CN101368858A - 有机共轭高分子材料压力传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于一种利用具有共轭主链或共轭侧链的有机高分子半导体材料作为敏感材料，利用其压阻特性制备的有机共轭高分子材料压力传感器，及其该压力传感器阵列和使用方法。有机共轭高分子材料压力传感器，包括被测压力方向与电场方向平行的传感器和被测压力方向与电场方向垂直的传感器，传感器的基本结构为：电极/有机材料/电极，其中，所述的有机材料作为压力传感器的压敏材料为一层或一层以上以含有共轭主链和/或含有共轭侧链的有机高分子半导体材料、或者含有这种有机高分子材料的掺杂材料。本发明传感器特别适用于制备灵敏、轻巧且成本低廉的压力传感器，有利于制备微尺寸元件组成的大阵列。可用于机器人、智能控制、医疗器械等行业。

Description

有机共轭高分子材料压力传感器

技术领域

本发明属于一种压力传感器及其使用方法，是一种利用具有共轭主链或共轭侧链的有机高分子半导体材料作为敏感材料，利用其压阻特性制备的有机共轭高分子材料压力传感器，及其该压力传感器阵列和使用方法。

背景技术

目前比较常用的压力传感器有金属应变片压力传感器、陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器、压电压力传感器，以及半导体(主要是硅)压力传感器等，也有掺碳颗粒的导电橡胶或导电塑料压力传感器元件。这些元件大多数有体积比较大，重量大，压力传感元件难以小型化，不易形成微元件组成的大阵列等缺点，其刚性的器件结构也使器件难以弯曲。不易形成“触觉”的测量条件。

有机高分子材料是具有链状架构的大分子，分子内链状架构可以有主链和侧链。主链和侧链可以是共轭的，也可以是非共轭的。电子在共轭链内可以相对比较自由地运动。有机大分子之间通常是以范德华力结合在一起的，大多是疏松的无定形结构，材料的密度比较小，分子间的距离通常比较大，因此比较容易被压缩，压缩后其导电性质也因此而改变，并且在压力不是很大，温度不是很高的情况下撤去压力后可以恢复原来的电学特性。这一特性使有机共轭高分子材料具有优越的电阻随压力敏感的特性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新型的、高灵敏度的、体积小、重量轻、成本低、使用方便的有机共轭高分子材料压力传感器。

本发明的再一目的是提供上述压力传感器阵列。

本发明的又一目的是提供所述有机共轭高分子材料压力传感器及其阵列的使用方法。

本发明提供一种有机共轭高分子材料压力传感器，包括被测压力方向与电场方向平行的传感器，如图1所示，和被测压力方向与电场方向垂直的传感器，如图2所示，传感器的基本结构为：电极/有机材料/电极，其中，所述的有机材料作为压力传感器的压敏材料为一层或一层以上以含有共轭主链和/或含有共轭侧链的有机高分子半导体材料、或者含有这种有机高分子材料的掺杂材料。

其原理主要是通过测量有机材料在纵向或者横向的(即外加压强平行或垂直于外加电场方向)压力下，导电性能随压力大小变化的关系。

所述电极为金属Al，Au，Cu或Ag等金属薄膜或金属细丝，或者，导电性能良好的有机或无机半导体材料，如铟锡氧化物(ITO)等。

其中，电极之间有机材料的厚度，对于被测压力方向与电场方向平行的传感器为纵向尺寸0.05～50微米范围，图1中压敏材料层3’；对于被测压力方向与电场方向垂直的传感器，压敏材料为一沟道，沟道宽度为0.05～50微米范围，是为电极之间有机材料的厚度，沟道的长度为0.1～10毫米范围，图2中压敏材料层3’。

所述压敏材料为：聚2-甲氧基-5-(2′-乙基-己氧基)-1，4-亚苯基亚乙烯基，(poly[2-methoxy，5-(2′-ethyl-hexyloxy)-1，4-phenylenevinylene]，MEH-PPV)的分子结构为：

式(1)

或者，聚乙烯基咔唑，(poly(N-vinylcarbazole，PVK)的分子结构为：

式(2)

或者，含有共轭侧链，其主链为聚乙烯或聚苯乙烯或硅橡胶的高分子材料。

或者，所述的压敏材料为含有这种有机高分子材料的掺杂物，包括共轭有机小分子与高分子材料的掺杂物。

本发明以上述有机高分子半导体材料作为工作物质，通过压缩该物质后测量其电学特性的变化，即可感知在该物质上所加的压强，从而使器件对外界压力敏感。

本发明所述的有机共轭高分子材料压力传感器的制造方法，采用下述三种方法中的任一种：

第一种方法：采用溶液旋涂或浸没涂布的方法，首先，配制含有压敏材料的溶液，溶液浓度在1～10mg/ml的任意浓度范围，旋转速率在1000～6000rpm之间，然后把溶液旋涂或浸没涂布在电极上，制成传感器元器件；

