本發(fā)明涉及一種柔性壓力傳感器及其制備方法，屬于半導(dǎo)體技術(shù)領(lǐng)域。

背景技術(shù)：

二十世紀(jì)八十年代以來(lái)，基于微機(jī)電系統(tǒng)(Micro-Electro-Mechanical System，MEMS)技術(shù)的傳感器得到非常迅速的發(fā)展。與傳統(tǒng)的傳感器相比，MEMS傳感器具有體積小、重量輕、成本低、功耗低、可靠性高、適于批量化生產(chǎn)、易于集成和實(shí)現(xiàn)智能化的特點(diǎn)。同時(shí)，微米量級(jí)的特征尺寸使得它可以完成某些傳統(tǒng)機(jī)械傳感器所不能實(shí)現(xiàn)的功能。

其中，MEMS壓力傳感器是最早開(kāi)始研制的微機(jī)電系統(tǒng)產(chǎn)品，也是微機(jī)電技術(shù)中最成熟、最早開(kāi)始產(chǎn)業(yè)化的產(chǎn)品。從信號(hào)檢測(cè)方式來(lái)看，MEMS壓力傳感器分為壓阻式和電容式兩類，分別以體微機(jī)械加工技術(shù)和犧牲層技術(shù)為基礎(chǔ)制造。從敏感膜結(jié)構(gòu)來(lái)看，有圓形、方形、矩形、E形等多種結(jié)構(gòu)。壓阻式壓力傳感器的精度可達(dá)0.05％～0.01％，年穩(wěn)定性達(dá)0.1％/F.S，溫度誤差為0.0002％，耐壓可達(dá)幾百兆帕，過(guò)壓保護(hù)范圍可達(dá)傳感器量程的20倍以上，并能進(jìn)行大范圍下的全溫補(bǔ)償。

MEMS壓力傳感器廣泛應(yīng)用于汽車電子：如輪胎壓力監(jiān)測(cè)系統(tǒng)(Tire Pressure Monitoring System，TPMS)、發(fā)動(dòng)機(jī)機(jī)油壓力傳感器、汽車剎車系統(tǒng)空氣壓力傳感器、汽車發(fā)動(dòng)機(jī)進(jìn)氣歧管壓力傳感器(TMAP)、柴油機(jī)共軌壓力傳感器；消費(fèi)電子：如胎壓計(jì)、血壓計(jì)、櫥用秤、健康秤，洗衣機(jī)、洗碗機(jī)、電冰箱、微波爐、烤箱、吸塵器用壓力傳感器，空調(diào)壓力傳感器，洗衣機(jī)、飲水機(jī)、洗碗機(jī)、太陽(yáng)能熱水器用液位控制壓力傳感器；工業(yè)電子：如數(shù)字壓力表、數(shù)字流量表、工業(yè)配料稱重等。

典型的MEMS硅壓阻式壓力傳感器采用周邊固定的圓形的應(yīng)力杯硅薄膜內(nèi)壁，采用MEMS技術(shù)直接將四個(gè)高精密半導(dǎo)體應(yīng)變片刻制在其表面應(yīng)力最大處，組成惠斯通測(cè)量電橋，作為力電變換測(cè)量電路，將壓力這個(gè)物理量直接變換成電信號(hào)，其測(cè)量精度能達(dá)0.01％～0.03％F.S。硅壓阻式壓力傳感器結(jié)構(gòu)一般上下二層是玻璃體，中間是硅片，硅片中部做成一應(yīng)力杯，其應(yīng)力杯硅薄膜上部有一真空腔，使之成為一個(gè)典型的絕壓壓力傳感器。應(yīng)力杯硅薄膜與真空腔接觸這一面經(jīng)光刻生成電阻應(yīng)變片電橋電路。當(dāng)外面的壓力經(jīng)引壓腔進(jìn)入傳感器應(yīng)力杯中，應(yīng)力杯硅薄膜會(huì)因受外力作用而微微向上鼓起，發(fā)生彈性變形，四個(gè)電阻應(yīng)變片因此發(fā)生電阻變化，破壞原先的惠斯通電橋電路平衡，電橋輸出與壓力成正比的電壓信號(hào)。

