CN105092118A - 一种具有高灵敏度的柔性压阻式压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种具有高灵敏度的柔性压阻式压力传感器，该压力传感器包括柔性衬底、金属电极、网格状的石墨烯薄膜层；金属电极固定连接在柔性衬底顶面的两端，石墨烯薄膜层覆盖并连接在柔性衬底和部分金属电极上。该压力传感器不仅具有衬底可弯曲变形的优点，还具有很高的灵敏度，能够广泛使用于生物医学和可穿戴设备等领域。同时还公开了该柔性压阻式压力传感器的制备方法。

Description

一种具有高灵敏度的柔性压阻式压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种压力传感器，具体来说，涉及一种具有高灵敏度的柔性压阻式压力传感器及其制备方法。

背景技术

传统的硅基压力传感器由于其衬底不可弯曲变形的特点，导致其在生物医学和可穿戴设备等众多领域的使用少之又少。同时，许多领域都急需可弯曲变形的柔性衬底压力传感器以供使用。现有的硅基压阻式压力传感器的结构是在一个方形或者圆形的硅应变薄膜上通过扩散或者离子注入的方式在应力集中区制作四个压力敏感电阻，四个电阻互联构成惠斯顿电桥。通过惠斯顿电桥将外界压力导致四个压力敏感电阻的电阻值变化转换为输出电压，通过对输出电压与压力值进行标定可以实现对压力的测量。但是这种结构的硅基压阻式压力传感器由于其是非柔性的，且生物兼容性不好，导致生物医学、可穿戴设备等很多领域都急需压力传感器的使用。

发明内容

技术问题：本发明所要解决的技术问题是：提供一种具有高灵敏度的柔性压阻式压力传感器及其制备方法，该压力传感器不仅具有衬底可弯曲变形的优点，还具有很高的灵敏度，能够广泛使用于生物医学和可穿戴设备等领域。

技术方案：为解决上述技术问题，一方面，本发明实施例采用一种具有高灵敏度的柔性压阻式压力传感器，该压力传感器包括柔性衬底、金属电极、网格状的石墨烯薄膜层；金属电极固定连接在柔性衬底顶面的两端，石墨烯薄膜层覆盖并连接在柔性衬底和部分金属电极上。

作为优选，所述的柔性衬底包括LCP板、第一LCP薄膜和第二LCP薄膜，LCP板固定连接在第一LCP薄膜和第二LCP薄膜之间，LCP板中设有相互平行的条形通槽，相邻的条形通槽之间形成条形柱体。

作为优选，所述的LCP板中的条形柱体通过激光切割制成。

作为优选，所述的LCP板的厚度分别大于第一LCP薄膜的厚度和第二LCP薄膜的厚度。

作为优选，所述的石墨烯薄膜层中设有阵列式分布的网格；石墨烯薄膜层中的每列网格与LCP板中条形柱体一一对应。

作为优选，所述的金属电极为金、银、铜、铝、铂或者钛。

另一方面，本发明实施例采用一种具有高灵敏度的柔性压阻式压力传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤：

第一步：对LCP板进行激光切割，使得LCP板中形成相互平行的条形通槽，相邻的条形通槽之间形成条形柱体；

第二步：利用迭片热压方法将LCP板的一面与第一LCP薄膜粘合；

第三步：利用迭片热压方法将LCP板的另一面与第二LCP薄膜的一面粘合；第二LCP薄膜的另一面覆有金属薄层；

第四步：在金属薄层的两端分别涂上第一光刻胶层，并图形化；

第五步：对未被第一光刻胶层覆盖的金属薄层进行腐蚀；

第六步：去除第一光刻胶层，位于第一光刻胶层正下方的金属薄层形成金属电极；金属电极位于第二LCP薄膜顶面的两端；

第七步：在裸露的第二LCP薄膜顶面和金属电极顶面分别涂上第二光刻胶层，并图形化；第二光刻胶层在第二LCP薄膜顶面呈阵列式分布；

第八步：在裸露的金属电极、第二LCP薄膜和第二光刻胶层上分别旋涂一层氧化石墨烯薄膜层；

第九步：去除第二光刻胶层及位于第二光刻胶层上的氧化石墨烯薄膜层；

第十步：进行加热，将氧化石墨烯薄膜层还原，形成网格状的石墨烯薄膜层。

作为优选，所述的LCP板的厚度分别大于第一LCP薄膜的厚度和第二LCP薄膜的厚度。

作为优选，所述的第十步中，加热温度高于200摄氏度，且低于柔性衬底的熔融温度。

作为优选，所述的第十步中，氧化石墨烯薄膜层还原过程中，以氮气作为保护气。

有益效果：与现有的硅基压阻式压力传感器相比，本发明具有以下有益效果：

本实施例的压力传感器，由于压力传感器在衬底弯曲变形的情况下依然可以很好的工作，弥补了传统硅基压阻式压力传感器不可弯曲变形的缺陷，并且带有条形柱体的LCP板和网格状的石墨烯薄膜层使得压力传感器的灵敏度得到极大地提高，可以广泛使用在生物医学和可穿戴设备等领域。

