一種基於柔性襯底的傳感器模塊的製作方法
2023-06-14 11:12:46 1
一種基於柔性襯底的傳感器模塊的製作方法
【專利摘要】本發明公開了一種基於柔性襯底的傳感器模塊，該傳感器模塊包括傳感器部分及天線部分，二者均以柔性絕緣材料為襯底，並通過導線或夾具連接，其中，傳感器部分用於感知外部敏感信號，天線部分用於無線信號的傳輸及接收，二者結合實現在無線情況下對外部敏感信號的檢測及傳輸。本發明以PI、PET等柔性絕緣材料為襯底，利用各種微電子微加工方法，將傳感器及無線發射部分製作於其上並綜合在一起，形成了無源無線可摺疊且便攜性高的組裝的新型傳感器模塊。
【專利說明】一種基於柔性襯底的傳感器模塊
【技術領域】
[0001]本發明涉及傳感器信號的檢測與傳輸【技術領域】，尤其是一種用於傳感器信號檢測與傳輸的基於柔性襯底的傳感器模塊。
【背景技術】
[0002]隨著社會的發展和人們生活水平的提高，在食品安全、醫藥衛生等領域對於輕便、小型、可彎曲的傳感器檢測變的越來越緊迫。同時隨著物聯網的發展，社會對於無線互聯的要求也越來越高，無線傳感器越來越受到關注。基於硬性襯底的傳感器已經非常成熟，但是，其應用場景受到襯底本身的限制，無法滿足市場要求，故而，柔性襯底有很好的發展潛質。
[0003]目前的無線傳輸模塊大部分都是基於硬性襯底一次製作而成，不能在成型之後進行參數的微調，製作可以在成型之後進行參數微調的基於柔性襯底的無線傳輸模塊，可以實現一種模塊多種用途，而且便於攜帶，具有重要的意義。
【發明內容】
[0004](一 )要解決的技術問題
[0005]有鑑於此，本發明的主要目的在於提供的一種基於柔性襯底的傳感器模塊，以實現無源無線可摺疊且便攜性高的新型傳感器模塊。
[0006]( 二 )技術方案
[0007]為達到上述目的，本發明提供了一種基於柔性襯底的傳感器模塊，該傳感器模塊包括傳感器部分及天線部分，二者均以柔性絕緣材料為襯底，並通過導線或夾具連接，其中，傳感器部分用於感知外部敏感信號，天線部分用於無線信號的傳輸及接收，二者結合實現在無線情況下對外部敏感信號的檢測及傳輸。
[0008]上述方案中，該柔性絕緣材料是聚醯亞胺(PI)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)或特殊紙制材料，該特殊紙制材料例如是牛皮紙之類的較硬質紙制材料。
[0009]上述方案中，該傳感器部分是在柔性絕緣材料襯底之上製作的各種傳感器，這些傳感器的平面結構各異，至少為圓形、橢圓形、正方形、長方形或不規則圖形，且均能夠彎曲成各種形狀，以適應各種不同的測試環境。
[0010]上述方案中，所述在柔性絕緣材料襯底之上製作的傳感器是氣體傳感器或溼度傳感器。所述氣體傳感器是在柔性絕緣材料襯底上製作出兩個電極條，然後在兩個電極條之間製作氣敏塗層。所述在兩個電極條之間製作的氣敏塗層，其採用的敏感膜是有機高分子聚合物、金屬氧化物、或有機高分子聚合物與金屬氧化物的混合物；其採用的塗覆方法包括滴塗、浸塗、熱蒸發或列印。所述有機高分子聚合物為聚吡咯(PPy)或聚苯胺(PANI)，所述金屬氧化物為Mo3、Sn2、ZnO或Ni。
[0011]上述方案中，該傳感器部分的尺寸控制在50微米X 50微米至ImX Im範圍內。
[0012]上述方案中，該天線部分能夠根據需求彎曲成不同的形狀，且可在特定外形輪廓下進行微調，以實現最佳接收或發送的效果。該天線部分是喇叭天線、環形天線或可彎曲天線。
[0013](三)有益效果
[0014]從上述技術方案可以看出，本發明具有以下有益效果:
[0015]1、本發明提供的基於柔性襯底的傳感器模塊，由於採用了天線，所以實現了無線特性，由於可以將傳感器製作成具有自激振蕩特性的傳感器，比如在製作傳感器是同時製作出電感、電容或電阻等元器件，使之具有自起振特性，所以實現了無源特性，由於天線及傳感器基於具有柔性特性的襯底之上，使之具有可以彎曲可摺疊性質，進而實現了無源無線可摺疊且便攜性高的新型傳感器模塊。
[0016]2、本發明提供的基於柔性襯底的傳感器模塊，因為天線接收信號時本身會將接收到的電磁波轉換成電能，該電能通過傳感器上的自激振蕩產生響應所需要的能量，必要時可在傳感器柔性襯底上製作出電感、電容或電阻等電子器件使整體具有自起振特性，再反饋回天線發射出去，所以可以製作成無源模塊，進而適用於難於長久供電的特殊環境。
