一种柔性压敏传感器及其制备方法与流程

本发明属于压力传感器制造技术领域，特别涉及一种柔性压敏传感器及其制备方法。

背景技术：

压力传感器是工业实践、仪器仪表控制中最常用的一种传感器，并被广泛应用于各种工业自控环境。目前应用较为广泛的压力传感器包括陶瓷压力传感器、不锈钢压力传感器以及微机电系统(mems)压力传感器等等。

经过广泛查阅有关文献和资料，发现目前的压力传感器具有以下几项缺陷和不足：(1)传统的压力传感器存在体积大的问题。由于加工工艺和加工技术的限制使传统的压力传感器的体积较大，限制了压力传感器的使用场景。(2)由于压敏材料性能的限制使传统压力传感器的灵敏度具有较大的提升空间，故使用新型压敏材料可以有效提高压力传感器的灵敏度。(3)目前压力传感器为非柔性结构。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种柔性压敏传感器及其制备方法，以解决上述问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种柔性压敏传感器，包括柔性衬底、电极、压敏薄膜和保护层；若干电极间隔设置在柔性衬底的上表面，柔性衬底和电极上表面覆盖有压敏薄膜；压敏薄膜上设置有一层保护层。

进一步的，一种柔性压敏传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，清洗柔性衬底；

步骤2，在柔性衬底上旋涂一层负性光刻胶作为牺牲层；

步骤3，在烘箱中对所述柔性衬底及牺牲层进行烘烤，烘烤时间为120s，最佳烘烤温度范围为100℃-120℃；

步骤4，在设计好的掩膜版下对所述牺牲层进行紫外曝光以定义出电极位置；

步骤5，在烘箱中对所述柔性衬底及牺牲层进行烘烤；

步骤6，室温下用显影液对所述牺牲层进行显影，最佳显影时间范围为120s-180s；

步骤7，将所述柔性衬底放入磁控溅射仪中进行底电极的生长；

步骤8，对所述柔性衬底进行去胶处理，除去牺牲层；

步骤9，在烘箱中对所述去胶后的柔性衬底和底电极进行烘烤；

步骤10，用磁控溅射仪在所述柔性衬底和底电极上生长一层gst压敏薄膜材料；

步骤11，最后在压敏薄膜上覆盖一层保护材料来进行封装操作作为保护层。

进一步的，步骤2中，使用匀胶机在柔性衬底上旋涂一层负性光刻胶作为牺牲层。

进一步的，步骤7中，溅射氛围为纯度为99.998％的氩气，压力为3mtorr，进行磁控溅射时所用靶材可为cu或pt导电优良的金属。

进一步的，步骤10中，溅射氛围为纯度为99.998％的氩气，压力为3mtorr，进行磁控溅射时所用的靶材是纯度为99.9％的ge2sb2te5；压敏薄膜的厚度范围为10～100nm。

进一步的，柔性衬底为pet或pen或pmma。

进一步的，保护材料为聚对二甲苯。

与现有技术相比，本发明有以下技术效果：

本发明根据gst相变材料中存在着压阻效应并利用mems技术，制备了三维结构的基于gst压敏薄膜的柔性压力传感器。优点有：(1)纳米级超高空间分辨率。薄膜化功能层的设计可以完全兼容于传统半导体继承电路，其工作单元面积完全取决于所采用加工手段的尺寸极限，理论上可以将传感器工作区域尺寸减小到5nm以下；(2)高灵敏度。gst材料的压阻效应为传统掺杂si材料的两倍；(3)可柔性化设计。gst压敏薄膜可以实现室温沉积，免去了高温p型或n型掺杂过程，因此gst传感器更适合于柔性压力传感应用。

附图说明

图1是根据本发明的柔性压敏薄膜传感器的制备流程图；

图2是在柔性衬底旋涂光刻胶后传感器的剖面图；

图3是根据本发明的柔性压敏薄膜传感器的光刻掩膜版的结构图；

图4是完成光刻和第一次显影操作后传感器的剖面图；

图5是完成电极生长操作后传感器的剖面图；

图6是完成第二次显影操作后传感器的剖面图；

图7是完成压敏薄膜层生长操作后传感器的剖面图；

图8是制备完成后传感器的剖面图；

其中：10、硅片；20、电极图案；30、短电极；40、长电极；50、传感器的工作区；60、柔性衬底；70、光刻胶；80、电极；90、压敏薄膜；100、保护层。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进一步说明：

请参阅图1至图8，一种柔性压敏传感器，包括柔性衬底60、电极80、压敏薄膜90和保护层100；若干电极80间隔设置在柔性衬底60的上表面，柔性衬底60和电极80上表面覆盖有压敏薄膜90；压敏薄膜90上设置有一层保护层100。

