硬质基底表面嵌入式柔性应变传感器和其制造工艺及装置的制作方法

本申请涉及嵌入式传感器制造，具体而言，涉及硬质基底表面嵌入式柔性应变传感器和其制造工艺及装置。

背景技术：

1、面向以数字化、智能化为核心的新一轮工业革命背景，涵盖了新计算技术、人工智能、高端装备、先进材料、生命健康等多个关键技术领域，并致力于实现物理世界与数字世界的深度融合。

2、柔性应变传感器作为一种先进的材料技术，具有高延展性、可穿戴等优点，可贴附于各种不规则的待测物体表面，监测待测物表面及内部的应变大小，将传感器的应变变化转变成可视的电信号，从而实现对引起应变的外界刺激信号的实时监测的传感器件，这一特性使得柔性应变传感器在仿生皮肤、健康监测、软体机器人、人机交互等领域具有广泛的应用前景。

3、但是，传统柔性应变传感器因其体积大且多采用分立元件，柔性差且难以接近待测点，不能满足小型化特点，难以实现小型元件的精准检测，同时对于不规则物体表面贴附易脱落，难以适应一些狭小的空间或复杂曲面结构，不能满足整体化和多样化的检测要求。

技术实现思路

1、为了解决传统柔性应变传感器因其体积大且多采用分立元件，柔性差且难以接近待测点，不能满足小型化特点，难以实现小型元件的精准检测，同时对于不规则物体表面贴附易脱落，难以适应一些狭小的空间或复杂曲面结构，不能满足整体化和多样化的检测要求的问题，本申请提供了硬质基底表面嵌入式柔性应变传感器和其制造工艺及装置。

2、本申请的实施例是这样实现的：

3、第一方面，本申请提供硬质基底表面嵌入式柔性应变传感器，包括硬质基底、传感材料层、电极层、绝缘层及保护层；

4、所述硬质基底表面设置有一特定形状的凹槽，其凹槽形状为所需传感器图案，所述所需传感器图案根据传感器特性进行设计，包括弓字形及十字架形。

5、在一种可能的实现方式中，所述传感材料层为通过喷涂应变感知溶液，待溶液凝固后，形成的固态传感层；

6、所述电极层为借助金属掩膜版，通过喷涂一层5～50nmcnt形成，其作为电极使用；

7、所述绝缘层为通过精密激光切除非必要涂层，剥离清除传感材料层和电极层边缘非必要的部分，在电极层表面及周围涂敷绝缘材料形成；

8、所述保护层材料包括三氧化二铬、氧化铝、氮化铝、氧化硅、氮化硅、碳化硅、金刚石及掺杂金刚石中的一种或多种的复合材料制成。

9、第二方面，本申请提供硬质基底表面嵌入式柔性应变传感器制造工艺，包括：

10、表面凹槽加工：在机械手指表面或交互界面位置处，选择需要部署传感器的硬质基底区域，通过精密激光雕刻出所需传感器图案的凹槽；

11、传感材料层沉积：将具有应变敏感的聚合物弹性体材料溶液化，利用传感材料层掩模版保护凹槽周围区域，通过重复多次滴入、注射、浸润、喷涂等方法将溶液填满凹槽，基于溶液挥发、热交联或光固化等方法在凹槽内固化成型；

12、电极层沉积：利用电极层掩模版保护凹槽周围区域和传感材料层表面中间区域，位于两端区域喷涂溶液化的导电溶液，通过溶液挥发等方法实现固化，借助掩模版形成特定图案导电涂层，并通过导电银浆以及铜线完成电极引线工作；

13、绝缘层沉积：通过精密激光切除非必要涂层，剥离清除传感材料层和电极层边缘非必要的部分，在电极层表面及周围涂敷绝缘材料；

14、保护层沉积：在传感器绝缘表面喷涂保护材料制作保护层，最终形成在硬质基底表面嵌入柔性应变传感器。

15、在一种可能的实现方式中，所述表面凹槽加工，还包括：

16、通过等离子技术糙化凹槽表面以增大结合力。

17、在一种可能的实现方式中，所述硬质基底的材料包括金属和塑料，其形状包括为平面、球面、圆柱面及不规则曲面。

18、在一种可能的实现方式中，若基底材料为金属，需首先在基底凹槽的四个侧壁和底面喷涂覆盖一层绝缘涂层，再制作传感材料层、电极层以及保护层。

19、在一种可能的实现方式中，所述凹槽的尺寸宽度不超过2mm，深度不超过1mm，其所需传感器图案形状包括条形、圆形、折线形、弓形及波浪形。

20、在一种可能的实现方式中，在所述电极层沉积步骤中，两端所述电极层的制作借助金属掩膜版，通过超声喷涂沉积工艺在特定形状槽内的沉积一层5～50nm的电极沉积层材料作为电极，其中电极层的沉积工艺包括喷涂沉积，磁控溅射及丝网印刷。

