CN104803339A

CN104803339A - 一种柔性微压力传感器及其制备方法

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Publication number: CN104803339A
Application number: CN201510191048.XA
Authority: CN
Inventors: 林媛; 黄振龙; 高敏; 颜卓程; 潘泰松
Original assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Current assignee: University of Electronic Science and Technology of China
Priority date: 2015-04-21
Filing date: 2015-04-21
Publication date: 2015-07-29

Abstract

本发明提供了一种柔性微压力传感器及其制备方法，属于微压力传感器制备领域。所述柔性微压力传感器包括具有正四棱锥微结构的柔性衬底和位于柔性衬底之上的导电层、柔性耦合电极，所述柔性衬底为具有正四棱锥微结构的聚二甲基硅氧烷，所述导电层为单壁碳纳米管，所述柔性耦合电极为带氧化铟锡导电层的聚对苯二甲酸乙二醇酯。本发明采用具有正四棱锥微结构的下电极，由于在压力作用下，正四棱锥微结构的形变非常明显，这就使得传感器对微压力的响应更灵敏；采用单壁碳纳米管作为导电层，对可见光透明，且在传感器拉伸或弯曲过程中不易损坏，稳定性好；采用聚二甲基硅氧烷作为下电极衬底，柔性好，可弯曲和拉伸。

Description

一种柔性微压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明属于微压力传感器制备领域，具体涉及一种柔性微压力传感器及其制备方法。

背景技术

微压力传感器是采用半导体材料和微细加工工艺制造的新型压力传感器。与传统压力传感器相比，微压力传感器具有精度高、敏捷度高、动态特性好、体积小、耐侵蚀、成本低等优点，已广泛应用于心率监测、智能开关以及人造电子皮肤等领域。随着越来越多可穿戴或者可卷绕设备的广泛应用，以及人造可弯曲延伸电子皮肤发展的迫切需求，对柔性传感器的研究越来越受到研究者的重视。

碳纳米管是一种特殊结构(径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本都封口)的一维量子材料，具有优异的力学、电学、化学和机械性能、重量轻等优点，受到了人们极大的关注。近年来，随着碳纳米管及纳米材料研究的不断深入，其广阔的应用前景不断显现出来。由于碳纳米管的电子特性主要由其原子排列的结构决定，所以其受力的变化会对电导率产生影响，其变化值可由电流信号检测，这些性质使得碳纳米管可应用于压力传感器中。另外，碳纳米管具有良好的导电性、对可见光透明、稳定性强、良好的柔性、可应用于可折叠可穿戴的电子产品中等优点，因此，对基于碳纳米管的柔性微压力传感器的研究越来越多。目前基于碳纳米管的微压力传感器中通常采用圆柱状的微结构，在压力作用下形变有限，降低了传感器的灵敏度，限制了传感器的广泛应用。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种柔性微压力传感器及其制备方法。该柔性微压力传感器采用单壁碳纳米管作为透明导电层，以具有正四棱锥微结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为衬底，以镀有氧化铟锡的聚对苯二甲酸乙二醇酯作为耦合电极，当传感器受到外部压力时，可通过测试碳纳米管和氧化铟锡之间的电流变化来表征压力的响应。该柔性微压力传感器对可见光透明，响应速度快，灵敏度高，对极小的压力都有明显响应。

本发明的技术方案如下：

一种柔性微压力传感器，包括柔性衬底和位于柔性衬底之上的导电层、柔性耦合电极，其特征在于，所述柔性衬底具有正四棱锥微结构。

进一步地，所述柔性衬底为具有正四棱锥微结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)，所述导电层为单壁碳纳米管，所述柔性耦合电极为带氧化铟锡(ITO)导电层的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。

上述基于碳纳米管的柔性微压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：采用微细加工工艺刻蚀出具有正四棱锥微结构的硅模板；

