一种电阻式压力传感器的制备方法及电阻式压力传感器

1.本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种电阻式压力传感器的制备方法及电阻式压力传感器。


背景技术：

2.压力传感器可以将外界的压力信号转换成其他便于检测的物理信号，以测试绝对压力值或压力变化。随着科技的发展和人类需求的提高，传统压力传感器缺点越来越明显，如器件体积较大，不能承受较大的形变等。柔性电子设备因其可穿戴，重量轻，高灵活性等特点，得到了广泛的关注和研究，在触觉感知、指纹识别、医疗监护、人机界面、安全生产、物联网等领域有着广泛的应用前景。近年来随着柔性基质材料的发展，柔性压力传感器的巨大潜力受到越来越大的关注，当前柔性压力传感器主要基于包括电容式、电阻式、压电式、摩擦电型、栅压式等工作机制。制备柔性压力传感器的关键就是将导电材料柔性化,通过测量在各种变形下电容、电阻、或者电流的变化，实现对应变的测量。以电阻式柔性压力传感器为例，电阻型压力传感器一般由衬底和导电材料组成，具有传感机理、结构、制备流程简单，能量消耗小等特点。具体传感的原理是：在压力下，(1)材料结构变化；(2)材料能带结构变化；(3)导电区域接触电阻变化，这些材料和结构在压力下的变化导致电阻变化，从而实现压力的测量。
3.柔性微纳应变传感器的实现主要是将纳米导电材料与可拉伸衬底结合形成复合材料。纳米导电材料,比如金属材料、碳材料、导电聚合物等,通常具有很高的导电率和大的比表面积,但本征多为刚性，拉伸性较差。聚合物基底材料具有良好的可拉伸性，但通常不具有导电性,如聚二甲基硅氧烷(pdms)、聚氨酯(pu)等。所以，将两者结合形成复合材料，可以实现对外界压力变化的检测传感。然而，现有技术中的柔性压力传感器如果要实现对压力的施力点在空间上的分布检测，可以采用以下两种方案：一种是基于导电网格来实现，但该种方式具有分辨率低，粗糙度大的缺点；另一种是采用微纳米加工技术，但该种方式需要利用高精度设备，以及复杂的结构设计，具有成型工艺复杂和成本高的缺点。因此，实现工艺简单且压力监测精度高的压力传感器仍有待研究。


技术实现要素：

4.本发明要解决的是上述现有技术中制备高精度压力传感器的工艺复杂的技术问题。
5.为解决上述技术问题，本技术于一方面公开了一种电阻式压力传感器的制备方法，其包括以下步骤:
6.提供一表面具有第一凹槽阵列的柔性基底；该第一凹槽阵列包括多个第一凹槽通道；且该多个第一凹槽通道的延伸方向相同；该多个第一凹槽通道中的相邻的第一凹槽通道之间存在第一预设距离；
7.向每个该第一凹槽通道中导入多个导电纳米粒子，得到第一结构；每个该第一凹
槽通道中的多个导电纳米粒子能够接触形成第一导电通道；
8.提供一表面具有第二凹槽阵列的柔性基底；该第二凹槽阵列包括多个第二凹槽通道；且该多个第二凹槽通道的延伸方向相同；该多个第二凹槽通道中的相邻的第二凹槽通道之间存在第二预设距离；
9.向每个该第二凹槽通道中导入多个导电纳米粒子，得到第二结构；每个该第二凹槽通道中的多个导电纳米粒子能够接触形成第二导电通道；将该第二结构的第一侧覆盖在该第一结构的第二侧，得到压力传感器；该第一侧和该第二侧为具有导电通道的一侧，且该第一结构的第一导电通道与该第二结构的第二导电通道存在预设夹角；该预设夹角大于零且小于180度。
10.可选的，该多个导电纳米粒子中的每个导电纳米粒子的顶部与对应的第一凹槽通道的顶部存在第二预设距离；
11.该第二预设距离大于等于零，且小于等于对应的第一凹槽通道高度的一半。
12.可选的，该将该第二结构的第一侧覆盖在该第一结构的第二侧，得到压力传感器，包括：
13.将该第二结构的第一侧覆盖在该第一结构的第二侧；
14.将该第一结构中的每个第一导电通道的一端与第一电流检测装置连接；
15.将该第二结构中的每个第二导电通道的一端与第二电流检测装置连接，得到该压力传感器；
16.该第一结构对应的各个第一电流检测装置与第二结构对应的各个第二电流检测装置与控制单元连接；
