一种金属薄膜柔性应变传感器及其制备方法
【技术领域】
[0001] 本发明设及一种传感元件及其制备方法，特别设及一种柔性应变传感器及其制 备，属于材料及测量科学技术领域。
【背景技术】
[0002] 在传感技术领域中，本领域技术人员针对形变、振动已经开发出了多种传感系统。 传统的应变片式传感元件结构简单，但是灵敏系数较低，难W满足测量微弱变形信号的需 要。压阻式应变传感元件结构复杂，价格相对昂贵，无法适应低成本大规模应用的需求。
[0003] 所W，有必要提供一种结构简单，且电阻应变灵敏系数较高的传感器装置，能够对 微弱形变、振动等进行有效的感应，便于本领域技术人员的操作使用和分析。
[0004] 本领域技术人员针对构建高灵敏度的应变传感器，W探测微弱的形变或振动，进 行了一些尝试。现阶段，高灵敏的应变传感器通常包括两种构型:一是使用本征压阻系数较 大的材料作为敏感材料W构建应变传感器，但受材料种类和特性的限制，运种应变传感器 存在一定的缺陷，或是柔性不足，或是只能在微观尺度下工作，宏观尺度则失去高灵敏的特 性;二是选择合适的材料，设计巧妙的宏/微观结构，使得在小变形下，器件构型产生突变， 从而实现灵敏的电学响应。然而，运类尝试往往使用了昂贵的材料，不成熟的制造工艺，复 杂的器件结构，增加了成本，也带来了重复性及可靠性的问题。
[0005] 综上所述，在高灵敏柔性应变传感的技术中，有必要提供一种结构简单，且制造工 艺与现阶段最成熟的大规模集成电路制备技术相容的柔性传感器，使得受到微弱形变或振 动刺激时具有灵敏的响应，能够产生大幅的电学信号变化。
【发明内容】
[0006] 本发明的目的是提供一种金属薄膜柔性应变传感器及其制备方法，使该传感器不 仅具有结构简单、灵敏度较高的特点，且制备工艺简单，便于大规模的生产。
[0007] 本发明的技术方案如下：
[000引一种金属薄膜柔性应变传感器，其特征在于，该应变传感器包括金属薄膜、柔性基 材和至少两个触点电极;所述金属薄膜附着在所述柔性基材上，两者之间为弱贴合;金属薄 膜中具有至少一条贯通的定向长裂纹，所述贯通的定向长裂纹的宽度为纳米尺度，在厚度 方向裂纹贯穿金属薄膜甚至扩展进入柔性基材，所述贯通的定向长裂纹的方向垂直于拉伸 方向；在所述金属薄膜随所述柔性基材产生拉伸形变时，所述裂纹展宽甚至断裂，但在拉伸 形变释放后，裂纹处恢复原样;所述触点电极设置在所述金属薄膜上，在触点电极上设有引 线。
[0009] 本发明的技术特征还在于，所述金属薄膜为大面积致密、局部断裂的多晶薄膜，其 膜厚度为30nm~30皿。
[0010] 优选地，所述柔性基材包覆所述金属薄膜，W使所述金属薄膜与外部隔离。
[0011] 优选地，所述金属薄膜为金、销、铜、银或侣金属薄膜。
[0012] 优选地，所述触点电极分布在所述金属薄膜的端部位置。
[0013] 本发明提供的一种金属薄膜柔性应变传感器的制备方法，其特征在于该方法包括 如下步骤：
[0014] 1)在柔性基材表面进行预处理，W减弱所述金属薄膜对所述柔性基材的粘附性；
[0015] 2)采用物理或化学气相沉积方法，在所述柔性基材上形成一层多晶的金属薄膜；
[0016] 3)对沉积在柔性基材上的金属薄膜进行可控程度的预拉伸，再释放预拉伸，W使 得所述金属薄膜上产生贯通的定向长裂纹；
[0017] 4)在所述金属薄膜上设置触点电极，并在触点电极上连接引线。
[0018] 本发明提供的另一种述金属薄膜柔性应变传感器的制备方法，其特征在于该方法 包括如下步骤：
[0019] 1)在柔性基材表面进行预处理，W减弱所述金属薄膜对所述柔性基材的粘附性；
[0020] 2)在所述柔性基材上沉积一层金属薄膜，形成多晶金属薄膜；
[0021] 3)对沉积在柔性基材上的金属薄膜进行可控程度的预拉伸，再释放预拉伸，W使 得所述金属薄膜上产生贯通的定向长裂纹；
[0022] 4)在所述金属薄膜上设置触点电极，并在触点电极上连接引线；
[0023] 5)在所述金属薄膜的上面再包覆所述柔性基材，W使所述金属薄膜与外部隔离。
[0024] 本发明所述制备方法中，其特征在于，步骤2)中所述的物理气相沉积方法采用蒸 锻或瓣射方法。采用蒸锻或瓣射时的沉积速率为1~日OA/s，金属薄膜厚度为30nm~30皿。
[0025] 本发明的方法中，其步骤4)中采用在金属薄膜上涂覆导电银胶，形成所述触点电 极。