第二种方法：采用喷墨打印的方法，首先配制含有压敏材料的溶液，溶液的浓度在1～10mg/ml范围的合适浓度，利用现有喷墨打印技术，把压敏材料均匀打印在电极上，制成传感器元器件；

第三种方法：采用挤压的方法，把有机高分子半导体材料置于两个电极之间，通过适当加压，使有机材料的厚度在纵向尺寸0.05～50微米范围；在横向尺寸0.1～10毫米范围，制成传感器元器件。

把所述的传感器元器件制作在有机晶体管(OTFT)或者无机晶体管(TFT)电路构成测试电路板上。

把所述的传感器元器件制作在可弯曲的有机晶体管(OTFT)测试电路上，制备可弯曲的有机压力传感器阵列。

本发明有机高分子半导体材料压力传感器的优点是器件的灵敏度很高，易于实现压力传感器的轻便化、小型化和阵列化。配合可弯曲的基板和电路，可以制备可弯曲的高灵敏压力传感器阵列，这在机器人和医疗机械上有应用前景。

主要可用于机器人的触觉传感设备、测量气体或液体压力、智能控制等多种工业自控环境，涉及机器人、医疗器械、水利水电、生产自控、航空航天、军工、石化、机床、管道等众多行业等。

具体的一些测量方法和参数如下：对于单个传感器件元件而言，测试时外加压力应在1～1000kPa的范围内为宜，在有机材料层上的外加电场强度应在(1～50)×10⁶V/m为宜。使用时可以测量方波电压或恒定电压下通过该器件的电流大小，也可以测量恒定电压下通过器件的电流在给定电阻上产生的电压降。对于有机传感器阵列，所有元件可以共用一个阴极或阳极，也可以各自以独立的阴极和阳极进行测量。在测量过程中，可以使用常规的行列扫描方法对由传感器元件所组成的阵列进行测试，每个元件的扫描时间应在1～500毫秒范围内为宜；也可以把这些元器件制作在有机晶体管(OTFT)或者无机晶体管(TFT)电路构成测试电路板上。如果是制作在可弯曲的有机晶体管(OTFT)测试电路上，将可以制备可弯曲的有机压力传感器阵列。

在制备好压力传感器及其阵列以后，需要对元件或阵列进行封装。本发明压力传感器件的封装材料是塑料或橡胶的薄膜(厚度在1～100微米范围内)，在氧和水含量小于1ppm的高纯氮气环境下进行黏贴封装。

本发明传感器特别适用于制备灵敏、轻巧且成本低廉的压力传感器，有利于制备微尺寸元件组成的大阵列。可用于机器人的触觉传感设备、智能控制等多种工业自控环境，涉及机器人、医疗器械等行业。

附图说明

图1为被测压力方向与电场方向平行的传感器。

图2为被测压力方向与电场方向垂直的传感器。

图3为ITO/MEH-PPV(100nm)/Al(200nm)压力传感器件在0.1V电压下电流随时间的变化。每次电流的明显增加对应着一次手工施加压力的过程，施加的压强大小分别为378，450.5，和610.5kPa。

图中标号：

绝缘基片—1，1’

电极———2，2’

压敏材料层—3，3’

具体实施方式

实施例1

传感器元件如图1，为被测压力方向与电场方向平行的传感器，自下而上依序为：绝缘基片1、电极2/压敏材料层3/电极2，本实施例中，压敏材料采用MEH-PPV，制备方法为：

配制浓度为1～10mg/ml的MEH-PPV溶液，溶剂为四氢呋喃或氯仿，以1000～3000转/分的转速在以玻璃为基片的ITO电极上旋涂一层厚度约为80～200纳米的MEH-PPV层，再蒸镀100～500纳米厚的铝电极，以ITO为阳极，铝为阴极，制成压力传感器件尺寸大约为1～3毫米。

加上0.1～5V的直流电压或高电平为0.1～5V，低电平为0V的方波电压，方波高电平持续时间以1～500毫秒为宜。利用一个手动旋转下压产生载荷的装置作为外加压力，利用尺寸稍大一点的硅片并覆盖同样大小的1～3毫米厚橡胶作为均匀施加压力的介质，测量通过该器件的电流随时间的变化，施加压力的过程是手工进行的。可以得到如图3所示的电流随时间的变化，可以看出器件的灵敏度非常高，电流大小有3～5个数量级的变化。

