姚嘉林，江五貴，邵　娜，史云勝，田佳丁，楊　興*

（1.南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，南昌330063；2.清華大學(xué)精密儀器系，北京100084；3.清華大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084；4.南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院，南昌330063；5.軍械工程學(xué)院電子與光學(xué)工程系，石家莊050003）

基于柔性電極結(jié)構(gòu)的薄膜電容微壓力傳感器*

姚嘉林1，2，3，江五貴1*，邵娜2，3，4，史云勝2，3，5，田佳丁2，3，楊興2，3*

（1.南昌航空大學(xué)航空制造工程學(xué)院，南昌330063；2.清華大學(xué)精密儀器系，北京100084；3.清華大學(xué)精密測(cè)試技術(shù)及儀器國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京100084；4.南昌航空大學(xué)信息工程學(xué)院，南昌330063；5.軍械工程學(xué)院電子與光學(xué)工程系，石家莊050003）

基于柔性電極結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)、制作了薄膜電容微壓力傳感器，在闡述傳感器工作原理的基礎(chǔ)上，提出了兩種設(shè)計(jì)思路，即基于柔性納米薄膜的電容式微壓力傳感器和具有微結(jié)構(gòu)的柔性電極薄膜電容式微壓力傳感器，并結(jié)合傳感器的結(jié)構(gòu)和柔性材料的加工特性，進(jìn)一步提出了相應(yīng)的力敏特性材料結(jié)構(gòu)優(yōu)化思路和加工流程，利用該流程得到了一種結(jié)構(gòu)輕薄、工藝簡(jiǎn)單、高靈敏度的微壓力傳感器。經(jīng)測(cè)試，本文制作的壓力傳感器的靈敏度能夠達(dá)到218 fF/mmHg，在智能穿戴和可植入壓力檢測(cè)等領(lǐng)域顯示出較好的應(yīng)用前景。

柔性MEMS；電容式；壓力傳感器；柔性電極

EEACC:7230doi:10.3969/j.issn.1004-1699.2016.07.005

微壓力傳感器在工業(yè)［1］、醫(yī)療衛(wèi)生［2］、環(huán)境監(jiān)測(cè)［3］等領(lǐng)域具有廣泛應(yīng)用，其大多由硅、陶瓷等脆性材料制成。而智能可穿戴醫(yī)療［4］和可植入壓力檢測(cè)［5］等領(lǐng)域的快速發(fā)展對(duì)壓力傳感器的柔性、靈敏度、輕薄性和工作環(huán)境適應(yīng)性等方面提出了更高的要求。由于電容式壓力傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、靈敏度高、功耗低、過(guò)載能力強(qiáng)、動(dòng)態(tài)響應(yīng)特性好和對(duì)高溫、輻射、強(qiáng)振等惡劣條件的適應(yīng)性強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)［6-9］，所以許多柔性微壓力傳感器都采用電容式結(jié)構(gòu)。由于柔性空腔結(jié)構(gòu)的易形變特性能夠提高壓力傳感器的靈敏度，所以國(guó)內(nèi)外研究機(jī)構(gòu)目前在基于空腔結(jié)構(gòu)的電容式壓力傳感器方面開(kāi)展了較多的工作［10-18］。例如美國(guó)密歇根大學(xué)在這方面取得了較好的成果，2010年其報(bào)道了一種用于醫(yī)療的空腔電容壓力傳感器［10］，靈敏度達(dá) 26 fF/mmHg（0.195 pF/ kPa）。2008年加州理工大學(xué)的Tai組用化學(xué)氣相淀積方法制作了真空密封空腔結(jié)構(gòu)的電容式壓力傳感器，實(shí)現(xiàn)了無(wú)線、無(wú)源的壓力檢測(cè)［11］。中北大學(xué)在2013年也提出了一種無(wú)線、無(wú)源、高靈敏度的空腔電容式壓力傳感器，采用陶瓷材料，與之前工作相比大大提高了壓力檢測(cè)的線性度［18］。然而，柔性空腔結(jié)構(gòu)微壓力傳感器的工藝相對(duì)復(fù)雜，其密封性能、薄膜層之間的粘附力不易保證［19］。另外電極與柔性介電層的熱失配容易導(dǎo)致薄膜脫落和電極龜裂等問(wèn)題［20］。

