CN108195491A - 柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种柔性压力传感器及其制备方法。该柔性压力传感器，包括依次层叠设置的第一柔性基底、第一柔性导电层、第二柔性导电层和第二柔性基底，所述第一柔性导电层包括周期性排列的第一凸起阵列，所述第二柔性导电层包括周期性排列的第二凸起阵列，且所述第一凸起阵列和所述第二凸起阵列相邻设置；所述第一柔性导电层和所述第二柔性导电层均含有导电复合材料。该柔性压力传感器具有高灵敏度、快速的响应时间和良好的稳定性的特点。
Description
技术领域
本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种柔性压力传感器及其制备方法。
背景技术
柔性压力传感器是一种用于感知某些物体表面作用力大小的柔性电子器件, 能贴附于各种不规则表面,在医疗健康、机器人、生物力学等领域有着广泛的应用前景,逐渐受到人们的重视。随着科学技术的发展，人们关注的焦点越来越投向柔性压力传感器能否兼具柔韧性和准确测量压力分布信息这些功能。由于传感器的微纳结构不仅能够提高传感器的响应速度还能使传感器回复更快，因此微结构的压力传感器已成为学术界和工业界的关注点。
现有的柔性压力传感器很难兼顾材料的顾柔韧性和测量的准确性，而且现有制备方法比较复杂、成本高，最终得到柔性压力传感器型号比较单一。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的上述不足，提供一种柔性压力传感器及其制备方法，旨在解决现有柔性压力传感器灵敏度低、制作成本非常高的技术问题。
为实现上述发明目的，本发明采用的技术方案如下：
本发明一方面提供一种柔性压力传感器，包括依次层叠设置的第一柔性基底、第一柔性导电层、第二柔性导电层和第二柔性基底，所述第一柔性导电层包括周期性排列的第一凸起阵列，所述第二柔性导电层包括周期性排列的第二凸起阵列，且所述第一凸起阵列和所述第二凸起阵列相邻设置；所述第一柔性导电层和所述第二柔性导电层均含有导电复合材料。
本发明另一方面提供一种柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
提供底板，将所述底板的表面进行亲水性处理后，在所述底板的一表面制备紧密排列的单层胶体微球阵列；
将所述单层胶体微球阵列进行等离子体刻蚀，使所述单层胶体微球阵列中的胶体微球的直径减小，然后喷涂一层金膜，将喷有所述金膜的底板进行刻蚀液刻蚀，形成带有周期性凸起的底板；
在所述带有周期性凸起的底板上沉积PDMS材料，形成带有凹陷的柔性 PDMS模板；
在所述带有凹陷的柔性PDMS模板上沉积上述柔性压力传感器中的所述导电复合材料，制备所述第一柔性导电层和所述第二柔性导电层；
将所述第一柔性导电层上的所述第一凸起阵列与所述第二柔性导电层上的所述第二凸起阵列相对设置，并引出电极、设置所述第一柔性基底和第二柔性基底得到所述柔性压力传感器。
本发明提供的柔性压力传感器，含有由两个相同的具有周期性排列的凸起阵列的第一柔性导电层和第二柔性导电层组成的导电结构，且该两柔性导电层中的第一凸起阵列和第二凸起阵列相邻设置，这样的导电结构即可导电又对压力及其敏感，同时第一柔性基底和第二柔性基底又可对器件起到支撑稳定对作用，最终使得该柔性压力传感器具有高灵敏度、快速的响应时间和良好的稳定性的特点。
本发明提供的柔性压力传感器的制备方法，相对于传统光刻技术制备微结构硅底板，本发明采用全化学法制备，其制备工艺简单、成本低，可大批量生产，整个制备过程无需依赖昂贵的光刻设备及复杂的光刻工艺同时，可通过对胶体微球粒径的选择来调控最终制备对柔性导电层上面对凸起的尺寸，即通过选择不同尺寸的胶体微球、及控制刻蚀工艺来制得所需的任意大小的柔性导电层来得到相应的柔性压力传感器，最终制备的柔性压力传感器具有高灵敏度、快速的响应时间和良好的稳定性的特点。
附图说明
图1为本发明实施例1中模板制备流程图；
图2为本发明实施例1中模板制备过程中刻蚀前PS微球阵列SEM图；
图3为本发明实施例1中模板制备过程中刻蚀后PS微球排列SEM图；
图4为本发明实施例1中模板制备过程中刻蚀后硅片表面的SEM图；
图5(a)为本发明实施例2中制备的柔性压力传感器结构示意图；
图5(b)为本发明实施例2中制备的柔性压力传感器结构示意图；
其中，图5中各附图标记：
1-第一柔性基底；
