一种基于柔性衬底的传感器模块的制作方法
【专利摘要】本发明公开了一种基于柔性衬底的传感器模块，该传感器模块包括传感器部分及天线部分，二者均以柔性绝缘材料为衬底，并通过导线或夹具连接，其中，传感器部分用于感知外部敏感信号，天线部分用于无线信号的传输及接收，二者结合实现在无线情况下对外部敏感信号的检测及传输。本发明以PI、PET等柔性绝缘材料为衬底，利用各种微电子微加工方法，将传感器及无线发射部分制作于其上并综合在一起，形成了无源无线可折叠且便携性高的组装的新型传感器模块。
【专利说明】一种基于柔性衬底的传感器模块
【技术领域】
[0001]本发明涉及传感器信号的检测与传输【技术领域】，尤其是一种用于传感器信号检测与传输的基于柔性衬底的传感器模块。
【背景技术】
[0002]随着社会的发展和人们生活水平的提高，在食品安全、医药卫生等领域对于轻便、小型、可弯曲的传感器检测变的越来越紧迫。同时随着物联网的发展，社会对于无线互联的要求也越来越高，无线传感器越来越受到关注。基于硬性衬底的传感器已经非常成熟，但是，其应用场景受到衬底本身的限制，无法满足市场要求，故而，柔性衬底有很好的发展潜质。
[0003]目前的无线传输模块大部分都是基于硬性衬底一次制作而成，不能在成型之后进行参数的微调，制作可以在成型之后进行参数微调的基于柔性衬底的无线传输模块，可以实现一种模块多种用途，而且便于携带，具有重要的意义。
【发明内容】
[0004](一 )要解决的技术问题
[0005]有鉴于此，本发明的主要目的在于提供的一种基于柔性衬底的传感器模块，以实现无源无线可折叠且便携性高的新型传感器模块。
[0006]( 二 )技术方案
[0007]为达到上述目的，本发明提供了一种基于柔性衬底的传感器模块，该传感器模块包括传感器部分及天线部分，二者均以柔性绝缘材料为衬底，并通过导线或夹具连接，其中，传感器部分用于感知外部敏感信号，天线部分用于无线信号的传输及接收，二者结合实现在无线情况下对外部敏感信号的检测及传输。
[0008]上述方案中，该柔性绝缘材料是聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或特殊纸制材料，该特殊纸制材料例如是牛皮纸之类的较硬质纸制材料。
[0009]上述方案中，该传感器部分是在柔性绝缘材料衬底之上制作的各种传感器，这些传感器的平面结构各异，至少为圆形、椭圆形、正方形、长方形或不规则图形，且均能够弯曲成各种形状，以适应各种不同的测试环境。
[0010]上述方案中，所述在柔性绝缘材料衬底之上制作的传感器是气体传感器或湿度传感器。所述气体传感器是在柔性绝缘材料衬底上制作出两个电极条，然后在两个电极条之间制作气敏涂层。所述在两个电极条之间制作的气敏涂层，其采用的敏感膜是有机高分子聚合物、金属氧化物、或有机高分子聚合物与金属氧化物的混合物；其采用的涂覆方法包括滴涂、浸涂、热蒸发或打印。所述有机高分子聚合物为聚吡咯(PPy)或聚苯胺(PANI)，所述金属氧化物为Mo3、Sn2、ZnO或Ni。
[0011]上述方案中，该传感器部分的尺寸控制在50微米X 50微米至ImX Im范围内。
[0012]上述方案中，该天线部分能够根据需求弯曲成不同的形状，且可在特定外形轮廓下进行微调，以实现最佳接收或发送的效果。该天线部分是喇叭天线、环形天线或可弯曲天线。
[0013](三)有益效果
[0014]从上述技术方案可以看出，本发明具有以下有益效果:
[0015]1、本发明提供的基于柔性衬底的传感器模块，由于采用了天线，所以实现了无线特性，由于可以将传感器制作成具有自激振荡特性的传感器，比如在制作传感器是同时制作出电感、电容或电阻等元器件，使之具有自起振特性，所以实现了无源特性，由于天线及传感器基于具有柔性特性的衬底之上，使之具有可以弯曲可折叠性质，进而实现了无源无线可折叠且便携性高的新型传感器模块。
[0016]2、本发明提供的基于柔性衬底的传感器模块，因为天线接收信号时本身会将接收到的电磁波转换成电能，该电能通过传感器上的自激振荡产生响应所需要的能量，必要时可在传感器柔性衬底上制作出电感、电容或电阻等电子器件使整体具有自起振特性，再反馈回天线发射出去，所以可以制作成无源模块，进而适用于难于长久供电的特殊环境。
