[发明专利]一种金属薄膜柔性应变传感器及其制备方法

说明书

一种金属薄膜柔性应变传感器及其制备方法，所述传感器包括金属薄膜、柔性基材和至少两个触点电极；金属薄膜附着在柔性基材上，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，该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；当金属薄膜随柔性基材产生拉伸形变时，金属薄膜裂纹展宽甚至断裂，在所述柔性基材拉伸形变释放时，金属薄膜裂纹缩窄最终回到初始状态。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。

技术领域

本发明涉及一种传感元件及其制备方法，特别涉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

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，难以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。

所以，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。

本领域技术人员针对构建高灵敏度的应变传感器，以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以构建应变传感器，但受材料种类和特性的限制，这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，这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。

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

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。

本发明的技术方案如下：

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。

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～30μm。

优选地，所述柔性基材包覆所述金属薄膜，以使所述金属薄膜与外部隔离。

优选地，所述金属薄膜为金、铂、铜、银或铝金属薄膜。

优选地，所述触点电极分布在所述金属薄膜的端部位置。

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：

1)在柔性基材表面进行预处理，以减弱所述金属薄膜对所述柔性基材的粘附性；

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；

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，以使得所述金属薄膜上产生贯通的定向长裂纹；