針對(duì)上述柔性空腔結(jié)構(gòu)的問(wèn)題，本文提出一種基于柔性電極結(jié)構(gòu)的薄膜電容微壓力傳感器，并提出了兩種思路：基于柔性納米薄膜的電容式微壓力傳感器和具有微結(jié)構(gòu)的柔性電極薄膜電容式微壓力傳感器，然后設(shè)計(jì)了相應(yīng)的工藝流程和優(yōu)化方案，利用該流程制作了結(jié)構(gòu)輕薄、工藝簡(jiǎn)單的微壓力傳感器，測(cè)試發(fā)現(xiàn)具有微結(jié)構(gòu)的柔性電極薄膜電容式微壓力傳感器顯示出較高的靈敏度，本文希望為柔性微電容傳感器的研究提供一些新的思路和手段。

1　工作原理及設(shè)計(jì)

圖1為基于柔性電極的薄膜電容微壓力傳感器的結(jié)構(gòu)原理圖：圖1（a）是基于柔性納米薄膜的電容式微壓力傳感器，其采用平行板電容器結(jié)構(gòu)，由兩個(gè)電極板和中間一層柔性納米薄膜組成；圖1（b）是具有微結(jié)構(gòu)的柔性電極薄膜微壓力傳感器的原理圖，該傳感器與平行板電容器結(jié)構(gòu)相比，在極板與中間介質(zhì)層之間加入了一層微結(jié)構(gòu)。

圖1　基于柔性電極的薄膜電容微壓力傳感器結(jié)構(gòu)原理圖

由平板電容公式：

式中ε0為真空中絕對(duì)介電常數(shù)，εr為相對(duì)介電常數(shù)，A為極板面積，d為極板間距。從上式可知：電容式壓力傳感器的工作原理為對(duì)面積為A的上極板施加均布?jí)毫，使得兩極板間距d變化，引起傳感器電容C變化。所以電容式壓力傳感器的電容大小與極板間距d、相對(duì)介電常數(shù)εr、極板面積A這3個(gè)因素相關(guān)。

定義電容壓力傳感器的間距靈敏度為Sd，其表達(dá)式為［21］：

根據(jù)電容-壓力特性曲線，定義電容式壓力傳感器的壓力靈敏度為Sp，其表達(dá)式為：

所以電容式壓力傳感器的壓力靈敏度最終將回溯到壓力敏感膜的彈性分析。

根據(jù)式（1）和廣義胡克定律有：

則

則壓力靈敏度：

由上式可知：可通過(guò)增大電容初始值C0和選用楊氏模量較小的材料來(lái)提高電容式壓力傳感器的壓力靈敏度。因此，本文通過(guò)選擇楊氏模量較小，介電常數(shù)較大的PI和硅膠等材料可得到較高的壓力靈敏度。此外，為了減小寄生電容、溫度誤差等對(duì)電容式壓力傳感器的影響和方便電容的電路檢測(cè)，也應(yīng)使電容初始值C0盡可能大；可通過(guò)減小電極板初始間距d0，增加電極板面積A0和相對(duì)介電常數(shù)εr滿足盡量增大電容初始值的要求。

由于具有微結(jié)構(gòu)的柔性電極薄膜電容式微壓力傳感器（如圖1（b））在電極與介電層加入了一層微結(jié)構(gòu)層，因此相對(duì)于其他種類無(wú)微結(jié)構(gòu)的電容傳感器，這種具有微結(jié)構(gòu)的電容壓力傳感器在受到壓力時(shí)微結(jié)構(gòu)間隙中氣體的排出會(huì)引起電容介電常數(shù)的變化，從而能夠明顯提高壓力傳感的靈敏度。