步骤2：利用步骤1得到的硅模板作为模具，采用聚二甲基硅氧烷和固化剂混合液制备得到具有正四棱锥微结构的聚二甲基硅氧烷衬底；

步骤3：将单壁碳纳米管与氮甲基吡咯烷酮混合，超声分散，离心，取上层液体，得到单壁碳纳米管悬浊液；

步骤4：将步骤3得到的单壁碳纳米管悬浊液放入喷枪中，采用喷涂的方法，在步骤2得到的聚二甲基硅氧烷衬底上喷一层单壁碳纳米管导电层；然后制备耦合电极，即得到本发明所述柔性微压力传感器。

进一步地，步骤1所述具有正四棱锥微结构的硅模板的制备过程为：首先光刻，然后依次采用BOE溶液和KOH溶液刻蚀出具有正四棱锥微结构的硅模板，然后将得到的硅模板在三甲基氯硅烷上方处理4h。

进一步地，所述光刻图形为正方形阵列，所述KOH溶液为KOH、异丙醇和水的混合液，其中，H₂O、KOH和异丙醇的质量比为2：1：2，在KOH溶液中刻蚀时需要不断搅拌溶液。

进一步地，步骤2的具体过程为：将聚二甲基硅氧烷和固化剂混合均匀，真空处理去除空气泡；将上步得到的聚二甲基硅氧烷和固化剂混合液滴在步骤1得到的具有正四棱锥微结构的硅模板上，放入真空腔内抽真空；取出后加热，使聚二甲基硅氧烷固化；将固化的聚二甲基硅氧烷从硅模版上剥离，得到具有正四棱锥微结构的聚二甲基硅氧烷衬底。

进一步地，所述聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量比为10:1；得到的聚二甲基硅氧烷衬底为微米级。

进一步地，步骤3得到的单壁碳纳米管悬浊液中单壁碳纳米管与氮甲基吡咯烷酮的质量比为1:4000。

进一步地，步骤4中采用喷涂法制备单壁碳纳米管导电层时，聚二甲基硅氧烷衬底的温度为180℃；步骤4所述耦合电极为带ITO导电层的PET。

本发明的有益效果为：

1、本发明提供的柔性微压力传感器由具有正四棱锥微结构的下电极和耦合电极组成，当压力作用于传感器上时，下电极与耦合电极接触面积变大，若给传感器施以恒定电压，则在压力作用下，通过传感器的电流会上升；本发明采用具有特殊的正四棱锥微结构的下电极，由于在压力作用下，正四棱锥微结构的形变非常明显，即在很小的压力下都会有较大的形变，这就使得传感器对微压力的响应更灵敏，实施例制得的微压力传感器在1000Pa的压强下电流增大到初始的5000多倍。

2、本发明提供的柔性微压力传感器采用PDMS作为下电极衬底，柔性好，可弯曲和拉伸；采用喷涂方法制备的单壁碳纳米管作为导电层，对可见光透明，且在传感器拉伸或弯曲过程中不易损坏，稳定性好；本发明微压力传感器制备原料成本低、工艺简单，适用于工业大规模生产。

附图说明

图1为本发明实施例的一种柔性微压力传感器的结构示意图。

图2为本发明实施例制备得到的具有正四棱锥微结构的PDMS衬底的扫描电子显微镜图(SEM)。其中，(a)图比例尺为50微米；(b)图比例尺为10微米；(c)图为正四棱锥微结构上沉积的碳纳米管导电层的表面形貌，比例尺为1微米。

图3为本发明实施例制备得到的微压力传感器在430Pa、520Pa和740Pa压强下响应数据图。

图4为本发明实施例制备得到的微压力传感器在不同压强下的响应强度图。

图5为利用本发明实施例制备的微压力传感器测量人体手腕脉搏的响应图。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明做进一步地说明。

一种柔性微压力传感器，包括具有正四棱锥微结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)衬底，位于PDMS衬底上的单壁碳纳米管导电层和具有氧化铟锡(ITO)导电层的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)耦合电极。

