基于柔性电极结构的薄膜电容微压力传感器*

姚嘉林，江五贵，邵　娜，史云胜，田佳丁，杨　兴*

（1.南昌航空大学航空制造工程学院，南昌330063；2.清华大学精密仪器系，北京100084；3.清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京100084；4.南昌航空大学信息工程学院，南昌330063；5.军械工程学院电子与光学工程系，石家庄050003）

基于柔性电极结构的薄膜电容微压力传感器*

姚嘉林1，2，3，江五贵1*，邵娜2，3，4，史云胜2，3，5，田佳丁2，3，杨兴2，3*

（1.南昌航空大学航空制造工程学院，南昌330063；2.清华大学精密仪器系，北京100084；3.清华大学精密测试技术及仪器国家重点实验室，北京100084；4.南昌航空大学信息工程学院，南昌330063；5.军械工程学院电子与光学工程系，石家庄050003）

基于柔性电极结构，本文设计、制作了薄膜电容微压力传感器，在阐述传感器工作原理的基础上，提出了两种设计思路，即基于柔性纳米薄膜的电容式微压力传感器和具有微结构的柔性电极薄膜电容式微压力传感器，并结合传感器的结构和柔性材料的加工特性，进一步提出了相应的力敏特性材料结构优化思路和加工流程，利用该流程得到了一种结构轻薄、工艺简单、高灵敏度的微压力传感器。经测试，本文制作的压力传感器的灵敏度能够达到218 fF/mmHg，在智能穿戴和可植入压力检测等领域显示出较好的应用前景。

柔性MEMS；电容式；压力传感器；柔性电极

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

微压力传感器在工业［1］、医疗卫生［2］、环境监测［3］等领域具有广泛应用，其大多由硅、陶瓷等脆性材料制成。而智能可穿戴医疗［4］和可植入压力检测［5］等领域的快速发展对压力传感器的柔性、灵敏度、轻薄性和工作环境适应性等方面提出了更高的要求。由于电容式压力传感器具有结构简单、灵敏度高、功耗低、过载能力强、动态响应特性好和对高温、辐射、强振等恶劣条件的适应性强等优点［6-9］，所以许多柔性微压力传感器都采用电容式结构。由于柔性空腔结构的易形变特性能够提高压力传感器的灵敏度，所以国内外研究机构目前在基于空腔结构的电容式压力传感器方面开展了较多的工作［10-18］。例如美国密歇根大学在这方面取得了较好的成果，2010年其报道了一种用于医疗的空腔电容压力传感器［10］，灵敏度达 26 fF/mmHg（0.195 pF/ kPa）。2008年加州理工大学的Tai组用化学气相淀积方法制作了真空密封空腔结构的电容式压力传感器，实现了无线、无源的压力检测［11］。中北大学在2013年也提出了一种无线、无源、高灵敏度的空腔电容式压力传感器，采用陶瓷材料，与之前工作相比大大提高了压力检测的线性度［18］。然而，柔性空腔结构微压力传感器的工艺相对复杂，其密封性能、薄膜层之间的粘附力不易保证［19］。另外电极与柔性介电层的热失配容易导致薄膜脱落和电极龟裂等问题［20］。

针对上述柔性空腔结构的问题，本文提出一种基于柔性电极结构的薄膜电容微压力传感器，并提出了两种思路：基于柔性纳米薄膜的电容式微压力传感器和具有微结构的柔性电极薄膜电容式微压力传感器，然后设计了相应的工艺流程和优化方案，利用该流程制作了结构轻薄、工艺简单的微压力传感器，测试发现具有微结构的柔性电极薄膜电容式微压力传感器显示出较高的灵敏度，本文希望为柔性微电容传感器的研究提供一些新的思路和手段。

1　工作原理及设计

图1为基于柔性电极的薄膜电容微压力传感器的结构原理图：图1（a）是基于柔性纳米薄膜的电容式微压力传感器，其采用平行板电容器结构，由两个电极板和中间一层柔性纳米薄膜组成；图1（b）是具有微结构的柔性电极薄膜微压力传感器的原理图，该传感器与平行板电容器结构相比，在极板与中间介质层之间加入了一层微结构。