21、在一种可能的实现方式中，在所述电极层沉积步骤中，其电极引线在电极层的基础上通过喷涂工艺cnt制作两侧外延区域，并区分正负极引线，以达到正负极不短路，方便引线的效果。

22、第三方面，本申请提供一种硬质基底表面嵌入式柔性应变传感器，包括：

23、表面凹槽加工模块，用于表面凹槽加工：在需要部署传感器的硬质基底区域进行表面凹槽加工，所述硬质基底的形状可以为平面、球面、圆柱面及不规则曲面；

24、感知层沉积模块，用于传感材料层沉积：在凹槽中，填充传感材料层，所述传感材料层是通过溶液蒸发沉积或者反应固化生长的材料；

25、电极层沉积模块，用于电极层沉积：在感知层表面喷涂溶液化的导电溶液，通过溶液挥发等方法固化，借助掩模版形成特定图案导电涂层及引线；

26、绝缘层沉积模块，用于绝缘层沉积：通过精密激光切除非必要涂层，剥离清除传感材料层和电极层边缘非必要的部分，在电极层表面及周围涂敷绝缘材料；

27、保护层沉积模块，用于保护层沉积：清除感知层和电极层边缘非必要的部分，在电极层表面喷涂绝缘保护层材料，形成在硬质基底表面嵌入的应变传感器。

28、本申请提供的技术方案至少可以达到以下有益效果：

29、本申请提供的硬质基底表面嵌入式柔性应变传感器和其制造工艺及装置，通过激光加工和光刻技术工艺对硬质基底进行刻槽处理，并在槽内填充胶凝形成柔性传感材料层等，能充分保证柔性传感材料层的高粘连性以及安全性，为柔性应变传感器的制作方法提供新思路。

技术特征：

1.一种硬质基底表面嵌入式柔性应变传感器，其特征在于，包括硬质基底、传感材料层、电极层、绝缘层及保护层；

2.如权利要求1所述的硬质基底表面嵌入式柔性应变传感器，其特征在于，所述传感材料层为通过喷涂应变感知溶液，待溶液凝固后，形成的固态传感层；

3.硬质基底表面嵌入式柔性应变传感器和其制造工艺及装置，其特征在于，包括：

4.如权利要求3所述的硬质基底表面嵌入式柔性应变传感器制造工艺，其特征在于，所述表面凹槽加工，还包括：

5.如权利要求3所述的硬质基底表面嵌入式柔性应变传感器制造工艺，其特征在于，所述硬质基底的材料包括金属和塑料，其形状包括为平面、球面、圆柱面及不规则曲面。

6.如权利要求3所述的硬质基底表面嵌入式柔性应变传感器制造工艺，其特征在于，若基底材料为金属，需首先在基底凹槽的四个侧壁和底面喷涂覆盖一层绝缘涂层，再制作传感材料层、电极层以及保护层。

7.如权利要求3所述的硬质基底表面嵌入式柔性应变传感器制造工艺，其特征在于，所述凹槽的尺寸宽度不超过2mm，深度不超过1mm，其所需传感器图案形状包括条形、圆形、折线形、弓形及波浪形。

8.如权利要求3所述的硬质基底表面嵌入式柔性应变传感器制造工艺，其特征在于，在所述电极层沉积步骤中，两端所述电极层的制作借助金属掩膜版，通过超声喷涂沉积工艺在特定形状槽内的沉积一层5～50nm的电极沉积层材料作为电极，其中电极层的沉积工艺包括喷涂沉积，磁控溅射及丝网印刷。

9.如权利要求7所述的硬质基底表面嵌入式柔性应变传感器制造工艺，其特征在于，在所述电极层沉积步骤中，其电极引线在电极层的基础上通过喷涂工艺cnt制作两侧外延区域，并区分正负极引线，以达到正负极不短路，方便引线的效果。

10.一种硬质基底表面嵌入式柔性应变传感器制造装置，其特征在于，包括：

技术总结本申请涉及嵌入式传感器制造技术领域，具体而言，涉及硬质基底表面嵌入式柔性应变传感器和其制造工艺及装置，一定程度上可以解决传统传感器体积大且采用分立器件而难以接近待测点、测试环境恶劣的问题。传感器包括硬质基底、传感材料层、电极层，绝缘层，保护层，传感材料层和电极层依次填充在硬质基底表面的凹槽内，最后由保护层将整个传感器包裹起来。其中硬质基底上的凹槽由激光打标机和精密激光刻出；所述传感材料层是将具有应变敏感的聚合物弹性体材料溶液喷涂至硬质基底凹槽内胶凝所形成；所述电极层采用CNT溶液喷涂的方法制作；所述绝缘保护层使用包括但不限于三氧化二铬材料喷涂在最上层并进行绝缘处理。技术研发人员：朱子才,马利,巨春越,胡桥,路静,张勇受保护的技术使用者：陕西阔维智动机器人科技有限公司技术研发日：技术公布日：2024/9/9