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一种柔性力热集成 传感器

阅读：490发布：2024-01-10

专利汇可以提供一种柔性力热集成传感器专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且一种柔性力热集成传感器，其制作方法是先在柔性衬底上制作叉指电极结构的铂电极，然后制备具有栅线结构的软模具凹模；再制作压电功能材料，将压电功能材料滴在软模具凹模上，进行刮涂填充，形成栅线内充分填充且栅线外不留膜的结构；再在具有铂电极的柔性衬底上滴加无水乙醇，将刮涂了压电功能材料的软模具凹模按压在铂电极，快速置于烘台上加热，使压电功能材料从软模具凹模中脱离出来粘接于铂电极上；揭去软模具凹模，形成铂电极‑压电功能材料的叠层结构；将封装胶滴加在铂电极‑压电功能材料的叠层结构上，自然流平将叠层结构区全部覆盖，极化后得到柔性力热集成传感器结构，能够测量温度和力，具有灵敏度高、成本低、重量轻的优点。，下面是一种柔性力热集成传感器专利的具体信息内容。

权利要求

1.一种柔性力热集成传感器的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
第一步，选择柔性基底聚酰亚胺薄膜作为柔性衬底(1)，在柔性衬底(1)上通过光刻显影溅射剥离的方法制作叉指电极结构的铂电极(4)；
第二步，将柔性聚合物材料采用硅模具通过翻模工艺制备具有栅线结构的软模具凹模(6)；
第三步，将压电材料P(VDF-TrFE)粉末配置成为具有压电功能的P(VDF-TrFE)溶液，作为压电功能材料(3)；
第四步，将压电功能材料(3)滴在PDMS栅线结构的软模具凹模(6)上，进行刮涂填充，形成栅线内充分填充且栅线外不留膜的结构；
第五步，在具有铂电极(4)的柔性衬底(1)上滴加无水乙醇(5)，将刮涂了压电功能材料(3)的软模具凹模(6)按压在铂电极(4)区，无水乙醇(5)在该区形成一层液膜，快速置于烘台上加热，无水乙醇(5)蒸发时，使压电功能材料(3)从软模具凹模(6)中脱离出来粘接于铂电极(4)上；揭去软模具凹模(6)，形成铂电极-压电功能材料的叠层结构；
第六步，将配制好的封装胶PDMS 184(2)滴加在铂电极-压电功能材料的叠层结构上，自然流平封装胶PDMS 184(2)将叠层结构区全部覆盖；
第七步，将第六步处理后的结构置于110℃保温箱，引线连接器件对其以20V/μm的大小施加电压，此过程进行一小时，即完成极化，得到柔性力热集成传感器；
所述的一种柔性力热集成传感器，包括柔性衬底(1)，柔性衬底(1)上制作有叉指结构的铂电极(4)，铂电极(4)上制作有压电功能材料(3)，铂电极(4)、压电功能材料(3)外封装有封装胶PDMS 184(2)。
2.根据权利要求1所述的一种柔性力热集成传感器的制作方法，其特征在于：所述的第三步中将压电材料P(VDF-TrFE)粉末配置成为具有压电功能的P(VDF-TrFE)溶液，具体为：
将P(VDF-TrFE)粉末与二甲基甲酰胺(DMF)溶剂以1.5:10比例在60℃水浴下磁力搅拌至完全溶解，静置脱泡配制成15％的P(VDF-TrFE)溶液，即为具有压电功能的P(VDF-TrFE)溶液。

说明书全文

一种柔性力热集成 传感器

技术领域

[0001] 本发明属于微纳制造技术领域，具体涉及一种柔性力热集成传感器。

背景技术

[0002] 随着科学技术的发展和产品更高的使用要求，汽车家电、航空航天、智能装备等领域设计都越发精密，对产品的便携性、柔性要求越来越高，对产品运行的多项指标实时监测已成为标配。在众多监测指标中，力的测量非常普遍，通常有压电式传感器、压阻式传感器、电容式传感器、电磁式传感器，其中压电式传感器以其结构简单、体积小、灵敏度高等优势具有重要地位。

