一种纳米线传感器及其制备方法

1.本发明涉及传感器领域，尤其涉及一种纳米线传感器及其制备方法。背景技术：2.现有将纳米线与电控传感单元结合的研究多采用纳米线超薄薄膜覆盖或者图形化反向转印的方式与有机材料结合，力争取得均匀的导电纳米材料大面积覆盖，如何实现大面积复杂结构的信号的精密感知响应，是目前亟需解决的技术问题。技术实现要素：3.本发明实施例通过提供一种纳米线传感器及其制备方法，以实现大面积复杂结构的信号的精密感知响应。4.为实现以上目的，本发明提供以下方案：5.第一方面，本发明实施例提供了一种纳米线传感器，包括：6.衬底；7.传感元件，位于所述衬底的表面，所述传感元件包括若干纳米线传感单元。8.在一种可能的实施例中，所述若干纳米线传感单元呈阵列排布；9.所述纳米线传感单元，包括，纳米线导电结构和图案电极；10.所述图案电极，位于所述纳米线导电结构表面，与所述纳米线导电结构电性连接。11.在一种可能的实施例中，所述图案电极包括叉指电极、圆形网格电极、三角形网格电极、正方形网格电极、四边形网格电极、六边形网格电极中的一种或几种组合。12.在一种可能的实施例中，所述纳米线传感单元，还包括：13.总控连接导线，位于所述衬底的表面，与所述图案电极电性连接。14.在一种可能的实施例中，所述图案电极设有若干组电性连接端；15.所述电性连接端通过若干根并联导线与所述总控连接导线电性连接。16.在一种可能的实施例中，还包括：17.连接端子，位于所述衬底的表面，分别电性连接所述若干纳米线传感单元中一个或多个纳米线传感单元的总控连接导线。18.在一种可能的实施例中，所述衬底包括柔性衬底。19.第二方面，本发明实施例提供了一种纳米线传感器的制备方法，包括：20.提供衬底；21.于所述衬底的表面形成若干纳米线传感单元。22.在一种可能的实施例中，所述于所述衬底的表面形成若干纳米线传感单元，包括：23.于所述衬底的上表面形成图形化的牺牲层；所述牺牲层具有若干开口结构，以显露所述衬底；24.于所述牺牲层的表面形成纳米线材料层；25.去除部分的所述纳米线材料层，以显露出所述牺牲层的表面；26.去除所述牺牲层，形成阵列分布的若干纳米线导电结构；27.于所述纳米线导电结构的表面形成与所述纳米线导电结构电性连接的图案电极。28.在一种可能的实施例中，所述于所述纳米线导电结构的表面形成与所述纳米线导电结构电性连接的图案电极，包括：29.于所述纳米线导电结构的表面形成所述图案电极；30.于所述图案电极的边缘位置形成若干组电性连接端，以使所述纳米线导电结构与所述图案电极电性连接；31.于所述衬底的表面形成连接端子；32.于所述衬底的表面形成总控连接导线，以电性连接所述连接端子；33.于所述衬底的表面形成若干根并联导线，以电性连接所述电性连接端和所述总控连接导线。34.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：35.本发明中的纳米线传感单元在衬底上形成了若干个传感区域，每个纳米线传感单元均能够独立感知复杂结构对应区域的响应信息，提高了传感器的分辨率，同时多种纳米线传感单元可以采用不同类型的传感单元，以此采集多种传感信号，提高了传感器的灵敏度，另外各个纳米线传感单元之间形成冗余配合，提高了传感器的稳定性和响应度。本发明提供的纳米线传感器能够对目标检测结构形成分区域感知和响应，实现了对大面积复杂结构的信号的精密感知响应。附图说明36.为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例描述中所需要使用的附图作一简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。37.图1为本发明实施例提供的一种纳米线传感器的结构示意图；38.