图1　基于柔性电极的薄膜电容微压力传感器结构原理图

由平板电容公式：

式中ε0为真空中绝对介电常数，εr为相对介电常数，A为极板面积，d为极板间距。从上式可知：电容式压力传感器的工作原理为对面积为A的上极板施加均布压力p，使得两极板间距d变化，引起传感器电容C变化。所以电容式压力传感器的电容大小与极板间距d、相对介电常数εr、极板面积A这3个因素相关。

定义电容压力传感器的间距灵敏度为Sd，其表达式为［21］：

根据电容-压力特性曲线，定义电容式压力传感器的压力灵敏度为Sp，其表达式为：

所以电容式压力传感器的压力灵敏度最终将回溯到压力敏感膜的弹性分析。

根据式（1）和广义胡克定律有：

则

则压力灵敏度：

由上式可知：可通过增大电容初始值C0和选用杨氏模量较小的材料来提高电容式压力传感器的压力灵敏度。因此，本文通过选择杨氏模量较小，介电常数较大的PI和硅胶等材料可得到较高的压力灵敏度。此外，为了减小寄生电容、温度误差等对电容式压力传感器的影响和方便电容的电路检测，也应使电容初始值C0尽可能大；可通过减小电极板初始间距d0，增加电极板面积A0和相对介电常数εr满足尽量增大电容初始值的要求。

由于具有微结构的柔性电极薄膜电容式微压力传感器（如图1（b））在电极与介电层加入了一层微结构层，因此相对于其他种类无微结构的电容传感器，这种具有微结构的电容压力传感器在受到压力时微结构间隙中气体的排出会引起电容介电常数的变化，从而能够明显提高压力传感的灵敏度。

2　基于柔性纳米薄膜的微压力传感器

2.1制作工艺

通过对电容压力传感器工作原理的分析，应选用杨氏模量较小的柔性材料作为介电层，因此本文采用医用硅胶（AZoMaterials）和聚酰亚胺（Kapton）作为传感器介电层，其材料特性如表1所示。

表1　柔性材料及其特性

结合器件的性能和材料加工、压力测试、电路检测条件等因素，本文设计传感器的电极为方形结构，其边长为2mm，厚度为100nm。则由式（1）可得介电层厚度为200 nm基于硅胶材料的电容初始值，其压力灵敏度

则由式（1）有，介电层厚度为500 nm基于聚酰亚胺材料的电容初始值，其压力灵敏度

从上述关于压力传感器灵敏度的理论计算可知：基于硅胶薄膜的柔性电容压力传感器灵敏度较高，是目前大部分空腔类传感器的数倍；硅胶比聚酰亚胺（PI）更适合作为介电层材料。

由于传感器由无机材料和有机材料薄膜组成，而层与层之间的材料性能存在差异，使薄膜层之间存在粘附力较差导致薄膜易脱落、热膨胀系数不同导致电极易龟裂等问题［20］，给制作工艺带来很大挑战。因此，本文结合传感器的结构特点和各层材料性能提出了一种简单的工艺制作方法，整个工艺流程图如图2所示，仅需三块掩膜板，其掩膜板设计示意图如图3所示。

图2　工艺流程图

图3　掩膜板图形设计示意图

下面具体介绍基于柔性纳米薄膜的电容式微压力传感器的工艺流程和制作方法：

①下极板的蒸镀

取一片4英寸二氧化硅片作为柔性器件的基片，对其常规清洗；之后将正性光刻胶（星泰克SUN-1150P，粘度为260 cp）旋涂在基片上，所用的匀胶机型号为CEE-200X-F，设定的参数为10 s，500 r/min；60 s，4 000 r/min；热板100℃，5 min，之后放入MJB4紫外光刻机，用掩膜板对其光刻，曝光2 min，在显影台用显影液处理1 min之后，对其后烘处理。将其放入电子束蒸发镀膜机中沉积10 nm的钛（Ti），作为连接层，再沉积100 nm的金（Au），之后做剥离工艺（lift-off），即得方形边长为2 mm，厚度为100 nm的金（Au）电极。

