基於柔性襯底的微型三維電場傳感器及其製備方法
2023-06-03 10:55:31 1
基於柔性襯底的微型三維電場傳感器及其製備方法
【專利摘要】一種基於柔性襯底的微型三維電場傳感器，包括：柔性襯底；多個敏感單元分別形成於所述柔性襯底上，摺疊柔性襯底實現電場傳感器的三維結構。本發明可測量空間電場的三維矢量，測量精度更加準確，並且具有質量輕、體積小的優點。另外，該三維電場傳感器的製備工藝簡單且成本低廉，有利於批量化生產。
【專利說明】基於柔性襯底的微型三維電場傳感器及其製備方法
【技術領域】
[0001]本發明涉及微機電系統(Micro-Electro-MechanicalSystem,簡稱 MEMS)領域，尤其涉及一種基於柔性襯底的微型三維電場傳感器及其製備方法。
【背景技術】
[0002]電場傳感器是測量電場強度和電勢的裝置，它廣泛應用於國防、航空航天、氣象探測、電力、地震預報、科學研究以及工業生產等多個領域，具有非常重要的作用。
[0003]目前大多數電場傳感器僅限於一維矢量的測量。在實際測量中，由於待測電場的方向通常不確定，測量數據僅能反映電場三維矢量某一個方向分量的大小，容易造成測量誤差。
【發明內容】
[0004]為解決上述問題，本發明提供了一種基於柔性襯底的微型電場傳感器及其製備方法。
[0005]根據本發明的一個方面，一種基於柔性襯底的微型三維電場傳感器，包括:
[0006]柔性襯底；
[0007]多個敏感單元分別形成於所述柔性襯底上；
[0008]摺疊柔性襯底實現電場傳感器的三維結構。
[0009]根據本發明的另一個方面，一種基於柔性襯底的微型三維電場傳感器的製備方法，其特徵在於，用於製備權利要求1至10中任一項所述的微型電場傳感器，包括:
[0010]將配製好的的柔性襯底材料旋塗在硬性基底上；
[0011]待所述柔性襯底材料固化形成柔性襯底後，在所述硬性基底的預設位置製備敏感單元，並去除敏感單元位置之外的硬質基底；以及
[0012]對柔性襯底進行摺疊，使敏感單元分別位於不同的平面上，完成三維電場傳感器的製備。
[0013]本發明的三維電場傳感器可測量空間電場的三維矢量，測量精度更加準確，並且具有質量輕、體積小的優點。本發明的三維電場傳感器的製備工藝簡單且成本低廉，有利於批量化生產。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0014]圖1A-圖1D為依據本發明實施例基於柔性襯底的微型電場傳感器製備方法中執行完各個步驟後元件的剖面圖；
[0015]圖2為依據本發明以三個敏感單元為實施例基於柔性襯底的微型電場傳感器製備方法中執行摺疊步驟之前元件的立體圖；
[0016]圖3為依據本發明以三個敏感單元為實施例基於柔性襯底的微型電場傳感器的立體圖。[0017]圖4為依據本發明以四個敏感單元為實施例基於柔性襯底的微型電場傳感器的立體圖。
[0018]圖5為依據本發明以六個敏感單元為實施例基於柔性襯底的微型電場傳感器的立體圖
【具體實施方式】
[0019]為使本發明的目的、技術方案和優點更加清楚明白，以下結合具體實施例，並參照附圖，對本發明進一步詳細說明。需要說明的是，在附圖或說明書描述中，相似或相同的部分都使用相同的圖號。附圖中未繪示或描述的實現方式，為所屬【技術領域】中普通技術人員所知的形式。另外，雖然本文可提供包含特定值的參數的示範，但應了解，參數無需確切等於相應的值，而是可在可接受的誤差容限或設計約束內近似於相應的值。
[0020]本發明利用柔性襯底20可摺疊的特性，基於柔性襯底20加工製作敏感單元1，並形成傳感器三維結構。
[0021]在本發明的第一個不例性實施例中，提供了一種基於柔性襯底的微型三維電場傳感器。如圖2所示，該三維電場傳感器包括:可摺疊的柔性襯底20，三個敏感單元I分別形成於所述柔性襯底20上，通過摺疊柔性襯底20，形成如圖3所示的三維電場傳感器，即在X、Y和Z方向分別形成一個敏感單元1，其中，三個敏感單元I相互垂直。
[0022]固定架，位於柔性襯底20的內側，與柔性襯底20固定連接。用於支撐摺疊後的柔性襯底20，增加其穩定性。