近幾年來(lái)，隨著微納米加工制造水平的不斷提高，以及半導(dǎo)體及材料領(lǐng)域的不斷擴(kuò)展，可以通過(guò)不同的高精度制造工藝和方法來(lái)實(shí)現(xiàn)柔性電子器件的制備。此類柔性電子器件具有在拉、壓、彎和扭等變形下保持良好性能的能力，以及良好的便攜性和適應(yīng)性。

而柔性壓力傳感器因其柔軟、高彈性、可拉伸等優(yōu)點(diǎn)成為許多柔性電子器件的重要組成部分，廣泛用于可穿戴電子、環(huán)境監(jiān)測(cè)、人機(jī)接口等領(lǐng)域，更是受到國(guó)內(nèi)外廣泛的關(guān)注。

目前，常用的柔性壓力傳感器大部分都是基于柔性材質(zhì)上形成一層金屬電極，然后在電極之間設(shè)置半導(dǎo)體或納米材料，形成壓敏電阻層。例如，中國(guó)專利申請(qǐng)(公開(kāi)號(hào)：CN105758562A)公開(kāi)了一種基于柔性襯底的壓力傳感器，該專利申請(qǐng)公開(kāi)了在柔性襯底上利用轉(zhuǎn)移的方式制作碳納米管薄膜(CNT)，然后分別將柔性聚二甲基硅氧烷(PDMS)材質(zhì)將碳納米管薄膜包覆在中間，形成具有壓阻效應(yīng)的柔性壓力傳感器。雖然該專利實(shí)現(xiàn)了在柔性襯底上制備柔性傳感器，但是由于碳納米管本身容易團(tuán)聚的特點(diǎn)，其單獨(dú)作為敏感材質(zhì)有操控性差、重復(fù)精度低、穩(wěn)定性差等方面的缺陷。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)背景技術(shù)中所述的現(xiàn)有技術(shù)所存在的問(wèn)題和缺陷，提供一種柔性壓力傳感器及其制備方法，以克服現(xiàn)有技術(shù)中的不足。

為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種柔性壓力傳感器，包括柔性襯底、柔性上蓋和間隔設(shè)置在所述柔性襯底和所述柔性上蓋之間的電極，所述電極之間設(shè)置包含有半導(dǎo)體電阻和導(dǎo)電溝道的電路。

進(jìn)一步，所述電路為惠斯通電橋。

進(jìn)一步，所述電極的導(dǎo)電材料為金屬材料或?qū)щ娋酆衔铮鼋饘俨牧蟽?yōu)選為Au、Ag、或Ti，所述導(dǎo)電聚合物優(yōu)選為聚吡略、聚乙炔、聚酯和聚酰胺。

進(jìn)一步，所述電極的厚度優(yōu)選為0.1～10μm。

進(jìn)一步，所述半導(dǎo)體電阻采用碳納米管/聚酰亞胺、碳納米管/聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)、石墨烯/聚酰亞胺、石墨烯/聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)、碳納米管/石墨烯復(fù)合材料中的一種或幾種。

進(jìn)一步，所述半導(dǎo)體電阻的厚度優(yōu)選為0.05～10μm。

進(jìn)一步，所述柔性襯底和所述柔性上蓋的材料優(yōu)選為聚酰亞胺(PI)，聚苯二甲酸乙二醇酯(PEN)、聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)，聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

