CN106953001B - 一种基于碳纳米管薄膜及光刻胶的柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种基于碳纳米管薄膜及光刻胶的柔性压力传感器。该传感器采用三文治结构，碳纳米管薄膜与透明柔性基底结合形成自支撑的碳纳米管薄膜电极层，具有微孔结构的光刻胶薄层夹在两层碳纳米管薄膜电极层中间。其制备方法为先转移碳纳米管薄膜到柔性基底上，形成碳纳米管薄膜柔性电极，然后在柔性电极上进行光刻，使电极上覆盖一层多孔的光刻胶绝缘层，最后再覆盖一层相同的碳纳米管薄膜柔性电极。本发明的压力传感器，利用接触电阻随接触面积迅速改变的性质，实现了一种高灵敏度、低功耗、透明和超薄的压力传感器，同时也具有快速响应、高空间分辨率以及易于集成和低成本等优势。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力传感器，属于柔性电子器件技术领域，特别是涉及一种基于碳纳米管薄膜及光刻胶的柔性压力传感器。
背景技术
随着谷歌眼镜、智能手环手表和智能跑鞋等可穿戴智能设备的快速发展，柔性电子器件特别是柔性人造电子皮肤，已成为近年学术研究的热点之一。人造电子皮肤又被称为智能皮肤、人造皮肤和电子皮肤，能够模仿人体皮肤的功能，探测环境的温度、湿度和机械刺激等信号。可广泛应用在人工智能、健康监测、触摸屏和可穿戴器件等领域。
电子皮肤的一个最重要的功能是探测压力信号，通过测量材料受力时，电阻、电容的变化，或者是利用压电效应实现力学信号到电信号的转换。其中，电阻式传感器具有结构简单、响应速度快和功耗低等优势，在电子皮肤、健康监测和可穿戴设备等领域有广阔的应用前景。
目前，电阻式传感器大多使用导电纳米材料和柔性聚合物组成的复合材料作为响应介质(Si Y,Wang X,Yan C,et al.Ultralight Biomass-Derived CarbonaceousNanofibrous Aerogels with Superelasticity and High Pressure-Sensitivity[J].Advanced Materials,2016,28(43):9512.)，其响应速度慢，弛豫时间长。同时，这样的三维结构难以制成压力传感器薄膜应用在电子皮肤等领域，另外，该类型传感器制作工艺复杂、成本较高，不利于集成和大规模生产。采用层叠式的二维薄膜组成压力传感器，不仅可以降低传感器的响应时间以及弛豫时间，而且能够实现超薄和共形接触应用在电子皮肤上。此外，利用光刻技术制备传感器有助于将其集成在其它器件中，同时也能满足大规模生产的要求。
但是，如何制备出一种具有快速响应时间及便于集成的压力传感器是所属领域技术人员急需解决的技术难题。
发明内容
针对上述背景技术中的问题，本发明的目的在于提供一种响应速度快、制备工艺简单、便于集成和量产的基于碳纳米管薄膜及光刻胶的柔性压力传感器。
本发明的另一目的是提供一种上述基于碳纳米管薄膜及光刻胶的柔性压力传感器的制备方法，其制备方法简单、便于集成和大规模生产。
本发明提供的基于碳纳米管薄膜及光刻胶的柔性压力传感器采用三文治结构，碳纳米管薄膜与透明柔性基底结合形成自支撑的碳纳米管薄膜电极层，具有微孔结构的光刻胶薄层夹在两层碳纳米管薄膜电极层中间。
具体而言，该柔性压力传感器为层叠式结构，自上而下分别是柔性聚合物层、金属电极层、碳纳米管薄膜电极层、光刻胶绝缘层、碳纳米管薄膜电极层、金属电极层和柔性聚合物层。
所述柔性聚合物层包括PDMS、PI、PET、PVA、PP和PU。