[0023]以下分別對本實施例基於柔性襯底的微型三維電場傳感器的各個部件進行詳細說明。
[0024]柔性襯底20可選用聚二甲基矽氧烷(PDMS)、或聚醯亞胺(PI)、或聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)、或其混合物、或其他柔性材料。該柔性襯20底的厚度可為0.1 μ m?10000 μ m，當然也可根據製造者所需要求自行選擇厚度。
[0025]敏感單元I可選用矽基材料、金屬、金屬合金、壓電材料或者其他適用於電極製造的材料，通過矽的刻蝕、或多晶矽濺射、或金屬濺射、或金屬電鍍、或金屬電鑄等方法製造出水平振動、豎直振動或轉動式敏感單元I。該敏感單元I的厚度根據具體需要進行選擇，一般情況下為I μ m?1mm。
[0026]固定架並不是本發明三維電場傳感器所必須的，在柔性襯底20剛度足夠的情況下，該固定架可以省略。在具有固定架的情況下，該固定架的尺寸由摺疊後的柔性襯底20的尺寸所確定，其材料可以為金屬、塑料、合金、樹脂等等，其與柔性襯底20通過粘合劑粘合或機械固定等方式連接。
[0027]在本發明第二個實施例電場傳感器中，其與第一實施例不同之處在於，其包括:可摺疊的柔性襯底20，四個敏感單元I分別形成於所述柔性襯底20上，通過摺疊柔性襯底20，形成如圖4所示的三維電場傳感器，即在X和Y方向分別形成兩個敏感單元1，其中，四個敏感單元I兩兩相互垂直。兩組對向面的兩個敏感單元I通過差分結構布置，可以分別測量X和Y向電場，Z向電場通過兩兩相互垂直的四個敏感單元I輸出值經過計算得到。
[0028]在本發明第三個實施例電場傳感器中，其與第一實施例不同之處在於，其包括:可摺疊的柔性襯底20，六個敏感單元I分別形成於所述柔性襯底20上，通過摺疊柔性襯底20，形成如圖5所示的三維電場傳感器，即在X、Y和Z方向分別形成兩個敏感單元1，其中，六個敏感單元分布在正方體六個面上。
[0029]在本發明第四個實施例電場傳感器中，其與第一實施例不同之處在於，其包括:可摺疊的柔性襯底20上可製作五個、七個甚至更多個敏感單元I,通過摺疊柔性襯底20，形成五面體、七面體甚至更多面體的三維電場傳感器結構。
[0030]在本發明的又一個實施例電場傳感器中，其與上述實施例不同之處在於，其包括:可摺疊的柔性襯底20，但該柔性襯底上20的多個敏感單元I並不是相互垂直的,而是呈預設的角度。
[0031]通過以上的描述，對本發明基於柔性襯底的微型三維電場傳感器進行了詳細說明。在下文中，將以第一實施例的基於柔性襯底的微型三維電場傳感器為例，對基於柔性襯底的微型三維電場傳感器的製備方法進行說明。
[0032]在本發明的一個不例性實施例中,提供了一種基於柔性襯底的微型三維電場傳感器的製備方法。該製備方法包括:
[0033]步驟Α，常規清洗、處理雙面拋光矽片10，如圖1A所示；
[0034]步驟B，將PDMS預聚物與固化劑以質量比(如10: I)混合、攪勻，(固化劑含量的多少會影響PDMS的硬度以及柔軟程度)，均勻旋塗於矽片10的背面上，厚度約為0.1 μ m?10000 μ m，如圖1B所示；
[0035]步驟C，打薄矽片正面至ΙΟΟμπι左右，甩膠、光刻出3個(也可多個)敏感單元1，此時經過刻蝕的矽片只剩所需的敏感結構部分，其他部分已被除去，如圖1C所示；
[0036]步驟D，在PDMS襯底上甩光刻膠，作為刻蝕敏感單元I背面PDMS柔性襯底20的掩膜，用六氟化硫(SF6)幹法刻蝕PDMS柔性襯底20，形成敏感單元I的水平振動、豎直振動或轉動式結構和用於與小型固定架固定的小孔2，如圖1D所示；
[0037]執行該步驟的過程中，為了防止其他工藝步驟對敏感結構造成破壞，還需要採取必要的措施對敏感單元I進行保護，具體的手段可參見相應文獻，此處不再重述。
[0038]該步驟又可以包括如下子步驟:
[0039]子步驟Dl，在PDMS柔性襯底20上旋塗光刻膠，作為刻蝕PDMS柔性襯底20的掩膜，利用事先製作的掩膜版遮擋無需刻蝕的部分，曝光所需刻蝕的部分；
[0040]子步驟D2，利用六氟化硫(SF6)幹法刻蝕曝光部分的PDMS柔性襯底20，形成敏感單元I的水平振動、豎直振動或轉動式結構，此時PDMS柔性襯底20上的矽敏感結構可以運動而感應所需電場。
