本發(fā)明屬于無線通信領(lǐng)域，具體涉及一種柔性無源無線聲表面波傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)：

聲表面波SAW傳感器的核心部件包括壓電基底和沉積在基底上的叉指換能器，叉指換能器是類似手指交叉狀的金屬圖案，可以實(shí)現(xiàn)聲電之間的相互轉(zhuǎn)換。聲表面?zhèn)鞲衅骶哂畜w積小、結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、測量精度高等特點(diǎn)，可以用其測量溫度、濕度、壓力、氣體和生物參數(shù)等多種指標(biāo)。與傳統(tǒng)傳感器相比，其最突出的特點(diǎn)就是可以實(shí)現(xiàn)無源無線，因此在高溫高速、強(qiáng)磁強(qiáng)電等苛刻環(huán)境下工作，而實(shí)現(xiàn)其柔性化可以繼續(xù)拓寬其適用條件。

柔性聲表面波器件由于其輕便、柔軟可彎曲的特點(diǎn)，是一種值得研究并很有前景的一種柔性電子器件。已有報(bào)道的做法是在柔性有機(jī)聚合物上沉積或?yàn)R射一層壓電薄膜從而實(shí)現(xiàn)柔性化，但由于柔性基底和壓電薄膜之間晶格不匹配嚴(yán)重、兩者熱膨脹系數(shù)相差太大、制備工藝復(fù)雜苛刻等原因，得到的壓電層的晶格質(zhì)量和表面粗糙度通常比直接在硬基底上生長的壓電層性能差很多，除此之外，能夠用這種方法生長的柔性壓電薄膜很有限。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)以上現(xiàn)有問題中存在的問題，本發(fā)明提出一種柔性無源無線聲表面波傳感器及其制備方法。

本發(fā)明的一個(gè)目的在于提出一種柔性無源無線聲表面波傳感器。

本發(fā)明的柔性無源無線聲表面波傳感器包括：SAW傳感器、平面螺旋天線、應(yīng)變隔離體和柔性基底；其中，柔性基底的中間設(shè)置有應(yīng)變隔離體；SAW傳感器通過粘附層印制在應(yīng)變隔離體的表面，SAW傳感器的平面形狀為矩形，平面尺寸小于應(yīng)變隔離體的平面尺寸；在柔性基底的表面并且位于應(yīng)變隔離體的周圍，印制有平面螺旋天線；平面螺旋天線的形狀為平面的兩條對(duì)稱的螺旋線，圍繞在SAW傳感器的周圍；SAW傳感器和平面螺旋天線電學(xué)連接；SAW傳感器包括壓電層和頂電極，壓電層的厚度為10～100μm；或者SAW傳感器包括頂電極、壓電層和底電極，壓電層的厚度為1～10μm；應(yīng)變隔離體為在柔性基底中間的突起結(jié)構(gòu)，通過3D打印技術(shù)、表面涂覆法或表面聚合接枝法制備的梯度聚合物，彈性模量由下而上逐漸減??；平面螺旋天線接收外部的信號(hào)激勵(lì)和接收裝置發(fā)射的激勵(lì)信號(hào)，使得SAW傳感器發(fā)生諧振經(jīng)逆壓電效應(yīng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)化為聲信號(hào)，聲信號(hào)在壓電層傳播過程中受到外部環(huán)境參數(shù)的調(diào)制，被調(diào)制的聲信號(hào)再經(jīng)壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)化為電信號(hào)即傳感信號(hào)，該信號(hào)經(jīng)由平面螺旋天線輻射出去，被外部的信號(hào)激勵(lì)和接收裝置接收，并由計(jì)算機(jī)處理后得到外部環(huán)境參數(shù)。

SAW傳感器的厚度為1～10μm，頂電極厚度為100～200nm；平面螺旋天線的厚度為13～15μm；應(yīng)變隔離體的厚度為0.3～0.5mm；柔性基底的厚度為0.3～0.5mm。