所述金属电极层包括金、银、铜、铂、镍、镉、钛和钯中的一种或者几种复合。
所述碳纳米管薄膜为由单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、或多壁碳纳米管构成的薄膜，厚度为10nm-1μm。
所述光刻胶绝缘层包括光聚合型正性、光分解型正性和光交联型负性光刻胶。
所述光刻胶绝缘层厚度为0.5μm-50μm。
所述光刻胶多孔绝缘层孔径为2μm-100μm,形状可为圆形、方形、三角形或任意形状的孔洞。
进一步，所述光刻胶多孔绝缘层还可以为光刻胶柱状结构，形状可为圆柱、方柱或任意形状的柱子。
本发明还提供了一种上述基于碳纳米管薄膜及光刻胶的柔性压力传感器的制备方法，其包括以下步骤：
1)将碳纳米管薄膜转移并贴合在聚合物柔性基底上；
2)将金属电极沉积到碳纳米管薄膜柔性电极上，使金属电极覆盖在碳纳米管薄膜电极边沿上，并预留出大面积裸露的碳纳米管薄膜电极；
3)将光刻胶旋涂在预留的碳纳米管薄膜电极上，并进行光刻、显影和洗胶，在碳纳米管薄膜电极上形成光刻胶多孔绝缘层；
4)将另一块步骤2)得到的碳纳米管薄膜柔性电极覆盖在步骤3)所得的结构上，使附着了碳纳米管薄膜的一面与光刻胶接触，组装成压力传感器。
本发明的基于碳纳米管薄膜及光刻胶的柔性压力传感器，具有如下有益效果：
1)本发明的传感器采用三文治结构，碳纳米管薄膜与透明柔性基底结合形成自支撑的碳纳米管薄膜电极层，具有微孔结构的光刻胶薄层夹在两层碳纳米管薄膜电极层中间。
2)本发明的压力传感器，利用接触电阻随接触面积迅速改变的性质，实现了一种高灵敏度、低功耗、透明和超薄的压力传感器，同时也具有快速响应、高空间分辨率以及易于集成和低成本等优势。
3)本发明的压力传感器具有柔性、透明、超薄、灵敏度高、响应速度快和弛豫时间小的优良特性，且适用于电子皮肤、可穿戴设备和健康监测等应用。另外，其制备方法简单、便于集成和大规模生产。
附图说明
图1是本发明中基于碳纳米管薄膜及光刻胶的柔性压力传感器的结构示意图；
图2是碳纳米管薄膜电极的光学显微照片；
图3是使用了厚度为5μm，小孔的直径为40μm的光刻胶多孔薄膜作为绝缘层的压力传感器的光学显微照片；
图4是使用了厚度为5μm，小孔的直径为40μm的光刻胶多孔薄膜作为绝缘层的压力传感器，在16Pa压力的循环加载测试下，传感器的电流响应曲线；
图5是使用了厚度为5μm，小孔的直径为10μm的光刻胶多孔薄膜作为绝缘层的压力传感器的光学显微照片；
图6是使用了厚度为5μm，小孔的直径为10μm的光刻胶多孔薄膜作为绝缘层的压力传感器，在4000Pa压力的循环加载测试下，传感器的电流响应曲线；
图7是使用了厚度为15μm，小孔的直径为20μm的光刻胶多孔薄膜作为绝缘层的压力传感器的光学显微照片；
图8是使用了厚度为15μm，小孔的直径为20μm的光刻胶多孔薄膜作为绝缘层的压力传感器，在1500Pa压力的循环加载测试下，传感器的电流响应曲线。
具体实施方式
本发明是利用碳纳米管薄膜作为柔性电极，并利用光刻技术将光刻胶多孔薄膜与碳纳米管薄膜柔性电极组装成柔性压力传感器。图1是本发明中基于碳纳米管薄膜及光刻胶的柔性压力传感器的结构示意图。图2是碳纳米管薄膜电极的光学显微照片。
如图1和2所示，该柔性压力传感器为层叠式结构，自上而下分别是：柔性聚合物层1、金属电极层2、碳纳米管薄膜电极层3、光刻胶绝缘层4、碳纳米管薄膜电极层5、金属电极层6和柔性聚合物层7。