[0041]步驟S410，去掉光刻膠。
[0042]步驟E:對PDMS柔性襯底20進行摺疊，使敏感單元I分別位於不同的平面上，完成三維電場傳感器的製備。
[0043]步驟F，將摺疊後的三維電場傳感器與固定架連接，用來增加三維電場傳感器結構的穩定性，具體可以通過黏合劑的粘合，或者通過製作過程中刻蝕的小孔2，通過小螺絲固定或其他人工方法固定。
[0044]至此，本實施例基於柔性襯底的微型三維電場傳感器製備方法介紹完畢。至於本發明其他多維電場傳感器的製備，本領域技術人員依據以上的描述，進行相應的修改即可，此處不再重複描述。[0045]需要說明的是，上述對各元件的定義並不僅限於實施方式中提到的各種具體結構或形狀，本領域的普通技術人員可對其進行簡單地熟知地替換，例如:
[0046](I)PDMS還可以用PI或者其他柔性襯底來代替；
[0047](2)敏感單元I即可以用矽來製備，也可以用金屬來製備。
[0048]與一維電場傳感器相比，本發明基於柔性襯底的微型電場傳感器成本低、重量輕、測量精度更高，可以廣泛應用於氣象、智能電網、資源探測等諸多領域。並且該多維電場傳感器製備方法，具有工藝加工簡單、適合批量化製造等特點，非常利於推廣應用。
[0049]以上所述的具體實施例，對本發明的目的、技術方案和有益效果進行了進一步詳細說明，所應理解的是，以上所述僅為本發明的具體實施例而已，並不用於限制本發明，凡在本發明的精神和原則之內，所做的任何修改、等同替換、改進等，均應包含在本發明的保護範圍之內。
【權利要求】
1.一種基於柔性襯底的微型三維電場傳感器，包括: 柔性襯底； 多個敏感單元分別形成於所述柔性襯底上； 摺疊柔性襯底實現電場傳感器的三維結構。
2.根據權利要求1所述的基於柔性襯底的微型三維電場傳感器，所述多個敏感單元包括三個敏感單元，在X、Y和Z方向分別設置一個敏感單元。
3.根據權利要求1所述的基於柔性襯底的微型三維電場傳感器，所述多個敏感單元包括四個敏感單元，其中，在X和Y方向分別設置兩個敏感單元，所述四個敏感單元通過差分結構布置，分別測量X和Y向電場，Z向電場通過所述四個敏感單元的輸出計算得到。
4.根據權利要求1所述的基於柔性襯底的微型三維電場傳感器，所述多個敏感單元包括六個敏感單元，在X、Y和Z方向分別設置兩個敏感單元。
5.根據權利要求1所述的基於柔性襯底的微型三維電場傳感器，還包括: 固定架，位於所述摺疊後柔性襯底的內側，用於支撐所述柔性襯底。
6.根據權利要求5所述的基於柔性襯底的微型三維電場傳感器，其特徵在於，所述固定架與柔性襯底通過粘合劑粘合或機械固定的方式連接，其材料為金屬、塑料、合金或樹脂。
7.根據權利要求1所述的基於柔性襯底的微型三維電場傳感器，其特徵在於，所述柔性襯底的材料為以下材料的一種或多種:聚二甲基矽氧烷、或聚醯亞胺、或聚對苯二甲酸乙二醇酯。
8.根據權利要求1所述的基於柔性襯底的微型三維電場傳感器，其特徵在於，所述柔性襯底的厚度可為0.1 μ m?10000 μ m之間。
9.根據權利要求1所述的基於柔性襯底的微型三維電場傳感器，其特徵在於，所述敏感單元為水平振動、豎直振動或轉動式敏感單元,其材料為娃基材料、金屬、金屬合金、或壓電材料。
10.根據權利要求1所述的基於柔性襯底的微型三維電場傳感器，其特徵在於，所述柔性襯底摺疊後，多個敏感單元成相互垂直或成預設角度。
11.一種基於柔性襯底的微型三維電場傳感器的製備方法，其特徵在於，用於製備權利要求I至10中任一項所述的微型電場傳感器，包括: 將配製好的的柔性襯底材料旋塗在硬性基底上； 待所述柔性襯底材料固化形成柔性襯底後，在所述硬性基底的預設位置製備敏感單元，並去除敏感單元位置之外的硬質基底；以及 對柔性襯底進行摺疊，使敏感單元分別位於不同的平面上，完成三維電場傳感器的製備。
【文檔編號】G01R29/12GK103630762SQ201310318367
【公開日】2014年3月12日 申請日期:2013年7月26日 優先權日:2013年7月26日
【發明者】夏善紅, 方奕庚, 方東明 申請人:中國科學院電子學研究所