2　基于柔性納米薄膜的微壓力傳感器

2.1制作工藝

通過(guò)對(duì)電容壓力傳感器工作原理的分析，應(yīng)選用楊氏模量較小的柔性材料作為介電層，因此本文采用醫(yī)用硅膠（AZoMaterials）和聚酰亞胺（Kapton）作為傳感器介電層，其材料特性如表1所示。

表1　柔性材料及其特性

結(jié)合器件的性能和材料加工、壓力測(cè)試、電路檢測(cè)條件等因素，本文設(shè)計(jì)傳感器的電極為方形結(jié)構(gòu)，其邊長(zhǎng)為2mm，厚度為100nm。則由式（1）可得介電層厚度為200 nm基于硅膠材料的電容初始值，其壓力靈敏度

則由式（1）有，介電層厚度為500 nm基于聚酰亞胺材料的電容初始值，其壓力靈敏度

從上述關(guān)于壓力傳感器靈敏度的理論計(jì)算可知：基于硅膠薄膜的柔性電容壓力傳感器靈敏度較高，是目前大部分空腔類傳感器的數(shù)倍；硅膠比聚酰亞胺（PI）更適合作為介電層材料。

由于傳感器由無(wú)機(jī)材料和有機(jī)材料薄膜組成，而層與層之間的材料性能存在差異，使薄膜層之間存在粘附力較差導(dǎo)致薄膜易脫落、熱膨脹系數(shù)不同導(dǎo)致電極易龜裂等問(wèn)題［20］，給制作工藝帶來(lái)很大挑戰(zhàn)。因此，本文結(jié)合傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和各層材料性能提出了一種簡(jiǎn)單的工藝制作方法，整個(gè)工藝流程圖如圖2所示，僅需三塊掩膜板，其掩膜板設(shè)計(jì)示意圖如圖3所示。

圖2　工藝流程圖

圖3　掩膜板圖形設(shè)計(jì)示意圖

下面具體介紹基于柔性納米薄膜的電容式微壓力傳感器的工藝流程和制作方法：

①下極板的蒸鍍

取一片4英寸二氧化硅片作為柔性器件的基片，對(duì)其常規(guī)清洗；之后將正性光刻膠（星泰克SUN-1150P，粘度為260 cp）旋涂在基片上，所用的勻膠機(jī)型號(hào)為CEE-200X-F，設(shè)定的參數(shù)為10 s，500 r/min；60 s，4 000 r/min；熱板100℃，5 min，之后放入MJB4紫外光刻機(jī)，用掩膜板對(duì)其光刻，曝光2 min，在顯影臺(tái)用顯影液處理1 min之后，對(duì)其后烘處理。將其放入電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)中沉積10 nm的鈦（Ti），作為連接層，再沉積100 nm的金（Au），之后做剝離工藝（lift-off），即得方形邊長(zhǎng)為2 mm，厚度為100 nm的金（Au）電極。

②柔性介電層的制作

首先取醫(yī)用硅膠 A膠，B膠各 20 g，攪拌1 min，靜置4 min，旋涂在基片上，設(shè)定的參數(shù)為5 s，500 r/min；60 s，6000 r/min；之后將基片放入烘箱中固化，參數(shù)為200℃，1 h；接著用美國(guó)Dektak XT臺(tái)階儀（其臺(tái)階高度重復(fù)性＜5 ?；垂直方向分辨率1 ?），對(duì)備片隨機(jī)取了5個(gè)點(diǎn)測(cè)試，最后求平均后得其硅膠厚度為193 nm。

