单金属层电极的多功能柔性变胞传感器、制备方法及应用技术

本发明专利技术属于传感器设计与制造领域，并具体公开了一种单金属层电极的多功能柔性变胞传感器、制备方法及应用。所述传感器包括金属功能层以及柔性基底，金属功能层包括第一应变栅、第一叉指电极、引线一以及引线二，第一应变栅包括M个首尾依次连接且平行布置的S型结构，第一叉指电极包括M根平行布置的叉指结构。所述制备方法包括基底层和牺牲层的制备、金属功能层的制备、传感器的剥离。本发明专利技术多功能柔性变胞传感器可应用于温度、应变、流速和湿度的测量。本发明专利技术可通过引线之间的变拓扑切换实现多功能小尺寸原位感知，同时，可实现少量引脚的变拓扑多模态的变胞感知，还可采用两种原理测量相互补充验证提高系统的鲁棒性和稳定性。

Multifunctional flexible cellular sensor with single metal layer electrode, preparation method and Application

【技术实现步骤摘要】
单金属层电极的多功能柔性变胞传感器、制备方法及应用
本专利技术属于传感器测量领域，更具体地，涉及一种单金属层电极的多功能柔性变胞传感器、制备方法及应用。
技术介绍
人体健康监测、人机交互、风洞测量测量、航空航天智能蒙皮等系统中，传感器件发挥着重要的作用。温度、变形、流场、湿度是影响人体健康和机体健康的重要因素。如温度过高会影响飞机的电子系统，大形变会导致机体产生裂纹，流场会影响机身效率，湿度会加快零部件的腐蚀。同样，对于电子皮肤而言，体表温度、张力、呼吸系统和环境流场，体表湿度等也关乎人体的健康和舒适度。但目前所采用的测试传感器多是单功能传感器，多个传感器并用的方式测量，功能少体积大，实时测量不便。因此对需要测量多个量的场合，设计可集测量温度、应变、流速、湿度为一体的传感器意义重大。不仅如此，传感器的设计除了能感知多个参数外，还需考虑其他因素影响，体积过大会限制传感器的应用场景，影响精度。硬质基板不能与被测表面完全贴合导致测量误差产生，多个功能传感器的集成会产生大量的引线，在体积和可操作性上存在很大的问题，多路复用会造成引脚之间的相互干扰，局部损伤会造成传感功能完全失效。因此传感器的设计还要做体积、柔性、引线数、鲁棒性方面的考量。目前多功能传感器设计取得了一定的发展，但许很多问题仍未解决。如专利技术专利201620798993.6中提到通过并排叉指结构实现的一种湿度、温度、光强的多功能传感器。该传感器功能较少，引脚数多且鲁棒性差。王等人采用表皮电子的方式在同一表面实现了温度、湿度、ECG等信号的采集(WangY,QiuY,AmeriSK,etal.Low-cost,μm-thick,tape-freeelectronictattoosensorswithminimizedmotionandsweatartifacts[J].npjFlexibleElectronics)，但是该种采集方式面积大，所用引线量大，且金属图案易损坏导致整个功能失效，鲁棒性差。其他多功能传感器也存在有类似的问题，要解决这些问题，需考虑多个方面的影响。综上所述，研究在柔性基底上、具备小尺寸、轻质量、高集成度特点的可通过少量引线实现多模态功能变胞测量的高鲁棒性单层金属电极传感器，具有十分重要的意义。
技术实现思路
针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本专利技术提供了一种单金属层电极的多功能柔性变胞传感器、制备方法及应用，其中结合柔性变胞传感器自身的特征及其多功能耦合的工艺特点，相应设计了多功能柔性变胞传感器，并对其关键组件如金属功能层的结构及其具体设置方式进行研究和设计，相应的可通过引线之间的变拓扑切换实现多功能小尺寸原位感知，同时，可实现少量引脚的变拓扑多模态的变胞感知，本专利技术还可采用两种原理测量相互补充验证提高系统的鲁棒性和稳定性。本专利技术设计了一种基于单层金属功能层的多功能柔性变胞传感器，本专利技术中对变胞传感器的多种模态感知进行设计，设计理念减少了彼此之间的相互干扰使其既能进行组合测量，又能进行拆分测量。因而尤其适用于在测量温度、应变、流速和湿度的应用，极大提高了系统的应用范围。