[0003] 压电传感材料中，PVDF由于其轻便，材质柔韧、低密度、低阻抗和高压电电压常数等优点被广泛研究应用。在PVDF中加入三氟乙烯(TrFE)可以改善PVDF的晶体结构，提高聚合物薄膜的压电性能，进一步拓展压电高分子材料的应用范围。在制造领域，有对机械振动的测量以及振动的主动控制检测、机床切削力以及无损检测的应用；在装备领域，有对水下探测、加速度测量、智能穿戴、机器人技术等的应用；在人体健康监测领域，有能量转换、呼吸、心跳、运动状态等的监测。

[0004] 然而，在这些力的测量应用过程中，并未考虑到温度对压电材料的影响。P(VDF-TrFE)材料需要通过极化使其具有较强的铁电性能，即拥有良好的压电性能。在极化过程以及后续使用过程中，温度都会对传感材料有一定影响，传感器的压电效率会随温度而改变，所以在传感器进行工作时，环境温度也会干扰传感器的准确性。

发明内容

[0005] 为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种柔性力热集成传感器，柔性力热集成传感器具有测量温度和压力的复合功能，且其制作工艺简单，灵敏度高，成本低，重量轻，可做到柔性化，适用范围更广泛。

[0006] 为了实现上述目的，本发明采取如下技术方案：

[0007] 一种柔性力热集成传感器，包括柔性衬底1，柔性衬底1上制作有叉指结构的铂电极4，铂电极4上制作有压电功能材料3，铂电极4、压电功能材料3外封装有封装胶PDMS(184)2。

[0008] 一种柔性力热集成传感器的制作方法，包括以下步骤：

[0009] 第一步，选择柔性基底聚酰亚胺薄膜作为柔性衬底1，在柔性衬底1上通过光刻显影溅射剥离的方法制作叉指电极结构的铂电极4；

[0010] 第二步，将柔性聚合物材料采用硅模具通过翻模工艺制备具有栅线结构的软模具凹模6；

[0011] 第三步，将压电材料P(VDF-TrFE)粉末配置成为具有压电功能的P(VDF-TrFE)溶液，作为压电功能材料3；

[0012] 第四步，将压电功能材料3滴在PDMS栅线结构的软模具凹模6上，进行刮涂填充，形成栅线内充分填充且栅线外不留膜的结构；

[0013] 第五步，在具有铂电极4的柔性衬底1上滴加无水乙醇5，将刮涂了压电功能材料3的软模具凹模6按压在铂电极4区，无水乙醇5在该区形成一层液膜，快速置于烘台上加热，无水乙醇5 蒸发时，使压电功能材料3从软模具凹模6中脱离出来粘接于铂电极4上；揭去软模具凹模6，形成铂电极-压电功能材料的叠层结构；

[0014] 第六步，将配制好的封装胶PDMS(184)2滴加在铂电极-压电功能材料的叠层结构上，自然流平封装胶PDMS(184)2将叠层结构区全部覆盖；

[0015] 第七步，将第六步处理后的结构置于110℃保温箱，引线连接器件对其以20V/μm的大小施加电压，此过程进行一小时，即完成极化，得到柔性力热集成传感器。

[0016] 所述的第三步中将压电材料P(VDF-TrFE)粉末配置成为具有压电功能的P(VDF-TrFE)溶液，具体为：将P(VDF-TrFE)粉末与二甲基甲酰胺(DMF)溶剂以1.5:10比例在60℃水浴下磁力搅拌至完全溶解，静置脱泡配制成15％的P(VDF-TrFE)溶液，即为具有压电功能的P(VDF-TrFE)溶液。

[0017] 所述的第二步中柔性聚合物材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)。

[0018] 本发明的有益效果为：

[0019] 本发明柔性力热集成传感器能够通过温度传感器监测温度，对压力传感器进行温度补偿，从而提高压力传感器的精确性，解决了传统传感器功能单一，体积大，适用范围有限等众多问题。同时，柔性力热集成传感器结构简单，制作工艺简单，灵敏度高，测量方便，可做到柔性化拓宽了适用范围，能够在多个监测场合与设备集成，在航空航天、智能装备等领域有广泛的应用前景。附图说明

