CN107957303A - 一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器及其制备方法 - Google Patents

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姜昱丞
王彬
刘国珍
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Abstract

本发明公开了一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器及其制备方法。传感器的结构为以非晶碳a‑C薄膜/柔性衬底为功能材料,在a‑C薄膜的两端设置银电极，由导电胶引出。本发明提供的压力敏感材料的制备，以硅片为衬底，在衬底上生长氧化层为牺牲层，采用化学或物理的方法，在牺牲层上生长功能性薄膜材料；将柔性衬底粘贴于功能性薄膜表面，再采用酸腐蚀方法将牺牲层腐蚀后，得到一种柔性功能材料。本发明提供的应力传感器具有优异的灵敏度和可弯曲特性，抗疲劳性好；并且结构简单，成本低廉，使用方便、安全、可靠，可广泛用于可穿戴领域。

Description

一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种应力传感器，特别涉及一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器及其制备方法，属于柔性材料制备及应用技术领域。
背景技术
随着电子科学技术的发展，以及人们对生活要求水平的不断提高，柔性可穿戴电子设备吸引了越来越多人的关注。柔性可穿戴电子设备比传统的电子设备更大的灵活性，可满足人们对设备的各种形变要求。目前，对柔性可穿戴应力敏感设备的应用体现在人类生活的很多方面，如可弯曲触摸显示屏、电子皮肤、可穿戴电脑、柔性机器人、柔性压力监测鞋垫计步器等，其工作原理主要包括:压电式、电容式以及压阻式。由于压阻式柔性设备测量方式简单，方便使用，具有商业化的潜力。但是，压阻式的敏感设备存在着灵敏度低，且由于大部分柔性材料性质不稳定，制成柔性电子设备后结构复杂，抗疲劳性能较差等方面的不足，在一定程度上制约了柔性可穿戴设备的发展。
发明内容
本发明针对现有压阻式柔性应力敏感电子设备存在的不足，提供一种灵敏度高、柔韧性好、抗疲劳性强，且结构简单、重量轻、成本低廉，使用轻便、安全可靠的柔性可穿戴非晶碳基应力传感器及其制备方法。
实现本发明目的的技术方案是提供一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器的制备方法，包括如下步骤：
1．以硅片为衬底，在衬底上生长氧化层为牺牲层；采用化学或物理的方法，在氧化层表面生长非晶碳a-C薄膜；
2．将柔性衬底粘贴于a-C薄膜表面，再采用酸腐蚀方法将牺牲层腐蚀后，得到一种a-C薄膜/柔性衬底结构的柔性电子材料；
3．采用蒸发镀银方法在a-C薄膜两端制备银电极，再将电极用导电胶带粘贴引出，得到一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器。
本发明技术方案还包括一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器，其结构为：在柔性衬底上以非晶碳a-C薄膜为压阻材料, a-C薄膜的两端设置银电极，并由导电胶引出。
本发明技术方案中，所述的柔性衬底的材料为聚乙烯或胶带中的一种。所述的牺牲层为SiO2或MgO中的一种。
本发明技术方案的一个具体的优化措施是：在衬底硅片表面自然生长氧化层SiO2为牺牲层，采用磁控溅射或脉冲激光沉积方法，将非晶碳a-C薄膜生长于氧化层表面；以聚乙烯PE膜为柔性衬底，将聚乙烯膜加热至190～210℃，粘贴于非晶碳a- C薄膜表面，得到Si/SiO2/a-C/PE结构的样品；将样品置于质量浓度为5%的氟化氢溶液中，腐蚀处理2～5分钟，得到一种a-C/PE柔性电子材料。
本发明技术方案的另一个具体的优化措施是：在衬底硅片表面生长氧化层MgO为牺牲层，采用磁控溅射或脉冲激光沉积方法，将非晶碳a-C薄膜生长于氧化层表面；以聚乙烯PE膜为柔性衬底，将聚乙烯膜加热至190～210℃，粘贴于a-C薄膜表面，得到Si/MgO/a-C/PE结构的样品；将样品置于质量浓度为36%的醋酸溶液中，腐蚀处理120～150分钟，得到一种a-C/PE柔性电子材料。
与现有的可穿戴应力传感器相比，本发明提供的有益效果在于：
1. 本发明提供的压阻材料为非晶碳a-C薄膜/柔性衬底结构,采用先在高温等苛刻条件下生长所需要的功能性薄膜，再利用腐蚀剥离法制备柔性功能材料的方法，克服了一般柔性材料高温变性不能直接作为基底的缺陷，具有优异的柔韧特性和应力敏感特性。
2.本发明采用的柔性功能材料是一种具有良好弯曲性能的压阻式传感器件，具有敏感、快速的应力响应特点，因此，提供的应力传感器具有结构简单，测试方便，敏感度高，抗疲劳特性好等优点。
3.本发明提供的柔性可穿戴非晶碳基应力传感器，以a-C薄膜为功能电子薄膜层，具有耐摩擦、化学惰性等与金刚石相似的优异性能，还具有优异的电学特性，因此，制备的产品价格低廉，性价比高。
4.本发明提供的柔性可穿戴非晶碳基应力传感器，以热塑性树脂为柔性衬底，具有稳定的化学性质，能耐大多数酸碱的腐蚀，电绝缘性能好，由于其优异的耐环境老化性能和柔韧特性，适用于可穿戴设备的衬底层。
附图说明
图1为本发明实施例提供的柔性可穿戴非晶碳基应力传感器的结构示意图；
图2 为本发明实施例提供的柔性可穿戴非晶碳基应力传感器使用状态图；
