一种基于折纸结构的曲率传感器的制作方法

本发明是一种基于折纸结构的曲率传感器，属于微电子器件技术领域。

背景技术：

目前对于曲率的测量，主要有三种方法，一种是利用材料伸长或压缩过程中的薄膜材料阻值的变化来测量弯曲的程度，器件稳定性差，且成本较大；第二种是利用测量光纤弯曲后的光强变化来测量弯曲的程度，设备比较复杂，且不易携带，而且造价太高；第三种是基于弯曲过程中电容的变化来测量弯曲的程度，该类器件的灵敏度比较低。近年来，随着科学技术的不断发展，研究具有高灵敏度、低成本、高可靠性的曲率传感器成为发展趋势，在柔性可穿戴器件迅速发展的今天，对曲率传感器的进一步研究与开发是十分必要的。

技术实现要素：

技术问题；针对上述问题，本发明提供了一种基于折纸结构的曲率传感器，利用基于折纸原理的折叠薄膜结构，将双端固支梁折叠形成一个向下凸出的立体结构，使得双端固支梁与金属极板之间的电容变化增大，并通过双端固支梁与金属极板之间的电容与平面电感构成的lc谐振回路，利用互感耦合的方式非接触读取谐振频率，从而实现对曲率的高灵敏度无源无线检测。同时，该曲率传感器采用柔性材料工艺制造，其成本低廉，所以可以实现柔性低成本折纸结构的曲率传感器，并解决在材料、工艺、可靠性和可重复性等诸多方面的问题，从而为实现基于柔性基板折纸结构的曲率传感器在曲率测量领域的产业化应用提供了支持和保证。

技术方案:为达到上述目的，本发明的基于折纸结构的曲率传感器技术方案如下：

该曲率传感器包括柔性基板、金属极板、第一固支梁锚区、第二固支梁锚区、具有折叠薄膜结构的双端固支梁，第一折叠薄膜结构、第二折叠薄膜结构、第三折叠薄膜结构、第四折叠薄膜结构、平面电感；所述第一固支梁锚区、第二固支梁锚区放置于柔性基板上构成双端固支梁锚区，并在双端固支梁锚区上设置具有折叠薄膜结构的双端固支梁，金属极板放置于双端固支梁中心位置下方的柔性基板上，双端固支梁的第一折叠薄膜结构、第二折叠薄膜结构和第三折叠薄膜结构、第四折叠薄膜结构分别对称分布于双端固支梁上，第一折叠薄膜结构、第二折叠薄膜结构位于金属极板两侧边沿位置对应的双端固支梁上，且位于双端固支梁的下表面，第三折叠薄膜结构、第四折叠薄膜结构位于第一折叠薄膜结构、第二折叠薄膜结构外侧的双端固支梁的上表面靠近第一固支梁锚区、第二固支梁锚区位置，平面电感置于柔性基板上一端与金属极板相连，另一端与双端固支梁锚区相连。

所述柔性基板采用的材料为涤纶树脂(pet)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)或聚二甲基硅氧烷(pdms)，厚度为100-200μm。

所述金属极板采用的材料为金，形状为长度为200μm，宽度为100μm，厚度为10μm的矩形块。

所述第一固支梁锚区、第二固支梁锚区采用的材料为金，形状均为长度为100μm，宽度为30μm，厚度为60μm的矩形块。

所述固支梁位于金属极板的上方，采用的材料为金，形状为长度为600μm，宽度为100μm，厚度为10μm的矩形块，其上具有四条横向的通槽。

所述第一折叠薄膜结构、第二折叠薄膜结构、第三折叠薄膜结构、第四折叠薄膜结构为四条设置在双端固支梁上的横向的通槽，其中第一折叠薄膜结构、第二折叠薄膜结构对称分布于双端固支梁中心两侧的下表面，第三折叠薄膜结构、第四折叠薄膜结构对称分布于双端固支梁中心两侧的上表面，通槽的宽度均为20μm，厚度为5μm。

所述平面电感为平面方形螺旋电感线圈，采用的材料为金，放置于柔性基板上，线圈的宽度、厚度为10μm。

本发明的基于折纸结构的曲率传感器的使用方法为：将柔性基板贴合在一个凹陷曲率的表面上时，由于第一折叠薄膜结构、第二折叠薄膜结构和第三折叠薄膜结构、第四折叠薄膜结构使得双端固支梁折叠形成一个向下凸出的立体结构，使得双端固支梁与金属极板之间的电容变化增大；同时，双端固支梁与金属极板之间的电容与平面电感构成了一个lc谐振回路，将双端固支梁与金属极板之间电容变化转换为lc谐振回路的谐振频率变化，通过互感耦合的方式非接触测量这个谐振频率，从而实现对曲率的无源无线检测。

该结构由于采用了基于折纸原理的折叠薄膜结构，使得双端固支梁折叠形成了一个向下凸出的立体结构，增大了双端固支梁与金属极板之间的电容变化量，因此该曲率传感器具有灵敏度高、测量误差小、工艺兼容、结构新颖等优势。

有益效果：本发明所述的基于折纸结构的曲率传感器，突破了传统检测原理的思维限制，在mems技术的基础上结合了折纸结构，将传统的平板电容从平面弯曲转变为立体弯曲，形成的向下凸出结构使得双端固支梁与金属极板之间的电容变化增大，提升了器件的灵敏度，也极大地降低了器件的尺寸。采用无源无线技术，实现了零功耗的无线测量。同时，基于折纸结构的曲率传感器还具有结构简单、可靠性高、设计灵活、工艺兼容等优势。