[0026] 本发明与现有技术相比，具有W下优点及突出性的技术效果：
[0027] 本发明提供的金属薄膜柔性应变传感器中使用金属薄膜作为压敏传感元件，金属 薄膜含有贯穿的定向长裂纹结构，能够通过裂纹的开闭对环境中的力学刺激作出形变响 应，从而引起电阻迅速变化。本发明的金属薄膜柔性应变传感不仅具有结构简单、灵敏度较 高的特点，且制备工艺简单，原材料来源丰富，与现有的集成电路技术相兼容，便于大规模 的生产。
【附图说明】
[0028] 图1是本发明具体实施例中所述金属薄膜柔性应变传感器的俯视示意图。
[0029] 图2是本发明具体实施例中所述金属薄膜柔性应变传感器的侧视示意图。
[0030] 图3是本发明具体实施例中所述金属薄膜柔性应变传感器的拉伸应变-电阻测试 曲线。
【具体实施方式】
[0031] 下面结合附图进一步说明本发明的具体结构、工作原理、工作过程。
[0032] 本发明提供了一种金属薄膜柔性应变传感器，其中包括金属薄膜1、柔性基材2、至 少两个触点电极3 W及引线4。
[0033] 所述金属薄膜成分为多晶薄膜，在所述金属薄膜中含有贯通的定向长裂纹11，如 图1所示。特别的，在所述定向长裂纹11处，裂纹方向垂直于拉伸方向，裂纹从器件的一边贯 通到了器件的另一边，而裂纹宽度只在纳米尺度甚至更小，即裂纹初始状态可能是闭合的， 而沿着厚度方向，裂纹贯穿金属薄膜甚至有可能扩展进入柔性基材。因此，金属薄膜在所述 定向长裂纹11处，力学结构上虽不再连续，其导电性能依然得到了保持。当所述金属薄膜1 产生拉伸形变时，所述定向长裂纹11处容易产生较宽的裂纹甚至断裂分离，带来导电特性 的急剧变化，造成金属薄膜整体的电阻迅速增大。当拉伸形变释放时，张开的裂纹重新缩小 直到恢复初始状态，金属薄膜整体电阻恢复。所述触点电极3设置在所述金属薄膜1上，用于 在金属薄膜上连接导线，触点电极最好分布在所述金属薄膜的端部位置，便于通入监测信 号。在金属薄膜1上可W设置多个触点电极，W增强对金属薄膜形变的监测，一片金属薄膜 上至少应在两个端部分别设置一个触点电极，W使监测电流流经所述金属薄膜。
[0034] 所述柔性基材2用于承载所述金属薄膜1和触点电极3。由于所述金属薄膜结构较 脆弱，不适于直接使用，所述柔性基材2对所述金属薄膜起保护作用，并有助于其产生与被 监测环境中相应的形变和振动。所述柔性基材2具有良好的弹性形变能力，其与所述金属薄 膜弱贴合，所述金属薄膜能够随所述柔性基材2-同产生形变。当柔性基材2产生拉伸形变 时，与柔性载体弱贴合的所述金属薄膜也会产生相同的拉伸形变，当拉伸作用力消失后，所 述柔性基材2恢复到初始形状，协助所述金属薄膜回到初始形状。
[0035] 所述引线4连接在所述触点电极3上，从所述金属薄膜柔性应变传感器中向外引 出，用于连接外部监测设备，将监测电流引入所述金属薄膜中。至少有两支所述引线4分别 连接在两个触点电极上，W使监测电流正常导通。
[0036] 所述金属薄膜1上的定向长裂纹11由单根贯通长裂纹组成或者由多条贯通长裂纹 并排排列而成。特别的，由于成型方法的不同，所述裂纹的形状可W呈现线型、波浪型等。
[0037] 本发明所述的金属薄膜柔性应变传感器在工作状态下，金属薄膜中通有监测电 流，当所述金属薄膜产生拉伸形变时，所述定向长裂纹处裂纹展开甚至断裂，金属薄膜的电 阻大幅上升从而对监测电流产生影响。当所述金属薄膜产生振动时，所述定向长裂纹的结 构受到振动影响，引起金属薄膜的电阻变化从而影响监测电流。本发明的金属薄膜，通过裂 纹结构受形变影响导致其电学性能产生突变的作用，获得较大的电阻应变灵敏系数。本发 明提供的金属薄膜柔性应变传感器适用于对形变和振动的同时监测，并且结构简单，便于 本领域技术人员的使用和分析。
[0038] 本发明所述的金属薄膜为大面积致密、局部断裂的多晶薄膜，其膜厚度为30nm~ 30皿。可选用金、销、铜、银或侣等金属。在本实施例中金属薄膜1为金，本领域技术人员可W 根据传感器的实际使用情况，对金属薄膜的化学成分进行选择，本发明不对金属种类进行 限制
[0039] 在具体的实施例中，优选所述金属薄膜厚度为50nm。厚度太薄难W均匀成膜;厚度 太厚，其与柔性基材之间易产生相对滑动，影响器件的长期使用稳定性。
[0040] 在本发明的一个实施例中，如图1、2所示，所述触点电极3分布在所述金属薄膜1的