本发明提供的柔性微压力传感器，从下往上依次为具有正四棱锥微结构的聚二甲基硅氧烷衬底、单壁碳纳米管导电层、氧化铟锡和聚对苯二甲酸乙二醇酯，用两根引线分别连接碳纳米管导电层和氧化铟锡导电层。

本发明提供的柔性微压力传感器，当有压力作用于传感器上时，碳纳米管导电层与氧化铟锡导电层接触面积变大；若给传感器以恒定电压，则在压力作用下，通过传感器的电流上升，从而表征表面压力变化。

一种柔性微压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：首先光刻得到正方形阵列，然后依次采用BOE溶液和KOH溶液刻蚀出具有正四棱锥微结构的硅模板，并将硅模板在三甲基氯硅烷上方处理4h；所述KOH溶液为KOH、异丙醇和水的混合液，其中，H₂O、KOH和异丙醇的质量比为2：1：2，在KOH溶液中刻蚀时需磁力搅拌溶液；

步骤2：将聚二甲基硅氧烷和固化剂按10:1的质量比混合均匀，放入真空腔中真空处理去除空气泡；

步骤3：将步骤2处理后的聚二甲基硅氧烷和固化剂混合液滴在步骤1得到的具有正四棱锥微结构的硅模板上，放入真空腔内抽真空；取出后加热，使PDMS固化；将固化的PDMS从硅模版上剥离，得到具有正四棱锥微结构的微米级PDMS衬底；

步骤4：配制单壁碳纳米管悬浊液：将单壁碳纳米管与氮甲基吡咯烷酮混合，超声分散，离心，取上层液体，得到单壁碳纳米管悬浊液；

步骤5：将步骤4制备的单壁碳纳米管悬浊液放入喷枪中，在PDMS衬底温度为180℃的条件下采用喷涂的方法，在步骤3得到的PDMS衬底上喷一层单壁碳纳米管导电层；然后将带ITO导电层的PET耦合电极放置于单壁碳纳米管导电层上，用引线将单壁碳纳米管导电层和氧化铟锡导电层接出，得到本发明所述微压力传感器。

实施例

本发明还提供了一种基于碳纳米管的柔性透明微压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：采用厚度为500μm、表面有一层300nm的二氧化硅的硅片作为衬底，清洗硅片；通过光刻在二氧化硅表面得到由边长为10μm的正方形构成的阵列，相邻正方形的中心距离为20μm(正方形二氧化硅裸漏)；采用BOE溶液(摩尔比NH₄F：HF＝6：1)在室温下刻蚀上述基片5min，以去除裸露的二氧化硅层，然后将基片放入丙酮中去除光刻胶；将基片放入KOH溶液中(质量比H₂O：KOH：异丙醇＝2：1：2)，水浴加热到75℃，在搅拌条件下刻蚀15min，得到具有正四棱锥微结构的硅模板；将制备好的硅模板放在三甲基氯硅烷溶液正上方，室温条件下保持4h，以改性硅模板表面；

步骤2：将PDMS和固化剂按10：1的质量比混合，充分搅拌，放入真空腔抽真空，以去除其中的空气泡；将配好的PDMS和固化剂的混合液滴在步骤1得到的硅模板上，放入真空腔中抽真空，取出后在烘箱中150℃下保持20min，使PDMS完全固化；将固化的PDMS从硅模板上剥离，得到厚度约为500μm的具有正四棱锥微结构的PDMS衬底；

步骤3：将0.01g单壁碳纳米管加入40mL氮甲基吡咯烷酮溶液中，充分搅拌混合，并超声30min；然后以8000r/min的转速离心30min，取上层液体，即得到单壁碳纳米管的悬浊液，单壁碳纳米管悬浊液中单壁碳纳米管与氮甲基吡咯烷酮的质量比为1:4000；

步骤4：将步骤2得到的PDMS衬底放在烘台表面，温度调至180℃；将步骤3得到的单壁碳纳米管悬浊液放入喷雾枪内，喷枪口位于PDMS衬底正上方10cm处，喷枪工作压力为25psi；打开喷枪1s向PDMS喷碳纳米管悬浊液，然后关闭9s以确保PDMS上的碳纳米管悬浊液液完全烘干，重复打开喷枪1s、关闭9s的过程10次，即在PDMS衬底上得到单壁碳纳米管导电层；

