一種金屬薄膜柔性應(yīng)變傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明設(shè)及一種傳感元件及其制備方法，特別設(shè)及一種柔性應(yīng)變傳感器及其制 備，屬于材料及測(cè)量科學(xué)技術(shù)領(lǐng)域。
【背景技術(shù)】
[0002] 在傳感技術(shù)領(lǐng)域中，本領(lǐng)域技術(shù)人員針對(duì)形變、振動(dòng)已經(jīng)開發(fā)出了多種傳感系統(tǒng)。 傳統(tǒng)的應(yīng)變片式傳感元件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但是靈敏系數(shù)較低，難W滿足測(cè)量微弱變形信號(hào)的需 要。壓阻式應(yīng)變傳感元件結(jié)構(gòu)復(fù)雜，價(jià)格相對(duì)昂貴，無法適應(yīng)低成本大規(guī)模應(yīng)用的需求。
[0003] 所W，有必要提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)較高的傳感器裝置，能夠?qū)?微弱形變、振動(dòng)等進(jìn)行有效的感應(yīng)，便于本領(lǐng)域技術(shù)人員的操作使用和分析。
[0004] 本領(lǐng)域技術(shù)人員針對(duì)構(gòu)建高靈敏度的應(yīng)變傳感器，W探測(cè)微弱的形變或振動(dòng)，進(jìn) 行了一些嘗試。現(xiàn)階段，高靈敏的應(yīng)變傳感器通常包括兩種構(gòu)型:一是使用本征壓阻系數(shù)較 大的材料作為敏感材料W構(gòu)建應(yīng)變傳感器，但受材料種類和特性的限制，運(yùn)種應(yīng)變傳感器 存在一定的缺陷，或是柔性不足，或是只能在微觀尺度下工作，宏觀尺度則失去高靈敏的特 性;二是選擇合適的材料，設(shè)計(jì)巧妙的宏/微觀結(jié)構(gòu)，使得在小變形下，器件構(gòu)型產(chǎn)生突變， 從而實(shí)現(xiàn)靈敏的電學(xué)響應(yīng)。然而，運(yùn)類嘗試往往使用了昂貴的材料，不成熟的制造工藝，復(fù) 雜的器件結(jié)構(gòu)，增加了成本，也帶來了重復(fù)性及可靠性的問題。
[0005] 綜上所述，在高靈敏柔性應(yīng)變傳感的技術(shù)中，有必要提供一種結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，且制造工 藝與現(xiàn)階段最成熟的大規(guī)模集成電路制備技術(shù)相容的柔性傳感器，使得受到微弱形變或振 動(dòng)刺激時(shí)具有靈敏的響應(yīng)，能夠產(chǎn)生大幅的電學(xué)信號(hào)變化。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0006] 本發(fā)明的目的是提供一種金屬薄膜柔性應(yīng)變傳感器及其制備方法，使該傳感器不 僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度較高的特點(diǎn)，且制備工藝簡(jiǎn)單，便于大規(guī)模的生產(chǎn)。
[0007] 本發(fā)明的技術(shù)方案如下：
[000引一種金屬薄膜柔性應(yīng)變傳感器，其特征在于，該應(yīng)變傳感器包括金屬薄膜、柔性基 材和至少兩個(gè)觸點(diǎn)電極;所述金屬薄膜附著在所述柔性基材上，兩者之間為弱貼合;金屬薄 膜中具有至少一條貫通的定向長(zhǎng)裂紋，所述貫通的定向長(zhǎng)裂紋的寬度為納米尺度，在厚度 方向裂紋貫穿金屬薄膜甚至擴(kuò)展進(jìn)入柔性基材，所述貫通的定向長(zhǎng)裂紋的方向垂直于拉伸 方向；在所述金屬薄膜隨所述柔性基材產(chǎn)生拉伸形變時(shí)，所述裂紋展寬甚至斷裂，但在拉伸 形變釋放后，裂紋處恢復(fù)原樣;所述觸點(diǎn)電極設(shè)置在所述金屬薄膜上，在觸點(diǎn)電極上設(shè)有引 線。
[0009] 本發(fā)明的技術(shù)特征還在于，所述金屬薄膜為大面積致密、局部斷裂的多晶薄膜，其 膜厚度為30nm~30皿。
[0010] 優(yōu)選地，所述柔性基材包覆所述金屬薄膜，W使所述金屬薄膜與外部隔離。