实施例2

传感器元件如图2，为被测压力方向与电场方向垂直的传感器，自下而上依序为：绝缘基片1’，在绝缘基片1’上表面的两边有不相连接的两个电极2和2’，电极之间的形成沟道，绝缘基片1’上两个电极之间有压敏材料3’，即压敏材料3’与两侧的电极2和2’互相接触，本实施例中，压敏材料采用PVK，制备方法为：

采用喷墨打印的方法，首先配制PVK溶液，浓度为1～10mg/ml范围内的合适浓度，利用现有喷墨打印技术，把压敏材料80～200纳米的PVK层均匀打印在电极之间的沟道上，制成传感器元器件，然后利用10～100微米厚的PE薄膜在含氧和水小于1ppm的高纯氮气环境下进行黏贴封装，测试方法与实施例1的方法相同。

实施例3

把所述的传感器元器件制作在可弯曲的衬底ITO-PET薄膜上，制备可弯曲的有机压力传感器阵列。制备方法和测试方法与实施例2中的相同。

Claims (10)

1.有机共轭高分子材料压力传感器，包括被测压力方向与电场方向平行的传感器和被测压力方向与电场方向垂直的传感器，传感器的基本结构为：电极/有机材料/电极，其特征在于：所述的有机材料作为压力传感器的压敏材料为一层或一层以上以含有共轭主链和/或含有共轭侧链的有机高分子半导体材料、或者含有这种有机高分子材料的掺杂材料。

2.根据权利要求1所述的有机共轭高分子材料压力传感器，其特征在于：所述电极为金属Al，Au，Cu或Ag，或者，导电性能良好的有机或无机半导体材料，包括铟锡氧化物。

3.根据权利要求1或2所述的有机共轭高分子材料压力传感器，其特征在于：电极之间有机材料的厚度，对于被测压力方向与电场方向平行的传感器为纵向尺寸0.05～50微米范围；被测压力方向与电场方向垂直的传感器横向尺寸0.1～10毫米范围。

4.根据权利要求3所述的有机共轭高分子材料压力传感器，其特征在于：所述压敏材料为：聚2-甲氧基-5-(2′-乙基-己氧基)-1，4-亚苯基亚乙烯基，或聚乙烯基咔唑.或者含有共轭侧链，其主链为聚乙烯或聚苯乙烯或硅橡胶的高分子材料。

5.根据权利要求3所述的有机共轭高分子材料压力传感器，其特征在于：所述的压敏材料为含有这种有机高分子材料的掺杂物，包括共轭有机小分子与高分子材料的掺杂物。

6.针对权利要求1至5之一所述的有机共轭高分子材料压力传感器的制造方法，采用下述三种方法中的任一种：

第一种方法：采用溶液旋涂或浸没涂布的方法，首先，配制含有压敏材料的溶液，溶液浓度在1～10mg/ml的任意浓度范围，旋转速率在1000～6000rpm之间，然后把溶液旋涂或浸没涂布在电极上，制成传感器元器件；

第二种方法：采用喷墨打印的方法，首先配制含有压敏材料的溶液，溶液的浓度在1～10mg/ml的任意浓度范围，利用现有喷墨打印技术，把压敏材料均匀打印在电极上，制成传感器元器件；

第三种方法：采用挤压的方法，把有机高分子半导体材料置于两个电极之间，通过适当加压，使有机材料的厚度在纵向尺寸0.05～50微米范围；在横向尺寸0.1～10毫米范围，制成传感器元器件。

7.根据权利要求6所述的有机共轭高分子材料压力传感器的制造方法，其特征在于：配制浓度为1～10mg/ml的聚2-甲氧基-5-(2′-乙基-己氧基)-1，4-亚苯基亚乙烯基溶液，溶剂为四氢呋喃或氯仿，以1000～3000转/分的转速在以玻璃为基片的铟锡氧化物电极上旋涂一层厚度为80～200纳米的聚2-甲氧基-5-(2′-乙基-己氧基)-1，4-亚苯基亚乙烯基层，再蒸镀100～500纳米厚的铝电极，以铟锡氧化物为阳极，铝为阴极。

8.根据权利要求6所述的有机共轭高分子材料压力传感器的制造方法，其特征在于：把所述的传感器元器件制作在有机晶体管(OTFT)或者无机晶体管(TFT)电路构成测试电路板上。

9.根据权利要求8所述的有机共轭高分子材料压力传感器的制造方法，其特征在于：所述的传感器元器件制作在可弯曲的有机晶体管(OTFT)测试电路上，制备可弯曲的有机压力传感器阵列。

10.针对权利要求1至5之一所述的有机共轭高分子材料压力传感器的用途，用于机器人的触觉传感设备、测量气体或液体压力、智能控制工业自控、医疗器械、水利、电力、生产自控、航空航天、军工、石化、机床、管道行业。

Images