進(jìn)一步，所述柔性襯底的厚度優(yōu)選為1～50μm。

本發(fā)明的一種柔性壓力傳感器的制備方法，包括如下步驟：

a、在硬質(zhì)襯底上以旋涂而后固化的方式形成所述柔性襯底或直接使用柔性材料作為所述柔性襯底；

b、在所述柔性襯底上制備形成間隔設(shè)置的所述電極和電路；

c、制備所述半導(dǎo)體電阻所用的復(fù)合材料；

d、在所述電極之間置入所述導(dǎo)電溝道和所述半導(dǎo)體電阻，使所述電極之間形成電連接；

e、制備所述柔性上蓋；

f、將所述柔性蓋板和所述柔性襯底進(jìn)行粘接或熱壓固化；

g、進(jìn)行整體剝離。

進(jìn)一步，所述半導(dǎo)體電阻所用的復(fù)合材料的制備步驟包括：

I、利用酸、堿溶液對(duì)碳納米管材料進(jìn)行除雜處理；

II、利用超聲、清洗、離心工藝步驟，對(duì)碳納米管材料進(jìn)行純化、分散處理；

III、對(duì)純化后的碳納米管材料進(jìn)行抽濾處理，獲得經(jīng)提純過(guò)的碳納米管材料；

IV、取適量聚合物前驅(qū)體，進(jìn)行充分混合、攪拌、抽氣，形成聚合物基體；

V、將提純后的碳納米管材料與聚合物基底混合在一起，進(jìn)行充分研磨、攪拌，即形成具有半導(dǎo)體性質(zhì)的復(fù)合材料。

有益效果：

本發(fā)明由于采用微納米加工技術(shù)結(jié)合現(xiàn)代印刷電子技術(shù)，可在純?nèi)嵝砸r底上實(shí)現(xiàn)惠斯通電橋式壓力傳感器的構(gòu)建，避免傳統(tǒng)半導(dǎo)體工藝制備硬質(zhì)襯底(如硅)壓力傳感器的工藝流程復(fù)雜、高溫工藝影響大等方面的缺陷，實(shí)現(xiàn)柔性傳感器的一體化制備。通過(guò)采用微納米加工技術(shù)、現(xiàn)代印刷電子技術(shù)、納米碳材料和聚合物材料等相結(jié)合，在柔性襯底上制備具有惠斯通電橋結(jié)構(gòu)式的柔性壓力傳感器，其制備工藝簡(jiǎn)單、成本較低、性能良好、適于規(guī)?；a(chǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖中：1、柔性襯底；2、導(dǎo)電溝道；3、半導(dǎo)體電阻；4、電極；5、柔性上蓋。

具體實(shí)施方式

為了更加清楚的說(shuō)明本發(fā)明的技術(shù)方案，下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施例進(jìn)行詳細(xì)的描述。

實(shí)施例一

如圖1所示：一種柔性壓力傳感器，包括柔性襯底1、柔性上蓋5和間隔設(shè)置在所述柔性襯底1和所述柔性上蓋5之間的電極4，所述電極4之間設(shè)置包含有半導(dǎo)體電阻3和導(dǎo)電溝道2組成的電路。

所述電路為惠斯通電橋,所述電極4的材料為Au。

所述半導(dǎo)體電阻3采用碳納米管/聚酰亞胺復(fù)合材料。

所述柔性襯底1和所述柔性上蓋5的材料為聚酰亞胺。

制備方法

一種柔性壓力傳感器的制備方法，包括如下步驟：

1、在硬質(zhì)襯底上以旋涂而后進(jìn)行固化的方式形成所述柔性襯底1，具體的，硬質(zhì)襯底采用硅襯底，首先，對(duì)硅襯底進(jìn)行清洗，利用稀硫酸溶液、丙酮溶液等進(jìn)行污染物處理，然后經(jīng)過(guò)去離子水超聲清洗，去除表面的顆粒和污染物，然后利用旋涂工藝在硅襯底表面旋涂一層液體聚酰亞胺，在程控烘箱中進(jìn)行固化處理，溫度100～180攝氏度，獲得厚度在1～20μm級(jí)別的聚酰亞胺薄膜；

