一种抗交叉耦合的温度-压力集成传感阵列及其制备和封装方法

本发明属于柔性电子领域，更具体地，设计一种抗交叉耦合的温度-压力集成传感阵列及其制备和封装方法。

背景技术：

1、柔性传感器因其良好的异性曲面共形能力、轻、薄、柔韧等优点，受到了国内外的研究人员的广泛关注，但近些年来，随着人工智能技术和柔性电子科学的不断发展，使得智能机器人、可穿戴设备等高新技术领域发生了重大变革，柔性传感器作为人机交互的核心器件，人们对其提出了更高的要求。

2、一方面，将机械力转换电信号的柔性压力传感器已经得到了充分发展，许多研究人员致力于引入微观结构来代替常见的平面结构，例如：金字塔结构、半球状微结构、天然仿生结构，在提高器件灵敏度方面取得了重大进步。然而，基于金字塔、半球状微结构的柔性压力传感器由于界面粘附和连接强度差，易导致界面分层等失效，且迟滞现象明显，响应速度缓慢；基于天然仿生结构的柔性压力传感器结构往往存在随机性，很难保证其稳定性与重复性。由此可见，现有柔性压力传感器的性能仍需要在响应时间、耐久性、稳定性与重复性这些方面进行综合提高。

3、另一方面，现有柔性传感器往往只具备对压力或温度的单一功能传感或单点空间传感的能力，多参量感知时交叉耦合严重，限制了其在更多场景的广泛应用。赋予柔性传感器以多参量抗耦合集成感知和阵列化实现具有十分重要的现实意义。

技术实现思路

1、为解决现有技术中存在的问题，本发明的目的在于提供了一种抗交叉耦合的温度-压力集成传感阵列及其制备和封装方法，其具备温度与压力低耦合集成感知的能力，并具有响应时间、耐久性、稳定性和重复性好的特点。

2、为达到上述目的，本发明采用以下技术方案：

3、一种抗交叉耦合的温度-压力集成传感阵列，包括依次叠放设置的柔性基底、敏感层和柔性顶盖；

4、柔性基底上开设有多个呈阵列分布的贯通空腔；

5、敏感层包括设置于柔性基底一侧表面上的敏感层衬底和设置于敏感层衬底表面上的敏感单元、电极引线以及电极，敏感层衬底上在每个贯通空腔相对的位置均设有所述敏感单元；

6、每处敏感单元均包括压力敏感单元和温度敏感单元，其中，压力敏感单元与该敏感单元对应的贯通空腔正对，温度敏感单元设置在压力敏感单元的一侧，敏感层衬底上在压力敏感单元与温度敏感单元之间设有第一隔离空腔，第一隔离空腔贯通敏感层衬底的厚度方向；

7、所述压力敏感单元和温度敏感单元均与电极通过电极引线连接；

8、柔性基底上在与第一隔离空腔正对的位置开设有第二隔离空腔，第二隔离空腔贯通柔性基底的厚度方向；

9、柔性顶盖的表面在与每个压力敏感单元正对的位置设有凸起。

10、优选的，所述柔性基底的材质采用pdms/bn复合柔性材料，其中，pdms/bn复合柔性材料通过pdms液体、交联剂和氮化硼颗粒按照(8-12):1:(0.5～2)的质量比混合制成；

11、敏感层衬底的材质采用聚酰亚胺/氮化硼复合材料，其中，聚酰亚胺/氮化硼复合材料通过氮化硼颗粒与pi预聚物溶液混合制成，氮化硼颗粒的质量为pi预聚物溶液的5wt％～30wt％。

12、优选的，柔性基底上在与敏感层衬底相对的一侧表面设有空气流道，每个贯通空腔均对应连通有空气流道，空气流道的一端与贯通空腔连通，空气流道的另一端延伸至柔性基底的侧壁。