[0011] 優(yōu)選地，所述金屬薄膜為金、銷、銅、銀或侶金屬薄膜。
[0012] 優(yōu)選地，所述觸點(diǎn)電極分布在所述金屬薄膜的端部位置。
[0013] 本發(fā)明提供的一種金屬薄膜柔性應(yīng)變傳感器的制備方法，其特征在于該方法包括 如下步驟：
[0014] 1)在柔性基材表面進(jìn)行預(yù)處理，W減弱所述金屬薄膜對(duì)所述柔性基材的粘附性；
[0015] 2)采用物理或化學(xué)氣相沉積方法，在所述柔性基材上形成一層多晶的金屬薄膜；
[0016] 3)對(duì)沉積在柔性基材上的金屬薄膜進(jìn)行可控程度的預(yù)拉伸，再釋放預(yù)拉伸，W使 得所述金屬薄膜上產(chǎn)生貫通的定向長(zhǎng)裂紋；
[0017] 4)在所述金屬薄膜上設(shè)置觸點(diǎn)電極，并在觸點(diǎn)電極上連接引線。
[0018] 本發(fā)明提供的另一種述金屬薄膜柔性應(yīng)變傳感器的制備方法，其特征在于該方法 包括如下步驟：
[0019] 1)在柔性基材表面進(jìn)行預(yù)處理，W減弱所述金屬薄膜對(duì)所述柔性基材的粘附性；
[0020] 2)在所述柔性基材上沉積一層金屬薄膜，形成多晶金屬薄膜；
[0021] 3)對(duì)沉積在柔性基材上的金屬薄膜進(jìn)行可控程度的預(yù)拉伸，再釋放預(yù)拉伸，W使 得所述金屬薄膜上產(chǎn)生貫通的定向長(zhǎng)裂紋；
[0022] 4)在所述金屬薄膜上設(shè)置觸點(diǎn)電極，并在觸點(diǎn)電極上連接引線；
[0023] 5)在所述金屬薄膜的上面再包覆所述柔性基材，W使所述金屬薄膜與外部隔離。
[0024] 本發(fā)明所述制備方法中，其特征在于，步驟2)中所述的物理氣相沉積方法采用蒸 鍛或瓣射方法。采用蒸鍛或瓣射時(shí)的沉積速率為1~日OA/s，金屬薄膜厚度為30nm~30皿。
[0025] 本發(fā)明的方法中，其步驟4)中采用在金屬薄膜上涂覆導(dǎo)電銀膠，形成所述觸點(diǎn)電 極。
[0026] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比，具有W下優(yōu)點(diǎn)及突出性的技術(shù)效果：
[0027] 本發(fā)明提供的金屬薄膜柔性應(yīng)變傳感器中使用金屬薄膜作為壓敏傳感元件，金屬 薄膜含有貫穿的定向長(zhǎng)裂紋結(jié)構(gòu)，能夠通過裂紋的開閉對(duì)環(huán)境中的力學(xué)刺激作出形變響 應(yīng)，從而引起電阻迅速變化。本發(fā)明的金屬薄膜柔性應(yīng)變傳感不僅具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度較 高的特點(diǎn)，且制備工藝簡(jiǎn)單，原材料來源豐富，與現(xiàn)有的集成電路技術(shù)相兼容，便于大規(guī)模 的生產(chǎn)。
【附圖說明】
[0028] 圖1是本發(fā)明具體實(shí)施例中所述金屬薄膜柔性應(yīng)變傳感器的俯視示意圖。
[0029] 圖2是本發(fā)明具體實(shí)施例中所述金屬薄膜柔性應(yīng)變傳感器的側(cè)視示意圖。
[0030] 圖3是本發(fā)明具體實(shí)施例中所述金屬薄膜柔性應(yīng)變傳感器的拉伸應(yīng)變-電阻測(cè)試 曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0031] 下面結(jié)合附圖進(jìn)一步說明本發(fā)明的具體結(jié)構(gòu)、工作原理、工作過程。
[0032] 本發(fā)明提供了一種金屬薄膜柔性應(yīng)變傳感器，其中包括金屬薄膜1、柔性基材2、至 少兩個(gè)觸點(diǎn)電極3 W及引線4。