附图说明

图1为本发明实施例的结构剖视图。

图2为本发明实施例的结构俯视图。

图3为本发明实施例中制备方法第一步的结构示意图。

图4为本发明实施例中制备方法第一步的结构俯视图。

图5为本发明实施例中制备方法第二步的结构示意图。

图6为本发明实施例中制备方法第三步的结构示意图。

图7为本发明实施例中制备方法第四步的结构示意图。

图8为本发明实施例中制备方法第五步的结构示意图。

图9为本发明实施例中制备方法第六步的结构示意图。

图10为本发明实施例中制备方法第七步的结构示意图。

图11为本发明实施例中制备方法第八步的结构示意图。

图12为本发明实施例中制备方法第九步的结构示意图。

图13为本发明实施例中制备方法第十步的结构示意图。

图中有：柔性衬底1、金属电极2、石墨烯薄膜层3、LCP板101、第一LCP薄膜102、第二LCP薄膜103、条形柱体1011、金属薄层4、第一光刻胶层5、第二光刻胶层6、氧化石墨烯薄膜层7。

具体实施方式

下面结合附图，对本发明实施例的技术方案进行详细的说明。

如图1和图2所示，本发明实施例的一种具有高灵敏度的柔性压阻式压力传感器，包括柔性衬底1、金属电极2、网格状的石墨烯薄膜层3。金属电极2固定连接在柔性衬底1顶面的两端，石墨烯薄膜层3覆盖并连接在柔性衬底1和部分金属电极2上。作为优选，所述的金属电极2为金、银、铜、铝、铂或者钛。

作为优选方案，所述的柔性衬底1包括LCP板101、第一LCP薄膜102和第二LCP薄膜103。LCP板101固定连接在第一LCP薄膜102和第二LCP薄膜103之间，LCP板101中设有相互平行的条形通槽，相邻的条形通槽之间形成条形柱体1011。柔性衬底1包括LCP板101、第一LCP薄膜102和第二LCP薄膜103。整个柔性衬底1均由LCP（液晶高分子聚合物，文中简称LCP）材料制成。这样，衬底具有良好的柔性，可弯曲。另外，LCP板101中设有相互平行的条形柱体1011。作为优选，所述的LCP板101中的条形柱体通过激光切割制成。条形柱体1011及其两侧的条形通槽，使得LCP板101的弯曲变形能力增加。

作为优选方案，所述的LCP板101的厚度分别大于第一LCP薄膜102的厚度和第二LCP薄膜103的厚度。位于柔性衬底1中的条形柱体1011的厚度大于第一LCP薄膜102的厚度和第二LCP薄膜103的厚度。这可以使得在相同的力的作用下，第二LCP薄膜103的位移变形更大。同时，第一LCP薄膜102和第二LCP薄膜103做薄，可以使得传感器的衬底整体上变薄，薄衬底要比厚衬底在相同的力作用下发生的位移变形会更大，有利于提高传感器的灵敏度。

作为优选方案，所述的石墨烯薄膜层3中设有阵列式分布的网格；石墨烯薄膜层3中的每列网格与LCP板101中条形柱体一一对应。当外界力使的条形柱体1011发生纵向位移时，因为石墨烯薄膜层3中的每列网格都与条形柱体1011对应，所以使得条形柱体1011的纵向形变能够使得石墨烯薄膜层3的每列网格发生最大纵向位移形变，从而使得石墨烯薄膜层3整体形变加大，继而导致其电阻变化显著，最后使得传感器的灵敏度得到提高。

LCP是一种由刚性分子链构成的、在一定物理条件下既有液体的流动性又有晶体的物理性能各向异性（此状态称为液晶态）的高分子物质。液晶高分子聚合物具有许多独特的优点，例如损耗小、成本低、使用频率范围大、强度高、重量轻、耐热性和阻燃性强、线膨胀系数小、耐腐蚀性和耐辐射性能好、CP薄膜的成型温度低，具有可弯曲性和可折叠性的优良成型加工性能，可用于各种带弧形和弯曲等复杂形状的制品。这完全满足了衬底可弯曲变形的压力传感器对衬底的要求。由于LCP的柔韧性很好，杨氏模量在5~20Gpa之间，远远低于单晶硅和多晶硅。在相同压力的作用下，柔性衬底1的弯曲形变会更大，导致其上的网格状石墨烯薄膜层3的形变也更大。因此，采用LCP作为柔性衬底1也有增大灵敏度的作用。

