一种传感器及其制备方法与流程

本发明涉及传感器领域，尤其一种传感器及其制备方法。

背景技术：

当今社会生产过程自动化不断扩展到各个领域，功能单一的传感器已经不能满足人们日益增长的测量需求，更不能满足自动化测控系统的需求。随着人类迈入工业4.0时代，传感器小型化、智能化以及标准化是大势所趋，减小传感器体积和重量，提高灵敏度，抗干扰和多功能成为人们生活和社会生产中对传感器的迫切要求。众多传感器中由于电容式传感器结构简单，价格便宜，灵敏度高，零磁滞，真空兼容，过载能力强，动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强，能实现非接触测量等优点，从而得到广泛应用。

但是，电容式多功能传感器多数属于变介电常数型，在基板上涂布一层传感材料实现传感，灵敏度较差，同时在测量过程中会出现由于被测气体或其他杂质附着在基板上导致介电常数变化而引起的测量噪声，精确度低。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种传感器及其制备方法，用于提高传感器的灵敏度和精确度。

本发明所采用的技术方案是：一种传感器，包括基板，所述传感器还包括至少一个下电极、至少一个中电极和至少一个上电极；所述下电极设置于基板上方，所述中电极、上电极设置于所述下电极的上方且所述下电极、中电极、上电极分别设置于空间中相互平行的的不同平面上，所述传感器的下电极的投影、中电极的投影和上电极的投影相交于投影相交点以形成至少一个微桥，所述传感器还包括与中电极接触的传感材料，所述传感材料设置于投影相交点上。

进一步地，所述传感器的下电极的正投影、中电极的正投影和上电极的正投影相交于投影相交点。

进一步地，所述传感器的下电极的正投影、中电极的正投影和上电极的正投影垂直相交于投影相交点。

进一步地，所述下电极、中电极、上电极的材质为纳米银材料。

进一步地，所述传感材料的厚度为2-3μm。

进一步地，所述传感材料包括醋酸丁酸纤维素、纳米铜功能复合材料或石蜡基功能复合材料。

进一步地，所述基板为PET基板。

进一步地，所述中电极的厚度为2μm，宽度为80μm，长度为2mm。

进一步地，所述上电极的厚度为2μm，宽度为65μm，长度为1888μm。

本发明所采用的另一技术方案是：一种传感器的制备方法，应用于所述的传感器，包括以下步骤：

S1、清洗并吹干基板，加热所述基板；

S2、对所述基板的表面进行氧等离子处理后进行加热；

S3、在所述基板上，利用喷墨打印技术将纳米银溶液打印得到下电极后进行加热；

S4、将光刻胶和丙二醇甲醚醋酸酯进行混合配制得到配制溶液，沿着所述下电极，利用喷墨打印技术将所述配制溶液打印在所述下电极上方后进行加热；

S5、沿与所述下电极垂直的方向，利用喷墨打印技术将所述纳米银溶液在所述光刻胶上进行打印得到中电极后进行加热；

S6、利用喷墨打印技术将传感材料打印在所述中电极与所述光刻胶的重叠区域上后进行加热；

S7、沿着所述下电极，利用喷墨打印技术将所述配制溶液打印在所述传感材料上后进行加热；

S8、利用喷墨打印技术将所述纳米银溶液打印在处理后的基板上得到上电极后进行加热；

S9、利用显影液清除光刻胶。

本发明的有益效果是：

本发明一种传感器，包括基板、至少一个下电极、至少一个中电极和至少一个上电极；下电极设置于基板上方，中电极、上电极设置于所下电极的上方且下电极、中电极、上电极分别设置于空间中相互平行的的不同平面上，传感器的下电极的投影、中电极的投影和上电极的投影相交于投影相交点以形成至少一个微桥，传感器还包括与中电极接触的传感材料，传感材料设置于投影相交点上。本发明的传感器为变极距型电容式传感器，并且具有至少一个差动微桥，实现高灵敏度传感测量，减小非线性误差。

