[发明专利]阵列式超薄柔顺力传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于力传感器技术领域，特别涉及到阵列式超薄柔顺力传感器的结构设计。

背景技术

“柔顺传感器”概念的提出可以追溯到上世纪80年代末期，航空航天器中的许多特殊结构给传统刚性传感器的安装带来了很大困难。人们希望传感器具有良好的柔顺性能，不受被测物体形状限制，能够贴附于各种规则或不规则曲面实现正常的传感功能。进入上世纪90年代以后，美国、法国、日本、瑞士和葡萄牙等国家的科学家开始进行柔顺传感器的研究工作，许多新型的传感器材料和结构被应用到这一研究领域之中。

柔顺力传感器是柔顺传感器的一种，主要应用于挤压力和触觉力的测量。在柔顺传感器的研究中，柔顺力传感器一直占有重要的地位，根据敏感元件的不同，柔顺力传感器可分为三类：压电薄膜柔顺力传感器、半导体材料柔顺力传感器和导电高分子复合材料柔顺力传感器。

(1)压电薄膜柔顺力传感器

以瑞士的Kistler公司产品为主导，被应用于运动医学、口腔医学和汽车工程等领域中。这种传感器利用具有正压电效应的聚偏氟乙烯薄膜(PVDF)作为敏感材料，测量在动态力作用下敏感材料上下表面产生的电荷积累，从而反映力的大小。目前，对于PVDF压电薄膜的研究已经较为成熟，但压电薄膜柔顺力敏传感器仅能应用于动态力的测量。

由于敏感元件产生的电荷较弱，这种传感器对引出线的横截面积和长度都有较高的要求，无法应用超薄柔顺的密排电缆。

(2)半导体材料柔顺力传感器

随着MEMS加工技术的成熟，出现了半导体材料柔性力敏传感器。这一类型传感器的研究工作主要集中在半导体敏感单元的设计、加工以及柔性封装结构的设计上。2000年，德国杜伊斯堡大学在传统的圆形硅杯式压力传感器的基础上，利用橡胶制做了横隔膜上的凸台，研制了一种挤压力传感器。(Michael Leineweber，Georg Pelz，Michael Schmidt，et al.Newtactile sensor chip with silicone rubber cover.用硅橡胶封装的新型触觉传感器芯片。Sensors AndActuators A，传感器与执行器A，2000，84(3)：236～245)同年，中国科技大学研制出了一种硅压阻式触觉传感器，该传感器用弹性硅橡胶进行封装，并利用硬质凸台柱将触觉力传递至敏感单元。(Tao Mei，Wen J.Li，Yu Ge，et al.An integrated MEMS three-dimensional tactile sensorwith large force range.一种大量程的集成式MEMS三维触觉传感器。Sensors And Actuators A，传感器与执行器A，2000，80(2)：155～162)

这两种传感器都是以传统压力传感器的硅杯结构为基础，再附加力敏凸台和简单的柔性封装结构而成，它们可以实现接触挤压力的测量，但并不具有良好的柔顺性。

采用了MEMS工艺的半导体材料柔性力敏传感器具有精度高、分辨率高、线性度好、稳定性好、响应速度快等优点。随着体结构设计和加工技术的进步，它也能够实现较好的柔韧性。但是半导体材料柔性力敏传感器仍然属于微型传感器的范畴，通常在较小的面积内分布几十～数百个敏感单元。这虽然提高了空间分辨率，却无法充分发挥柔性传感器的优势，不能有效地测量大面积分布的力。另外，测力量程较小、加工工艺比较复杂、加工费用昂贵、成品率较低、器件容易受到损坏等不足都限制了它的应用。目前，半导体材料柔性力敏传感器仅适用于微型系统中力的测量，例如小卫星、小飞机、微型制动开关、微型机器人等。

(3)导电高分子复合材料柔顺力传感器

导电高分子复合材料指近年来常见的导电橡胶、导电塑料、导电涂料、导电胶粘剂和导电薄膜等。导电高分子复合材料分为填充型和化合型两种，前者是将导电颗粒混合入聚合物基体中形成导电通道，是两种以上材料的混合体；而后者只是单一材料，自身具有导电性。功能材料领域的研究发现，填充型导电高分子复合材料具有压阻效应，因此一些研究机构利用其作为敏感元件材料，研制了柔顺力传感器。