上述结构的压阻式压力传感器的工作过程是：当外界压力作用在第一LCP薄膜102上时，外力通过LCP板101传到第二LCP薄膜103上，力传到第二LCP薄膜3，使得第二LCP薄膜103发生形变，继而导致其上的网格状石墨烯薄膜层3的形变，继而导致其电阻的变化。石墨烯薄膜层3电阻的变化通过两边金属电极2输出，对输出的电阻值与外界施加的压力值进行标定，最后达到测出外在压力值的目的。

该结构的压阻式压力传感器中，采用在第一LCP薄膜102上粘合LCP板101，使得第二LCP薄膜3受力时不存在轴向应力的问题，使得第二LCP薄膜3受的力更多的作用在使第二LCP薄膜103发生纵向位移上，继而使得其上的网格状石墨烯薄膜层3发生更大的位移，导致石墨烯薄膜层3的电阻发生显著变化，继而提高传感器的灵敏度。另外，由于在外力的作用下，石墨烯薄膜层3边缘会发生边界效应。这将导致石墨烯的电子能带结构和电导特征的改变，继而导致石墨烯薄膜层3电阻的变化，所以本实施例采用网格状的石墨烯薄膜层5，每个网格都有边缘，这样增大了石墨烯薄膜层3整体的边缘面积。在外力作用下，使得网格状的石墨烯薄膜层5的边缘电学特性被改变的更大，继而导致石墨烯电阻显著的变化，大大提高了传感器的灵敏度。

上述的具有高灵敏度的柔性压阻式压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

第一步：如图3和图4所示，对LCP板进行激光切割，使得LCP板101中形成相互平行的条形通槽，相邻的条形通槽之间形成条形柱体1011；

第二步：如图5所示，利用迭片热压方法将LCP板101的一面与第一LCP薄膜102粘合；

第三步：如图6所示，利用迭片热压方法将LCP板101的另一面与第二LCP薄膜103的一面粘合；第二LCP薄膜103的另一面覆有金属薄层4；

第四步：如图7所示，在金属薄层4的两端分别涂上第一光刻胶层5，并图形化。作为优选，金属薄层4的厚度为7—12微米。

第五步：如图8所示，对未被第一光刻胶层5覆盖的金属薄层4进行腐蚀；

第六步：如图9所示，去除第一光刻胶层5，位于第一光刻胶层5正下方的金属薄层4形成金属电极2；金属电极2位于第二LCP薄膜103顶面的两端；

第七步：如图10所示，在裸露的第二LCP薄膜103顶面和金属电极2顶面分别涂上第二光刻胶层6，并图形化；第二光刻胶层6在第二LCP薄膜103顶面呈阵列式分布；

第八步：如图11所示，在裸露的金属电极2、第二LCP薄膜103和第二光刻胶层6上分别旋涂一层氧化石墨烯薄膜层7；

第九步：如图12所示，去除第二光刻胶层6及位于第二光刻胶层6上的氧化石墨烯薄膜层7；

第十步：如图13所示，进行加热，将氧化石墨烯薄膜层7还原，形成网格状的石墨烯薄膜层3。

作为优选方案，在第三步制成的衬底中，LCP板101的厚度分别大于第一LCP薄膜102的厚度和第二LCP薄膜103的厚度。这样使得第二LCP薄膜103的弯曲变形更大，从而提高传感器的灵敏度。

作为优选方案，所述的第十步中，加热温度高于200摄氏度，且低于柔性衬底1的熔融温度。氧化石墨烯薄膜层7还原过程中，以氮气作为保护气。以氮气作为保护气，可防止氧化石墨烯还原不够彻底和位于两端的金属电极被氧化。

由于可穿戴设备以及生物医学等众多领域，需要精确测出人生理机体上的微小形变，从而达到了解人的正常生理活动和监控身体健康的目的，例如测出脉搏就可以了解人体是否生病等等。而要测出这一系列的微小变化，就需要灵敏度很高的传感器。本发明实施例的传感器的力敏电阻元件由网格结构的石墨烯薄膜层3构成，极大地提高了传感器的灵敏度，从而能够很容易地感应到人身体的微小变化。另外，LCP板101解决了第二LCP薄膜的轴向应力问题，也极大地提高了压力传感器的灵敏度。

