湿压柔性传感器的制备方法，其特征在于，所述方法包括如下步骤：第一步、在玻璃基片上甩一层聚合物粘附层，并在聚合物粘附层上粘贴聚酰亚胺PI干膜以形成柔性基底；第二步、在聚酰亚胺PI干膜上甩胶，光刻图形化感温电阻丝；之后溅射金属电阻丝和衬底接出引线，并去除图形化留下的光刻胶，以形成温度传感器；第三步、旋涂光刻胶做掩膜层以遮盖金属电阻丝，光刻图形化湿度传感器电极和衬底接出引线；溅射湿度传感器电极...

【专利技术属性】
技术研发人员：李红芳，丁桂甫，杨卓青，赵梦圆，
申请(专利权)人：上海交通大学，
类型：发明
国别省市：上海;31