附图说明

图1是基于折纸结构的曲率传感器结构示意图。

图2是基于折纸结构的曲率传感器a-a′剖面图。

图3是基于折纸结构的曲率传感器弯曲后a-a′剖面图。

其中有：柔性基板1，金属极板2，第一固支梁锚区31，第二固支梁锚区32，具有折叠薄膜结构的双端固支梁4，第一折叠薄膜结构52、第二折叠薄膜结构53，第三折叠薄膜结构51、第四折叠薄膜结构54，平面电感6。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做进一步说明。

参见图1、图2和图3，本发明提供了一种基于折纸结构的曲率传感器，该曲率传感器包括柔性基板1、金属极板2、第一固支梁锚区31、第二固支梁锚区32、具有折叠薄膜结构的双端固支梁4，第一折叠薄膜结构52、第二折叠薄膜结构53、第三折叠薄膜结构51、第四折叠薄膜结构54、平面电感6；所述第一固支梁锚区31、第二固支梁锚区32放置于柔性基板1上构成双端固支梁锚区，并在双端固支梁锚区上设置具有折叠薄膜结构的双端固支梁4，金属极板2放置于双端固支梁4中心位置下方的柔性基板1上，双端固支梁4的第一折叠薄膜结构52、第二折叠薄膜结构53和第三折叠薄膜结构51、第四折叠薄膜结构54分别对称分布于双端固支梁4上，第一折叠薄膜结构52、第二折叠薄膜结构53位于金属极板2两侧边沿位置对应的双端固支梁4上，且位于双端固支梁4的下表面，第三折叠薄膜结构51、第四折叠薄膜结构54位于第一折叠薄膜结构52、第二折叠薄膜结构53外侧的双端固支梁4的上表面靠近第一固支梁锚区31、第二固支梁锚区32位置，平面电感6置于柔性基板1上一端与金属极板2相连，另一端与双端固支梁锚区31相连。

所述柔性基板1采用的材料为涤纶树脂(pet)、聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)

或聚二甲基硅氧烷(pdms)，厚度为100-200μm。

所述金属极板2采用的材料为金，形状为长度为200μm，宽度为100μm，厚度

为

10μm的矩形块。

所述第一固支梁锚区31、第二固支梁锚区32采用的材料为金，形状均为长度为100μm，宽度为30μm，厚度为60μm的矩形块。

所述固支梁4位于金属极板2的上方，采用的材料为金，形状为长度为600μm，宽度为100μm，厚度为10μm的矩形块，其上具有四条横向的通槽。

所述第一折叠薄膜结构52、第二折叠薄膜结构53、第三折叠薄膜结构51、第四折叠薄膜结构54为四条设置在双端固支梁4上的横向的通槽，其中第一折叠薄膜结构52、第二折叠薄膜结构53对称分布于双端固支梁4中心两侧的下表面，第三折叠薄膜结构51、第四折叠薄膜结构54对称分布于双端固支梁4中心两侧的上表面，通槽的宽度均为20μm，厚度为5μm。

所述平面电感6为平面方形螺旋电感线圈，采用的材料为金，放置于柔性基板1上，线圈的宽度、厚度为10μm。

本发明的基于折纸结构的曲率传感器的使用方法为：将柔性基板1贴合在一个凹陷曲率的表面上时，由于第一折叠薄膜结构52、第二折叠薄膜结构53和第三折叠薄膜结构51、第四折叠薄膜结构54使得双端固支梁4折叠形成一个向下凸出的立体结构，使得双端固支梁4与金属极板2之间的电容变化增大；同时，双端固支梁4与金属极板2之间的电容与平面电感6构成了一个lc谐振回路，将双端固支梁4与金属极板2之间电容变化转换为lc谐振回路的谐振频率变化，通过互感耦合的方式非接触测量这个谐振频率，从而实现对曲率的无源无线检测。

本发明所述的曲率传感器采用微电子工艺制作于柔性基板上，结构尺寸的精度可以达到较高的水平，有利于实现传感器的微型化；采用无源无线技术，可以实现零功耗的无线测量；引入了基于折纸原理的折叠薄膜结构，突破了传统检测结构的思维模式，显著提升了该器件的灵敏度，减小了测量误差。

本发明中基于折纸结构的曲率传感器不同于其他传统的曲率传感器，该曲率传感器具有以下主要特点：一、该曲率传感器由于采用mems技术加工，整体结构体积小；二、曲率传感器通过具有折叠薄膜结构的双端固支梁，可以实现对双端固支梁的平面弯曲转变为立体弯曲，形成的向下凸出的立体结构使得双端固支梁与金属极板之间的电容变化增大，增加了器件的灵敏度；三、该曲率传感器可以通过优化设计折叠薄膜结构的距离、双端固支梁长度等结构参数实现对灵敏度等性能的控制，具有设计灵活的优势；四、该曲率传感器制作在成本低廉且具备保形特征的柔性基板上，并且与成熟的基板制作工艺相兼容，具有很好的成本优势；五、该曲率传感器采用无源无线技术，易于测量。

区分是否为该结构的标准如下：

(a)采用带有折叠薄膜结构的双端固支梁结构，

(b)采用lc谐振回路构成的无源无线检测技术。

满足以上二个条件的结构即应视为该基于折纸结构的曲率传感器。

以上所述仅为本发明的较佳实施方式，本发明的保护范围并不以上述实施方式为限，但凡本领域普通技术人员根据本发明所揭示内容所作的等效修饰或变化，皆应纳入权利要求书中记载的保护范围内。