17.当外力施加在该压力传感器上时，该控制单元能够接收对应的第一电流检测装置和第二电流检测装置的电流信息；基于该第一电流检测装置和第二电流检测装置的电流信息确定对应的第一导电通道的位置和第二导电通道的位置；进而基于第一导电通道的位置和该第二导电通道的位置确定外力施加在该压力传感器的位置。
18.可选的，随着外力施加在该压力传感器的力的增大，对应的纳米粒子之间的接触面逐渐增大，该控制单元检测到的对应回路的电流逐渐增加。
19.可选的，该提供一表面具有第一凹槽阵列的柔性基底，包括：
20.提供一表面具有第三凹槽阵列的硅衬底；
21.利用倒模工艺制备得到该表面具有第一凹槽阵列的柔性基底。
22.可选的，该提供一表面具有第三凹槽阵列的硅衬底，包括：
23.提供一硅衬底；
24.在该硅衬底的第一表面旋涂光刻胶；
25.利用光刻技术或者纳米压印工艺对该光刻胶进行图形化处理；得到图形化结构；该图形化结构的第一表面具有多个互为平行的条状光刻胶结构；
26.对该图形化结构进行刻蚀和光刻胶剥离处理，得到该表面具有第三凹槽阵列的硅衬底。
27.可选的，该第三凹槽阵列包括多个第三凹槽通道；该多个第三凹槽通道中的相邻的第三凹槽通道之间存在第三预设距离；且所有第三凹槽通道的延伸方向相同；
28.每个该第三凹槽通道的横截面积的形状包括弧形、矩形和三角形；
29.相邻的该第三凹槽通道的连接区域的横截面积的形状包括弧形、矩形和三角形。
30.可选的，该向每个该第一凹槽通道中导入多个导电纳米粒子，得到第一结构，包括：
31.将多个导电纳米粒子分布于溶剂中，得到纳米粒子溶液；
32.向每个该第一凹槽通道中倒入该纳米粒子溶液；
33.针对每个该第一凹槽通道，检测该第一凹槽通道的导电性，得到导电结果；
34.若该第一凹槽通道的检测结果为不导电，重复上述倒入纳米粒子溶液的步骤，直至检测结果为导电；
35.当该柔性基底上的每个第一凹槽通道对应的检测结果均为导电时，将该柔性基底确定为该第一结构。
36.可选的，该刻蚀方法包括各向异性湿法硅刻蚀；
37.该刻蚀的溶液包括3％～50％的氢氧化钾水溶液。
38.本技术于另一方面还公开了一种电阻式压力传感器，该电阻式压力传感器为基于上述的电阻式压力传感器的制备方法制成的。
39.采用上述技术方案，本技术提供的电阻式压力传感器的制备方法具有如下有益效果：
40.该电阻式压力传感器的制备方法包括以下步骤：可以通过在表面具有互为平行的多个凹槽通道的柔性基底中的每个凹槽通道中倒入导电纳米粒子，从而使得每个凹槽通道形成导电通道；可以通过制备出两个上述具有多个导电通道的结构，并将两个结构层叠，使两个结构的导电通道相对且存在两个结构的导电通道存在预设夹角，比如90度，从而可以形成网格结构，当外力作用于传感器上时，会使得柔性基底发生形变，进而使得对应位置的导电纳米粒子接触，形成导电回路，后续可以通过检测对应导电通道的电流以及大小即可确定施加外力的位置以及大小，整个电阻式压力传感器具有制备工艺简单，且制备出的压力传感器不仅能够实现对压力大小的检测，还能够实现对压力位置的检测。
附图说明
41.为了更清楚地说明本技术实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
42.图1为本技术提供的一种可选的电阻式压力传感器的制备流程图；
43.图2为本技术一种可选的电阻式压力传感器的工艺流程示意图；
44.图3为本技术一种可选的具有第三凹槽阵列的硅衬底的制备流程图；
45.图4为本技术另一种可选的电阻式压力传感器的制备流程图；
46.图5为本技术一种可选的第一结构的结构示意图；
47.图6为本技术一种可选的电阻式压力传感器的结构示意图。
48.以下对附图作补充说明：
49.1-表面具有第一凹槽阵列的柔性基底；101-第一凹槽阵列；102-第一凹槽通道；2-导电纳米粒子；3-第一结构；4-第二结构；5-硅衬底；6-光刻胶；7-压印模具；8-表面具有第
