一种抗交叉耦合的温度-压力集成传感阵列及其制备和封装方法技术

本发明专利技术公开了一种抗交叉耦合的温度

【技术实现步骤摘要】
一种抗交叉耦合的温度
‑
压力集成传感阵列及其制备和封装方法


[0001]本专利技术属于柔性电子领域，更具体地，设计一种抗交叉耦合的温度
‑
压力集成传感阵列及其制备和封装方法
。

技术介绍

[0002]柔性传感器因其良好的异性曲面共形能力
、
轻
、
薄
、
柔韧等优点，受到了国内外的研究人员的广泛关注，但近些年来，随着人工智能技术和柔性电子科学的不断发展，使得智能机器人
、
可穿戴设备等高新
发生了重大变革，柔性传感器作为人机交互的核心器件，人们对其提出了更高的要求
。
[0003]一方面，将机械力转换电信号的柔性压力传感器已经得到了充分发展，许多研究人员致力于引入微观结构来代替常见的平面结构，例如：金字塔结构
、
半球状微结构
、
天然仿生结构，在提高器件灵敏度方面取得了重大进步
。
然而，基于金字塔
、
半球状微结构的柔性压力传感器由于界面粘附和连接强度差，易导致界面分层等失效，且迟滞现象明显，响应速度缓慢；基于天然仿生结构的柔性压力传感器结构往往存在随机性，很难保证其稳定性与重复性
。
由此可见，现有柔性压力传感器的性能仍需要在响应时间
、
耐久性
、
稳定性与重复性这些方面进行综合提高
。
[0004]另一方面，现有柔性传感器往往只具备对压力或温度的单一功能传感或单点空间传感的能力，多参量感知时交叉耦合严重，限制了其在更多场景的广泛应用
。
赋予柔性传感器以多参量抗耦合集成感知和阵列化实现具有十分重要的现实意义
。