一种柔性压敏传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1，清洗柔性衬底；

步骤2，在柔性衬底上旋涂一层负性光刻胶作为牺牲层；

步骤3，在烘箱中对所述柔性衬底及牺牲层进行烘烤，烘烤时间为120s，最佳烘烤温度范围为100℃-120℃；

步骤4，在设计好的掩膜版下对所述牺牲层进行紫外曝光以定义出电极位置；

步骤5，在烘箱中对所述柔性衬底及牺牲层进行烘烤；

步骤6，室温下用显影液对所述牺牲层进行显影，最佳显影时间范围为120s-180s；

步骤7，将所述柔性衬底放入磁控溅射仪中进行底电极的生长；

步骤8，对所述柔性衬底进行去胶处理，除去牺牲层；

步骤9，在烘箱中对所述去胶后的柔性衬底和底电极进行烘烤；

步骤10，用磁控溅射仪在所述柔性衬底和底电极上生长一层gst压敏薄膜材料；

步骤11，最后在压敏薄膜上覆盖一层保护材料来进行封装操作作为保护层。

步骤2中，使用匀胶机在柔性衬底上旋涂一层负性光刻胶作为牺牲层。

步骤7中，溅射氛围为纯度为99.998％的氩气，压力为3mtorr，进行磁控溅射时所用靶材可为cu或pt导电优良的金属。

步骤10中，溅射氛围为纯度为99.998％的氩气，压力为3mtorr，进行磁控溅射时所用的靶材是纯度为99.9％的ge2sb2te5；压敏薄膜的厚度范围为10～100nm。

柔性衬底为pet或pen或pmma。

保护材料为聚对二甲苯。

实施例1：

该柔性压敏薄膜传感器具有三维结构。传感器的最底层为柔性衬底，然后利用mems技术和磁控溅射技术在衬底上生长一层电极，接着溅射一层gst压敏薄膜，最后在压敏薄膜上覆盖一层保护材料完成传感器的封装操作。

该柔性压敏薄膜传感器制备工艺的流程如图1所示，详细的制备过程包括：

如图2所示，在柔性衬底60上旋涂一层负性光刻胶70作为牺牲层。优选地，该柔性衬底为厚度为100μm的pet，该负性光刻胶可为aznlof2020，旋涂方式为在匀胶机上以4000r/min的速度进行旋涂，旋涂时间为40s，最终形成厚度约为1.8μm的均匀牺牲层；

在烘箱中以115±5℃的温度恒温烘烤60s；

在设计好的cr掩膜版下用365nm的紫外光曝光10s，形成底电极图案，掩膜版如图3左图所示，其中硅片10上有多个完全相同的电极图案20，电极图案20如图3右图所示，其有两种形状的电极构成，一种是短电极30，另一种是长电极40，短电极30和长电极40中间的部分为该传感器的工作区50。曝光时的功率为275w，曝光后在烘箱中以115±5℃的温度恒温烘烤60s；

室温下进行显影操作，所用显影液可为az300mif显影剂，显影时间为120s，显影结果如图4所示，此时柔性衬底60上只剩下部分光刻胶70；

将显影后的柔性衬底放入磁控溅射仪中进行底电极生长操作，底电极所需生长的厚度为100nm，溅射氛围为纯度为99.998％的氩气，压力为3mtorr，进行磁控溅射时所用靶材可为cu、pt等导电优良的金属，完成该操作后结果如图5所示，此时柔性衬底60被光刻胶70和电极80完全覆盖；

将完成磁控溅射操作后的柔性衬底和电极用去胶液进行去胶处理，所述去胶液可为丙酮等有机溶剂，去胶后的结果如图6所示，此时柔性衬底上60只剩下磁控溅射过程所生长的电极80；

去胶后在烘箱中以115±5℃的温度恒温烘烤60s；

将去胶后的柔性衬底和电极放入磁控溅射仪中进行压敏层生长操作，压敏层所需生长的厚度为100nm，溅射氛围为纯度为99.998％的氩气，压力为3mtorr，进行磁控溅射时所用的靶材是纯度为99.9％的ge2sb2te5，完成该操作后结果如图7所示，此时柔性衬底60被电极80和压敏薄膜90完全覆盖；

最后沉积保护层将压敏层密封进行封装处理后得到压敏薄膜传感器，如图8所示，密封时保护层100所用的材料为聚对二甲苯；

上述实施例提供的柔性压敏薄膜传感器可应用于医疗、汽车电子、运动追踪系统等领域，尤其适用于医疗及可穿戴设备领域。