一种用于真空传片机械手的柔性传感器及其制备方法与应用

本发明涉及传感器的，更具体地说，它涉及一种用于真空传片机械手的柔性传感器及其制备方法与应用。

背景技术：

1、干法刻蚀是显示面板制造的核心工艺，市场占比已超过90%。在g8.6代amoled生产线中，真空搬运机械手负责大尺寸玻璃基板在多个高真空工艺腔室之间的高精度传输。由于玻璃基板厚度仅约0.5mm，尺寸高达2200mm×2250mm，机械手运行过程中产生的振动会导致基板弯曲变形、位置偏移，直接影响刻蚀图形精度与均一性，严重时甚至造成基板碎裂，带来巨大经济损失。

2、目前，振动监测技术主要分为传统刚性振动传感器、普通柔性应变传感器和摩擦纳米发电机传感器三大类，但其在真空传片机械手应用场景中均存在局限性。其中，传统刚性传感器如压电陶瓷传感器、mems加速度计及光纤传感器等，需安装于机械臂关节、支撑臂或电机端，无法直接贴附于薄型片叉表面，其灵敏度普遍在10mg以上，难以捕捉1mg以下的微振动信号，且在高真空环境中存在线缆布置复杂、放气率高等问题。普通柔性应变传感器以导电纤维、碳纳米管、石墨烯等材料制备，虽具备一定柔性贴附能力，但灵敏度不足、循环稳定性差，多数缺乏真空环境专项适配设计，材料出气风险突出，难以满足半导体洁净工艺要求。摩擦纳米发电机传感器能够将机械振动转化为电信号实现能量采集与检测，但现有结构多采用刚性或半刚性结构，难以贴合片叉复杂曲面，敏感层对微形变的响应灵敏度不足。

3、此外，现有技术方案例如cn223283754u、cn108560250a及cn121558168a等，虽分别提出柔性振动传感结构或压阻式检测方案，但普遍存在结构厚度较大、贴附界面不匹配、微振动检测灵敏度不足以及真空环境适配性差等问题，尤其难以满足真空吸盘与片叉接触界面原位、高精度、多模态振动检测的应用需求。

4、综上，现有振动传感器在面向g8.6及以上世代大尺寸真空搬运机械手超薄基板搬运场景时，普遍存在结构适配性较差、难以实现与片叉或真空吸盘的贴合集成，微振动检测灵敏度不足以及高真空洁净环境兼容性差等问题，难以满足高精度原位振动监测需求。

技术实现思路

1、针对现有技术存在的不足，本发明的目的在于提供一种用于真空传片机械手的柔性传感器及其制备方法与应用，具有真空环境适应性好、振动检测灵敏度高、能够实现多方向振动解耦及主动抑振的优点。

2、本发明的上述技术目的是通过以下技术方案得以实现的：一种用于真空传片机械手的柔性传感器，包括：至少两层柔性基底，各层所述柔性基底内均设置有密闭微流道；液态金属电路，填充于所述密闭微流道的内部；真空封装层，形成于所述液态金属电路外侧，以密封所述液态金属电路，并使所述柔性传感器适于在真空环境下工作；

3、其中，各层所述柔性基底内的密闭微流道呈叉指式排布，相对设置的两层所述液态金属电路的延伸方向相互正交，并随所述柔性基底上下层叠设置以形成电容式感应单元；所述电容式感应单元用于将所述柔性基底的弹性形变转换为电容变化信号，以实现真空传片过程中的振动检测。

4、在其中一个实施例中，所述柔性基底为聚酰亚胺薄膜或其改性材料，所述真空封装层为聚对二甲苯或其衍生物。

5、基于相同的发明构思，本发明还提供了一种柔性传感器的制备方法，用于制备上述的柔性传感器，所述制备方法包括以下步骤：

6、s1、制备表面带有微流道沟槽的柔性基底；

7、s2、在所述柔性基底表面覆盖空白盖片密封，使所述微流道沟槽形成密闭微流道，于所述密闭微流道两端开设进样口与出样口；

8、s3、经所述进样口与所述出样口向所述密闭微流道内填充液态金属，形成液态金属电路；

9、s4、对填充液态金属后的所述柔性基底进行真空兼容封装处理，使真空封装层形成于所述液态金属电路外侧，以密封所述液态金属电路，获得单层传感半成品；

10、s5、将两组所述单层传感半成品对位层叠，使两组所述液态金属电路相互正交排布后固定封装，得到所述柔性传感器。

11、在其中一个实施例中，步骤s1具体包括：

12、s11、采用电流体动力学近场直写技术，以聚己内酯为原料在硬质基板上打印形成具有叉指结构的微流道阳模图案，冷却定型后在所述阳模表面涂覆脱模剂；

13、s12、调配改性聚酰亚胺溶液，对所述改性聚酰亚胺溶液进行真空脱泡处理；

14、s13、将所述微流道阳模与基底模具组装固定形成浇筑型腔，向所述型腔内注入脱泡后的所述聚酰亚胺溶液，经真空脱除溶剂并使所述聚酰亚胺溶液固化成型，脱模后得到带有所述微流道沟槽的柔性基底。

