一种柔性贴片式传感驱动一体器件的制作方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及半导体技术领域，具体涉及一种柔性贴片式传感驱动一体化器件。
【背景技术】
[0002]传感器和驱动器(作动器)在生产生活中有着广泛的应用并占有极其重要的地位。传感器作为一种传感元件，是人们获取信息的重要媒介。柔性贴片式，力或位移传感器是一种通过传感原件感受外部微小的力或位移信息，并将其转化为电信号的器件，在许多工程领域发挥着极其重要的作用。例如人体假肢上的触觉传感器，可穿戴设备力反馈传感器，生物医药微小流道控制(输液管控制)等等。驱动器(作动器)是一种驱动元件，它在受到外界激励(如电，光，热等)后会产生相应的变形或功能反应，在生产生活等各个领域也扮演着不可替代的角色。例如可穿戴设备中的动力驱动，软体机器人，智能玩具等等。
[0003]根据工作原理的不同，压力传感器一般分为压电式，压阻式和电容式三种类型。其中，压阻式传感器主要是以金属电阻丝为传感元件，典型的压电式传感器以PVDP薄膜为敏感元件，电容式压力传感器的敏感元件主要为由敏感薄膜与平行电极组成的电容器。
[0004]无论是传统的压阻式，压电式还是电容式传感器，一般都为硬器件。硬器件在传统工业工程中有着不可代替的优势，但同样有着不可弥补的缺陷。而柔性传感器则可以产生大变形，有较好的亲和性，在人体假肢传感和可穿戴设备传感等领域有广泛的应用。
[0005]介电高弹体是一种被称为活性软材料的功能性材料，这种材料在外加电场作用下会发生变形。若沿着介电高弹体薄膜厚度方向施加一电场，则薄膜的厚度会降低，相应地其表面积会增大。当电场消失后，其又会恢复到原来的构型。这种材料具有电致变形大(可高达380%)，机电转换效率高，能量密度大，质量轻等优点，常用于制作驱动器，能量采集器。另外，由于其具有大变形，抗疲劳与环境适应性好的特点，因此也是一种制作传感器的理想材料。
[0006]公开号为101059380的中国专利申请“一种柔性电容式触觉传感器的制造方法”，公开了一种柔性电容式触觉传感器的制造方法，所述柔性电容式触觉传感器的制作包括PDMS的中间层准备，柔性PI衬底的制备，金属敏感电极及其电连接的图形化，第一高弹性介电层PDMS和第二柔性介电层PI的形成，金属驱动电极及其电连接的图形化，最上层柔性绝缘保护层PI的图形化和柔性电容式触觉传感器的分离。此发明通过工艺的优化整合，实现了有机柔性材料PDMS及PI与传统MEMS工艺之间的兼容性。所制作的电容式触觉传感器结构轻薄，机械强度高，可挠性好，可贴附在任意曲率表面同时感受法向力和切向力的大小，同样适合由众多这种柔性电容式触觉传感器单元组成阵列的制造。但是制备工艺过于复杂，也没有驱动的功能。
[0007]文献“A Diel ectric Elastomer Actuator with Self-sensingCapability^(Electroactive Polymer Actuators and Devices (EAPAD) 2008)公开了一种具有自传感能力的介电高弹体驱动器。它基于外部力和位移作用使介电高弹体薄膜阻抗改变进而导致其介电常数改变的原理，通过外加电阻来测量其输出电压信号的改变，从而实现自传感的目的。其原理较为复杂，不易实现，更重要的是量程有限。
【发明内容】
[0008]针对现有技术的不足，本发明提供了一种柔性贴片式传感驱动一体器件。
[0009]一种柔性贴片式传感驱动一体器件，包括交替层叠的传感驱动层和弹性电极层，且最底层和最顶层均为弹性电极层，所述传感驱动层为介电高弹体薄膜。
[0010]本发明的传感驱动一体器件使用时应配合两条引线使用，两条引线分别作为传感驱动一体器件的两个输入端，当传感驱动一体器件作为传感器使用时，两条引线分别与外接电路连接，以形成传感电路；当传感驱动一体器件作为驱动器使用时，两条引线分别接高压电源的两端，以为传感驱动层提供驱动电压。
[0011]本发明的传感驱动一体器件中至少包括一个传感驱动层和两个弹性电极层。由于单层传感驱动层的驱动能力和传感量程有限，可以通过交替层叠的多层，提高传感量程以及驱动能力。