[0033] 所述金屬薄膜成分為多晶薄膜，在所述金屬薄膜中含有貫通的定向長(zhǎng)裂紋11，如 圖1所示。特別的，在所述定向長(zhǎng)裂紋11處，裂紋方向垂直于拉伸方向，裂紋從器件的一邊貫 通到了器件的另一邊，而裂紋寬度只在納米尺度甚至更小，即裂紋初始狀態(tài)可能是閉合的， 而沿著厚度方向，裂紋貫穿金屬薄膜甚至有可能擴(kuò)展進(jìn)入柔性基材。因此，金屬薄膜在所述 定向長(zhǎng)裂紋11處，力學(xué)結(jié)構(gòu)上雖不再連續(xù)，其導(dǎo)電性能依然得到了保持。當(dāng)所述金屬薄膜1 產(chǎn)生拉伸形變時(shí)，所述定向長(zhǎng)裂紋11處容易產(chǎn)生較寬的裂紋甚至斷裂分離，帶來導(dǎo)電特性 的急劇變化，造成金屬薄膜整體的電阻迅速增大。當(dāng)拉伸形變釋放時(shí)，張開的裂紋重新縮小 直到恢復(fù)初始狀態(tài)，金屬薄膜整體電阻恢復(fù)。所述觸點(diǎn)電極3設(shè)置在所述金屬薄膜1上，用于 在金屬薄膜上連接導(dǎo)線，觸點(diǎn)電極最好分布在所述金屬薄膜的端部位置，便于通入監(jiān)測(cè)信 號(hào)。在金屬薄膜1上可W設(shè)置多個(gè)觸點(diǎn)電極，W增強(qiáng)對(duì)金屬薄膜形變的監(jiān)測(cè)，一片金屬薄膜 上至少應(yīng)在兩個(gè)端部分別設(shè)置一個(gè)觸點(diǎn)電極，W使監(jiān)測(cè)電流流經(jīng)所述金屬薄膜。
[0034] 所述柔性基材2用于承載所述金屬薄膜1和觸點(diǎn)電極3。由于所述金屬薄膜結(jié)構(gòu)較 脆弱，不適于直接使用，所述柔性基材2對(duì)所述金屬薄膜起保護(hù)作用，并有助于其產(chǎn)生與被 監(jiān)測(cè)環(huán)境中相應(yīng)的形變和振動(dòng)。所述柔性基材2具有良好的彈性形變能力，其與所述金屬薄 膜弱貼合，所述金屬薄膜能夠隨所述柔性基材2-同產(chǎn)生形變。當(dāng)柔性基材2產(chǎn)生拉伸形變 時(shí)，與柔性載體弱貼合的所述金屬薄膜也會(huì)產(chǎn)生相同的拉伸形變，當(dāng)拉伸作用力消失后，所 述柔性基材2恢復(fù)到初始形狀，協(xié)助所述金屬薄膜回到初始形狀。
[0035] 所述引線4連接在所述觸點(diǎn)電極3上，從所述金屬薄膜柔性應(yīng)變傳感器中向外引 出，用于連接外部監(jiān)測(cè)設(shè)備，將監(jiān)測(cè)電流引入所述金屬薄膜中。至少有兩支所述引線4分別 連接在兩個(gè)觸點(diǎn)電極上，W使監(jiān)測(cè)電流正常導(dǎo)通。
[0036] 所述金屬薄膜1上的定向長(zhǎng)裂紋11由單根貫通長(zhǎng)裂紋組成或者由多條貫通長(zhǎng)裂紋 并排排列而成。特別的，由于成型方法的不同，所述裂紋的形狀可W呈現(xiàn)線型、波浪型等。
[0037] 本發(fā)明所述的金屬薄膜柔性應(yīng)變傳感器在工作狀態(tài)下，金屬薄膜中通有監(jiān)測(cè)電 流，當(dāng)所述金屬薄膜產(chǎn)生拉伸形變時(shí)，所述定向長(zhǎng)裂紋處裂紋展開甚至斷裂，金屬薄膜的電 阻大幅上升從而對(duì)監(jiān)測(cè)電流產(chǎn)生影響。當(dāng)所述金屬薄膜產(chǎn)生振動(dòng)時(shí)，所述定向長(zhǎng)裂紋的結(jié) 構(gòu)受到振動(dòng)影響，引起金屬薄膜的電阻變化從而影響監(jiān)測(cè)電流。本發(fā)明的金屬薄膜，通過裂 紋結(jié)構(gòu)受形變影響導(dǎo)致其電學(xué)性能產(chǎn)生突變的作用，獲得較大的電阻應(yīng)變靈敏系數(shù)。本發(fā) 明提供的金屬薄膜柔性應(yīng)變傳感器適用于對(duì)形變和振動(dòng)的同時(shí)監(jiān)測(cè)，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，便于 本領(lǐng)域技術(shù)人員的使用和分析。
[0038] 本發(fā)明所述的金屬薄膜為大面積致密、局部斷裂的多晶薄膜，其膜厚度為30nm~ 30皿?？蛇x用金、銷、銅、銀或侶等金屬。在本實(shí)施例中金屬薄膜1為金，本領(lǐng)域技術(shù)人員可W 根據(jù)傳感器的實(shí)際使用情況，對(duì)金屬薄膜的化學(xué)成分進(jìn)行選擇，本發(fā)明不對(duì)金屬種類進(jìn)行 限制
[0039] 在具體的實(shí)施例中，優(yōu)選所述金屬薄膜厚度為50nm。厚度太薄難W均勻成膜;厚度 太厚，其與柔性基材之間易產(chǎn)生相對(duì)滑動(dòng)，影響器件的長(zhǎng)期使用穩(wěn)定性。
[0040] 在本發(fā)明的一個(gè)實(shí)施例中，如圖1、2所示，所述觸點(diǎn)電極3分布在所述金屬薄膜1的