15、在其中一个实施例中，步骤s1具体包括：采用飞秒激光直写工艺，在柔性薄膜表面直接刻蚀形成微流道沟槽，得到所述带有微流道沟槽的柔性基底。

16、在其中一个实施例中，步骤s2中，密封前对所述微流道沟槽的内壁进行亲水改性处理；步骤s3中，采用压差注入法填充液态金属，并保压消除填充死角；步骤s4中，采用聚对二甲苯真空气相沉积工艺形成所述真空封装层，封装完成后进行真空退火以消除薄膜内应力。

17、基于相同的发明构思，本发明还提供了一种带振动监测功能的真空吸盘，包括吸盘本体和上述柔性传感器；所述柔性传感器嵌设于所述吸盘本体的吸附面内部，且所述柔性传感器的传感面与所述吸盘本体的吸附面齐平设置；

18、所述柔性传感器的外周包覆有柔性外壳，所述柔性基底与所述柔性外壳贴合设置；

19、所述液态金属电路通过设置于所述吸盘本体内部的密封导线引出至所述吸盘本体外部。

20、基于相同的发明构思，本发明还提供了一种用于真空传片机械手的振动检测与主动抑振系统，包括如上述真空吸盘、与所述真空吸盘连接的信号处理单元、与所述信号处理单元通信连接的主控制器；

21、所述信号处理单元用于采集所述柔性传感器输出的电容变化信号，并转换为数字信号；

22、所述主控制器用于基于所述数字信号提取与不同振动方向对应的电容特征量，并结合所述液态金属电路的正交排布关系对所述电容特征量进行解耦处理，以获得对应的振动参数；所述主控制器根据所述振动参数生成控制信号，以调节真空传片机械手的运动参数，实现主动抑振；

23、其中，所述振动参数包括垂直方向、横向、纵向及扭转方向的振动分量。

24、在其中一个实施例中，所述信号处理单元包括依次连接的电容检测前端模块、信号放大模块、滤波模块以及模数转换模块；

25、所述电容检测前端模块用于采集所述柔性传感器输出的电容变化信号并输出模拟电信号，所述信号放大模块用于对所述模拟电信号进行放大，所述滤波模块用于滤除放大后的模拟电信号中的噪声，所述模数转换模块用于将处理后的模拟信号转换为数字信号。

26、在其中一个实施例中，所述电容检测前端模块采用差分采集方式采集所述柔性传感器输出的电容变化信号。

27、上述一种用于真空传片机械手的柔性传感器及其制备方法、真空吸盘及振动检测与主动抑振系统，具有以下有益效果：

28、其一，检测精度高，多模态振动识别能力强。本发明将柔性传感器嵌设于真空吸盘的吸附面，实现玻璃基板与吸盘接触界面的原位振动检测，减少了传统传感器因检测位置偏离振动源而导致的信号衰减和失真；同时通过两层液态金属电路相互正交排布形成电容式感应单元，可识别垂直、横向、纵向、扭转四类振动模态，实现玻璃基板多方向振动状态的检测，提高了振动检测精度和多模态振动识别能力。

29、其二，制备工艺简单，适于批量化生产。本发明采用近场直写或飞秒激光直写工艺制备微流道，并结合液态金属填充及真空兼容封装工艺完成柔性传感器制备，无需复杂的纳米材料合成工艺，工艺流程简单，易于实现标准化、批量化生产，材料及制造成本较低，有利于产业化推广应用。

30、其三，真空环境适应性好，系统可靠性高。本发明采用真空兼容的低放气材料体系及封装结构构成柔性传感器，降低了小分子挥发污染风险，传感器嵌入吸盘后不破坏真空吸附气密性；结合差分信号采集方式，提高了系统的抗电磁干扰能力，简化真空腔体内的布线设计，减少对设备运行的影响，适用于半导体高洁净、高真空的严苛工况。

31、其四，响应速度快，可实现振动实时检测及主动抑振。本发明采用液态金属电路，无金属疲劳、无响应迟滞，具有优异的动态响应能力；通过对柔性传感器输出的电容变化信号进行特征提取和振动解耦，获得玻璃基板对应的振动参数，并据此实时调节真空传片机械手的运动参数，实现主动抑振，提高传片过程的稳定性。