2、在所述柔性襯底1上制備形成間隔設(shè)置的所述電極4和電路，具體的，在制備的好的聚酰亞胺薄膜上面，旋涂一層1～10μm的正性光刻膠，經(jīng)過(guò)堅(jiān)膜、后烘等工藝后，進(jìn)行紫外曝光，圖形化出惠斯通電橋電路結(jié)構(gòu)，在圖形化的惠斯通電橋電路結(jié)構(gòu)上，進(jìn)行磁控濺射金屬Au，厚度在100～500nm，利用溶液法對(duì)所濺射的金屬Au進(jìn)行剝離，形成以金屬Au為電極電路的惠斯通電橋電路結(jié)構(gòu)；

3、制備所述半導(dǎo)體電阻3所用的復(fù)合材料，具體包括：

I、利用鹽酸和雙氧水的混合溶液去除碳納米管材料中的金屬雜質(zhì)；

II、利用超聲、清洗、離心工藝步驟，對(duì)納米級(jí)的碳納米管材料進(jìn)行純化、分散處理；

III、對(duì)純化后的碳納米管材料進(jìn)行抽濾處理，提取出具有高純度的半導(dǎo)體型單壁碳納米管；

IV、將單壁碳納米管分散在乙二醇溶液中，進(jìn)行超聲分散處理；

V、加入液體聚酰亞胺進(jìn)行混合，形成碳納米管/聚酰亞胺混合溶液；

4、在所述電極4之間置入所述導(dǎo)電溝道2和所述半導(dǎo)體電阻3，使所述電極4之間形成電連接，具體的，將制備好的的碳納米管/聚酰亞胺混合溶液，利用氣溶膠打印工藝，在所述電極4之間形成所述導(dǎo)電溝道2和所述半導(dǎo)體電阻3；

5、制備所述柔性上蓋5，具體的，在硅襯底上旋涂正性光刻膠2～5μm，通過(guò)堅(jiān)膜、后烘等工藝，利用紫外曝光形成所要刻蝕的區(qū)域；利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，先將硅片表層的二氧化硅層刻蝕完畢，然后利用深反應(yīng)離子技術(shù)將硅襯底刻蝕10～100μm，作為所述柔性上蓋5的母版，將聚酰亞胺溶液旋涂在刻蝕好的母版上，經(jīng)過(guò)100～150攝氏度固化處理，然后進(jìn)行機(jī)械剝離，形成所述柔性上蓋5；

6、將所述柔性蓋板5和所述柔性襯底1進(jìn)行粘接或熱壓固化，具體的，將所述柔性上蓋5通過(guò)紫外固化的工藝與惠斯通電橋進(jìn)行鍵合，形成整體的柔性壓力傳感器。

7、進(jìn)行整體剝離,利用機(jī)械剝離的方法，將柔性壓力傳感器從硬質(zhì)襯底上釋放出來(lái)，獲得完整的柔性壓力傳感器。

實(shí)施例二

一種柔性壓力傳感器，包括柔性襯底1、柔性上蓋5和間隔設(shè)置在所述柔性襯底1和所述柔性上蓋5之間的電極4，所述電極4之間設(shè)置包含有半導(dǎo)體電阻3和導(dǎo)電溝道2組成的電路。

所述電路為惠斯通電橋。所述電極4的材料為Ti/Cu。

所述半導(dǎo)體電阻3采用碳納米管/聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)復(fù)合材料。

所述柔性襯底1和所述柔性上蓋5的材料為聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

制備方法

一種柔性壓力傳感器的制備方法，包括如下步驟：

1)在硬質(zhì)襯底上以旋涂而后進(jìn)行固化的方式形成所述柔性襯底1，具體地，硬質(zhì)襯底采用硅襯底，首先，對(duì)硅襯底進(jìn)行清洗，利用稀硫酸溶液、丙酮溶液等進(jìn)行污染物處理，然后經(jīng)過(guò)去離子水超聲清洗，去除表面的顆粒和污染物，然后利用旋涂工藝在硅襯底表面旋涂一層液體聚二甲基硅氧烷(PDMS)，在程控烘箱中進(jìn)行固化處理，溫度100～180攝氏度，獲得厚度在1～20μm級(jí)別的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜；

