Capacitive flexible force sensor ( 軟性電容力量感測器 )

班級 : 奈米三甲學號 : 4a014001、 4a014003、 4a014019 4a014025、 4a014060、 4a014095姓名 : 陳姻靜、郭奕廷、曹建宸、楊漢生、柯佩含、康造峰指導老師 : 莊承鑫

Abstract( 摘要 )• 我們已經意識到一個軟性的力量感測器，是由四個冗

長的電容組成，其操作是基於一個負載引起的電容量變化的測量組成。• 我們使用聚酰亞胺作為靈活的基體和作為手指型鋁電

極的有彈性電介質介於兩個水平之間。• 特別的是，我們開發聚酰亞胺微特徵與平穩的斜率，

以方便後續的金屬化工藝。• 由此，我們可以改善兩個的金屬層之間的階梯覆蓋率

和電接觸，以及該感測器的機械穩定性。• 光滑的聚酰亞胺斜率是結合微影抗蝕刻劑回流焊技術

與乾式蝕刻方法獲得。• 我們使用阻抗分析儀來分析我們的導電的電容且得到

典型的力靈敏度 1-2 fF/N.

Introduction( 前言 )• 非垂直的側壁的聚合物微結構為設備已經被開發了，

例如光學鏡頭微腔，或懸浮橋樑和懸臂• 適用於三圍結構光致抗蝕劑 (PR) 且較少關注選擇的

樹脂，例如聚酰亞胺 (PI) ，是常用的作為在集成電路或靈活的包裹材料的一塊電介質夾層感測器的。

• 聚合物基體在軟性的力量感測器找到在有觸覺的印象和人工皮膚概念應用，足底壓力測量的人形機器人系統或人體步態分析，用於這些感測器通常的標準薄膜基材和材料是聚二甲基矽氧烷（ PDMS ） ，聚對二甲苯 -C ，和 PI 。

• 在本文，我們提出生產的兩個有效的方法在 PI 的有角度的外形邊緣，被利用製造一個軟性電容力量感測器。這兩個金屬化層之間的電接觸，以及的機械穩定性感測器。

感測器的結構與構造• 圖 a 示出了感測器的金屬電極部分的示意圖：兩個層

次的手指狀微結構，其保持的感測器，形式 4 的冗餘電容器（ C1-C4 ）與共同頂軟性性電極。接觸焊盤的下部金屬層，這是通過一個電連接到所述頂層上設計錐形墊。因此，該感測器的機械穩定性被保持，完整的感測器被嵌入 PI ，除了開口保持在接觸焊盤。每個電容器的面積 的 5×5 平方毫米和頂部和底部電極之間的絕緣層的厚度固定為 5 微米。細胞下施加的法向力變形，減小電極間的間距和增大電容值。

流程用濺射法的 500nm 的導電層鎢，用犧牲 1 微米 Al 層（所需完成柔性結構從陽極溶解矽支撐），隨後通過旋塗的 5 微米層 PI1 （ PI2611 ， HD 微系統）。較低的500奈米厚的以下的氧等離子體表面活化步驟和一個 50奈米薄膜的鋁電極層（ AL1 ）被濺射鈦粘附層。電極被圖案化在乾式蝕刻工藝以 Cl2/BCl3 化學。

結果• 圖 3 的 SEM橫截面顯微照片（ 1 ）實現 PI2 的光滑斜面

（ 2 ）之後的 Al2 金屬覆蓋，用於不同的 PR當作蝕刻掩模 (a) AZ ECI 3027, (b) AZ 9260 。用於連接到測量系統中的感測器被固定於印刷電路板（ PCB ）與一 金屬凸塊粘結技術。我們可以證明 良好的性能和我們的微細加工工藝的可行性。這兩種感測器裝載和卸載特性得到，電介質的機械遲滯效應。

結論• 在本文中，我們已經成功地證明在聚酰亞胺圓錐斜坡的製造過

程，證實軟性電容力量感測器，施加一法向力在感測器，顯示較高的強度和耐久性，以及檢測和靈敏度的可接受的限定範圍。

• 在圖 4中所示的測量裝置（ a ）所示。自動定心，自動夾緊拉拔器用球軸承絲槓結束了用來壓縮力感測器鎖定在剛性聚甲基丙烯酸甲酯（ PMMA ）塊和 I 負荷之間秤重感測器，將其用於測量所施加的力。圖 4 （ b2 ）示出測量電容與在 0-3KN範圍作用力的結果。

(b1)阻抗和相角與頻率特性的四個電容的一個感測器，Z 1-Z 4； (b2)測定結果：輸出電容在 2.7千赫與在裝載和卸載循環施加的壓縮負荷為四個電容器。

圖４ (a) 實驗裝置用於測試力感測器： (a) 夾持器；(b)螺絲； (c)軸承； (d) 個塊；(e) 靈敏電容式力量感測器； (f) 印刷電路板； (g) 連接阻抗分析儀；(h)稱重感測器；(i) 連接到 PC

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