图2为图1的俯视图；39.图3为本发明实施例提供的一种图案电极的图案结构示意图；40.图4为本发明实施例提供的一种图案电极的图案结构示意图；41.图5为本发明实施例提供的一种图案电极的图案结构示意图；42.图6为本发明实施例提供的一种纳米线传感单元的表面示意图；43.图7为本发明实施例提供的一种总控连接导线与图案电极电性连接的示意图；44.图8为本发明实施例提供的一种纳米线传感单元的纵向示意图；45.图9为图6中连接结构220的放大示意图；46.图10为本发明实施例提供的一种纳米线传感器的制备方法的流程图；47.图11为步骤11的工艺示意图；48.图12为步骤12的工艺示意图；49.图13为步骤21的工艺示意图；50.图14为步骤22的工艺示意图。51.附图标记说明：100为衬底，210为纳米线传感单元，211为纳米线导电结构，2111为纳米线材料层，212为图案电极，213为总控连接导线，214为电性连接端，2141为支撑部，2142为导电部，215为连接端子，216为金属电极，220为连接结构，300为牺牲层，301为开口结构。具体实施方式52.以下，将参照附图来描述本公开的实施例。但是应该理解，这些描述只是示例性的，而并非要限制本公开的范围。此外，在以下说明中，省略了对公知结构和技术的描述，以避免不必要地混淆本公开的概念。53.在附图中示出了根据本公开实施例的各种结构示意图。这些图并非是按比例绘制的，其中为了清楚表达的目的，放大了某些细节，并且可能省略了某些细节。图中所示出的各种区域、层的形状以及它们之间的相对大小、位置关系仅是示例性的，实际中可能由于制造公差或技术限制而有所偏差，并且本领域技术人员根据实际所需可以另外设计具有不同形状、大小、相对位置的区域/层。54.在本公开的上下文中，当将一层/元件称作位于另一层/元件“上”时，该层/元件可以直接位于该另一层/元件上，或者它们之间可以存在居中层/元件。另外，如果在一种朝向中一层/元件位于另一层/元件“上”，那么当调转朝向时，该层/元件可以位于该另一层/元件“下”。55.如图1所示为本发明实施例提供的一种纳米线传感器的结构示意图，图2为图1的俯视图，包括：衬底100和传感元件。具体的，传感元件，位于衬底100的表面，传感元件包括若干纳米线传感单元210。56.纳米线传感单元210由纳米线材料为主体传感材料，具有优异的光学、温度、电学和机械性能。57.纳米线传感单元210可以基于应变式传感器的原理来实现对传感信号的感知。应变式传感器可以分为压阻式、压电式、电容式、光电效应等多种机电传感机理，通过将将外物形变有效的转化为可探测电信号，实现对传感信号的感知。纳米线传感器中的纳米线结构在收到外力的作用下，会发生纳米线的弯曲与混乱，这些都会引起的一些物理效应；另外，纳米线材料还可以具有超灵敏的光响应和一定带宽的光检测光谱范围，可以借此探测有效范围带宽的光学波长探测；在此基础上，配合不同的机电传感机理，可以在一种纳米线传感单元210的结构上实现压阻式、压电式、电容式或光电效应等任一种类型的传感单元。58.本实施例中的衬底100承受压力时会发生形变，可以利用纳米线随着形变的拉伸造成的纳米线图形结构阻值变化来检测承受的压力或反馈衬底100材料所受的应变信息。同时，可采用通过金属电极施加电压等电学信号，使通电纳米线单元产生电热驱动的形变、颜色变化等制动反馈信号。59.现有将纳米线与电控传感单元结合的研究多采用纳米线超薄薄膜覆盖或者图形化反向转印的方式与有机材料结合，力争取得均匀的导电纳米材料大面积覆盖，构成较为单一的检测方式(如压阻、电容等)来进行信息感知或电控制动。如何制造出同时具有高灵敏度、高分辨率、响应快速、低能耗、低成本的电控传感单元，尤其是对于大面积复杂结构的信号精密感知及响应仍然是一个艰巨挑战。