本实施例制备的压力传感器的力敏电阻元件为石墨烯薄膜层3。当外界压力作用在LCP衬底上时，力通过LCP板101传递到第二LCP薄膜103上，由于LCP板101是凸起结构，使得力在由下向上传递的过程中使第二LCP薄膜103不存在轴向应力的问题。这样就使得力更加集中的作用于第二LCP薄膜的纵向位移变化上，从而使得第二LCP薄膜在纵向上的位移变化加大，继而使得第二LCP薄膜上的网格石墨烯层的变形更大，使得石墨烯的电阻变化加大，最终达到提高压力传感器的灵敏度的目的。由于在外力作用下，蜂窝状结构的石墨烯薄膜边缘将会发生边界效应，这将导致石墨烯的电子能带结构和电导特征的改变，继而导致石墨烯电阻的变化，所以采用网格结构的石墨烯薄膜。网格结构的石墨烯薄膜在外力作用下，会存在更多的边缘发生边界效应，导致石墨烯薄膜电阻发生显著的变化，继而提高压力传感器的灵敏度。

以上显示和描述了本发明的基本原理、主要特征和优点。本领域的技术人员应该了解，本发明不受上述具体实施例的限制，上述具体实施例和说明书中的描述只是为了进一步说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护的范围由权利要求书及其等效物 界定。

Claims (10)

1.一种具有高灵敏度的柔性压阻式压力传感器，其特征在于，该压力传感器包括柔性衬底（1）、金属电极（2）、网格状的石墨烯薄膜层（3）；金属电极（2）固定连接在柔性衬底（1）顶面的两端，石墨烯薄膜层（3）覆盖并连接在柔性衬底（1）和部分金属电极（2）上。

2.按照权利要求1所述的具有高灵敏度的柔性压阻式压力传感器，其特征在于，所述的柔性衬底（1）包括LCP板（101）、第一LCP薄膜（102）和第二LCP薄膜（103），LCP板（101）固定连接在第一LCP薄膜（102）和第二LCP薄膜（103）之间，LCP板（101）中设有相互平行的条形通槽，相邻的条形通槽之间形成条形柱体（1011）。

3.按照权利要求2所述的具有高灵敏度的柔性压阻式压力传感器，其特征在于，所述的LCP板（101）中的条形柱体（1011）通过激光切割制成。

4.按照权利要求2所述的具有高灵敏度的柔性压阻式压力传感器，其特征在于，所述的LCP板（101）的厚度分别大于第一LCP薄膜（102）的厚度和第二LCP薄膜（103）的厚度。

5.按照权利要求2所述的具有高灵敏度的柔性压阻式压力传感器，其特征在于，所述的石墨烯薄膜层（3）中设有阵列式分布的网格；石墨烯薄膜层（3）中的每列网格与LCP板（101）中条形柱体（1011）一一对应。

6.按照权利要求1所述的具有高灵敏度的柔性压阻式压力传感器，其特征在于，所述的金属电极（2）为金、银、铜、铝、铂或者钛。

7.一种权利要求1所述的具有高灵敏度的柔性压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，该制备方法包括以下步骤：

第一步：对LCP板进行激光切割，使得LCP板（101）中形成相互平行的条形通槽，相邻的条形通槽之间形成条形柱体（1011）；

第二步：利用迭片热压方法将LCP板（101）的一面与第一LCP薄膜（102）粘合；

第三步：利用迭片热压方法将LCP板（101）的另一面与第二LCP薄膜（103）的一面粘合；第二LCP薄膜（103）的另一面覆有金属薄层（4）；

第四步：在金属薄层（4）的两端分别涂上第一光刻胶层（5），并图形化；

第五步：对未被第一光刻胶层（5）覆盖的金属薄层（4）进行腐蚀；

第六步：去除第一光刻胶层（5），位于第一光刻胶层（5）正下方的金属薄层（4）形成金属电极（2）；金属电极（2）位于第二LCP薄膜（103）顶面的两端；

第七步：在裸露的第二LCP薄膜（103）顶面和金属电极（2）顶面分别涂上第二光刻胶层（6），并图形化；第二光刻胶层（6）在第二LCP薄膜（103）顶面呈阵列式分布；

第八步：在裸露的金属电极（2）、第二LCP薄膜（103）和第二光刻胶层（6）上分别旋涂一层氧化石墨烯薄膜层（7）；

第九步：去除第二光刻胶层（6）及位于第二光刻胶层（6）上的氧化石墨烯薄膜层（7）；

第十步：进行加热，将氧化石墨烯薄膜层（7）还原，形成网格状的石墨烯薄膜层（3）。

8.按照权利要求7所述的具有高灵敏度的柔性压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述的LCP板（101）的厚度分别大于第一LCP薄膜（102）的厚度和第二LCP薄膜（103）的厚度。

9.按照权利要求7所述的具有高灵敏度的柔性压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述的第十步中，加热温度高于200摄氏度，且低于柔性衬底（1）的熔融温度。

10.按照权利要求7所述的具有高灵敏度的柔性压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述的第十步中，氧化石墨烯薄膜层（7）还原过程中，以氮气作为保护气。