SAW傳感器的結(jié)構(gòu)由SAW傳感器的制備方法決定；采用減薄工藝制備的SAW傳感器包括壓電層和頂電極，對(duì)壓電層進(jìn)行減薄加工，厚度為10～100μm，而SAW傳感器水平尺寸為1*1mm～4*4mm比較小，因此具有一定的柔性；采用刻蝕犧牲層轉(zhuǎn)印工藝制備的SAW傳感器包括頂電極、壓電層和底電極，采用半導(dǎo)體制備工藝形成的壓電層厚度為1～10μm；壓電層的材料采用鈮酸鋰、鋯鈦酸鉛、鈮鎂酸鉛PMNPT和氧化鋅中的一種。頂電極為叉指電極，通過調(diào)整叉指電極的形狀尺寸來調(diào)整SAW傳感器的工作頻率。SAW傳感器可以測量質(zhì)量、溫度、濕度、壓力和扭矩；當(dāng)涂覆特定敏感薄膜層時(shí)可測量氣體及生化指標(biāo)。

平面螺旋天線的平面形狀為兩條對(duì)稱的螺旋線，縱向?yàn)槿髦谓Y(jié)構(gòu)，包括兩層保護(hù)層以及二者中間的金屬層；其中，保護(hù)層起到支撐保護(hù)的作用，中間的金屬層為功能層，接收激勵(lì)信號(hào)并發(fā)射傳感信號(hào)。進(jìn)一步，平面螺旋天線在螺旋線的基礎(chǔ)上，彎曲成正旋波形，能夠在具有柔性的同時(shí)兼?zhèn)湟欢ǖ难诱剐浴?/p>

應(yīng)變隔離體和柔性基底采用柔性有機(jī)聚合物，如聚酰亞胺PI、聚二甲基硅氧烷PDMS或共聚酯。應(yīng)變隔離體下表面的彈性模量為2～3MPa，上表面的彈性模量為1～1.5MPa。

平面螺旋天線與SAW傳感器相連，為了使激勵(lì)源工作在最大功率輸出狀態(tài)，在平面螺旋天線與SAW傳感器之間添加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)采用L型、π型或T型匹配網(wǎng)絡(luò)。SAW傳感器通過粘附層印制在應(yīng)變隔離體上，柔性天線印制在SAW周圍的柔性基底上，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)設(shè)置在柔性基底上。

本發(fā)明通過減小SAW傳感器的彎曲剛度EI，實(shí)現(xiàn)SAW傳感器的柔性，其中，慣性距I與SAW傳感器的厚度的三次方成正比，因此可以通過減小SAW傳感器的厚度來減小彎曲剛度從而實(shí)現(xiàn)柔性化。

本發(fā)明采用應(yīng)變隔離體隔離應(yīng)變的原理在于：在柔性基底發(fā)生彎曲變形的時(shí)候，應(yīng)變能大部分集中在柔性基底上，通過有限元驗(yàn)證，應(yīng)變隔離體產(chǎn)生形變很小，在整體結(jié)構(gòu)彎曲時(shí)，SAW傳感器只產(chǎn)生很小的彎曲變形，更好的保護(hù)柔性SAW傳感器不被破壞。

本發(fā)明的另一個(gè)目的在于提出一種柔性無源無線聲表面波傳感器的制備方法。

本發(fā)明的柔性無源無線聲表面波傳感器的制備方法，包括以下步驟：

1)提供柔性基底，柔性基底的厚度為0.3～0.5mm；

2)在柔性基底的表面，且位于中間的位置，采用3D打印技術(shù)、表面涂覆法或表面聚合接枝法制備梯度聚合物，在柔性基底上形成突起結(jié)構(gòu)，作為應(yīng)變隔離體；

3)采用減薄工藝，或者刻蝕犧牲襯底轉(zhuǎn)印工藝，制備SAW傳感器：

a)減薄工藝制備SAW傳感器：

i.提供塊狀壓電層；

ii.在塊狀壓電層上形成頂電極；

iii.采用研磨技術(shù)對(duì)壓電層進(jìn)行減薄加工，使得厚度為10～100μm，得到柔性的SAW傳感器；

b)刻蝕犧牲襯底轉(zhuǎn)印工藝制備SAW傳感器：

i.提供硬基底；

ii.在硬基底上，采用半導(dǎo)體制備工藝，制備層狀材料，層狀材料從下至上依次為犧牲層、底電極、壓電層和頂電極，其中，頂電極厚度為100～200nm，壓電層的厚度為1～10μm；