2)在所述柔性襯底1上制備形成間隔設(shè)置的所述電極4和電路，具體的,在固化好的PDMS薄膜上濺射一層金屬Ti/Cu作為金屬引導(dǎo)層，其中Ti層厚度30nm～50nm，Cu厚度在150nm～300nm；在Ti/Cu金屬層上旋涂一層正性光刻膠，通過(guò)堅(jiān)膜、后烘等工藝，利用紫外曝光形成惠斯通電橋區(qū)域，利用精密電沉積技術(shù)，在惠斯通電橋區(qū)域，襯底5～20μm的金屬Cu，形成金屬化的惠斯通電橋電路，在沉積好惠斯通電橋電路之后，利用丙酮溶液、去離子水等將多余的光刻膠去除，然后再次進(jìn)行正性光刻膠的旋涂，通過(guò)堅(jiān)膜、后烘等工藝，利用紫外曝光形成半導(dǎo)體電阻區(qū)域；

3)制備所述半導(dǎo)體電阻3所用的復(fù)合材料，具體包括如下步驟：

I、利用鹽酸和雙氧水的混合溶液去除碳納米管材料中的金屬雜質(zhì)；

II、利用超聲、清洗、離心工藝步驟，對(duì)納米級(jí)的碳納米管材料進(jìn)行純化、分散處理；

III、對(duì)純化后的碳納米管材料進(jìn)行抽濾處理，提取出具有高純度的半導(dǎo)體型單壁碳納米管；

IV、PDMS前驅(qū)體進(jìn)行充分混合，并進(jìn)行抽濾、除氣等方面的工藝步驟；

V、然后將制備好的的碳納米管與一定粘度的聚二甲基硅氧烷(PDMS)溶液相混合，然后經(jīng)過(guò)充分的掩膜，攪拌，形成均勻分散的碳納米管/聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合溶液；

4)在所述電極4之間置入所述導(dǎo)電溝道2和所述半導(dǎo)體電阻3，使所述電極4之間形成電連接，具體的，將制備好的的碳納米管/聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合溶液，旋涂在惠斯通電橋電路區(qū)域，再旋涂一層光刻膠，經(jīng)過(guò)曝光后，進(jìn)行等離子體刻蝕，形成所述半導(dǎo)體電阻3；

5)制備所述柔性上蓋5，具體的，在硅襯底上旋涂正性光刻膠2～5μm，通過(guò)堅(jiān)膜、后烘等工藝，利用紫外曝光形成所要刻蝕的區(qū)域；利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，先將硅片表層的二氧化硅層刻蝕完畢，然后利用深反應(yīng)離子技術(shù)將硅襯底刻蝕10～100μm，作為所述柔性上蓋5的母版，將聚酰亞胺溶液旋涂在刻蝕好的母版上，經(jīng)過(guò)100～150攝氏度固化處理，然后進(jìn)行機(jī)械剝離，形成所述柔性上蓋5；

6)將所述柔性蓋板5和所述柔性襯底1進(jìn)行粘接或熱壓固化，具體的，將所述柔性上蓋5通過(guò)紫外固化的工藝與惠斯通電橋進(jìn)行鍵合，形成整體的柔性壓力傳感器。

7)進(jìn)行整體剝離,利用機(jī)械剝離的方法，將柔性壓力傳感器從硬質(zhì)襯底上釋放出來(lái)，獲得完整的柔性壓力傳感器。

實(shí)施例三

一種柔性壓力傳感器，包括柔性襯底1、柔性上蓋5和間隔設(shè)置在所述柔性襯底1和所述柔性上蓋5之間的電極4，所述電極4之間設(shè)置包含有半導(dǎo)體電阻3和導(dǎo)電溝道2組成的電路。