[0017]3、本發明提供的基於柔性襯底的傳感器模塊，由於是無線模塊，不受外界引線的束縛，便於模塊的安置。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0018]圖1a是利用兩根長線型結構製作的捲曲電容型氣體傳感器的示意圖；
[0019]圖1b是將圖1a所示的結構螺旋捲曲後的示意圖；
[0020]圖2a是一個平面結構的喇叭天線二維圖形的示意圖；
[0021]圖2b是將圖2a中各個部分利用夾具整合後得到的喇叭天線的示意圖；
[0022]圖3是另外一種基於柔性襯底的可彎曲天線結構的示意圖；
[0023]圖4是將圖1b和圖3所示的結構結合在一起構成的傳感器模塊的示意圖。
【具體實施方式】
[0024]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。
[0025]本發明提供的是一種基於柔性襯底的傳感器模塊，該傳感器模塊以P1、PET等柔性絕緣材料為襯底，利用各種微電子微加工方法，將傳感器及無線發射部分製作於其上並綜合在一起，形成無源無線可摺疊且便攜性高的組裝的新型傳感器模塊。
[0026]本發明提供的基於柔性襯底的傳感器模塊，包括傳感器部分及天線部分，二者均以柔性絕緣材料為襯底，並通過導線或夾具連接，其中柔性絕緣材料可以是聚醯亞胺(PI)、聚對苯二甲酸乙二酯(PET)或特殊紙制材料等，該特殊紙制材料例如是牛皮紙之類的較硬質紙制材料，傳感器部分用於感知外部敏感信號，天線部分用於無線信號的傳輸及接收，二者結合實現在無線情況下對外部敏感信號的檢測及傳輸。
[0027]在本發明中，該傳感器模塊是以電容或電阻等電的參量為傳感信號輸出量，即傳感器電容或電阻等的變化，導致了震蕩頻率的變化，進而導致天線發射頻率的變化。該傳感器模塊是以柔性的天線部分為無線傳輸模塊。傳感器部分以柔性絕緣材料為襯底，在襯底之上製作各種特殊的傳感器，例如氣體傳感器、溼度傳感器等。這些特殊的傳感器平面結構可以各異，可以是圓形、橢圓形、正方形、長方形、不規則圖形等各種形貌，且均可以彎曲成各種形狀，以適應各種不同的測試環境，如在較小空間下的環境。整個器件的尺寸控制在50微米X 50微米到ImX Im範圍內。天線部分也是以柔性絕緣材料為襯底，天線可以根據需求彎曲成不同的形狀，且可在特定外形輪廓下進行微調，以達到實現最佳接收或發送的效果。
[0028]1、傳感器部分:
[0029]本發明是以電容型氣體傳感器為例，在柔性襯底上製作出兩個電極條，然後在兩個電極條之間製作氣敏塗層，可得圖1a所示結構，圖1a是利用兩根長線型結構製作的捲曲電容型氣體傳感器的示意圖。為適應不同的被測環境，可將圖1a所示的結構彎曲成如圖1b所示的形狀，圖1b是將圖1a所示的結構螺旋捲曲後的示意圖。
[0030]其中，在柔性襯底上的電極之間製作的氣敏塗層，其採用的敏感膜可以選擇有機高分子聚合物如聚吡咯(PPy)或聚苯胺(PANI);金屬氧化物如Mo3、Sn2、ZnO、Ni ;或者兩者的混合物等。根據所測氣體進行選擇性塗覆。塗覆方式包括滴塗、浸塗、熱蒸發、列印等方法。
[0031]相比於傳統的平面敏感膜，由於可以將該電容型氣體傳感器彎曲成幾種不同的形狀以適應被測環境的空間，不像常規傳感器那樣製作於固定平面或固定曲面之上，所以該電容型氣體傳感器具有立體敏感的性質，極大的發揮了柔性襯底可彎曲的特性,可適應更多的測試場景。
[0032]2、天線部分:
[0033]本發明是以喇叭天線和環形天線為例，利用柔性材料作為基底，在基底之上加工出一些簡單的條狀或者圓形圖案(和電極引線，對於無線傳輸則不需要)，可以大面積製造。之後，將基底的幾個需要連接的特殊位置(比如需要在摺疊或彎曲的時候起到連接作用的位置)開孔。在需要該器件的時候，將各個對應的孔摺疊(手工摺疊即可，若器件較小，可以利用輔助工具如鑷子等輔助對在一起)，用夾具將對在一起的每一條邊固定，使之連接在一起，形成具體實際應用中用到的器件三維立體結構。當不使用該器件時，可將夾具取下，將器件平鋪放置，或者捲成筒狀擱置，以節省空間。具體如圖2a、圖2b及圖3所示。