iii.頂電極的表面通過光刻并結(jié)合刻蝕技術(shù)完成圖案化，圖案的形狀為插指形狀，形成頂電極，壓電層和底電極通過干法刻蝕曝露出犧牲層，壓電層和底電極的形狀為正方形，平面尺寸為1*1mm～4*4mm，然后用濕法刻蝕的方法去掉犧牲層，從而底電極與硬基底分離；

iv.通過印章或機(jī)械剝離的方法將底電極、壓電層和頂電極從硬基底上撕起，得到SAW傳感器；

4)在應(yīng)變隔離體上涂覆一層粘附層，然后將SAW傳感器印制在應(yīng)變隔離體上，二者充分貼合；

5)制備平面螺旋天線；

6)將平面螺旋天線印制在應(yīng)變隔離體周圍的柔性基底上，平面螺旋天線圍繞在SAW傳感器的周圍，并且關(guān)于SAW傳感器左右對(duì)稱；

7)將平面螺旋天線與SAW傳感器電學(xué)連接。

其中，在步驟5)中，制備平面螺旋天線，包括以下步驟：

i.在天線基底上制備天線犧牲層；

ii.在天線犧牲層上旋涂保護(hù)層，沉積金屬層，再旋保護(hù)層，得到兩層保護(hù)層夾著金屬層的三明治結(jié)構(gòu)；

iii.通過光刻和刻蝕工藝完成圖案化，圖案為平面的兩條對(duì)稱的螺旋線；

iv.去掉天線犧牲層；

v.將三明治結(jié)構(gòu)從天線基底上撕起，得到平面螺旋天線。

在步驟7)中，進(jìn)一步，在平面螺旋天線與SAW傳感器之間添加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)采用L型、π型或T型匹配網(wǎng)絡(luò)。

本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)：

本發(fā)明采用傳統(tǒng)的工藝得到壓電層，再通過減薄工藝或刻蝕犧牲層轉(zhuǎn)印的方法制備小尺寸的SAW傳感器，既保留了在硬基底上生長的高質(zhì)量壓電層，又實(shí)現(xiàn)了其柔性化；除此之外，將平面螺旋天線通過轉(zhuǎn)印技術(shù)印制在柔性基底上，SAW傳感器印制在應(yīng)變隔離體上，實(shí)現(xiàn)了無線無源功能并使整體結(jié)構(gòu)緊湊、柔軟，可以工作在曲面上，可穿戴如皮膚上實(shí)時(shí)探測人體溫度等，具有廣泛的應(yīng)用前景。本發(fā)明不用考慮晶格失配、熱胖脹系數(shù)相差太大和壓電層制備工藝的限制等問題，直接在硬基底制備壓電層，通過減薄或刻蝕犧牲層轉(zhuǎn)印技術(shù)制備柔性SAW傳感器，具有晶體質(zhì)量高性能優(yōu)異的特點(diǎn)；實(shí)現(xiàn)了SAW傳感器和平面螺旋天線的柔性化，具有無線無源功能、整體結(jié)構(gòu)緊湊、柔軟、可穿戴，拓寬了SAW傳感器的應(yīng)用領(lǐng)域；本發(fā)明的應(yīng)變隔離體及系統(tǒng)也可以為其他柔性電子器件的制備提供借鑒。

附圖說明

圖1為本發(fā)明的柔性無源無線聲表面波傳感器的一個(gè)實(shí)施例的示意圖，其中，(a)為俯視圖，(b)為側(cè)視圖；

圖2為本發(fā)明的柔性無源無線聲表面波傳感器的平面螺旋天線改進(jìn)后的螺旋形狀；

圖3為本發(fā)明的柔性無源無線聲表面波傳感器的制備SAW傳感器的層狀材料的剖面圖；

圖4為本發(fā)明的柔性無源無線聲表面波傳感器的SAW傳感器印制在應(yīng)變隔離體上的剖面圖；

圖5為本發(fā)明的柔性無源無線聲表面波傳感器的平面螺旋天線的剖面圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖，通過具體實(shí)施例，進(jìn)一步闡述本發(fā)明。

如圖1所示，本實(shí)施例的柔性無源無線聲表面波傳感器包括：SAW傳感器1、平面螺旋天線2、應(yīng)變隔離體3和柔性基底4；其中，柔性基底4的中間設(shè)置有應(yīng)變隔離體3；SAW傳感器1通過粘附層印制在應(yīng)變隔離體3的表面；在柔性基底的表面并且位于應(yīng)變隔離體的周圍，印制有平面螺旋天線2；平面螺旋天線的形狀為平面的兩條對(duì)稱的螺旋線，圍繞在SAW傳感器的周圍；SAW傳感器1和平面螺旋天線2電學(xué)連接。