所述電路為惠斯通電橋。所述電極4材料為Ag。

所述半導(dǎo)體電阻3采用碳納米管/石墨烯復(fù)合材料。

所述柔性襯底1的材料為聚對(duì)苯二甲酸乙二酯(PET)。

所述柔性上蓋5的材料為微聚酰亞胺。

制備方法

一種柔性壓力傳感器的制備方法，其特征在于，包括：

(1)在硬質(zhì)襯底上以旋涂而后進(jìn)行固化的方式形成所述柔性襯底1，具體地，硬質(zhì)襯底采用PET襯底,首先，對(duì)PET襯底進(jìn)行清洗，利用稀硫酸溶液、丙酮溶液等進(jìn)行污染物處理，將清洗干凈的PET襯底利用等離子體處理，增加其表面結(jié)合力；

(2)在所述柔性襯底1上制備形成間隔設(shè)置的所述電極4和電路，具體的,利用氣溶膠打印技術(shù)，在PET襯底上形成金屬Ag材質(zhì)的柔性壓力傳感器的惠斯通電橋電路區(qū)域，將打印形成的Ag材質(zhì)的惠斯通電橋電路在100～150攝氏度進(jìn)行固化，去除Ag漿料中的添加劑，形成惠斯通電橋電路；

(3)制備所述導(dǎo)電溝道2復(fù)合材料，具體的包括：

I、利用鹽酸和雙氧水的混合溶液去除碳納米管材料中的金屬雜質(zhì)；

II、利用超聲、清洗、離心工藝步驟，對(duì)納米級(jí)的碳納米管材料進(jìn)行純化、分散處理；

III、對(duì)純化后的碳納米管材料進(jìn)行抽濾處理，提取出具有高純度的半導(dǎo)體型單壁碳納米管；

IV、然后取適量提純后的單壁碳納米管結(jié)合SDS分散劑，進(jìn)行噪聲、離心處理；

V、將高純度氧化石墨烯溶解在去離子水溶液，進(jìn)行充分的攪拌，形成氧化石墨烯的水溶液，將SDS分散的單壁碳納米管溶液和氧化石墨烯溶液混合，形成碳納米管/石墨烯混合溶液；

(4)在所述電極4之間置入所述導(dǎo)電溝道2和所述半導(dǎo)體電阻3，使所述電極4之間形成電連接，具體的，利用氣溶膠打印工藝，將碳納米管/石墨烯混合溶液，在惠斯通電橋電路直接形成所述導(dǎo)電溝道2，利用氫碘酸對(duì)氧化石墨烯進(jìn)行還原，形成石墨烯結(jié)構(gòu)，與碳納米管形成混合結(jié)構(gòu)的所述半導(dǎo)體電阻3；

(5)制備所述柔性上蓋5，具體的，在硅襯底上旋涂正性光刻膠2～5μm，通過(guò)堅(jiān)膜、后烘等工藝，利用紫外曝光形成所要刻蝕的區(qū)域；利用反應(yīng)離子刻蝕技術(shù)，先將硅片表層的二氧化硅層刻蝕完畢，然后利用深反應(yīng)離子技術(shù)將硅襯底刻蝕10～100μm，作為所述柔性上蓋5的母版，將聚酰亞胺溶液旋涂在刻蝕好的母版上，經(jīng)過(guò)100～150攝氏度固化處理，然后進(jìn)行機(jī)械剝離，形成所述柔性上蓋5；

(6)將所述柔性蓋板5和所述柔性襯底1進(jìn)行粘接或熱壓固化，，具體的，將所述柔性上蓋5通過(guò)紫外固化的工藝與惠斯通電橋進(jìn)行鍵合，形成整體的柔性壓力傳感器。

(7)進(jìn)行整體剝離,利用機(jī)械剝離的方法，將柔性壓力傳感器從硬質(zhì)襯底上釋放出來(lái)，獲得完整的柔性壓力傳感器。

除上述實(shí)施例外，本發(fā)明還可以有其他實(shí)施方式，凡采用等同替換或等效變換形成的技術(shù)方案，均落在本發(fā)明要求的保護(hù)范圍內(nèi)。