[0017]3、本发明提供的基于柔性衬底的传感器模块，由于是无线模块，不受外界引线的束缚，便于模块的安置。
【专利附图】
【附图说明】
[0018]图1a是利用两根长线型结构制作的卷曲电容型气体传感器的示意图；
[0019]图1b是将图1a所示的结构螺旋卷曲后的示意图；
[0020]图2a是一个平面结构的喇叭天线二维图形的示意图；
[0021]图2b是将图2a中各个部分利用夹具整合后得到的喇叭天线的示意图；
[0022]图3是另外一种基于柔性衬底的可弯曲天线结构的示意图；
[0023]图4是将图1b和图3所示的结构结合在一起构成的传感器模块的示意图。
【具体实施方式】
[0024]为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，以下结合具体实施例，并参照附图，对本发明进一步详细说明。
[0025]本发明提供的是一种基于柔性衬底的传感器模块，该传感器模块以P1、PET等柔性绝缘材料为衬底，利用各种微电子微加工方法，将传感器及无线发射部分制作于其上并综合在一起，形成无源无线可折叠且便携性高的组装的新型传感器模块。
[0026]本发明提供的基于柔性衬底的传感器模块，包括传感器部分及天线部分，二者均以柔性绝缘材料为衬底，并通过导线或夹具连接，其中柔性绝缘材料可以是聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)或特殊纸制材料等，该特殊纸制材料例如是牛皮纸之类的较硬质纸制材料，传感器部分用于感知外部敏感信号，天线部分用于无线信号的传输及接收，二者结合实现在无线情况下对外部敏感信号的检测及传输。
[0027]在本发明中，该传感器模块是以电容或电阻等电的参量为传感信号输出量，即传感器电容或电阻等的变化，导致了震荡频率的变化，进而导致天线发射频率的变化。该传感器模块是以柔性的天线部分为无线传输模块。传感器部分以柔性绝缘材料为衬底，在衬底之上制作各种特殊的传感器，例如气体传感器、湿度传感器等。这些特殊的传感器平面结构可以各异，可以是圆形、椭圆形、正方形、长方形、不规则图形等各种形貌，且均可以弯曲成各种形状，以适应各种不同的测试环境，如在较小空间下的环境。整个器件的尺寸控制在50微米X 50微米到ImX Im范围内。天线部分也是以柔性绝缘材料为衬底，天线可以根据需求弯曲成不同的形状，且可在特定外形轮廓下进行微调，以达到实现最佳接收或发送的效果。
[0028]1、传感器部分:
[0029]本发明是以电容型气体传感器为例，在柔性衬底上制作出两个电极条，然后在两个电极条之间制作气敏涂层，可得图1a所示结构，图1a是利用两根长线型结构制作的卷曲电容型气体传感器的示意图。为适应不同的被测环境，可将图1a所示的结构弯曲成如图1b所示的形状，图1b是将图1a所示的结构螺旋卷曲后的示意图。
[0030]其中，在柔性衬底上的电极之间制作的气敏涂层，其采用的敏感膜可以选择有机高分子聚合物如聚吡咯(PPy)或聚苯胺(PANI);金属氧化物如Mo3、Sn2、ZnO、Ni ;或者两者的混合物等。根据所测气体进行选择性涂覆。涂覆方式包括滴涂、浸涂、热蒸发、打印等方法。
[0031]相比于传统的平面敏感膜，由于可以将该电容型气体传感器弯曲成几种不同的形状以适应被测环境的空间，不像常规传感器那样制作于固定平面或固定曲面之上，所以该电容型气体传感器具有立体敏感的性质，极大的发挥了柔性衬底可弯曲的特性,可适应更多的测试场景。
[0032]2、天线部分:
[0033]本发明是以喇叭天线和环形天线为例，利用柔性材料作为基底，在基底之上加工出一些简单的条状或者圆形图案(和电极引线，对于无线传输则不需要)，可以大面积制造。之后，将基底的几个需要连接的特殊位置(比如需要在折叠或弯曲的时候起到连接作用的位置)开孔。在需要该器件的时候，将各个对应的孔折叠(手工折叠即可，若器件较小，可以利用辅助工具如镊子等辅助对在一起)，用夹具将对在一起的每一条边固定，使之连接在一起，形成具体实际应用中用到的器件三维立体结构。当不使用该器件时，可将夹具取下，将器件平铺放置，或者卷成筒状搁置，以节省空间。具体如图2a、图2b及图3所示。