另外，本发明还提供一种传感器的制备方法，用于制作所述传感器，制备方法简单。

附图说明

下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步说明：

图1是本发明一种传感器的一具体实施例示意图；

图2是本发明一种传感器的微桥的一具体实施例截面图；

图3是本发明一种传感器的微桥的一具体实施例立体示意图；

其中，1-PET基板；2-下电极；3-中电极；4-上电极；5-传感材料；A-微桥。

具体实施方式

需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

一种传感器，包括基板、至少一个下电极、至少一个中电极和至少一个上电极；下电极设置于基板上方，中电极、上电极设置于下电极的上方且下电极、中电极、上电极分别设置于空间中相互平行的的不同平面上，传感器的下电极的投影、中电极的投影和上电极的投影相交于投影相交点以形成至少一个微桥，传感器还包括与中电极接触的传感材料，传感材料设置于投影相交点上。

本发明的传感器采用的是变极距型差动结构，其中下电极和上电极为固定电极，传感材料和中电极接触，传感材料因被测量(即被测物理量，如湿度、温度等)改变而发生膨胀或缩聚带动中电极发生弯曲，改变其与上、下电极的极距从而引起电容变化，实现传感检测，因此，中电极为可动电极；而且由于具有至少一个差动微桥，多个差动微桥同时进行传感检测，则本发明的微桥并联结构相对于现有的单极变极距型电容式传感器具有无与伦比的灵敏度，非线性误差减小。

作为技术方案的进一步改进，传感器的下电极的正投影、中电极的正投影和上电极的正投影相交于投影相交点，即上电极、中电极和下电极在空间上平行且在正投影方向上的交点，所述交点即构成传感器的微桥结构，用于传感检测。进一步地，参考图1、图2和图3，图1是本发明一种传感器的一具体实施例示意图；图2是本发明一种传感器的微桥的一具体实施例截面图；图3是本发明一种传感器的微桥的一具体实施例立体示意图；其中，基板是表面尺寸为2mm*2mm，厚度为100μm的PET基板1；图1中，外边框为PET基板1，横线表示传感器的中电极3，竖线为重合的下电极2和上电极4，图1中的横线和竖线相交形成投影相交点，即微桥A，图1中包括八列下电极2、十行中电极3和八列上电极4并形成八十个微桥A(边缘的交点除外)；图2和图3示意的是图1中微桥A的示意结构，传感材料5设置在中电极3的上方，事实上，传感材料5也可以设置在中电极3的下方，传感材料5只要设置在投影相交点上且与中电极3接触即可。实际上，中电极3横跨PET基板1的左右侧，上电极4和下电极2横跨PE基板1的上下侧。另外，本实施例中，传感器的下电极2的正投影、中电极3的正投影和上电极4的正投影垂直相交于投影相交点。下电极2、中电极3、上电极4的材质为纳米银材料。下电极2的厚度为200nm，宽度为65μm，长度为1880μm；中电极3的厚度为2μm，宽度为80μm，长度为2mm；上电极4的厚度为2μm，宽度为65μm，长度为1888μm。传感材料5的厚度为2-3μm。进一步地，传感材料5可以采用醋酸丁酸纤维素、纳米铜功能复合材料或石蜡基功能复合材料。

参考图1，可以在不同微桥A中打印不同的传感材料，实现多个物理量的测量。可以在PET基板中尽可能多地制造出如图2所示的微米级的微桥结构，这个是传感的最小单位，单位面积中微桥A的数量越多，相比其他变极距型传感器，传感器的灵敏度越高。其次，中电极的引线可以从基板的左侧或右侧引出，上、下电极的引线可以分别从基板上侧和下侧引出，采用垂直平行有利于后续的传感器测试。

一种传感器的制备方法，应用于所述的传感器，包括以下步骤：

S1、清洗并吹干基板，加热基板。

依次用丙酮、异丙醇和去离子水连续浸泡基板10分钟，并用氮气吹干。

再对所述基板热板加热到140摄氏度，持续30分钟。

S2、对基板的表面进行氧等离子处理后进行加热。

对处理后的基板表面进行功率为50W，频率为13.56MHz的氧等离子处理，持续35秒，这是为了增强基板表面的润湿性，提高基板的亲水性，防止后续加入的溶液在基板表面四处流动，让溶液粘附在基板表面，有利于精准制作电极结构。把处理后的基板放进烤箱以120摄氏度烘烤5分钟，这是为了维持基板润湿性的同时防止打印墨水在基板漫延导致打印的线太宽。

