[发明专利]高性能柔性触力传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种高性能柔性触力传感器及其制备方法。该高性能柔性触力传感器是基于柔性微机电系统工艺制造的高性能柔性触力传感阵列，由硅基压阻式触力传感器作为传感单元，由柔性聚合物材料填充的柔性隔离槽作为柔性互连。本发明通过高精度硅基微机电系统加工技术实现的该触力传感阵列具有较高的线性度和灵敏度，且结构稳定、性能可靠、耐用性良好；同时，通过柔性隔离槽连接刚性传感单元实现柔性触力传感阵列的新技术具有潜在的应用价值。

技术领域

本发明涉及微纳加工领域，具体涉及一种基于聚对二甲苯(Parylene)的柔性微机电系统工艺(柔性MEMS工艺)制造的高性能柔性触力传感器及其制备方法。

背景技术

柔性触力传感器是一种用于检测接触力大小的柔性电子器件，是目前柔性电子技术的研究热点之一，在机器人、电子皮肤、可穿戴设备、柔性触屏、智能医疗等领域具有广阔的应用前景。尤其对于机器人产业，无论是在制造环境下应用的工业机器人，还是非制造环境下应用的服务机器人，均需要高精度高可靠性的触力传感系统。如近年来快速发展起来的手术机器人，虽然可以通过高操作精度的机械臂完成复杂的外科手术，但是实际操作中仍然需要经验丰富的医生通过手指的触诊获取手术区域的解剖信息。因此构建高性能柔性触力传感系统将部分地实现甚至超过医生的触诊能力，实现肿瘤等临床对象的探查功能，提高手术性能和适应性。

根据信号转换方式的不同，触力传感器主要可以分为压阻式、电容式、压电式、光学式触力传感器等。其中压阻式触力传感器利用敏感材料的压阻效应将接触力的变化转换为材料电阻值的变化，实现电学信号输出；电容式触力传感器将接触力的变化转变为电容两电极的间距变化，从而引起电容值的变化，输出可检测的电学信号；压电式触力传感器利用压电材料的压电效应，将接触力的变化转变为电荷量变化，实现电学信号输出。

目前柔性触力传感器的柔性实现策略通常是使用“柔性材料-传感器-柔性材料”的三明治结构或将碳纳米管、石墨烯等敏感材料与柔性材料组成导电聚合物后置于柔性衬底上。通过立体凸结构或中间层结构的设计形成传感阵列，实现接触力的大小和分布情况的检测。常用的柔性材料包括聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)和聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)等。如专利CN 206132280 U的实用新型专利利用由柔性材料形成的内部凸结构在压力作用下形变的原理设计了一种柔性压阻式压力传感器；专利CN 106092389 A的发明专利通过中间层压敏薄膜和pn结整流二极管构成的串联结构的设计解决了阵列电阻间的交叉耦合问题，提出了一种柔性阵列式压力传感器。基于上述方式制备的柔性触力传感器虽然灵敏度较高、结构简单，但与基于MEMS(微机电系统)工艺制作的硅基触力传感器相比，仍然存在精度低、测压范围有限、稳定性差、响应速度慢等缺点。

为此，需要发明一种高精度高可靠性的柔性触力传感器技术，在实现良好的柔性特征的同时保证传感器的稳定工作和精准测量。

发明内容

针对现有技术存在的问题，本发明提出了一种采用柔性微机电系统工艺(柔性MEMS工艺)制造的高性能柔性触力传感器。该柔性触力传感器以高精度硅基MEMS压力传感器作为功能单元，通过硅基MEMS压力传感器的阵列化和使用由柔性聚合物材料填充的柔性隔离槽实现硅基器件的柔性化，在实现良好的柔性特征的同时实现了触力传感器的高精度高可靠性测量。

本发明所采用的技术方案如下：

一种高性能柔性触力传感器，采用微机电系统(MEMS)硅基压阻式触力传感器作为传感单元，所述传感单元之间采用由聚合物填充的柔性隔离槽实现柔性连接。即传感单元之间通过预定义隔离槽及聚合物保型淀积，实现传感器的柔性裹覆。

进一步地，所述MEMS硅基压阻式触力传感器包括硅应变结构、压敏电阻、重掺杂接触区、金属引线；所述硅应变结构为硅衬底经过正面或背面刻蚀形成的对触力敏感的硅膜；所述压敏电阻在硅应变结构上的触力敏感区域成对称分布；所述重掺杂接触区分布在压敏电阻的两端；所述金属引线与所述重掺杂接触区在硅衬底正面形成欧姆接触。