本发明的柔性压力传感器包括聚合物柔性基底、碳纳米管薄膜柔性电极、光刻胶多孔绝缘层。所述碳纳米管薄膜直接转移附着在聚合物柔性基底上，通过光刻在碳纳米管薄膜电极上形成绝缘的光刻胶多孔绝缘层，所述光刻胶多孔薄膜的厚度和孔径可以通过光刻工艺调节，所述聚合物柔性基底、碳纳米管薄膜电极和光刻胶绝缘层均为透明结构。其制备方法为先转移碳纳米管薄膜到柔性基底上，形成碳纳米管薄膜柔性电极，然后在柔性电极上进行光刻，使电极上覆盖一层多孔的光刻胶绝缘层，最后再覆盖一层相同的碳纳米管薄膜柔性电极。
下面结合附图和实施例对本发明作进一步详细说明。
应当了解以下较佳实施例仅仅用于解释本发明的内容和技术方案，方便本领域的其他技术人员清楚本发明的原理，而本发明不局限于以下所述的实施例。在不脱离权利要求和本发明原理的前提下，任何对以下实施例作简单的修改、润饰和改进也应当包含在本发明保护范围之中。
实施例1
一种基于碳纳米管薄膜及光刻胶的柔性压力传感器，其制备方法包括以下步骤：
1)将单壁、双壁或多壁碳纳米管薄膜(厚度为20nm-2μm)，转移并贴合在厚度为500μm的PDMS柔性基底上；
2)将银电极沉积到碳纳米管薄膜柔性电极上，使银电极覆盖在碳纳米管薄膜电极边沿上，并预留出大面积裸露的碳纳米管薄膜电极；
3)将光刻胶旋涂在预留的碳纳米管薄膜电极上，并进行光刻、显影和洗胶，在碳纳米管薄膜电极上形成光刻胶多孔绝缘层，其中，光刻胶厚度为5μm，小孔的直径为40μm，并周期性排列，图3是该实施例中光刻胶的光学显微照片，可以看出周期性的光刻胶圆孔整齐排列在碳纳米管薄膜电极上；
4)将另一块步骤2)得到的碳纳米管薄膜柔性电极覆盖在步骤3)所得的结构上，使附着了碳纳米管的一面与光刻胶接触，组装成压力传感器。
图4为16Pa压力的循环加载测试下，传感器的电流响应曲线，可以看出，传感器电流响应十分稳定。
实施例2
一种基于碳纳米管薄膜及光刻胶的柔性压力传感器，其制备方法包括以下步骤：
1)将单壁、双壁或多壁碳纳米管薄膜(厚度为20nm-2μm)，转移并贴合在厚度为500μm的PDMS柔性基底上；
2)将银电极沉积到碳纳米管薄膜柔性电极上，使银电极覆盖在碳纳米管薄膜电极边沿上，并预留出大面积裸露的碳纳米管薄膜电极；
3)将光刻胶旋涂在预留的碳纳米管薄膜电极上，并进行光刻、显影和洗胶，在碳纳米管薄膜电极上形成光刻胶多孔绝缘层，其中，光刻胶厚度为5μm，小孔的直径为10μm，并周期性排列，图5是该实施例中光刻胶的光学显微照片，可以看出周期性的光刻胶圆孔整齐排列在碳纳米管薄膜电极上；
4)将另一块步骤2)得到的碳纳米管薄膜柔性电极覆盖在步骤3)所得的结构上，使附着了碳纳米管的一面与光刻胶接触，组装成压力传感器。
图6为4000Pa压力的循环加载测试下，传感器的电流响应曲线，可以看出，传感器电流响应十分稳定。
实施例3
一种基于碳纳米管薄膜及光刻胶的柔性压力传感器，其制备方法包括以下步骤：
1)将单壁、双壁或多壁碳纳米管薄膜(厚度为20nm-2μm)，转移并贴合在厚度为500μm的PDMS柔性基底上；
2)将银电极沉积到碳纳米管薄膜柔性电极上，使银电极覆盖在碳纳米管薄膜电极边沿上，并预留出大面积裸露的碳纳米管薄膜电极；
3)将光刻胶旋涂在预留的碳纳米管薄膜电极上，并进行光刻、显影和洗胶，在碳纳米管薄膜电极上形成光刻胶多孔绝缘层，其中，光刻胶厚度为15μm，小孔的直径为20μm，并周期性排列，图7是该实施例中光刻胶的光学显微照片，可以看出周期性的光刻胶圆孔整齐排列在碳纳米管薄膜电极上；
4)将另一块步骤2)得到的碳纳米管薄膜柔性电极覆盖在步骤3)所得的结构上，使附着了碳纳米管的一面与光刻胶接触，组装成压力传感器。
图8为1500Pa压力的循环加载测试下，传感器的电流响应曲线，可以看出，传感器电流响应十分稳定。