進(jìn)一步，可在平面螺旋天線在螺旋線的基礎(chǔ)上，彎曲成正旋波形，如圖2所示。

本實(shí)施例中采用刻蝕犧牲襯底轉(zhuǎn)印工藝制備SAW傳感器1，如圖4所示，從下至上依次包括底電極13、壓電層12和頂電極11，厚度依次為200nm、5μm、200nm，材料分別采用金、鈮酸鋰和金。平面螺旋天線2包括兩層保護(hù)層21，采用塑料PI，厚度4μm；兩層保護(hù)層之間的金屬層采用銅，厚度5μm。應(yīng)變隔離體采用共聚酯聚合物，厚度0.5mm，彈性模量由下而上逐漸減小，下表面的彈性模量為2MPa，上表面的彈性模量為1MPa。柔性基底4采用共聚酯，厚度0.5mm。

本發(fā)明的柔性無源無線聲表面波傳感器的制備方法，包括以下步驟：

1)提供柔性基底，柔性基底的厚度為0.5mm。

2)在柔性基底的表面，且位于中間的位置，采用3D打印技術(shù)制備梯度的共聚酯，在柔性基底上形成突起結(jié)構(gòu)，作為應(yīng)變隔離體。

3)采用刻蝕犧牲襯底轉(zhuǎn)印工藝，制備SAW傳感器：

i.提供硬基底硅片；

ii.在基底15上，通過熱氧化法或干氧化法制備一層二氧化硅作為犧牲層14，再通過磁控濺射或電子束真空鍍膜鍍一層金屬金作為底電極13，然后通過化學(xué)氣相沉積制備壓電層12，材料采用鈮酸鋰，最后磁控濺射或電子束真空鍍膜鍍一層金屬金作為頂電極11，即完成了層狀結(jié)構(gòu)的制備，如圖3所示；

iii.頂電極的表面通過光刻并結(jié)合刻蝕技術(shù)完成圖案化，圖案的形狀為插指形狀，壓電層和底電極通過干法刻蝕曝露出犧牲層，壓電層和底電極的平面尺寸為2*2mm，然后用濕法刻蝕的方法去掉犧牲層，從而底電極與硬基底分離；

iv.通過印章或機(jī)械剝離的方法將底電極、壓電層和頂電極從硬基底上撕起，得到SAW傳感器。

4)在應(yīng)變隔離體上涂覆一層粘附層16，然后將SAW傳感器印制在應(yīng)變隔離體3上，二者充分貼合，如圖4所示。

5)制備平面螺旋天線：

i.在硅基底上制備天線犧牲層；

ii.在天線犧牲層上旋涂保護(hù)層21，材料為PI，沉積金屬層22，金屬為銅，再旋保護(hù)層21，得到兩層保護(hù)層夾著金屬層的三明治結(jié)構(gòu)，如圖5所示；

iii.通過光刻和刻蝕工藝完成圖案化，圖案為平面的兩條對(duì)稱的螺旋線；

iv.去掉天線犧牲層；

v.將三明治結(jié)構(gòu)從天線基底上撕起，得到平面螺旋天線。

6)將平面螺旋天線印制在應(yīng)變隔離體周圍的柔性基底上，平面螺旋天線圍繞在SAW傳感器的周圍，并且關(guān)于SAW傳感器左右對(duì)稱；

7)將平面螺旋天線與SAW傳感器電學(xué)連接，在平面螺旋天線與SAW傳感器之間添加阻抗匹配網(wǎng)絡(luò)，如圖1所示。

最后需要注意的是，公布實(shí)施例的目的在于幫助進(jìn)一步理解本發(fā)明，但是本領(lǐng)域的技術(shù)人員可以理解：在不脫離本發(fā)明及所附的權(quán)利要求的精神和范圍內(nèi)，各種替換和修改都是可能的。因此，本發(fā)明不應(yīng)局限于實(shí)施例所公開的內(nèi)容，本發(fā)明要求保護(hù)的范圍以權(quán)利要求書界定的范圍為準(zhǔn)。