③上極板的制作

與（1）中工藝方法相同，沉積邊長(zhǎng)為2 mm，厚度為100 nm的Au電極。劃片后我們得到了邊長(zhǎng)為2 mm的硅膠薄膜傳感器樣片。

④襯底的剝離

用10 mol/L的氫氧化鈉溶液浸泡樣片，進(jìn)行脫模處理，即剝離襯底得到基于柔性納米薄膜的電容式微壓力傳感器。

2.2傳感器的測(cè)試及分析

圖4（a）給出了測(cè)試系統(tǒng)的示意圖及基于柔性納米薄膜的電容式微壓力傳感器的壓力響應(yīng)測(cè)試過(guò)程。整體測(cè)試系統(tǒng)實(shí)物圖如圖4（b）所示，探針臺(tái)（CASCADE M150）上放置一電子秤，被測(cè)傳感器置于電子秤上，將能夠均勻傳導(dǎo)壓力的絕緣墊片放置在傳感器的上極板中央，操縱兩枚接入阻抗分析儀（WK 6500B）的高精度探針、使其分別壓在傳感器的上、下電極的襯墊上。在絕緣墊片上放置不同重量的砝碼，并通過(guò)電子秤實(shí)時(shí)校準(zhǔn)傳感器上的壓力大小，使其保持恒定，從而可以通過(guò)阻抗分析儀精確地測(cè)定在不同砝碼施加的壓力下傳感器的響應(yīng)。

圖4　測(cè)試系統(tǒng)

室溫為25℃時(shí)，基于柔性納米薄膜的電容式微壓力傳感器對(duì)施加壓力的響應(yīng)曲線如圖5所示，測(cè)得該組電容對(duì)施加壓力的靈敏度達(dá)到1.74 fF/mmHg（0.013 pF/kPa）。增加砝碼過(guò)程中的數(shù)據(jù)點(diǎn)用紅色標(biāo)示，減少過(guò)程中的數(shù)據(jù)點(diǎn)用藍(lán)色標(biāo)示，通過(guò)砝碼施加在傳感器上的壓力最大值為374 kPa。

圖5　不同壓力下基于柔性納米薄膜的電容式微壓力傳感器的電容變化曲線

從測(cè)試結(jié)果發(fā)現(xiàn)，基于柔性納米薄膜的電容式微壓力傳感器在單位壓力變化下電容的變化比較小，測(cè)試儀器難以檢測(cè)，壓力靈敏度并不理想，原因還在進(jìn)一步分析。

3　具有微結(jié)構(gòu)的柔性薄膜微壓力傳感器

為了進(jìn)一步提高薄膜壓力傳感器的靈敏度，本文又提出具有微結(jié)構(gòu)的柔性薄膜微壓力傳感器。

3.1制作工藝

結(jié)合傳感器的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)和各層材料性能，本文提出了一種簡(jiǎn)單的工藝制作方法，整個(gè)工藝流程圖如圖6所示。下面具體介紹具有微結(jié)構(gòu)的柔性電極薄膜電容式微壓力傳感器的工藝流程和制作方法：

①下極板的蒸鍍

取4英寸二氧化硅片兩片作為柔性器件的基片，對(duì)其常規(guī)清洗；之后將正性光刻膠（星泰克SUN-1150P，粘度為260 cp）旋涂在基片上，設(shè)定的參數(shù)為10 s，500 r/min；60 s，4 000 r/min；熱板100℃，5 min，之后放入紫外光刻機(jī)，用掩膜板對(duì)其光刻，曝光2 min，在顯影臺(tái)用顯影液處理1 min之后，對(duì)其后烘處理。將其放入電子束蒸發(fā)鍍膜機(jī)中沉積10 nm的鈦（Ti），作為連接層，再沉積100 nm的金（Au），之后做剝離工藝（lift-off），即得方形邊長(zhǎng)為2 cm，厚度為100 nm的金（Au）電極。

圖6　工藝流程圖

②柔性介電層的制作

本次工藝采用聚酰亞胺（PI）作為傳感器的介電層。

首先將固含量13%～14%，粘度300 cp～400 cp的聚酰亞胺涂層液旋涂在基片上，設(shè)定的參數(shù)為5 s，500 r/min；60 s，2000 r/min。之后將基片放入烘箱中分三階段固化，參數(shù)分別為80℃，20 min；160℃，20 min；240℃，20 min；最后用臺(tái)階儀測(cè)試基片上聚酰亞胺（PI）膠的厚度，測(cè)得其厚度為6.9 μm的聚酰亞胺（PI）薄膜。