[0034]图2a所示为一个平面结构的喇叭天线二维图形。利用平面加工工艺成上图所示图案后，将非图案区域剪裁掉。当不使用该器件时，可以将其层叠存放节省空间，尤其对于大尺寸的天线而言；当需要使用该器件时，可以将其组装起来进行数据的传输，即将几个部分利用夹具整合后可得到图2b所示的结构。当不需要使用该器件时，可以将夹具拿下，变成图2a所示的结构。
[0035]图3为另外一种基于柔性衬底的可弯曲天线结构，该结构将天线的两部分分别制作在衬底的正反两面。其中一面在使用时，将A、B两端弯曲连接以形成一个环形结构，使得正面天线为圆形，而反面天线仍然为直线型，然后将AB两端分别同传感器相接。环的大小可以适当调节。当不使用时，也可以将其平放，节省空间，尤其对于大尺寸的天线而言。
[0036]3、传感器部分与天线部分的连接
[0037]将传感器部分与天线部分两种结构连接在一起可以构成本发明提供的无线传感器模块。
[0038]本发明是以将图1b和图3所示的结构进行结合为例，详见图4。图4中左侧为折叠的电容传感器，右侧为弯曲的天线，二者以导线A和导线B进行连接。[0039]导线A或导线B与电容传感器及天线连接处的触点一般被称为电极，该电极采用金属电极或者具有强导电性的非金属电极(如MWCNTS)。该电极采用的材料可根据实际场景及对产品的定位决定。如果需要较好传输特性和较低的阻值的传输线，可采用金属电极，但是金属电极在柔性衬底上的附着能力比较弱，可能需要生长多层电极或其他方法以提高附着力。非金属电极可以更好的附着于柔性衬底之上，但是性能较金属电极弱一些。
[0040]另外，也可以采用夹具将天线部分与传感器部分连接，其功能和原理与以导线连接是一样的，简单讲就是通过将天线引脚部分同传感器引脚部分对准后用夹具夹紧即可，这里就不再赘述。
[0041]以上所述的具体实施例，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
【权利要求】
1.一种基于柔性衬底的传感器模块，其特征在于，该传感器模块包括传感器部分及天线部分，二者均以柔性绝缘材料为衬底，并通过导线或夹具连接，其中，传感器部分用于感知外部敏感信号，天线部分用于无线信号的传输及接收，二者结合实现在无线情况下对外部敏感信号的检测及传输。
2.根据权利要求1所述的基于柔性衬底的传感器模块，其特征在于，该柔性绝缘材料是聚酰亚胺、聚对苯二甲酸乙二酯或特殊纸制材料。
3.根据权利要求1所述的基于柔性衬底的传感器模块，其特征在于，该传感器部分是在柔性绝缘材料衬底之上制作的各种传感器，这些传感器的平面结构各异，至少为圆形、椭圆形、正方形、长方形或不规则图形，且均能够弯曲成各种形状，以适应各种不同的测试环境。
4.根据权利要求3所述的基于柔性衬底的传感器模块，其特征在于，所述在柔性绝缘材料衬底之上制作的传感器是气体传感器或湿度传感器。
5.根据权利要求4所述的基于柔性衬底的传感器模块，其特征在于，所述气体传感器是在柔性绝缘材料衬底上制作出两个电极条，然后在两个电极条之间制作气敏涂层。
6.根据权利要求5所述的基于柔性衬底的传感器模块，其特征在于，所述在两个电极条之间制作的气敏涂层，其采用的敏感膜是有机高分子聚合物、金属氧化物、或有机高分子聚合物与金属氧化物的混合物；其采用的涂覆方法包括滴涂、浸涂、热蒸发或打印。
7.根据权利要求6所述的基于柔性衬底的传感器模块，其特征在于，所述有机高分子聚合物为聚吡咯或聚苯胺，所述金属氧化物为Mo3、Sn2, ZnO或Ni。
8.根据权利要求1所述的基于柔性衬底的传感器模块，其特征在于，该传感器部分的尺寸控制在50微米X 50微米至ImX Im范围内。
9.根据权利要求1所述的基于柔性衬底的传感器模块，其特征在于，该天线部分能够根据需求弯曲成不同的形状，且可在特定外形轮廓下进行微调，以实现最佳接收或发送的效果。
10.根据权利要求9所述的基于柔性衬底的传感器模块，其特征在于，该天线部分是喇叭天线、环形天线或可弯曲天线。
【文档编号】G01N27/00GK103645215SQ201310680558
【公开日】2014年3月19日 申请日期:2013年12月12日 优先权日:2013年12月12日
【发明者】梁圣法, 李冬梅, 李小静, 张 浩, 罗庆, 周磊, 刘明, 谢常青, 杨洪璋 申请人:中国科学院微电子研究所