图3为本发明实施例提供的柔性可穿戴非晶碳基应力传感器在不同弯折角度下应力敏感测试曲线图；
图4为本发明实施例提供的柔性可穿戴非晶碳基应力传感器与硅基应力传感器在不同气压条件下的应力敏感测试对比图；
图5为本发明实施例提供的柔性可穿戴非晶碳基应力传感器的疲劳性实验测试结果图。
图1中，1. 导电胶带；2. 银电极；3. a-C薄膜；4. 柔性衬底。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明技术方案作进一步阐述。
实施例1
参见附图1，它是本实施例提供的柔性可穿戴非晶碳基应力传感器的结构示意图，它以聚乙烯PE为柔性衬底4，非晶碳a-C薄膜3为压阻材料, a-C薄膜3的两端分别制备银电极2，并由导电胶1引出。
制备柔性可穿戴非晶碳基应力传感器的具体步骤如下：
1．在Si基片上经自然氧化得到SiO2氧化层，在温度为500℃的条件下采用磁控溅射方法，在硅基片的氧化层上生长非晶碳a-C薄膜，制备得到Si/SiO2/a-C结构样品，在本实施例中，a-C薄膜的厚度约为50nm。
2.将PE加热到190℃，粘帖在Si/SiO2/a-C样品的a-C一面，得到Si/SiO2/a-C/PE结构的柔性电子材料样品；将该样品浸泡于质量浓度为5%的HF溶液中，待SiO2被HF腐蚀后，再将样品用外力分开，分离后分别得到Si和a-C/PE样品。Si片经过自然氧化或氧化处理，可被重复利用。
3.得到的以PE为柔性衬底4的a-C/PE样品，再在a-C薄膜3的两端，采用蒸发镀银的方法制备银电极2，作为接触电极促进接触，再将电极用两根铜导电胶带1粘贴引出，制备得到一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器，其结构如附图1所示。
在本实施例中，柔性衬底为热塑性树脂聚乙烯PE具有稳定的化学性质，能耐大多数酸碱的腐蚀，电绝缘性能好，由于其优异的耐环境老化性能和柔韧特性，适用于可穿戴设备的衬底层。
功能电子薄膜层为a-C薄膜，具有耐摩擦、化学惰性等与金刚石相似的优异性能，尽管a-C薄膜在许多性质上稍逊色与金刚石，但是和金刚石相比，a-C膜不仅制备温度低，不需要高压环境，且其制备成本低，设备简单，容易获得大面积薄膜，因此，a-C薄膜比金刚石薄膜更具性价比高的特点，同时，它也兼具石墨优异的电学特性，实现了导电a-C薄膜在可穿戴电子设备上的应用。
参见附图2 ，它是本实施例提供的柔性可穿戴非晶碳基应力传感器的使用状态图；由图可以看出，制备的柔性可穿戴非晶碳基应力传感器结构简单，轻便。
参见附图3 ，为本实施例提供的柔性可穿戴非晶碳基应力传感器在不同弯折角度下的应力敏感测试曲线图；将传感器样品固定于手指背面，将两极分别接入电阻表测试端，随着手指不同的弯曲程度，a-C薄膜电阻会有明显的变化，从2.1MΩ 变化到37 MΩ。由此可见，本实施例提供的传感器具有压力敏感特性。
参见附图4，它是本实施例提供的柔性可穿戴非晶碳基应力传感器与硅基应力传感器（A图）在不同气压条件下的应力敏感测试对比图；在大气压101kPa条件下，本实施例样品的电阻为2.55 MΩ，当用机械泵将气压抽至1Pa左右时，电阻下降至2.40 MΩ，随后分别用8kPa、0.65kPa、0.15kPa纯度为99.9999%的氮气气压对样品进行测试，样品表现出了不同梯度的应力敏感特性。同时，以硅片上的a-C薄膜为对比，进行同样的应力敏感测试，由A图显示，其对应力表现出的敏感特性远远达不到本实施例所提供的传感器件。由此可以证明，本发明技术方案提供的a-C薄膜的应力敏感性能得到了明显的提高。
参见附图5， 其显示的是分别对本实施例提供的样品进行0、100、1200、3000、10000次的弯折后，样品对气压的敏感特性曲线。在测试时，样品每次的弯折角度-90°至90°，在强烈的弯折情况下，样品依然保持了良好的压力敏感特性，每次弯折后，电阻的变化几乎和之前保持一致。
上述实验结果表明，本实施例提供的柔性可穿戴应力传感器，随着手指不同程度（0～120°）的弯折，表现出极大的电阻变化现象，电阻从2.1MΩ 变化到37 MΩ，微小的角度弯曲表现在电阻上就是非常明显的变化。利用不同气压，对本发明提供的传感器进行不同气压条件下的应力敏感特性测试，发现其对同气压具有不同的敏感特性。与将硅片上的a-C膜和PE上的a-C膜进行对比实验，结果表明，转移后的PE/a-C膜结构的样品具有明显的压敏增益效果。疲劳性测试表明，经上万次的反复弯折，样品依然表现出优异的应力敏感特性，且和初始测试结果无明显差异。
实施例2
本实施例以MgO为牺牲层，制备柔性功能电子材料，具体方法及工艺条件如下：在Si基片上利用脉冲激光沉积方法制备MgO薄膜，再利用磁控溅射方法制备a-C薄膜，得到 Si/MgO/a-C结构的样品；将加热至190℃的PE粘帖在Si/MgO/a-C样品的a-C一面，得到Si/SiO2/a-C/PE结构的样品；将样品浸泡于质量浓度为37%的醋酸溶液中处理2小时，再将样品用外力分开，得到分离的Si和a-C/PE柔性功能材料样品。
按实施例1技术方案，在a-C薄膜的两端，采用蒸发镀银的方法制备银电极，作为接触电极促进接触，再将电极用两根铜导电胶带粘贴引出，制备得到一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器。各项性能与实施例1提供的样品相同。
本发明制备的柔性材料具有优异的柔韧特点，对应力有明显的敏感特性，在弯折上万次的试验后仍能保持原有的性能。本发明提供的产品柔软性好，结构简单，抗疲劳特性强，可加工成各种所需形状的产品，制备成微型器件；还具有成本低，测量方便、可靠的特点，可广泛应用于可穿戴电子设备。