三凹槽阵列的硅衬底；801-第三凹槽阵列。
具体实施方式
50.下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动的前提下所获得的所有其他实施例，都属于本技术保护的范围。
51.此处所称的“一个实施例”或“实施例”是指可包含于本技术至少一个实现方式中的特定特征、结构或特性。在本技术的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“顶”、“底”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本技术和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本技术的限制。此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含的包括一个或者更多个该特征。而且，术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本技术的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。
52.为了下面的详细描述的目的，应当理解，本发明可采用各种替代的变化和步骤顺序，除非明确规定相反。此外，除了在任何操作实例中，或者以其他方式指出的情况下，表示例如说明书和权利要求中使用的成分的量的所有数字应被理解为在所有情况下被术语“约”修饰。因此，除非相反指出，否则在以下说明书和所附权利要求中阐述的数值参数是根据本发明所要获得的期望性能而变化的近似值。至少并不是试图将等同原则的适用限制在权利要求的范围内，每个数值参数至少应该根据报告的有效数字的个数并通过应用普通舍入技术来解释。
53.尽管阐述本发明的广泛范围的数值范围和参数是近似值，但是具体实例中列出的数值尽可能精确地报告。然而，任何数值固有地包含由其各自测试测量中发现的标准偏差必然产生的某些误差。
54.当本文中公开一个数值范围时，上述范围视为连续，且包括该范围的最小值及最大值，以及这种最小值与最大值之间的每一个值。进一步地，当范围是指整数时，包括该范围的最小值与最大值之间的每一个整数。此外，当提供多个范围描述特征或特性时，可以合并该范围。换言之，除非另有指明，否则本文中所公开之所有范围应理解为包括其中所归入的任何及所有的子范围。例如，从“1至10”的指定范围应视为包括最小值1与最大值10之间的任何及所有的子范围。范围1至10的示例性子范围包括但不限于1至6.1、3.5至7.8、5.5至10等。
55.如图1-2所示，图1为本技术提供的一种可选的电阻式压力传感器的制备流程图。图2为本技术一种可选的电阻式压力传感器的工艺流程示意图。本技术提供了一种电阻式压力传感器的制备方法，其包括以下步骤:
56.s101：提供一表面具有第一凹槽阵列的柔性基底1；该第一凹槽阵列101包括多个第一凹槽通道102；且该多个第一凹槽通道102的延伸方向相同；该多个第一凹槽通道102中
的相邻的第一凹槽通道102之间存在第一预设距离，如图2中的图(g)所示。
57.于一种可行的实施例中，步骤s101可以具体阐述为：提供一表面具有第三凹槽阵列的硅衬底8；利用倒模工艺制备得到该表面具有第一凹槽阵列的柔性基底1。于另一种可行实施例中，还可以基于硅衬底5制备出上述表面具有第三凹槽阵列的硅衬底8，参阅图3，图3为本技术一种可选的具有第三凹槽阵列的硅衬底的制备流程图。具体步骤包括：
58.s301：提供一硅衬底5。
59.可选的，该硅衬底5可以晶圆级硅衬底，也可以是对晶圆级硅衬底进行切割后的小尺寸硅衬底。
60.s302：在该硅衬底5的第一表面旋涂光刻胶6，如图2中的图(a)所示。
61.s303：利用光刻技术或者纳米压印工艺对该光刻胶6进行图形化处，得到图形化结构，该图形化结构的第一表面具有多个互为平行的条状光刻胶6结构。