②柔性介电层的制作

首先取医用硅胶 A胶，B胶各 20 g，搅拌1 min，静置4 min，旋涂在基片上，设定的参数为5 s，500 r/min；60 s，6000 r/min；之后将基片放入烘箱中固化，参数为200℃，1 h；接着用美国Dektak XT台阶仪（其台阶高度重复性＜5 Å；垂直方向分辨率1 Å），对备片随机取了5个点测试，最后求平均后得其硅胶厚度为193 nm。

③上极板的制作

与（1）中工艺方法相同，沉积边长为2 mm，厚度为100 nm的Au电极。划片后我们得到了边长为2 mm的硅胶薄膜传感器样片。

④衬底的剥离

用10 mol/L的氢氧化钠溶液浸泡样片，进行脱模处理，即剥离衬底得到基于柔性纳米薄膜的电容式微压力传感器。

2.2传感器的测试及分析

图4（a）给出了测试系统的示意图及基于柔性纳米薄膜的电容式微压力传感器的压力响应测试过程。整体测试系统实物图如图4（b）所示，探针台（CASCADE M150）上放置一电子秤，被测传感器置于电子秤上，将能够均匀传导压力的绝缘垫片放置在传感器的上极板中央，操纵两枚接入阻抗分析仪（WK 6500B）的高精度探针、使其分别压在传感器的上、下电极的衬垫上。在绝缘垫片上放置不同重量的砝码，并通过电子秤实时校准传感器上的压力大小，使其保持恒定，从而可以通过阻抗分析仪精确地测定在不同砝码施加的压力下传感器的响应。

图4　测试系统

室温为25℃时，基于柔性纳米薄膜的电容式微压力传感器对施加压力的响应曲线如图5所示，测得该组电容对施加压力的灵敏度达到1.74 fF/mmHg（0.013 pF/kPa）。增加砝码过程中的数据点用红色标示，减少过程中的数据点用蓝色标示，通过砝码施加在传感器上的压力最大值为374 kPa。

图5　不同压力下基于柔性纳米薄膜的电容式微压力传感器的电容变化曲线

从测试结果发现，基于柔性纳米薄膜的电容式微压力传感器在单位压力变化下电容的变化比较小，测试仪器难以检测，压力灵敏度并不理想，原因还在进一步分析。

3　具有微结构的柔性薄膜微压力传感器

为了进一步提高薄膜压力传感器的灵敏度，本文又提出具有微结构的柔性薄膜微压力传感器。

3.1制作工艺

结合传感器的结构特点和各层材料性能，本文提出了一种简单的工艺制作方法，整个工艺流程图如图6所示。下面具体介绍具有微结构的柔性电极薄膜电容式微压力传感器的工艺流程和制作方法：

①下极板的蒸镀

取4英寸二氧化硅片两片作为柔性器件的基片，对其常规清洗；之后将正性光刻胶（星泰克SUN-1150P，粘度为260 cp）旋涂在基片上，设定的参数为10 s，500 r/min；60 s，4 000 r/min；热板100℃，5 min，之后放入紫外光刻机，用掩膜板对其光刻，曝光2 min，在显影台用显影液处理1 min之后，对其后烘处理。将其放入电子束蒸发镀膜机中沉积10 nm的钛（Ti），作为连接层，再沉积100 nm的金（Au），之后做剥离工艺（lift-off），即得方形边长为2 cm，厚度为100 nm的金（Au）电极。

图6　工艺流程图

②柔性介电层的制作

本次工艺采用聚酰亚胺（PI）作为传感器的介电层。

首先将固含量13%～14%，粘度300 cp～400 cp的聚酰亚胺涂层液旋涂在基片上，设定的参数为5 s，500 r/min；60 s，2000 r/min。之后将基片放入烘箱中分三阶段固化，参数分别为80℃，20 min；160℃，20 min；240℃，20 min；最后用台阶仪测试基片上聚酰亚胺（PI）胶的厚度，测得其厚度为6.9 μm的聚酰亚胺（PI）薄膜。