技术实现思路

[0005]为解决现有技术中存在的问题，本专利技术的目的在于提供了一种抗交叉耦合的温度
‑
压力集成传感阵列及其制备和封装方法，其具备温度与压力低耦合集成感知的能力，并具有响应时间
、
耐久性
、
稳定性和重复性好的特点
。
[0006]为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0007]一种抗交叉耦合的温度
‑
压力集成传感阵列，包括依次叠放设置的柔性基底
、
敏感层和柔性顶盖；
[0008]柔性基底上开设有多个呈阵列分布的贯通空腔；
[0009]敏感层包括设置于柔性基底一侧表面上的敏感层衬底和设置于敏感层衬底表面上的敏感单元
、
电极引线以及电极，敏感层衬底上在每个贯通空腔相对的位置均设有所述敏感单元；
[0010]每处敏感单元均包括压力敏感单元和温度敏感单元，其中，压力敏感单元与该敏感单元对应的贯通空腔正对，温度敏感单元设置在压力敏感单元的一侧，敏感层衬底上在压力敏感单元与温度敏感单元之间设有第一隔离空腔，第一隔离空腔贯通敏感层衬底的厚度方向；
[0011]所述压力敏感单元和温度敏感单元均与电极通过电极引线连接；
[0012]柔性基底上在与第一隔离空腔正对的位置开设有第二隔离空腔，第二隔离空腔贯通柔性基底的厚度方向；
[0013]柔性顶盖的表面在与每个压力敏感单元正对的位置设有凸起
。
[0014]优选的，所述柔性基底的材质采用
PDMS/BN
复合柔性材料，其中，
PDMS/BN
复合柔性材料通过
PDMS
液体
、
交联剂和氮化硼颗粒按照
(8
‑
12):1:(0.5
～
2)
的质量比混合制成；
[0015]敏感层衬底的材质采用聚酰亚胺
/
氮化硼复合材料，其中，聚酰亚胺
/
氮化硼复合材料通过氮化硼颗粒与
PI
预聚物溶液混合制成，氮化硼颗粒的质量为
PI
预聚物溶液的
5wt
％～
30wt
％
。
[0016]优选的，柔性基底上在与敏感层衬底相对的一侧表面设有空气流道，每个贯通空腔均对应连通有空气流道，空气流道的一端与贯通空腔连通，空气流道的另一端延伸至柔性基底的侧壁
。
[0017]优选的，第一隔离空腔和第二隔离空腔均采用矩形空腔，第一隔离空腔和第二隔离空腔的横截面相同；
[0018]每处敏感单元中，压力敏感单元和温度敏感单元的中心连线与第一隔离空腔的长度方向以及与第二隔离空腔的长度方向垂直
。
[0019]优选的，所述压力敏感单元的材料采用应变敏感金属，压力敏感电阻值为
1.5
‑
3k
Ω
。
[0020]优选的，贯通空腔的形状为圆形，压力敏感单元的形状采用锯齿发散状
、
螺旋形和
/
或折线形中的至少一种；
[0021]每个压力敏感单元的分布范围位于该压力敏感单元所正对的贯通空腔的范围内
。
[0022]优选的，温度敏感单元的材料采用温度敏感金属，温度敏感电阻值为1‑
2k
Ω
。
[0023]优选的，所述电极包括地电极以及测量电极；
[0024]每个压力敏感单元以及每个温度敏感单元各自通过电极引线引出一测量电极；
[0025]位于同一列上的敏感单元中，所有压力敏感单元和温度敏感单元公用一个地电极并通过电极引线与该地电极连接
。
[0026]本专利技术如上所述的抗交叉耦合的温度
‑
压力集成传感阵列的制备方法，包括如下步骤：
[0027]S1、
在硅片正面制备牺牲层；
[0028]S2、
在牺牲层上通过旋涂的方式制备敏感层衬底；
[0029]S3、
在敏感层衬底上采用剥离工艺完成压力敏感单元的图形化，形成压力敏感单元；
[0030]S4、
在敏感层衬底上再次采用剥离工艺完成温度敏感单元的图形化，形成温度敏感单元；
[0031]S5、
在敏感层衬底上再次采用剥离工艺完成电极以及电极引线的图形化；
[0032]S6、
通过感应耦合等离子体刻蚀，制备出敏感层衬底上的第一隔离空腔；
[0033]S7、
采用倒模工艺完成柔性基底与柔性顶盖的制备；
[0034]S8、
采用化学键合方法完成柔性基底
、
敏感层衬底与柔性顶盖这三部分的封装
。
[0035]本专利技术如上所述的抗交叉耦合的温度
‑
压力集成传感阵列的封装方法，包括如下
过程：
[0036]使用3‑
巯基丙基三甲氧基硅烷水溶液对敏感层衬底表面进行化学改性；所述3‑
巯基丙基三甲氧基硅烷水溶液为3‑
巯基丙基三甲氧基硅烷与本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.
一种抗交叉耦合的温度
‑
压力集成传感阵列，其特征在于，包括依次叠放设置的柔性基底
(1)、
敏感层和柔性顶盖
(6)
；柔性基底
(1)
上开设有多个呈阵列分布的贯通空腔
(1
‑
1)
；敏感层包括设置于柔性基底
(1)
一侧表面上的敏感层衬底
(2)
和设置于敏感层衬底
(2)
表面上的敏感单元
、
电极引线以及电极，敏感层衬底
(2)
上在每个贯通空腔
(1
‑
1)
相对的位置均设有所述敏感单元；每处敏感单元均包括压力敏感单元
(3)
和温度敏感单元
(4)
，其中，压力敏感单元
(3)
与该敏感单元对应的贯通空腔
(1
‑
1)
正对，温度敏感单元
(4)
设置在压力敏感单元
(3)
的一侧，敏感层衬底
(2)
上在压力敏感单元
(3)
与温度敏感单元
(4)
之间设有第一隔离空腔
(2
‑
1)
，第一隔离空腔
(2
‑
1)
贯通敏感层衬底
(2)
的厚度方向；所述压力敏感单元
(3)
和温度敏感单元
(4)
均与电极通过电极引线
(5)
连接；柔性基底
(1)
上在与第一隔离空腔
(2
‑
1)
正对的位置开设有第二隔离空腔
(1
‑
2)
，第二隔离空腔
(1
‑
2)
贯通柔性基底
(1)
的厚度方向；柔性顶盖
(6)
的表面在与每个压力敏感单元
(3)
正对的位置设有凸起
。2.
根据权利要求1所述的一种抗交叉耦合的温度
‑
压力集成传感阵列，其特征在于，所述柔性基底
(1)
的材质采用
PDMS/BN
复合柔性材料，其中，
PDMS/BN
复合柔性材料通过
PDMS
液体
、
交联剂和氮化硼颗粒按照
(8
‑
12):1:(0.5
～
2)
的质量比混合制成；敏感层衬底
(2)
的材质采用聚酰亚胺
/
氮化硼复合材料，其中，聚酰亚胺
/
氮化硼复合材料通过氮化硼颗粒与
PI
预聚物溶液混合制成，氮化硼颗粒的质量为
PI
预聚物溶液的
5wt
％～
30wt
％
。3.
根据权利要求1所述的一种抗交叉耦合的温度
‑
压力集成传感阵列，其特征在于，柔性基底
(1)
上在与敏感层衬底
(2)
相对的一侧表面设有空气流道
(1
‑
3)
，每个贯通空腔
(1
‑
1)
均对应连通有空气流道
(1
‑
3)
，空气流道
(1
‑
3)
的一端与贯通空腔
(1
‑
1)
连通，空气流道
(1
‑
3)
的另一端延伸至柔性基底
(1)
的侧壁
。4.
根据权利要求1所述的一种抗交叉耦合的温度
‑
压力集成传感阵列，其特征在于，第一隔离空腔
(2
‑
1)
和第二隔离空腔
(1
‑
2)
均采用矩形空腔，第一隔离空腔
(2
‑
1)
和第二隔离空腔
(1
‑
2)
的横截面相同；每处敏感单元中，压力敏感单元
(3)
和温度敏感单元
(4)
的中心连线与第一隔离空腔
(2
‑
1)
的长度方向以及与第二隔离空腔
(1
‑
2)
的长度方向垂直
。5.
根据权利要求1所述的一种抗交叉耦合的温度
‑
压力集成传感阵列，其特征在于，所述压力敏感单元
(3)
的材料采用应变敏感金属，压力敏感电阻值为
1.5
‑
3k
Ω
。6.
根据权利要求1或5所述的一种抗交叉耦合的温度
‑
压力集成传感阵列，...

【专利技术属性】
技术研发人员：罗国希，张冰晨，皮镝颖，赵立波，蒋庄德，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：