60.本实施例中，纳米线传感单元210在衬底100上形成了若干个传感区域，每个纳米线传感单元210均能够独立感知复杂结构对应区域的响应信息，提高了传感器的分辨率，同时多种纳米线传感单元210可以采用不同类型的传感单元，以此采集多种传感信号，提高了传感器的灵敏度，另外各个纳米线传感单元210之间形成冗余配合，提高了传感器的稳定性和响应度。本实施例提供的纳米线传感器能够对目标检测结构形成分区域感知和响应，实现了对大面积复杂结构的信号的精密感知响应。61.实际应用中，衬底100的材料可以采用单层或多层的有机材料，通过材料之间不同的热膨胀体积变化操作电热制动，同时基于金属纳米线的可拉伸透明加热单元的开发和性能改进，可以形成主动式电控选区颜色变化或者宏观结构变化。62.衬底100可以采用柔性衬底100或硬性衬底100。63.柔性衬底100可以改变底部平面度，适应性地贴合复杂结构的表面，从而提高对复杂结构表面信息的精密感知响应。64.柔性衬底100可以采用二甲基硅氧烷(pdms)、聚酰亚胺(pi)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚氨酯(pu)、聚乙烯(pe)、聚乙烯萘(pen)、纤维素化合物(cellulose)中的一种或几种组合，硬质工程塑料的衬底10010包括聚碳酸酯(pc)、聚苯乙烯(ps)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚氨酯(pu)、环烯烃类共聚物(cop)和环烯烃类共聚物(coc)中的一种或几种组合。65.在不适合使用柔性衬底100的场景下或衬底100上不适合使用柔性衬底100位置处，还可以采用硬性衬底100，具体可以采用采用聚碳酸酯(pc)、聚苯乙烯(ps)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚氨酯(pu)、环烯烃类共聚物(cop)和环烯烃类共聚物(coc)等硬质工程塑料中的一种或多种材料来制备硬性衬底100。66.本实施例中，每一个纳米线传感单元210，均包括：纳米线导电结构211和图案电极212。67.纳米线导电结构211由导电纳米线材料组成平面或立体的结构。导电纳米线材料分为金属纳米线和非金属纳米线，其中金属纳米线的金属材料包括au、ag、cu、al、mg等，非金属材料包括si、sic、石墨烯等。纳米线的直径为1nm至500nm，长度为10μm至500μm。68.图案电极212属于一种接触电极，其由导电材料组成图案而形成的多点接触电极或阵列电极，位于纳米线导电结构211表面，与纳米线导电结构211电性连接。图案电极212表层金属可以为au、cu、al、ag、pt、mo、w、mg等低电阻率材料。为了获得更好的沉底附着力、粘附性和成品结构可靠性，图案电极212表层金属材料与衬底100之间可以添加包括cr、ni、ti等粘附层材料。该图案电极212线宽范围为1μm至1mm，厚度范围为50nm至1μm，可以根据透光率和电磁屏蔽等要求，进行金属电极的线宽、厚度和结构调整。69.具体的图案电极212可以包括叉指电极、圆形网格电极、三角形网格电极、正方形网格电极、四边形网格电极、六边形网格电极中的一种或几种组合，以适应应用场景的光学、强度和/或分布要求。在部分电磁屏蔽、部分波长光学探测、电热驱动需求下，使得该金属阵列覆盖在纳米线单元表面，以保证需要的单元能被完全覆盖无信号遗漏。图3至图5均为本发明实施例提供的一种图案电极212的图案结构示意图。70.如图6所示为本发明实施例提供的一种纳米线传感单元210的表面示意图，本实施例中，每个纳米线传感单元210均对应设有至少一条总控连接导线213，该总控连接导线213，位于衬底100的表面，与图案电极212电性连接，以实现图案电极212与外部的电性连接。