③衬底的剥离

用10 mol/L的氢氧化钠溶液处理样片进行脱模，脱模处理后得到方形电容薄膜。

④具有微结构的柔性上极板的制作

经过工艺的摸索，本文以柔性导电胶带（3M公司，型号9703）为例，作为具有微结构的柔性电极薄膜电容式微压力传感器的柔性上极板，进一步提高压力传感器灵敏度。制作边长为2 cm，厚度为50 μm的方形柔性导电胶带做电极，将其贴于PI薄膜上。划片后，我们得到了边长为2 cm，厚度为57 μm的基于柔性导电胶带的薄膜电容微压力传感器样片。

另外，为验证导电胶带提高灵敏度的作用，本文还制作两片边长为2 cm，厚度为50 μm的方形柔性导电胶带做电极，各贴于厚度为300 μm的商用PI薄膜上、下层。即得到了边长为2 cm，厚度为400 μm的基于柔性导电胶带的薄膜电容微压力传感器。

3.2传感器的测试及分析

经系统测试，室温为25℃时，“57 μm微结构传感器”对施加压力的电容变化曲线如图7（a）所示，测得该组压力传感器灵敏度达到 218 fF/mmHg（1.63 pF/kPa）。其测试方法与2.2小结类似，通过砝码施加在传感器上的压力最大值为1.25 kPa。相同测试条件下“400 μm微结构传感器”的响应曲线如图7（b）所示，灵敏度达到35.0 fF/mmHg（0.26 pF/kPa）。

图7　不同厚度下具有微结构的薄膜微压力传感器的电容变化曲线

厚度为57 μm具有微结构的柔性电极薄膜电容式微压力传感器，其压力灵敏度（218 fF/mmHg）高于理论值（0.096 fF/mmHg），而电容初始值小于理论值。而厚度为400 μm具有微结构的柔性电极薄膜电容式微压力传感器的压力灵敏度（35.0 fF/mmHg）也高于理论值（0.002 fF/mmHg）。

通过观察进一步发现柔性导电胶带由导电布和背胶组成，与刚性电极相比，柔性导电布的综合作用使传感器灵敏度大大提高；而背胶部分不导电，作为介电层使得电容初始值比理论值小。因为厚度为400 μm的具有微结构的柔性电极薄膜电容式微压力传感器比厚度57 μm的传感器多使用了一层导电胶带，所以压力灵敏度的测试值和理论值之比更高。

通过实验结果可知，有微结构的薄膜压力传感器的压力灵敏度高于没有微结构的薄膜压力传感器，主要有以下两个原因：①增加了极板间距的变化量：带有微结构的柔性背胶层空隙较多，使得传感器的弹性阻力更小、更容易发生形变；②提高了传感器的有效相对介电常数：当带有微结构的柔性背胶层（相对介电常数为3.5）薄膜受到压力时，挤压柔性背胶中的空气（相对介电常数为1），从而能够增加传感器的有效相对介电常数。

4　结论

本文介绍了一种基于柔性电极结构的薄膜电容微压力传感器，通过设计和工艺的优化和摸索，制作出性能优良的薄膜电容式压力传感器，通过搭建测试系统实现了小量程、高灵敏度的压力检测。相对于带空腔结构的电容式压力传感器，这种具有微结构的柔性电极薄膜电容式微压力传感器的工艺流程简单，压力灵敏度更高。此外，与采用传统工艺沉积电极的方法相比，直接采用柔性导电胶做为电极的方法更简单、易实现，并具有成本低和工艺成功率高等优点，本文的研究工作为柔性微电容传感器的研究提供了新的思路。

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姚嘉林（1992-），男，江西，南昌航空大学在读硕士，主要从事柔性MEMS方向的研究；

江五贵（1975-），男，南昌航空大学教授，主要从事工程问题多尺度优化设计、微纳米力学等方面的研究工作，jiangwugui@nchu.edu.cn；

杨兴（1974-），男，清华大学精密仪器系副研究员，主要从事微/纳机电系统（MEMS/NEMS）、微流体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

项目来源：国家自然科学基金项目（51375263）；国家自然科学基金项目（11162014）

2016-01-16修改日期：2016-02-29