本申請(qǐng)涉及嵌入式傳感器制造，具體而言，涉及硬質(zhì)基底表面嵌入式柔性應(yīng)變傳感器和其制造工藝及裝置。

背景技術(shù)：

1、面向以數(shù)字化、智能化為核心的新一輪工業(yè)革命背景，涵蓋了新計(jì)算技術(shù)、人工智能、高端裝備、先進(jìn)材料、生命健康等多個(gè)關(guān)鍵技術(shù)領(lǐng)域，并致力于實(shí)現(xiàn)物理世界與數(shù)字世界的深度融合。

2、柔性應(yīng)變傳感器作為一種先進(jìn)的材料技術(shù)，具有高延展性、可穿戴等優(yōu)點(diǎn)，可貼附于各種不規(guī)則的待測(cè)物體表面，監(jiān)測(cè)待測(cè)物表面及內(nèi)部的應(yīng)變大小，將傳感器的應(yīng)變變化轉(zhuǎn)變成可視的電信號(hào)，從而實(shí)現(xiàn)對(duì)引起應(yīng)變的外界刺激信號(hào)的實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)的傳感器件，這一特性使得柔性應(yīng)變傳感器在仿生皮膚、健康監(jiān)測(cè)、軟體機(jī)器人、人機(jī)交互等領(lǐng)域具有廣泛的應(yīng)用前景。

3、但是，傳統(tǒng)柔性應(yīng)變傳感器因其體積大且多采用分立元件，柔性差且難以接近待測(cè)點(diǎn)，不能滿足小型化特點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)小型元件的精準(zhǔn)檢測(cè)，同時(shí)對(duì)于不規(guī)則物體表面貼附易脫落，難以適應(yīng)一些狹小的空間或復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)，不能滿足整體化和多樣化的檢測(cè)要求。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)思路

1、為了解決傳統(tǒng)柔性應(yīng)變傳感器因其體積大且多采用分立元件，柔性差且難以接近待測(cè)點(diǎn)，不能滿足小型化特點(diǎn)，難以實(shí)現(xiàn)小型元件的精準(zhǔn)檢測(cè)，同時(shí)對(duì)于不規(guī)則物體表面貼附易脫落，難以適應(yīng)一些狹小的空間或復(fù)雜曲面結(jié)構(gòu)，不能滿足整體化和多樣化的檢測(cè)要求的問題，本申請(qǐng)?zhí)峁┝擞操|(zhì)基底表面嵌入式柔性應(yīng)變傳感器和其制造工藝及裝置。

2、本申請(qǐng)的實(shí)施例是這樣實(shí)現(xiàn)的：

3、第一方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┯操|(zhì)基底表面嵌入式柔性應(yīng)變傳感器，包括硬質(zhì)基底、傳感材料層、電極層、絕緣層及保護(hù)層；

4、所述硬質(zhì)基底表面設(shè)置有一特定形狀的凹槽，其凹槽形狀為所需傳感器圖案，所述所需傳感器圖案根據(jù)傳感器特性進(jìn)行設(shè)計(jì)，包括弓字形及十字架形。

5、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述傳感材料層為通過噴涂應(yīng)變感知溶液，待溶液凝固后，形成的固態(tài)傳感層；

6、所述電極層為借助金屬掩膜版，通過噴涂一層5～50nmcnt形成，其作為電極使用；

7、所述絕緣層為通過精密激光切除非必要涂層，剝離清除傳感材料層和電極層邊緣非必要的部分，在電極層表面及周圍涂敷絕緣材料形成；

8、所述保護(hù)層材料包括三氧化二鉻、氧化鋁、氮化鋁、氧化硅、氮化硅、碳化硅、金剛石及摻雜金剛石中的一種或多種的復(fù)合材料制成。

9、第二方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┯操|(zhì)基底表面嵌入式柔性應(yīng)變傳感器制造工藝，包括：

10、表面凹槽加工：在機(jī)械手指表面或交互界面位置處，選擇需要部署傳感器的硬質(zhì)基底區(qū)域，通過精密激光雕刻出所需傳感器圖案的凹槽；

11、傳感材料層沉積：將具有應(yīng)變敏感的聚合物彈性體材料溶液化，利用傳感材料層掩模版保護(hù)凹槽周圍區(qū)域，通過重復(fù)多次滴入、注射、浸潤(rùn)、噴涂等方法將溶液填滿凹槽，基于溶液揮發(fā)、熱交聯(lián)或光固化等方法在凹槽內(nèi)固化成型；