如图7所示为本发明实施例提供的一种总控连接导线213与图案电极212电性连接的示意图。71.该总控连接导线213可采用阵列布线优化，以获得最小导线电阻，还可以根据透光率、电磁屏蔽、电热制动等需求，进行金属电导线的线宽、厚度和结构调整。72.如图8所示为本发明实施例提供的一种纳米线传感单元210的纵向示意图，纳米线导电结构211在采用立体结构时存在一定的高度，为了方便图案电极212与总控连接导线213的电性连接，本实施例中在图案电极212的边缘位置设置了若干组电性连接端214，每一组电性连接端214均包括叠放且电性连接的支撑部2141和导电部2142，具体的支撑部2141设置在衬底100上，导电部2142设置在图案电极212上；导电部2142可以连接图案电极212以及纳米线导电结构211上一个或多个输出端，总控连接导线213则与支撑部2141电性连接，以此实现了一个纳米线传感单元210中总控连接导线213、纳米线导电结构211和图案电极212之间的电性连接。73.如图9所示为图6中连接结构220的放大示意图，本实施例为了获得良好的透光性、导电性、工艺可靠性，每一组电性连接端214中的支撑部2141与总控连接导线213可以通过若干根并联导线与总控连接导线213电性连接，并根据透光率和电磁屏蔽等要求，进行图案电极212的线宽、厚度和结构调整。74.各个纳米线传感单元210可以是各自独立设置，也可以两个或多个之间形成电性连接，形成联通结构。75.本实施例中还在衬底100的表面设置有连接端子215，该连接端子215电性连接一个或多个纳米线传感单元210的总控连接导线213，实现纳米线传感单元210的独立设置或联通设置。76.当然，衬底100上还可以设置金属电极216，该金属电极216可与单元外部驱动电极及联通单元联通。如非单芯片级联，可采用金属丝球焊等方法与其他功能芯片电学级联。77.上述实施例所提供的纳米线传感器，其导电纳米线不但具有优异的电学性能，其纳米量级线宽保证了其高透明度和柔性，其高纵横比保证了纳米线良好的机械性能，是微量应变、应力传感的基础。78.上述实施例所提供的纳米线传感器中，通过衬底100中单层或者多层聚合物之间不同的热膨胀体积变化实现电热制动器的操作，在此基础上可以进行低电压非电解质操控。基于金属纳米线的可拉伸透明加热单元的开发和性能改进，可以形成主动式电控选区颜色变化或者宏观结构变化，使得各种领域的软制动器仿生应用成为热点。79.上述实施例所提供的纳米线传感器在采用柔性有机材料作为衬底100材料时，该传感器可以广泛应用于柔性触感显示器、亚敏显色预警器、电子皮肤、动态能量收集器、软体机器人等。同时，该压力传感器具有优异透光性能和电磁屏蔽功能，可用于大面积透明隐身装备外壳、舱体或窗体结构的制备及优化等应用。80.基于与方法同样的发明构思，本发明实施例还提供了一种纳米线传感器的制备方法，如图10所示为该方法的流程图，具体包括步骤11至步骤12。81.步骤11，提供衬底。82.具体的，确定合适的有机固体材料作为支撑衬底。如图11所示为步骤11的工艺示意图。83.衬底100可以采用柔性衬底或硬性衬底。84.柔性衬底可以改变底部平面度，适应性地贴合复杂结构的表面，从而提高对复杂结构表面信息的精密感知响应。85.柔性衬底可以采用二甲基硅氧烷(pdms)、聚酰亚胺(pi)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(pet)、聚氨酯(pu)、聚乙烯(pe)、聚乙烯萘(pen)、纤维素化合物(cellulose)中的一种或几种组合，硬质工程塑料的衬底10010包括聚碳酸酯(pc)、聚苯乙烯(ps)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚氨酯(pu)、环烯烃类共聚物(cop)和环烯烃类共聚物(coc)中的一种或几种组合。