为实现上述目的，本专利技术提出了一种单金属层电极的多功能柔性变胞传感器，包括金属功能层以及柔性基底，所述金属功能层设于所述柔性基底上，其中，所述金属功能层包括第一功能模块，所述第一功能模块包括第一应变栅、第一叉指电极、引线一以及引线二，所述第一应变栅的一端与所述引线一连接，所述第一叉指电极与所述引线二连接，且所述第一应变栅与所述第一叉指电极同侧对应布置，所述引线一与所述引线二同侧平行布置；所述第一应变栅包括M个首尾依次连接且平行布置的S型结构，所述第一叉指电极包括M根平行布置的叉指结构，每个所述S型结构与一根叉指结构对应平行设置，每根叉指结构伸入与其对应的S型结构中且与该S型结构保持一定间隙，以此方式，通过连接所述引线一与所述引线二，所述第一应变栅和第一叉指电极构成电容传感器，当所述柔性基底吸收水分时，电容传感器的介电常数改变，根据该介电常数改变的改变量实现对外界环境湿度的原位感知，其中M为大于1的整数。作为进一步优选的，所述金属功能层还包括第二功能模块，所述第二功能模块与第一功能模块的结构相同，且所述第二功能模块与第一功能模块对称布置；所述第二功能模块包括第二叉指电极、第二应变栅、引线三和引线四，其中，所述第二叉指电极与所述引线三连接，所述第二应变栅与所述引线四连接，所述第一应变栅远离所述引线一的一端与所述第二应变栅远离所述引线四的一端连接，以此方式，通过分别连接所述引线一与所述引线二或者所述引线三和引线四，所述第一应变栅和第一叉指电极或者所述第二叉指电极和第二应变栅构成电容传感器，且两个电容器的测量结果可相互验证；同时，通过连接所述引线一和所述引线四，所述第一应变栅和所述第二应变栅构成温度传感器。作为进一步优选的，所述金属功能层还包括第三功能模块，所述第三功能模块包括热电偶金属电极和引线五，其中，所述热电偶金属电极一端与所述引线五连接，另一端与所述第一应变栅和第二应变栅连接，以此方式，通过分别连接所述引线一和引线五或者引线四和引线五，所述热电偶金属电极与所述第一应变栅或者所述热电偶金属电极与所述第二应变栅构成温度传感器或者热损失型流速传感器，其中，所述温度传感器通过所述热电偶金属电极与所述第一应变栅或者所述热电偶金属电极与所述第二应变栅产生的电动势实现对环境的温度测量，且两个温度传感器的测量结果可相互验证，所述热损失型流速传感器通过控制对所述热电偶金属电极的加热，然后根据惠斯通电桥和线性补偿网络实现对所述热损失型流速传感器的电阻、电压等参数的测量，从而实现环境中热损失型流速的测量。作为进一步优选的，所述金属功能层还包括第四功能模块，所述第四功能模块的一端与所述第一叉指电极最靠近所述热电偶金属电极的一根叉指连接，另一端与第二叉指电极最靠近所述热电偶金属电极的一根叉指连接，所述第四功能模块包括多个首尾依次连接且平行布置的U型结构，以此方式，当连接所述接引线二和所述引线三，所述第一叉指电极与所述第二叉指电极构成应变测量传感器；当所述引线二和所述引线三连接很压电源作为热源，通过连接所述引线一和引线五测量上游温度，通过连接引线四和引线五测量下游温度，并根据热温差的公式实现取环境中的热损失型流速的测量。作为进一步优选的，所述多功能柔性变胞传感器还包括金属贴附层，该金属贴附层设于所述柔性基底远离所述金属功能层的一侧，以此方式，所述金属贴附层、所述柔性基底以及所述热电偶金属电极构成微带贴片天线，并通过该微带贴片天线谐振频率的变化获取环境的应变变化。作为进一步优选的，本专利技术中引线一、引线二、引线三、引线四、引线五、热电偶金属电极，第四功能模块，第一应变栅，第一叉指电极，第二叉指电极，第二应变栅均布置在同一水平面上。作为进一步优选的，本专利技术中引线一、引线二、引线三、引线四、第四功能模块，第一应变栅，第一叉指电极，第二叉指电极，第二应变栅的厚度相同，均为100nm～400nm；所述引线五、热电偶金属电极的厚度相同，均为50本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种单金属层电极的多功能柔性变胞传感器，其特征在于，包括金属功能层以及柔性基底，所述金属功能层设于所述柔性基底上，其中，/n所述金属功能层包括第一功能模块，所述第一功能模块包括第一应变栅(11)、第一叉指电极(10)、引线一(1)以及引线二(2)，所述第一应变栅(11)的一端与所述引线一(1)连接，所述第一叉指电极(10)与所述引线二(2)连接，且所述第一应变栅(11)与所述第一叉指电极(10)同侧对应布置，所述引线一(1)与所述引线二(2)同侧平行布置；/n所述第一应变栅(11)包括M个首尾依次连接且平行布置的S型结构，所述第一叉指电极(10)包括M根平行布置的叉指结构，每个所述S型结构与一根叉指结构对应平行设置，每根叉指结构伸入与其对应的S型结构中且与该S型结构保持一定间隙，以此方式，通过连接所述引线一(1)与所述引线二(2)，所述第一应变栅(11)和第一叉指电极(10)构成电容传感器，当所述柔性基底吸收水分时，电容传感器的介电常数改变，根据该介电常数改变的改变量实现对外界环境湿度的原位感知，其中M为大于1的整数。/n