[0012]当交替层叠多层时(即当传感驱动层层数大于I时)，任何一层传感驱动层的上、下的弹性电极层均通过引线一个接正极一个接负极，即在弹性电极层中从上至下引线交替地连接正极和负极。然后所有的正极引线连接在一起，所有的负极引线连接在一起。
[0013]本发明的传感驱动一体器件结构简单，易于实现，能够有效降低制备成本。且可根据需要交替层叠驱动传感层和弹性电极层，以放大由外力所造成的介电高弹体薄膜的变形量，从而提高电容的变化量，达到提高传感量程和驱动能力的作用。
[0014]本发明中的传感驱动一体器件中的传感驱动层、弹性电极层均为软材料，因此，此种柔性贴片式模块为全软结构。且传感驱动层是一种DE(介电高弹聚合物)材料，它具有一定程度的预拉伸。而弹性电极层则没有预拉伸，并且传感驱动层和弹性电极层紧密地贴合在一起。因此，传感驱动层有回缩的趋势，但由于受上下弹性电极层以限制，表现在宏观上就是在此种柔性贴片式模块的表面产生许多不规则的褶皱，同时整体结构会产生一定的弯曲。全软结构的形状改变对力相当敏感，当有较小的力作用在此种柔性贴片式传感驱动一体化模块(即传感驱动一体器件)的表面时，即可产生一定的变形，从而上述的褶皱会减小，整体结构会伸直，从而导致电容的有效面积增大，根据平行板电容器电容计算公式:C=eS/H，可使电容增大，进而达到传感的作用。
[0015]本发明中的弹性电极层具有导电，有弹性，固化后能够和传感驱动层紧密粘结的性能。因此，要求弹性电极层和传感驱动层的剪切模量在一个量级上。作为优选，所述弹性电极层的材质为导电硅胶，它具有良好的导电性以及和传感驱动层在一个量级上的剪切模量，并且在固化后能够和传感驱动层产生紧密的粘贴。
[0016]所述传感驱动层的等双轴预拉伸值为1.5 X 1.5?2.5X2.5。作为优选，所述传感驱动层的等双轴预拉伸值为2X2。拉伸时具体沿薄膜平面的两个垂直方向上进行2倍的等比双轴预拉伸，然后固定在硬质空心框架上。再在薄膜上的变形区域上、下表面涂上弹性电极层(即导电硅胶)，在上、下表面涂弹性电极层时，应使上、下表面的弹性电极层完全对应，以获得最佳的传感或驱动效果。
[0017]DE膜在受到厚度方向的电压后，其面积会扩大，厚度会减少，作为优选，本发明中的传感驱动层优选为VHB4905。VHB4905有很强的粘结力，对金属的粘结正拉强度为900?1200kPa，优选为llOOkPa。在没有预拉伸时，VHB4905的厚度为0.3?0.8mm，优选为0.5mm。
[0018]因为VHB4905是不可压缩的即三个方向上的预拉伸值乘积为1，所以，预拉伸后的介电高弹体薄膜的厚度为0.1?0.3mm,即所述传感驱动层的厚度为0.1?0.3_，优选为0.125mm0
[0019]所述介电高弹体薄膜的相对介电常数为3?4.7。作为优选，所述介电高弹体薄膜的相对介电常数为3.5。
[0020]介电高弹体的相对介电常数是其一个重要的介电特性。当相同电压加载在相同厚度的介电薄膜上时，相对介电常数较大的介电薄膜会产生更大的电场力。因此，较大的相对介电常数会使介电薄膜的驱动力更大。同时，C= ε ClSjzU其中\为相对介电常数，当相对介电常数过大时，其作为传感模块时分辨率会有所降低。所以，应适当选取介电高弹体材料的相对介电常数。
[0021]所述弹性电极层的厚度为0.08?0.15mm，优选为0.1mm。
[0022]弹性电极层的厚度太厚会影响到传感驱动层的传感性能，降低其驱动效果。厚度太薄则会影响其导电性和与传感驱动层粘结的性能。因此需要选取一个合适的厚度。
[0023]传感驱动层和弹性电极层的大小根据实际应用情况设定，且二者相互依赖，为了高压漏电保护，防止短接，传感驱动层应比弹性电极层大，其边缘距离上弹性电极层边缘为3?10mm，优选为5mm。
[0024]所述最底层和最顶层外设有绝缘保护层。
[0025]当交替层叠多层时仅在最外层覆盖绝缘保护层，即使电容器并联，可以成倍地增加所述柔性贴片式模块作为传感器时的量程。
[0026]本发明中绝缘保护层应具有绝缘，能够与弹性电极层