62.可选的，当需要形成多个上述条状光刻胶6中相邻的条状光刻胶6结构间隔距离范围为小于1微米时，可以选择纳米压印工艺，即如图2中的图(a)所示，采用表面具有凹槽阵列的压印模具7，将其对准光刻胶6进行压印(如图2的图b所示)，即可得到如图2中的图(c)所示的图形化结构。
63.可选的，该压印模具7的采用可以是聚二甲基硅氧烷。
64.于另一种可选的实施方式中，当上述相邻的条状光刻胶6结构间隔距离范围为大于1微米时，可以选择紫外英掩膜光刻或者激光直写工艺形成上述图形化结构。无论是采用纳米压印工艺还是该实施方式中的紫外英掩膜光刻或者激光直写工艺所采用的的设备均较简单，且由于仅需要成型出上述条状光刻胶6结构的图形，成型工艺步骤也简单。
65.根据需求，选择合适的条形光刻胶6结构的间隔周期和条带宽度。
66.s304：对该图形化结构进行刻蚀和光刻胶6剥离处理，得到该表面具有第三凹槽阵列的硅衬底8。
67.于一种可行的实施例中，该刻蚀方法包括各向异性湿法硅刻蚀，该刻蚀的溶液包括3％～50％的氢氧化钾水溶液。
68.在本实施例中，通过以上述条状光刻胶6结构为掩膜，通过对硅衬底5进行刻蚀，从而在硅衬底5上形成具有第三凹槽阵列801的表面。该第三凹槽阵列801为单向褶皱结构，褶皱周期由上一步光刻胶6的周期决定，皱褶深度由刻蚀的条件决定。例如，30～40％koh溶液，时间8～11min刻蚀深度为500纳米左右。
69.在本实施例中，通过对图形化结构进行刻蚀后，即可得到如图2中的图d所示的结构，再对结构进行光刻胶6剥离处理，可以得到如图2中的图e所示的表面具有第三凹槽阵列的硅衬底8。
70.在本实施例中，可以采用如下方法制备具有第一凹槽阵列101的柔性基底：如图2中的图f所示，可以先配置所需材料参数(硬度、厚度)的柔性材料；并将其利用倒模工艺覆盖在上述表面具有第三凹槽阵列的硅衬底8上，柔性材料固化后，可进行剥离处理，得到如图2中的图g所示的结构，即具有与表面具有第三凹槽阵列的硅衬底8反向结构的表面具有第一凹槽阵列的柔性基底1。
71.可选的，上述柔性材料的配比可以sylgard 184硅基：sylgard固化剂为10：1，当然，根据需要还可以调节上述比例，从而可以调节柔性基底的硬度，进而调控压力检测的精
确度和范围，柔性基底硬度越小，即柔性基底越柔软，则该压力传感器的灵敏度和精确度越高。
72.于一种可行的实施例中，该第三凹槽阵列801包括多个第三凹槽通道；该多个第三凹槽通道中的相邻的第三凹槽通道之间存在第三预设距离；且所有第三凹槽通道的延伸方向相同，每个该第三凹槽通道的横截面积的形状包括弧形、矩形和三角形，相邻的该第三凹槽通道的连接区域的横截面积的形状包括弧形、矩形和三角形，例如，图2中的图e的第三凹槽通道的横街面基为弧形，且相邻的第三凹槽通道的连接区域也为弧形。
73.s102：向每个该第一凹槽通道102中导入多个导电纳米粒子2，得到第一结构3；每个该第一凹槽通道102中的多个导电纳米粒子2能够接触形成第一导电通道，如图2中的图(h)所示。
74.于一种可行的实施例中，如图4所示，图4为本技术另一种可选的电阻式压力传感器的制备流程图。步骤s102可以具体阐述为：
75.s1021：将多个导电纳米粒子2分布于溶剂中，得到纳米粒子溶液。
76.在本实施例中，该导电纳米粒子2的材料可以是金；该导电纳米粒子2可以球形结构，直径范围为200～500纳米；溶剂可以是水、乙醇等。
77.于一种可行的实施例中，该多个导电纳米粒子2中的每个导电纳米粒子2的顶部与对应的第一凹槽通道102的顶部存在第二预设距离；该第二预设距离大于等于零，且小于等于对应的第一凹槽通道102高度的一半，能够使得上下的导电纳米粒子2能够实现良好接触。
78.可选的，该导电纳米粒子2可以利用化学湿法合成制备该导电纳米粒子2，也可以使用现成的导电纳米粒子2。
79.可以根据检测灵敏度要求，选择合适大小的导电纳米粒子2，当灵敏度要求高，则该第二预设距离较小。