S3、在基板上，利用喷墨打印技术将纳米银溶液打印得到下电极后进行加热。

利用喷墨打印设置喷墨点间距为40μm，打印层数为2层，将固含量为20％的纳米银浆(即纳米银溶液)打印在处理后的基板上作为下电极。

对所得样品放进烤箱以140摄氏度烘烤30分钟，让下电极固化。

S4、将光刻胶和丙二醇甲醚醋酸酯以质量比为1:9进行混合配制得到配制溶液，沿着下电极，利用喷墨打印技术将配制溶液打印在下电极上方后进行加热。

由于光刻胶不能直接用喷墨打印直接喷射，为了方便使用喷墨打印技术对传感器进行加工，将光刻胶和丙二醇甲醚醋酸酯以质量比为1:9进行充分混合配制注入喷墨盒，利用喷墨打印设置喷墨点间距为20μm，喷嘴温度为55度，激励速度和频率分别为9m/s和7kHz，打印层数为2层，将配制溶液沿着下电极路径对所得样品进行打印，形成下电极和中电极之间的间隔，在后续步骤中把传感器的光刻胶去除后从而形成电容结构的空隙，如图2和图3所示。对所得样品放到115摄氏度的热板加热10分钟，固化光刻胶。

S5、沿与下电极垂直的方向，利用喷墨打印技术将纳米银溶液在光刻胶上进行打印得到中电极后进行加热。

将上述纳米银浆利用喷墨打印设置喷墨点间距20μm，沿与下电极垂直的方向打印6层作为中电极，每打印一层中电极之后都要将样品用115摄氏度的热板加热30分钟，这是为了防止最上方的纳米银浆沿着光刻胶壁流下，这样会导致中电极的微桥结构过于脆弱。

S6、利用喷墨打印技术将传感材料打印在中电极与光刻胶的重叠区域上后进行加热。

利用喷墨打印将传感材料例如测量湿度的醋酸丁酸纤维素打印在所述中电极与光刻胶的重叠区域(此外，传感材料也可以在中电极下方，通过传感材料因被测量改变而发生膨胀或缩聚带动中电极弯曲，改变其与上下电极的极距从而引起电容变化)，并根据传感材料性质把器件放在热板以110度加热30分钟。传感材料也可以是用于测温的受热膨胀的纳米铜/石蜡基功能复合材料以及其他功能性材料。

S7、沿着下电极，利用喷墨打印技术将配制溶液打印在传感材料上后进行加热。

将光刻胶和丙二醇甲醚醋酸酯以质量比为1:9进行充分混合配制，利用喷墨打印设置喷墨点间距为20μm，喷嘴温度为55度，激励速度和频率分别为9m/s和7kHz，打印层数为2层，将配制溶液沿着下电极路径对所得样品进行打印，形成中电极和上电极之间的空隙。

对所得样品放到115摄氏度的热板加热10分钟，固化光刻胶。

S8、利用喷墨打印技术将纳米银溶液打印在处理后的基板上得到上电极后进行加热。

利用喷墨打印设置喷墨点间距为40μm，打印层数为2层，将固含量为20％的纳米银浆打印在处理后的基板上作为上电极。对所得样品放进烤箱以140摄氏度烘烤30分钟。

S9、利用显影液清除光刻胶。

利用光刻胶隔绝电极，加热固化后再把光刻胶去除。

利用显影液清除所得样品中的光刻胶，完成传感器的差动结构的制作，即形成如图2所示包括上电极、下电极和中电极的电容式传感器结构。

以上是对本发明的较佳实施进行了具体说明，但本发明创造并不限于所述实施例，熟悉本领域的技术人员在不违背本发明精神的前提下还可做出种种的等同变形或替换，这些等同的变形或替换均包含在本申请权利要求所限定的范围内。