12、電極層沉積：利用電極層掩模版保護(hù)凹槽周圍區(qū)域和傳感材料層表面中間區(qū)域，位于兩端區(qū)域噴涂溶液化的導(dǎo)電溶液，通過溶液揮發(fā)等方法實(shí)現(xiàn)固化，借助掩模版形成特定圖案導(dǎo)電涂層，并通過導(dǎo)電銀漿以及銅線完成電極引線工作；

13、絕緣層沉積：通過精密激光切除非必要涂層，剝離清除傳感材料層和電極層邊緣非必要的部分，在電極層表面及周圍涂敷絕緣材料；

14、保護(hù)層沉積：在傳感器絕緣表面噴涂保護(hù)材料制作保護(hù)層，最終形成在硬質(zhì)基底表面嵌入柔性應(yīng)變傳感器。

15、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述表面凹槽加工，還包括：

16、通過等離子技術(shù)糙化凹槽表面以增大結(jié)合力。

17、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述硬質(zhì)基底的材料包括金屬和塑料，其形狀包括為平面、球面、圓柱面及不規(guī)則曲面。

18、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，若基底材料為金屬，需首先在基底凹槽的四個(gè)側(cè)壁和底面噴涂覆蓋一層絕緣涂層，再制作傳感材料層、電極層以及保護(hù)層。

19、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，所述凹槽的尺寸寬度不超過2mm，深度不超過1mm，其所需傳感器圖案形狀包括條形、圓形、折線形、弓形及波浪形。

20、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，在所述電極層沉積步驟中，兩端所述電極層的制作借助金屬掩膜版，通過超聲噴涂沉積工藝在特定形狀槽內(nèi)的沉積一層5～50nm的電極沉積層材料作為電極，其中電極層的沉積工藝包括噴涂沉積，磁控濺射及絲網(wǎng)印刷。

21、在一種可能的實(shí)現(xiàn)方式中，在所述電極層沉積步驟中，其電極引線在電極層的基礎(chǔ)上通過噴涂工藝cnt制作兩側(cè)外延區(qū)域，并區(qū)分正負(fù)極引線，以達(dá)到正負(fù)極不短路，方便引線的效果。

22、第三方面，本申請(qǐng)?zhí)峁┮环N硬質(zhì)基底表面嵌入式柔性應(yīng)變傳感器，包括：

23、表面凹槽加工模塊，用于表面凹槽加工：在需要部署傳感器的硬質(zhì)基底區(qū)域進(jìn)行表面凹槽加工，所述硬質(zhì)基底的形狀可以為平面、球面、圓柱面及不規(guī)則曲面；

24、感知層沉積模塊，用于傳感材料層沉積：在凹槽中，填充傳感材料層，所述傳感材料層是通過溶液蒸發(fā)沉積或者反應(yīng)固化生長(zhǎng)的材料；

25、電極層沉積模塊，用于電極層沉積：在感知層表面噴涂溶液化的導(dǎo)電溶液，通過溶液揮發(fā)等方法固化，借助掩模版形成特定圖案導(dǎo)電涂層及引線；

26、絕緣層沉積模塊，用于絕緣層沉積：通過精密激光切除非必要涂層，剝離清除傳感材料層和電極層邊緣非必要的部分，在電極層表面及周圍涂敷絕緣材料；

27、保護(hù)層沉積模塊，用于保護(hù)層沉積：清除感知層和電極層邊緣非必要的部分，在電極層表面噴涂絕緣保護(hù)層材料，形成在硬質(zhì)基底表面嵌入的應(yīng)變傳感器。

28、本申請(qǐng)?zhí)峁┑募夹g(shù)方案至少可以達(dá)到以下有益效果：

29、本申請(qǐng)?zhí)峁┑挠操|(zhì)基底表面嵌入式柔性應(yīng)變傳感器和其制造工藝及裝置，通過激光加工和光刻技術(shù)工藝對(duì)硬質(zhì)基底進(jìn)行刻槽處理，并在槽內(nèi)填充膠凝形成柔性傳感材料層等，能充分保證柔性傳感材料層的高粘連性以及安全性，為柔性應(yīng)變傳感器的制作方法提供新思路。