③襯底的剝離

用10 mol/L的氫氧化鈉溶液處理樣片進(jìn)行脫模，脫模處理后得到方形電容薄膜。

④具有微結(jié)構(gòu)的柔性上極板的制作

經(jīng)過(guò)工藝的摸索，本文以柔性導(dǎo)電膠帶（3M公司，型號(hào)9703）為例，作為具有微結(jié)構(gòu)的柔性電極薄膜電容式微壓力傳感器的柔性上極板，進(jìn)一步提高壓力傳感器靈敏度。制作邊長(zhǎng)為2 cm，厚度為50 μm的方形柔性導(dǎo)電膠帶做電極，將其貼于PI薄膜上。劃片后，我們得到了邊長(zhǎng)為2 cm，厚度為57 μm的基于柔性導(dǎo)電膠帶的薄膜電容微壓力傳感器樣片。

另外，為驗(yàn)證導(dǎo)電膠帶提高靈敏度的作用，本文還制作兩片邊長(zhǎng)為2 cm，厚度為50 μm的方形柔性導(dǎo)電膠帶做電極，各貼于厚度為300 μm的商用PI薄膜上、下層。即得到了邊長(zhǎng)為2 cm，厚度為400 μm的基于柔性導(dǎo)電膠帶的薄膜電容微壓力傳感器。

3.2傳感器的測(cè)試及分析

經(jīng)系統(tǒng)測(cè)試，室溫為25℃時(shí)，“57 μm微結(jié)構(gòu)傳感器”對(duì)施加壓力的電容變化曲線如圖7（a）所示，測(cè)得該組壓力傳感器靈敏度達(dá)到 218 fF/mmHg（1.63 pF/kPa）。其測(cè)試方法與2.2小結(jié)類似，通過(guò)砝碼施加在傳感器上的壓力最大值為1.25 kPa。相同測(cè)試條件下“400 μm微結(jié)構(gòu)傳感器”的響應(yīng)曲線如圖7（b）所示，靈敏度達(dá)到35.0 fF/mmHg（0.26 pF/kPa）。

圖7　不同厚度下具有微結(jié)構(gòu)的薄膜微壓力傳感器的電容變化曲線

厚度為57 μm具有微結(jié)構(gòu)的柔性電極薄膜電容式微壓力傳感器，其壓力靈敏度（218 fF/mmHg）高于理論值（0.096 fF/mmHg），而電容初始值小于理論值。而厚度為400 μm具有微結(jié)構(gòu)的柔性電極薄膜電容式微壓力傳感器的壓力靈敏度（35.0 fF/mmHg）也高于理論值（0.002 fF/mmHg）。

通過(guò)觀察進(jìn)一步發(fā)現(xiàn)柔性導(dǎo)電膠帶由導(dǎo)電布和背膠組成，與剛性電極相比，柔性導(dǎo)電布的綜合作用使傳感器靈敏度大大提高；而背膠部分不導(dǎo)電，作為介電層使得電容初始值比理論值小。因?yàn)楹穸葹?00 μm的具有微結(jié)構(gòu)的柔性電極薄膜電容式微壓力傳感器比厚度57 μm的傳感器多使用了一層導(dǎo)電膠帶，所以壓力靈敏度的測(cè)試值和理論值之比更高。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，有微結(jié)構(gòu)的薄膜壓力傳感器的壓力靈敏度高于沒(méi)有微結(jié)構(gòu)的薄膜壓力傳感器，主要有以下兩個(gè)原因：①增加了極板間距的變化量：帶有微結(jié)構(gòu)的柔性背膠層空隙較多，使得傳感器的彈性阻力更小、更容易發(fā)生形變；②提高了傳感器的有效相對(duì)介電常數(shù)：當(dāng)帶有微結(jié)構(gòu)的柔性背膠層（相對(duì)介電常數(shù)為3.5）薄膜受到壓力時(shí)，擠壓柔性背膠中的空氣（相對(duì)介電常數(shù)為1），從而能夠增加傳感器的有效相對(duì)介電常數(shù)。