【技术特征摘要】
1.一种单金属层电极的多功能柔性变胞传感器，其特征在于，包括金属功能层以及柔性基底，所述金属功能层设于所述柔性基底上，其中，
所述金属功能层包括第一功能模块，所述第一功能模块包括第一应变栅(11)、第一叉指电极(10)、引线一(1)以及引线二(2)，所述第一应变栅(11)的一端与所述引线一(1)连接，所述第一叉指电极(10)与所述引线二(2)连接，且所述第一应变栅(11)与所述第一叉指电极(10)同侧对应布置，所述引线一(1)与所述引线二(2)同侧平行布置；
所述第一应变栅(11)包括M个首尾依次连接且平行布置的S型结构，所述第一叉指电极(10)包括M根平行布置的叉指结构，每个所述S型结构与一根叉指结构对应平行设置，每根叉指结构伸入与其对应的S型结构中且与该S型结构保持一定间隙，以此方式，通过连接所述引线一(1)与所述引线二(2)，所述第一应变栅(11)和第一叉指电极(10)构成电容传感器，当所述柔性基底吸收水分时，电容传感器的介电常数改变，根据该介电常数改变的改变量实现对外界环境湿度的原位感知，其中M为大于1的整数。


2.根据权利要求1所述的一种单金属层电极的多功能柔性变胞传感器，其特征在于，所述金属功能层还包括第二功能模块，所述第二功能模块与第一功能模块的结构相同，且所述第二功能模块与第一功能模块对称布置；所述第二功能模块包括第二叉指电极(9)、第二应变栅(8)、引线三(3)和引线四(4)，其中，所述第二叉指电极(9)与所述引线三(3)连接，所述第二应变栅(8)与所述引线四(4)连接，所述第一应变栅(11)远离所述引线一(1)的一端与所述第二应变栅(8)远离所述引线四(4)的一端连接，以此方式，通过分别连接所述引线一(1)与所述引线二(2)或者所述引线三(3)和引线四(4)，所述第一应变栅(11)和第一叉指电极(10)或者所述第二叉指电极(9)和第二应变栅(8)构成电容传感器，且两个电容器的测量结果可相互验证；同时，通过连接所述引线一(1)和所述引线四(4)，所述第一应变栅(11)和所述第二应变栅(8)构成温度传感器。


3.根据权利要求2所述的一种单金属层电极的多功能柔性变胞传感器，其特征在于，所述金属功能层还包括第三功能模块，所述第三功能模块包括热电偶金属电极(6)和引线五(5)，其中，所述热电偶金属电极(6)一端与所述引线五(5)连接，另一端与所述第一应变栅(11)和第二应变栅(8)连接，以此方式，通过分别连接所述引线一(1)和引线五(5)或者引线四(4)和引线五(5)，所述热电偶金属电极(6)与所述第一应变栅(11)或者所述热电偶金属电极(6)与所述第二应变栅(8)构成温度传感器或者热损失型流速传感器，其中，所述温度传感器通过所述热电偶金属电极(6)与所述第一应变栅(11)或者所述热电偶金属电极(6)与所述第二应变栅(8)产生的电动势实现对环境的温度测量，且两个温度传感器...

【专利技术属性】
技术研发人员：黄永安，郭栋梁，杨朝熙，
申请(专利权)人：华中科技大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42