技術(shù)特征：

1.一種硬質(zhì)基底表面嵌入式柔性應(yīng)變傳感器，其特征在于，包括硬質(zhì)基底、傳感材料層、電極層、絕緣層及保護(hù)層；

2.如權(quán)利要求1所述的硬質(zhì)基底表面嵌入式柔性應(yīng)變傳感器，其特征在于，所述傳感材料層為通過噴涂應(yīng)變感知溶液，待溶液凝固后，形成的固態(tài)傳感層；

3.硬質(zhì)基底表面嵌入式柔性應(yīng)變傳感器和其制造工藝及裝置，其特征在于，包括：

4.如權(quán)利要求3所述的硬質(zhì)基底表面嵌入式柔性應(yīng)變傳感器制造工藝，其特征在于，所述表面凹槽加工，還包括：

5.如權(quán)利要求3所述的硬質(zhì)基底表面嵌入式柔性應(yīng)變傳感器制造工藝，其特征在于，所述硬質(zhì)基底的材料包括金屬和塑料，其形狀包括為平面、球面、圓柱面及不規(guī)則曲面。

6.如權(quán)利要求3所述的硬質(zhì)基底表面嵌入式柔性應(yīng)變傳感器制造工藝，其特征在于，若基底材料為金屬，需首先在基底凹槽的四個(gè)側(cè)壁和底面噴涂覆蓋一層絕緣涂層，再制作傳感材料層、電極層以及保護(hù)層。

7.如權(quán)利要求3所述的硬質(zhì)基底表面嵌入式柔性應(yīng)變傳感器制造工藝，其特征在于，所述凹槽的尺寸寬度不超過2mm，深度不超過1mm，其所需傳感器圖案形狀包括條形、圓形、折線形、弓形及波浪形。

8.如權(quán)利要求3所述的硬質(zhì)基底表面嵌入式柔性應(yīng)變傳感器制造工藝，其特征在于，在所述電極層沉積步驟中，兩端所述電極層的制作借助金屬掩膜版，通過超聲噴涂沉積工藝在特定形狀槽內(nèi)的沉積一層5～50nm的電極沉積層材料作為電極，其中電極層的沉積工藝包括噴涂沉積，磁控濺射及絲網(wǎng)印刷。

9.如權(quán)利要求7所述的硬質(zhì)基底表面嵌入式柔性應(yīng)變傳感器制造工藝，其特征在于，在所述電極層沉積步驟中，其電極引線在電極層的基礎(chǔ)上通過噴涂工藝cnt制作兩側(cè)外延區(qū)域，并區(qū)分正負(fù)極引線，以達(dá)到正負(fù)極不短路，方便引線的效果。

10.一種硬質(zhì)基底表面嵌入式柔性應(yīng)變傳感器制造裝置，其特征在于，包括：

技術(shù)總結(jié)
本申請(qǐng)涉及嵌入式傳感器制造技術(shù)領(lǐng)域，具體而言，涉及硬質(zhì)基底表面嵌入式柔性應(yīng)變傳感器和其制造工藝及裝置，一定程度上可以解決傳統(tǒng)傳感器體積大且采用分立器件而難以接近待測(cè)點(diǎn)、測(cè)試環(huán)境惡劣的問題。傳感器包括硬質(zhì)基底、傳感材料層、電極層，絕緣層，保護(hù)層，傳感材料層和電極層依次填充在硬質(zhì)基底表面的凹槽內(nèi)，最后由保護(hù)層將整個(gè)傳感器包裹起來。其中硬質(zhì)基底上的凹槽由激光打標(biāo)機(jī)和精密激光刻出；所述傳感材料層是將具有應(yīng)變敏感的聚合物彈性體材料溶液噴涂至硬質(zhì)基底凹槽內(nèi)膠凝所形成；所述電極層采用CNT溶液噴涂的方法制作；所述絕緣保護(hù)層使用包括但不限于三氧化二鉻材料噴涂在最上層并進(jìn)行絕緣處理。

技術(shù)研發(fā)人員：朱子才,馬利,巨春越,胡橋,路靜,張勇
受保護(hù)的技術(shù)使用者：陜西闊維智動(dòng)機(jī)器人科技有限公司
技術(shù)研發(fā)日：
技術(shù)公布日：2024/9/9