4　結(jié)論

本文介紹了一種基于柔性電極結(jié)構(gòu)的薄膜電容微壓力傳感器，通過(guò)設(shè)計(jì)和工藝的優(yōu)化和摸索，制作出性能優(yōu)良的薄膜電容式壓力傳感器，通過(guò)搭建測(cè)試系統(tǒng)實(shí)現(xiàn)了小量程、高靈敏度的壓力檢測(cè)。相對(duì)于帶空腔結(jié)構(gòu)的電容式壓力傳感器，這種具有微結(jié)構(gòu)的柔性電極薄膜電容式微壓力傳感器的工藝流程簡(jiǎn)單，壓力靈敏度更高。此外，與采用傳統(tǒng)工藝沉積電極的方法相比，直接采用柔性導(dǎo)電膠做為電極的方法更簡(jiǎn)單、易實(shí)現(xiàn)，并具有成本低和工藝成功率高等優(yōu)點(diǎn)，本文的研究工作為柔性微電容傳感器的研究提供了新的思路。

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［23］Steiert A E，Boyce M，Sorg H.Capsular Contracture by Silicone Breast Implants：Possible Causes，Biocompatibility，and Prophylactic Strategies［J］.Medical Devices（Auckland，NZ），2013，6：211.

姚嘉林（1992-），男，江西，南昌航空大學(xué)在讀碩士，主要從事柔性MEMS方向的研究；

江五貴（1975-），男，南昌航空大學(xué)教授，主要從事工程問(wèn)題多尺度優(yōu)化設(shè)計(jì)、微納米力學(xué)等方面的研究工作，jiangwugui@nchu.edu.cn；

楊興（1974-），男，清華大學(xué)精密儀器系副研究員，主要從事微/納機(jī)電系統(tǒng)（MEMS/NEMS）、微流體器件等方面的研究工作，yangxing@tsinghua.edu.cn。

Thin Film Capacitive Micro-Pressure Sensors Based on Flexible Electrode Structure*

YAO Jialin1，2，3，JIANG Wugui1*，SHAO Na2，3，4，SHI Yunsheng2，3，5，TIAN Jiading2，3，YANG Xing2，3*
（1.School of Aeronautical Manufacturing Engineering，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China；2.Department of Precision Instruments，Tsinghua University，Beijing 100084，China；3.State Key Laboratoryof Precision Measurement Technology and Instrumentation，Tsinghua University，Beijing 100084，China；4.School of Information Engineering，Nanchang Hangkong University，Nanchang 330063，China；5.Department of Electronics and Optics Engineering，Mechanical Engineering College，Shijiazhuang 050003，China）

A novel thin film capacitive micro-pressure sensor was designed and fabricated based on a flexible electrode structure.On the basis of the working principle of film capacitive pressure sensor，two kinds of designs for the capacitive micro-pressure sensor were proposed：one was based on flexible nano-films and the other was based on the flexible electrode films that with micro-structure.Meanwhile，an optimal method of the sensitivity of the pressure sensor was proposed to achieve a slimmer，simpler and more sensitive capacitive pressure sensor according to the structural feature of the micro-pressure sensor and the processing property of the flexible materials.According to the experiments，the maximum pressure sensitivity of the proposed sensor can reach 218 fF/mmHg，which shows a promising application prospect in many industrial fields such as smart wearable devices as well as implantable medical pressure sensing.

flexible MEMS；capacitive；pressure sensor；flexible electrode

TP212.1

A

1004-1699（2016）07-0977-07

項(xiàng)目來(lái)源：國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（51375263）；國(guó)家自然科學(xué)基金項(xiàng)目（11162014）

2016-01-16修改日期：2016-02-29