[0034]圖2a所示為一個平面結構的喇叭天線二維圖形。利用平面加工工藝成上圖所示圖案後，將非圖案區域剪裁掉。當不使用該器件時，可以將其層疊存放節省空間，尤其對於大尺寸的天線而言；當需要使用該器件時，可以將其組裝起來進行數據的傳輸，即將幾個部分利用夾具整合後可得到圖2b所示的結構。當不需要使用該器件時，可以將夾具拿下，變成圖2a所示的結構。
[0035]圖3為另外一種基於柔性襯底的可彎曲天線結構，該結構將天線的兩部分分別製作在襯底的正反兩面。其中一面在使用時，將A、B兩端彎曲連接以形成一個環形結構，使得正面天線為圓形，而反面天線仍然為直線型，然後將AB兩端分別同傳感器相接。環的大小可以適當調節。當不使用時，也可以將其平放，節省空間，尤其對於大尺寸的天線而言。
[0036]3、傳感器部分與天線部分的連接
[0037]將傳感器部分與天線部分兩種結構連接在一起可以構成本發明提供的無線傳感器模塊。
[0038]本發明是以將圖1b和圖3所示的結構進行結合為例，詳見圖4。圖4中左側為摺疊的電容傳感器，右側為彎曲的天線，二者以導線A和導線B進行連接。[0039]導線A或導線B與電容傳感器及天線連接處的觸點一般被稱為電極，該電極採用金屬電極或者具有強導電性的非金屬電極(如MWCNTS)。該電極採用的材料可根據實際場景及對產品的定位決定。如果需要較好傳輸特性和較低的阻值的傳輸線，可採用金屬電極，但是金屬電極在柔性襯底上的附著能力比較弱，可能需要生長多層電極或其他方法以提高附著力。非金屬電極可以更好的附著於柔性襯底之上，但是性能較金屬電極弱一些。
[0040]另外，也可以採用夾具將天線部分與傳感器部分連接，其功能和原理與以導線連接是一樣的，簡單講就是通過將天線引腳部分同傳感器引腳部分對準後用夾具夾緊即可，這裡就不再贅述。
[0041]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傳感器模塊，其特徵在於，該傳感器模塊包括傳感器部分及天線部分，二者均以柔性絕緣材料為襯底，並通過導線或夾具連接，其中，傳感器部分用於感知外部敏感信號，天線部分用於無線信號的傳輸及接收，二者結合實現在無線情況下對外部敏感信號的檢測及傳輸。
2.根據權利要求1所述的基於柔性襯底的傳感器模塊，其特徵在於，該柔性絕緣材料是聚醯亞胺、聚對苯二甲酸乙二酯或特殊紙制材料。
3.根據權利要求1所述的基於柔性襯底的傳感器模塊，其特徵在於，該傳感器部分是在柔性絕緣材料襯底之上製作的各種傳感器，這些傳感器的平面結構各異，至少為圓形、橢圓形、正方形、長方形或不規則圖形，且均能夠彎曲成各種形狀，以適應各種不同的測試環境。
4.根據權利要求3所述的基於柔性襯底的傳感器模塊，其特徵在於，所述在柔性絕緣材料襯底之上製作的傳感器是氣體傳感器或溼度傳感器。
5.根據權利要求4所述的基於柔性襯底的傳感器模塊，其特徵在於，所述氣體傳感器是在柔性絕緣材料襯底上製作出兩個電極條，然後在兩個電極條之間製作氣敏塗層。
6.根據權利要求5所述的基於柔性襯底的傳感器模塊，其特徵在於，所述在兩個電極條之間製作的氣敏塗層，其採用的敏感膜是有機高分子聚合物、金屬氧化物、或有機高分子聚合物與金屬氧化物的混合物；其採用的塗覆方法包括滴塗、浸塗、熱蒸發或列印。
7.根據權利要求6所述的基於柔性襯底的傳感器模塊，其特徵在於，所述有機高分子聚合物為聚吡咯或聚苯胺，所述金屬氧化物為Mo3、Sn2, ZnO或Ni。
8.根據權利要求1所述的基於柔性襯底的傳感器模塊，其特徵在於，該傳感器部分的尺寸控制在50微米X 50微米至ImX Im範圍內。
9.根據權利要求1所述的基於柔性襯底的傳感器模塊，其特徵在於，該天線部分能夠根據需求彎曲成不同的形狀，且可在特定外形輪廓下進行微調，以實現最佳接收或發送的效果。
10.根據權利要求9所述的基於柔性襯底的傳感器模塊，其特徵在於，該天線部分是喇叭天線、環形天線或可彎曲天線。
【文檔編號】G01N27/00GK103645215SQ201310680558
【公開日】2014年3月19日 申請日期:2013年12月12日 優先權日:2013年12月12日
【發明者】梁聖法, 李冬梅, 李小靜, 張 浩, 羅慶, 周磊, 劉明, 謝常青, 楊洪璋 申請人:中國科學院微電子研究所