86.在不适合使用柔性衬底的场景下或衬底100上不适合使用柔性衬底100位置处，还可以采用硬性衬底，具体可以采用采用聚碳酸酯(pc)、聚苯乙烯(ps)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)、聚氨酯(pu)、环烯烃类共聚物(cop)和环烯烃类共聚物(coc)等硬质工程塑料中的一种或多种材料来制备硬性衬底100。87.实际应用中，衬底100的材料可以采用单层或多层的有机材料，通过材料之间不同的热膨胀体积变化操作电热制动，同时基于金属纳米线的可拉伸透明加热单元的开发和性能改进，可以形成主动式电控选区颜色变化或者宏观结构变化。88.步骤12，于所述衬底的表面形成若干纳米线传感单元。89.具体的，可以采用掩膜工艺，在制作纳米线材料层2111之前，先在衬底100上分隔出纳米线传感单元210对应的各个区域，从而实现本步骤的工作。如图12为步骤12的工艺示意图。90.这里，本步骤还提供一种步骤12详细的实现方案，具体包括步骤21至步骤25。91.步骤21，于所述衬底的上表面形成图形化的牺牲层；所述牺牲层具有若干开口结构，以显露所述衬底。92.具体的，牺牲层300上的开口结构301即对应纳米线传感单元210所在区域，牺牲层300形成的图案，即为掩膜阵列图形，每个开口结构301即为一个分割单元掩膜。本步骤具体工艺将根据纳米线传感单元210微阵列结构和尺寸范围来进行具体选择，包括半导体工艺、激光加工工艺及多轴数控加工等。对于线宽《500nm的掩膜阵列图形，可以采用薄膜沉积之后进行光刻及等离子体干法刻蚀等方式来实现掩膜阵列结构的制备。对于线宽》500μm的掩膜阵列图形，可以采用掩膜材料附在衬底100之后，再采用多轴数控机床加工等方式来实现掩膜阵列结构的制备。如图13所示为步骤21的工艺示意图。93.步骤22，于所述牺牲层的表面形成纳米线材料层。94.具体的，在具有分割单元掩膜的衬底100上填充导电纳米线，填充方法包括选区表面处理后液态选区覆盖、电场引导下的选区覆盖、液态纳米线刮涂、硅胶蘸棒涂布等。图14所示为步骤22的工艺示意图。95.纳米线导电结构211由导电纳米线材料组成平面或立体的结构。导电纳米线材料分为金属纳米线和非金属纳米线，其中金属纳米线的金属材料包括au、ag、cu、al、mg等，非金属材料包括si、sic、石墨烯等。纳米线的直径为1nm至500nm，长度为10μm至500μm。96.步骤23，去除部分的所述纳米线材料层，以显露出所述牺牲层的表面。97.具体的，去除方法可以根据掩膜材料及衬底100的粘附性能，采用直接撕除、化学溶剂浸泡、超声等方案进行掩膜剥离。剥离的掩膜材料将带走掩膜上表面直接覆盖的纳米线材料，由于开口结构301的存在，使得之前在衬底100表面全覆盖而电学联通的纳米线薄膜，变成相互绝缘的纳米线导电结构211阵列。98.步骤24，去除所述牺牲层，形成阵列分布的若干纳米线导电结构。99.具体的，去除方法可以根据掩膜材料及衬底100的粘附性能，采用化学溶剂浸泡、超声等方案进行掩膜剥离。100.步骤25，于所述纳米线导电结构的表面形成与所述纳米线导电结构电性连接的图案电极。101.具体的，该图案电极212可以构成导线阵列，表层金属可以为au、cu、al、ag、pt、mo、w、mg等低电阻率材料。为了获得更好的沉底附着力、粘附性和成品结构可靠性，该表层金属的材料与衬底100之间可以添加包括cr、ni、ti等粘附层材料。为了获得更好的金属材料与衬底100的粘附性，在图案电极212阵列结构制备之前，可以采用碱基溶液进行前处理操作。