以上所述，仅是本发明的较佳实施例而已，并非对本发明作任何形式上的限制，故凡是未脱离本发明技术方案内容，依据本发明的技术实质对以上实施例所作的任何简单修改、等同变化与修饰,均仍属于本发明技术方案的范围内。
Claims (9)
1.一种基于碳纳米管薄膜及光刻胶的柔性压力传感器，其特征在于：该柔性压力传感器采用三文治结构，碳纳米管薄膜与透明柔性基底结合形成自支撑的碳纳米管薄膜电极层，具有微孔结构的光刻胶薄层夹在两层碳纳米管薄膜电极层中间；该柔性压力传感器为层叠式结构，自上而下分别是柔性聚合物层、金属电极层、碳纳米管薄膜电极层、光刻胶绝缘层、碳纳米管薄膜电极层、金属电极层和柔性聚合物层。
2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管薄膜及光刻胶的柔性压力传感器，其特征在于：所述柔性聚合物层包括PDMS、PI、PET、PVA、PP和PU；所述金属电极层包括金、银、铜、铂、镍、镉、钛和钯中的一种或者几种复合。
3.根据权利要求1所述的基于碳纳米管薄膜及光刻胶的柔性压力传感器，其特征在于：所述碳纳米管薄膜为由单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、或多壁碳纳米管构成的薄膜，其厚度为10nm-1μm。
4.根据权利要求1所述的基于碳纳米管薄膜及光刻胶的柔性压力传感器，其特征在于：所述光刻胶绝缘层包括光聚合型正性、光分解型正性和光交联型负性光刻胶，其厚度为0.5μm-50μm。
5.一种基于碳纳米管薄膜及光刻胶的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)将碳纳米管薄膜转移并贴合在聚合物柔性基底上；
2)将金属电极沉积到步骤1)所得的碳纳米管薄膜柔性电极上，使金属电极覆盖在碳纳米管薄膜电极边沿上，并预留出大面积裸露的碳纳米管薄膜电极；
3)将光刻胶旋涂在步骤2)预留的碳纳米管薄膜电极上，并进行光刻、显影和洗胶，在碳纳米管薄膜电极上形成光刻胶多孔绝缘层；
4)将另一块步骤2)所得的碳纳米管薄膜柔性电极覆盖在步骤3)所得的结构上，使附着了碳纳米管的一面与光刻胶接触，组装成压力传感器。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤1)中，所述碳纳米管薄膜为由单壁碳纳米管、双壁碳纳米管、或多壁碳纳米管构成的薄膜，厚度为10nm-1μm；
所述聚合物柔性基底包括PDMS、聚酰亚胺(PI)、聚对苯二甲酸乙二酯(PET)、聚乙烯醇(PVA)、聚丙烯(PP)和聚胺酯(PU)。
7.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤2)中，所述金属电极材料包括金、银、铜、铂、镍、镉、钛和钯中的一种或者几种复合。
8.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤3)中，所述光刻胶包括光聚合型正性、光分解型正性和光交联型负性光刻胶；其厚度为0.5μm-50μm。
9.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤3)中，所述光刻胶多孔绝缘层孔径为2μm-100μm,形状为圆形、方形、三角形或任意形状的孔洞；
所述光刻胶多孔绝缘层还可以为光刻胶柱状结构，形状为圆柱、方柱或任意形状的柱子。
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