80.s1022：向每个该第一凹槽通道102中倒入该纳米粒子溶液。
81.在本实施例中，当将纳米粒子溶液滴入每个第一凹槽通道102时，通过表面张力可以使导电纳米粒子2均匀地分布在其中，从而形成多个第一导电通道。
82.s1023：针对每个该第一凹槽通道102，检测该第一凹槽通道102的导电性，得到导电结果。
83.s1024：若该第一凹槽通道102的检测结果为不导电，重复上述倒入纳米粒子溶液的步骤，直至检测结果为导电。
84.s1025：当该柔性基底上的每个第一凹槽通道102对应的检测结果均为导电时，将该柔性基底确定为该第一结构3，如图5所示。
85.s103：提供一表面具有第二凹槽阵列的柔性基底；该第二凹槽阵列包括多个第二凹槽通道；且该多个第二凹槽通道的延伸方向相同；该多个第二凹槽通道中的相邻的第二凹槽通道之间存在第二预设距离。
86.s104：向每个该第二凹槽通道中导入多个导电纳米粒子2，得到第二结构4；每个该第二凹槽通道中的多个导电纳米粒子2能够接触形成第二导电通道。
87.在本实施例中，步骤s103-s104的具体制备工艺可以是上述制备第一结构3中的任意一种，在此不再赘述。
88.s105：将该第二结构4的第一侧覆盖在该第一结构3的第二侧，得到压力传感器；该第一侧和该第二侧为具有导电通道的一侧，且该第一结构3的第一导电通道与该第二结构4的第二导电通道存在预设夹角；该预设夹角大于零且小于180度。
89.可选的，如图6所示，图6为本技术一种可选的电阻式压力传感器的结构示意图。该预设夹角为90度，实际上，只要保证第二结构4的多个第二导电通道和第一结构3的多个第一导电通道能够相交形成导电网格结构，从而后续当外力施加在该压力传感器上时，通过检测到的第一导电通道和第二导电通道的位置，进而确定外力的坐标位置。
90.于一种可行的实施例中，步骤s105可以具体阐述为：将该第二结构4的第一侧覆盖在该第一结构3的第二侧；将该第一结构3中的每个第一导电通道的一端与第一电流检测装置连接；将该第二结构4中的每个第二导电通道的一端与第二电流检测装置连接，得到该压力传感器；该第一结构3对应的各个第一电流检测装置与第二结构4对应的各个第二电流检测装置与控制单元连接；当外力施加在该压力传感器上时，该控制单元能够接收对应的第一电流检测装置和第二电流检测装置的电流信息；基于该第一电流检测装置和第二电流检测装置的电流信息确定对应的第一导电通道的位置和第二导电通道的位置；进而基于第一导电通道的位置和该第二导电通道的位置确定外力施加在该压力传感器的位置。
91.该电流信息可以包括对应的第一检测电流的标识、对应的第二检测电流的标识、以及对应的检测出的电流值；通过对应的第一检测电流的标识可以确定对应的第一导电通道的位置；通过对应的第二检测电流的标识可以确定对应的第二导电通道的位置，进而确定施加的外力的坐标位置；而通过分析电流值的大小可以确定压力的大小。
92.于一种可行的实施例中，随着外力施加在该压力传感器的力的增大，对应的纳米粒子之间的接触面逐渐增大，该控制单元检测到的对应回路的电流逐渐增加。
93.本技术的检测原理如下：当压力施加于压力传感器的某一位置时，柔性基底的形变而导致导电纳米与对应方位的另一个结构中的导电纳米粒子2接触，同时与其位置对应的电极导通；并且随着压力的大小的增大，纳米颗粒之间的接触面增大，电流提高和电阻减小，进而实现对压力大小和分布的同时检测。
94.通过调节基底材料机械性质，基底的凹槽与导电纳米粒子2的相对大小等参数可以实现对压力检测精度和范围的调节，同时也可以保证器件在拉伸形变的时，仍可正常工作。
95.本技术于另一方面还公开了一种电阻式压力传感器，该电阻式压力传感器为基于上述的电阻式压力传感器的制备方法制成的。
96.以上该仅为本技术可选实施例，并不用以限制本技术，凡在本技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本技术的保护范围之内。