Claims (7)

1.一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器的制备方法，其特征在于包括如下步骤：
（1）以硅片为衬底，在衬底上生长氧化层为牺牲层；采用化学或物理的方法，在氧化层表面生长非晶碳a-C薄膜；
（2）将柔性衬底粘贴于a-C薄膜表面，再采用酸腐蚀方法将牺牲层腐蚀后，得到一种a-C薄膜/柔性衬底结构的柔性电子材料；
（3）采用蒸发镀银方法在a-C薄膜两端制备银电极，再将电极用导电胶带粘贴引出，得到一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器。
2.根据权利要求1所述的一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器的制备方法，其特征在于：所述的柔性衬底的材料为聚乙烯或胶带中的一种。
3.根据权利要求1所述的一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器的制备方法，其特征在于：所述的牺牲层为SiO2或MgO中的一种。
4.根据权利要求1所述的一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器的制备方法，其特征在于：在衬底硅片表面自然生长氧化层SiO2为牺牲层，采用磁控溅射或脉冲激光沉积方法，将非晶碳a-C薄膜生长于氧化层表面；以聚乙烯PE膜为柔性衬底，将聚乙烯膜加热至190～210℃，粘贴于非晶碳a- C薄膜表面，得到Si/SiO2/a-C/PE结构的样品；将样品置于质量浓度为5%的氟化氢溶液中，腐蚀处理2～5分钟，得到一种a-C/PE柔性电子材料。
5.根据权利要求1所述的一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器的制备方法，其特征在于：在衬底硅片表面生长氧化层MgO为牺牲层，采用磁控溅射或脉冲激光沉积方法，将非晶碳a-C薄膜生长于氧化层表面；以聚乙烯PE膜为柔性衬底，将聚乙烯膜加热至190～210℃，粘贴于a-C薄膜表面，得到Si/MgO/a-C/PE结构的样品；将样品置于质量浓度为36%的醋酸溶液中，腐蚀处理120～150分钟，得到一种a-C/PE柔性电子材料。
6.一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器，其特征在于：在柔性衬底（4）上以非晶碳a-C薄膜（3）为压阻材料, a-C薄膜（3）的两端设置银电极（2），由导电胶（1）引出。
7.根据权利要求6所述的一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器，其特征在于：所述的柔性衬底的材料为聚乙烯或胶带中的一种。
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