前处理工艺温度范围在10℃至95℃之间。102.这里，本实施例还提供了步骤25的可实现方案，具体包括步骤31至步骤35。103.步骤31，于所述纳米线导电结构的表面形成所述图案电极。104.具体的，图案电极212可以包括叉指电极、圆形网格电极、三角形网格电极、正方形网格电极、四边形网格电极、六边形网格电极中的一种或几种组合，以适应应用场景的光学、强度和/或分布要求。在部分电磁屏蔽、部分波长光学探测、电热驱动需求下，使得该金属阵列覆盖在纳米线单元表面，以保证需要的单元能被完全覆盖无信号遗漏。105.步骤32，于所述图案电极的边缘位置形成若干组电性连接端，以使所述纳米线导电结构与所述图案电极电性连接。106.纳米线导电结构211在采用立体结构时存在一定的高度，为了方便图案电极212与之后的总控连接导线213的电性连接，本实施例中在图案电极212的边缘位置设置了若干组电性连接端214，每一组电性连接端214均包括叠放且电性连接的支撑部2141和导电部2142，具体的支撑部2141设置在衬底100上，导电部2142设置在图案电极212上；导电部2142可以连接图案电极212以及纳米线导电结构211上一个或多个输出端，之后总控连接导线213则与支撑部2141电性连接，以此实现了一个纳米线传感单元210中总控连接导线213、纳米线导电结构211和图案电极212之间的电性连接。107.步骤33，于所述衬底的表面形成连接端子。108.本步骤中还在衬底100的表面设置有连接端子215，该连接端子215能够电性连接一个或多个纳米线传感单元210的总控连接导线213，实现纳米线传感单元210的独立设置或联通设置。109.步骤34，于所述衬底的表面形成总控连接导线，以电性连接所述连接端子。110.具体的，该总控连接导线213可采用阵列布线优化，以获得最小导线电阻，还可以根据透光率、电磁屏蔽、电热制动等需求，进行金属电导线的线宽、厚度和结构调整。111.步骤35，于所述衬底的表面形成若干根并联导线，以电性连接所述电性连接端和所述总控连接导线。112.具体的，为了获得良好的透光性、导电性、工艺可靠性，每一组电性连接端214中的支撑部2141与总控连接导线213可以通过若干根并联导线与总控连接导线213电性连接，并根据透光率和电磁屏蔽等要求，进行图案电极212的线宽、厚度和结构调整。113.上述本发明实施例中的技术方案，至少具有如下的技术效果或优点：114.本发明实施例中的纳米线传感单元在衬底上形成了若干个传感区域，每个纳米线传感单元均能够独立感知复杂结构对应区域的响应信息，提高了传感器的分辨率，同时多种纳米线传感单元可以采用不同类型的传感单元，以此采集多种传感信号，提高了传感器的灵敏度，另外各个纳米线传感单元之间形成冗余配合，提高了传感器的稳定性和响应度。本发明实施例提供的纳米线传感器能够对目标检测结构形成分区域感知和响应，实现了对大面积复杂结构的信号的精密感知响应。115.在以上的描述中，对于各层的构图、刻蚀等技术细节并没有做出详细的说明。但是本领域技术人员应当理解，可以通过各种技术手段，来形成所需形状的层、区域等。另外，为了形成同一结构，本领域技术人员还可以设计出与以上描述的方法并不完全相同的方法。另外，尽管在以上分别描述了各实施例，但是这并不意味着各个实施例中的措施不能有利地结合使用。116.尽管已描述了本发明的优选实施例，但本领域内的技术人员一旦得知了基本创造性概念，则可对这些实施例作出另外的变更和修改。所以，所附权利要求意欲解释为包括优选实施例以及落入本发明范围的所有变更和修改。117.显然，本领域的技术人员可以对本发明进行各种改动和变型而不脱离本发明的精神和范围。这样，倘若本发明的这些修改和变型属于本发明权利要求及其等同技术的范围之内，则本发明也意图包含这些改动和变型在内。