13、优选的，第一隔离空腔和第二隔离空腔均采用矩形空腔，第一隔离空腔和第二隔离空腔的横截面相同；

14、每处敏感单元中，压力敏感单元和温度敏感单元的中心连线与第一隔离空腔的长度方向以及与第二隔离空腔的长度方向垂直。

15、优选的，所述压力敏感单元的材料采用应变敏感金属，压力敏感电阻值为1.5-3kω。

16、优选的，贯通空腔的形状为圆形，压力敏感单元的形状采用锯齿发散状、螺旋形和/或折线形中的至少一种；

17、每个压力敏感单元的分布范围位于该压力敏感单元所正对的贯通空腔的范围内。

18、优选的，温度敏感单元的材料采用温度敏感金属，温度敏感电阻值为1-2kω。

19、优选的，所述电极包括地电极以及测量电极；

20、每个压力敏感单元以及每个温度敏感单元各自通过电极引线引出一测量电极；

21、位于同一列上的敏感单元中，所有压力敏感单元和温度敏感单元公用一个地电极并通过电极引线与该地电极连接。

22、本发明如上所述的抗交叉耦合的温度-压力集成传感阵列的制备方法，包括如下步骤：

23、s1、在硅片正面制备牺牲层；

24、s2、在牺牲层上通过旋涂的方式制备敏感层衬底；

25、s3、在敏感层衬底上采用剥离工艺完成压力敏感单元的图形化，形成压力敏感单元；

26、s4、在敏感层衬底上再次采用剥离工艺完成温度敏感单元的图形化，形成温度敏感单元；

27、s5、在敏感层衬底上再次采用剥离工艺完成电极以及电极引线的图形化；

28、s6、通过感应耦合等离子体刻蚀，制备出敏感层衬底上的第一隔离空腔；

29、s7、采用倒模工艺完成柔性基底与柔性顶盖的制备；

30、s8、采用化学键合方法完成柔性基底、敏感层衬底与柔性顶盖这三部分的封装。

31、本发明如上所述的抗交叉耦合的温度-压力集成传感阵列的封装方法，包括如下过程：

32、使用3-巯基丙基三甲氧基硅烷水溶液对敏感层衬底表面进行化学改性；所述3-巯基丙基三甲氧基硅烷水溶液为3-巯基丙基三甲氧基硅烷与水按体积比为(2～10)：100混合制成；

33、再使用氧等离子体对柔性基底与化学改性后的敏感层衬底进行氧化处理，其中，使用氧等离子体氧化处理的功率为40-80w，时间为10-40s；

34、再将柔性基底与敏感层衬底共形接触8-12min，使柔性基底与敏感层衬底完成键合；

35、再采用所述3-巯基丙基三甲氧基硅烷水溶液对柔性基底与敏感层衬底键合的整体结构中敏感层衬底表面进行化学改性；

36、再使用氧等离子体对柔性顶盖以及柔性基底与敏感层衬底键合的整体结构进行氧化处理，其中，使用氧等离子体氧化处理的功率为40-80w，时间为10-40s；

37、再将柔性顶盖以及柔性基底与敏感层衬底键合的整体结构共形接触8-12min，使柔性顶盖与敏感层衬底完成键合，完成所述抗交叉耦合的温度-压力集成传感阵列的封装。

38、与现有技术相比，本发明至少具有以下有益的技术效果：

39、传统的柔性传感器只能对一种参量进行传感测试，其信息获取能力有限，难以满足多种应用的传感需求；为了解决这一问题，本发明采用电阻式压力与温度敏感单元的高效集成，可以同时获取多参量的环境数据，具有更广泛的应用领域。为了减小温度敏感单元与压力敏感单元之间的交叉耦合，在温度敏感单元与压力敏感单元之间设置隔离空腔(具体的敏感层衬底上设置第一隔离空腔，柔性基底上在设置第二隔离空腔)，一方面减少了压力敏感单元受压时产生的应变对温度敏感单元的影响，另一方面，由于空气导热系数远低于敏感层衬底与柔性基底采用的材料，因此可以有效避免温度敏感单元由于自热效应产生的热量传递至压力敏感单元。经过实验测试，本发明抗交叉耦合的温度-压力集成传感阵列具备温度与压力低耦合集成感知的能力，并具有响应时间、耐久性、稳定性和重复性好的特点。

40、进一步的，为了减小温度敏感单元自热效应对测量精度影响，本发明对聚酰亚胺和/或pdms进行掺杂氮化硼(bn)，有效降低了柔性基底与敏感层衬底材料的导热系数，使温度敏感单元能够快速与外界环境温度达到平衡。

41、进一步，为了进一步提升压力传感灵敏度，在柔性基底上开设贯通空腔基础上，并根据其应变分布将压力敏感单元设计为锯齿发散状，表现出较高的灵敏度，此外压力敏感单元的形状采用螺旋形和折线形时也表现出较高的灵敏度，但相对锯齿发散状的稍低。

42、本发明所述的制备方法，能够使得本发明抗交叉耦合的温度-压力集成传感阵列与meme制备工艺相兼容，制备精度高，加工一致性好，易于批量加工。

43、本发明所述的封装方法，相比于传统依靠范德华力或胶接等封装方式，解决了界面连接处易分离、脱落等失效形式，同时保证了材料表面的高度的形貌保持，极大的提高了传感器的稳定性与重复性。