[发明专利]一种电容式柔性压力传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种电容式柔性压力传感器及其制备方法。现有的电容式压力传感器虽然获得了较高的灵敏度，但是其结构鲁棒性和稳定性较差。本发明涉及电容式柔性压力传感器的单片微加工制备与阵列集成。该压力传感器主要由一对具有特定间隙的平行电极板和位于极板中间的倒梯形介质层构成。通过采用单面微加工技术在柔性聚合物衬底上单片集成电容器的上下极板和介电层，提高了器件制备的可靠性和一致性；通过采用倒梯形的介质层结构设计，增大了电极板在受压下的机械形变和恢复速度，提高了柔性压力传感器的灵敏度和响应速度。

技术领域

本发明属于柔性MEMS压力传感器技术领域，具体涉及一种电容式柔性压力传感器及其制备方法，该器件是通过正面欠曝光技术在柔性聚合物衬底上实现倒梯形可变介质层的制备，通过改变可变介质层的厚度来改变电容大小，从而实现压力测量。

背景技术

柔性压力传感器因其在人-机交互系统，电子皮肤，健康监测，触摸屏以及智能机器人等领域的潜在应用而备受关注。由于具有响应时间快、功耗低和温度不敏感等优点，具有不同结构的电容传感器得到了广泛的研究。例如，使用柔性材料制成的电容传感器可集成到可穿戴纺织品中，用于监测呼吸和关节运动。具有超薄结构的柔性电容传感器阵列可作为多功能触摸板设备，可实现力和触摸功能。

电容式压力传感器通常具有两个电极和夹在电极之间的介电层。施加在电容传感器上的外部压力会导致介电层变形，减小两个电极之间的距离，从而导致电容的变化。提高介电层的可变形性是提高传感器灵敏度的关键。在使用具有低杨氏模量的高可压缩弹性体材料的同时，构造介电层结构可以有效地提高灵敏度并克服由材料的粘弹性行为引起的滞后。Zhang等人在论文“Flexible Capacitive Tactile Sensor Based on MicropatternedDielectric Layer”中利用荷叶微结构作为电极模板，微球作为介电层来制作高灵敏度电容传感器。Guo等人在论文“Natural Plant Materials as Dielectric Layer for HighlySensitive Flexible Electronic Skin”中还利用树叶和花朵作为介电材料制造高灵敏度电容传感器。Bao的团队在论文“Sensitive Flexible Pressure Sensors withMicrostructured Rubber Dielectric Layers”中开发了一种电容式压力传感器，采用微金字塔阵列作为介电层，其与电极接触的棱锥尖容易变形，从而实现高灵敏度(0.55kPa^-1)。尽管这些方法提高了灵敏度，但微结构介电层和电极板界面处存在的气隙不一致，将导致结构鲁棒性和稳定性差。为了避免上述问题，有必要实现电极板和电介质层的单片集成，这将消除气隙对灵敏度的影响。

为了提高柔性压力传感器的性能，本发明通过采用单面微加工技术在柔性聚合物衬底上单片集成电容器的上下极板和介电层，提高了器件制备的可靠性和一致性；通过采用倒梯形的介质层结构设计，增大了电极板在受压下的机械形变和恢复速度，提高了柔性压力传感器的灵敏度和响应速度。

发明内容

本发明的目的在于针对现有柔性压力传感器技术中的缺陷，使用标准化的微加工工艺实现晶圆级的高可靠性和高灵敏度柔性压力传感器阵列的制备。

本发明一种电容式柔性压力传感器，包括依次层叠的上电极层、SU-8倒梯形介质层、上绝缘层、下电极层和下绝缘层，以及覆盖上电极层的填充层。SU-8倒梯形介质层设置包括并排设置的多根介质条。介质条从下电极层到上电极层的方向上宽度逐渐增大。下电极层包括并排设置的多条下电极板。上电极层包括多条上电极板；各上电极板分别设置在各介质条上。各下电极板与各上电极板呈网格状排布。

作为优选，所述的SU-8倒梯形介质层通过利用SU-8光刻胶的正面光刻工艺实现制备。通过调整曝光时长的方式调整介质条两侧宽度之比。

作为优选，所述SU-8倒梯形介质层(5)的具体曝光时间为正常曝光时间的60％-80％。正常曝光时间表示使得SU-8光刻胶形成90°的竖直台阶所需要的最短曝光时间。