步骤5：将带ITO导电层的PET耦合电极放置于步骤4得到的带单壁碳纳米管导电层的PDMS上，用引线分别将单壁碳纳米管导电层和ITO导电层接出，得到本发明所述微压力传感器。

图1为本发明实施例得到的柔性微压力传感器的结构示意图。

图2为本发明实施例制备得到的具有正四棱锥微结构的PDMS衬底的扫描电子显微镜图(SEM)。其中，(a)图比例尺为50微米；(b)图比例尺为10微米；(c)图为正四棱锥微结构上沉积的碳纳米管导电层的表面形貌，比例尺为1微米。由图2可知，PDMS衬底表面有微小的正四棱锥阵列，并且在其表面成功得到了碳纳米管导电层。

图3为本发明实施例制备得到的微压力传感器在430Pa、520Pa和740Pa压强下响应数据图。由图3可知，当压力作用于传感器时，电流迅速上升，响应明显；且随着施加压强的增大，响应越来越明显。

图4为本发明实施例制备得到的微压力传感器在不同压强下的响应强度，其中I/I₀表示有压强和没有压强的电流比值。由图4可知，随着施加给传感器的压强的增大，响应强度越来越大，在1000Pa的压强下电流增大到初始的5000多倍，远超其他压阻式传感器。

图5为利用本发明实施例制备的微压力传感器测量人体手腕脉搏的响应图。由图5可知，本发明微压力传感器对脉搏响应明显，充分说明本发明微压力传感器对微小的压力都能做出快速准确的响应。

Claims

1.一种柔性微压力传感器，包括柔性衬底和位于柔性衬底之上的导电层、柔性耦合电极，其特征在于，所述柔性衬底具有正四棱锥微结构。

2.根据权利要求1所述的柔性微压力传感器，其特征在于，所述柔性衬底为具有正四棱锥微结构的聚二甲基硅氧烷，所述导电层为单壁碳纳米管，所述柔性耦合电极为带氧化铟锡导电层的聚对苯二甲酸乙二醇酯。

3.一种柔性微压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

4.根据权利要求3所述的柔性微压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤1所述具有正四棱锥微结构的硅模板的制备过程为：首先光刻，然后依次采用BOE溶液和KOH溶液刻蚀出具有正四棱锥微结构的硅模板，然后将得到的硅模板在三甲基氯硅烷上方处理4h。

5.根据权利要求4所述的柔性微压力传感器的制备方法，其特征在于，所述KOH溶液为KOH、异丙醇和水的混合液，其中，H₂O、KOH和异丙醇的质量比为2：1：2，在KOH溶液中刻蚀时需要不断搅拌溶液。

6.根据权利要求3所述的柔性微压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤2的具体过程为：将聚二甲基硅氧烷和固化剂混合均匀，真空处理去除空气泡；将上步得到的聚二甲基硅氧烷和固化剂混合液滴在步骤1得到的具有正四棱锥微结构的硅模板上，放入真空腔内抽真空；取出后加热，使聚二甲基硅氧烷固化；将固化的聚二甲基硅氧烷从硅模版上剥离，得到具有正四棱锥微结构的聚二甲基硅氧烷衬底。

7.根据权利要求3或6所述的柔性微压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤2所述聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量比为10:1；得到的聚二甲基硅氧烷衬底为微米级。

8.根据权利要求3所述的柔性微压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤3得到的单壁碳纳米管悬浊液中单壁碳纳米管与氮甲基吡咯烷酮的质量比为1:4000。

9.根据权利要求3所述的柔性微压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤4中采用喷涂法制备单壁碳纳米管导电层时，聚二甲基硅氧烷衬底的温度为180℃；步骤4所述耦合电极为带ITO导电层的PET。