[0020] 图1为在柔性衬底上溅射形成叉指结构的铂电极示意图。

[0021] 图2为在软模具凹模上刮涂了压电功能材料的示意图。

[0022] 图3为利用液桥转印压电功能材料的示意图。

[0023] 图4为形成的铂电极-压电功能材料的叠层结构的示意图。

[0024] 图5为图4的俯视图，其中铂电极与压电功能材料垂直搭接。

[0025] 图6为本发明封装极化完成的柔性力热集成传感器结构示意图。

具体实施方式

[0026] 下面将结合附图对本发明做详细描述。

[0027] 一种柔性力热集成传感器的制造方法，包括以下步骤：

[0028] 第一步，溅射法制备铂电极4：选择柔性基底聚酰亚胺薄膜作为柔性衬底1，先将柔性基底聚酰亚胺薄膜剪裁至合适大小，用去离子水清洗干净，烘干水分，在匀胶机上旋涂EPG535光刻胶，低速500rad/min，9s，高速1500rad/min，30s；匀胶完成之后在95℃烘台上放置10min，将光刻胶烘干，冷却后进行光刻工艺；将匀胶完成的柔性基底聚酰亚胺薄膜进行曝光8s，配制5‰NaOH溶液作为显影液，显影时间20s，形成了结构区无光刻胶、非结构区有光刻胶的薄膜基底；在薄膜基底上溅射一层厚度为100纳米的金属铂，将溅射完成的薄膜置于酒精溶液中，浸泡20min，超声10min，有光刻胶的非结构区金属铂脱落，结构区的金属铂留下形成叉指结构的铂电极4，如图1所示；

[0029] 第二步，制备具有栅线结构的软模具凹模6：选择合适尺寸的硅模具，将PDMS本体：固化剂为10:1混合，制成PDMS混合物，将PDMS混合物抽真空10min，浇筑在硅模具上，再次抽真空5min，置于60℃烘台上，使PDMS混合物固化，1h后将硅模具揭开，形成具有栅线结构的软模具凹模6；

[0030] 第三步，配制压电功能材料3：将P(VDF-TrFE)粉末与二甲基甲酰胺(DMF)溶剂以1.5:10比例在60℃水浴下磁力搅拌至完全溶解，搅拌过程中会产生气泡，静置脱泡配制成
15％的P(VDF-TrFE)溶液，作为压电功能材料3；

[0031] 第四步，刮涂压电功能材料3：将压电功能材料3滴在PDMS栅线结构的软模具凹模6上，进行刮涂填充，形成栅线内充分填充且栅线外不留膜的结构，如图2所示；

[0032] 第五步，转印压电功能材料3：在具有铂电极4的柔性衬底1上滴加无水乙醇5，将刮涂了压电功能材料3的软模具凹模6按压在铂电极4区，无水乙醇5在该区形成一层液膜，快速置于烘台上加热，如图3所示；无水乙醇蒸发时，液桥力大于压电功能材料3与软模具凹模6之间的粘附力，使压电功能材料3从软模具凹模6中脱离出来粘接于铂电极4上；揭去软模具凹模6，形成铂电极-压电功能材料的叠层结构，如图4、图5所示，图5为图4的俯视图，可观察到铂电极4与压电功能材料3垂直搭接；

[0033] 第六步，器件封装：先配制封装胶PDMS(184)2，将本体：固化剂为10:1混合，抽真空5min，将其滴加在铂电极-压电功能材料的叠层结构上，自然流平封装胶PDMS(184)2，形成一层薄膜，将铂电极-压电功能材料的叠层结构区全部覆盖，如图6所示，封装一方面是为了保护叠层结构不被破坏，另一方面是为极化工艺做准备，若不封装，在极化过程中压电功能材料3与空气接触容易被击穿，从而失去良好的压电效应；

[0034] 第七步，高温极化：由于所使用的压电功能材料3在未经极化的时候不具备良好的压电效应，所以需要对其进行高温极化才会有良好的使用效果，将第六步处理后的结构置于110℃保温箱，引线连接器件对其以20V/μm的大小施加电压，此过程进行一小时，即完成极化，得到柔性力热集成传感器。

[0035] 参照图6，一种柔性力热集成传感器，包括柔性衬底1，柔性衬底1上制作有叉指结构的铂电极4，铂电极4上制作有压电功能材料3，铂电极4、压电功能材料3外封装有封装胶PDMS(184)2。

[0036] 本发明通过在结构化压电功能材料上增加温度传感器的方法对压力传感器进行温度补偿，同时，柔性力热集成传感器结构简单，制作工艺简单，灵敏度高，测量方便，可做到柔性化拓宽了适用范围，也拓宽了传感器可使用的温度环境，能够在多个监测场合与设备集成，在航空航天、智能装备等领域有广泛的应用前景。

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