2-第一柔性导电层；
3-第二柔性导电层；
4-第二柔性基底；
5-引线。
具体实施方式
为了使本发明要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。
需要理解的是，术语“长度”、“宽度”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。
此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。
一方面，本发明实施例提供了一种柔性压力传感器，其结构如图5所示，该柔性压力传感器包括依次层叠设置的第一柔性基底1、第一柔性导电层2、第二柔性导电层3和第二柔性基底4，所述第一柔性导电层2包括周期性排列的第一凸起阵列，所述第二柔性导电层3包括周期性排列的第二凸起阵列，且所述第一凸起阵列和所述第二凸起阵列相邻设置；所述第一柔性导电层和所述第二柔性导电层均含有导电复合材料。
本发明实施例提供的柔性压力传感器，含有由两个相同的具有周期性排列的凸起阵列的第一柔性导电层和第二柔性导电层组成的导电结构，且该两柔性导电层中的第一凸起阵列和第二凸起阵列相邻设置，这样的导电结构即可导电又对压力及其敏感，同时第一柔性基底和第二柔性基底又可对器件起到支撑稳定对作用，最终使得该柔性压力传感器具有高灵敏度、快速的响应时间和良好的稳定性的特点。
具体地，如图5(a)，第一柔性导电层2上的第一凸起阵列的每个凸起和第二柔性导电层3上的第二凸起阵列的每个凸起彼此相邻吻合；图5(b)为第一柔性导电层2上的第一凸起阵列的每个凸起和第二柔性导电层3上的第二凸起阵列的每个凸起彼此错开。
进一步地，在本发明实施例提供的柔性压力传感器中，所述第一凸起阵列和所述第二凸起阵列均为圆锥台阵列。圆锥台阵列具有一定的深度，且同时可以更好地调控深度，可根据实际需求进行具体深度选择，因此使该柔性压力传感器有较宽的压力测量范围。
进一步地，在本发明实施例提供的柔性压力传感器中，所述导电复合材料为碳纳米管和PMDS的混合物。该混合物同时兼具导电性和柔性。
更进一步地，上述碳纳米管为多壁碳纳米管，且所述多壁碳纳米管的直径为10-200nm，长度为2-20μm。该尺寸范围内的多壁纳米碳管具有良好的柔韧性，可以拉伸，是理想的高强度纤维材料，而该混合物中PDMS质量分数可在 1％至5％范围内，这样形成的第一导柔性电层和第二柔性导电层的导电性能和柔韧性的综合状态达到最佳。
进一步地，在本发明实施例提供的柔性压力传感器中，所述第一柔性基底和所述第二柔性基底的材料为聚二甲基硅氧烷、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二酯、聚乙烯醇、聚酰亚胺和聚乙烯中的至少一种。
另一方面，本发明实施例还提供一种柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
S01:提供底板，将所述底板的表面进行亲水性处理后，在所述底板的一表面制备紧密排列的单层胶体微球阵列；
S02:将所述单层胶体微球阵列进行等离子体刻蚀，使所述单层胶体微球阵列中的胶体微球的直径减小，然后喷涂一层金膜，将喷有所述金膜的底板进行刻蚀液刻蚀，形成带有周期性凸起的底板；
S03:在所述带有周期性凸起的底板上沉积PDMS材料，形成带有凹陷的柔性PDMS模板；
S04:在所述带有凹陷的柔性PDMS模板上沉积本发明实施例的柔性压力传感器中的所述导电复合材料，制备所述第一柔性导电层和所述第二柔性导电层；
S05:将所述第一柔性导电层上的所述第一凸起阵列与所述第二柔性导电层上的所述第二凸起阵列相对设置，并引出电极、设置所述第一柔性基底和第二柔性基底得到所述柔性压力传感器。
本发明实施例提供的柔性压力传感器的制备方法，相对于传统光刻技术制备微结构硅底板，本发明采用全化学法制备，其制备工艺简单、成本低，可大批量生产，整个制备过程无需依赖昂贵的光刻设备及复杂的光刻工艺同时，可通过对胶体微球粒径的选择来调控最终制备对柔性导电层上面对凸起的尺寸，即通过选择不同尺寸的胶体微球、及控制刻蚀工艺来制得所需的任意大小的柔性导电层来得到相应的柔性压力传感器，最终制备的柔性压力传感器具有高灵敏度、快速的响应时间和良好的稳定性的特点。
进一步地，在上述步骤S01中，所述底板为硅片或玻璃片，所述单层胶体微球阵列中的胶体微球为聚苯乙烯微球(PS微球)、聚甲基丙烯酸甲酯微球、二氧化硅微球和聚氰胺甲醛树脂微球中的一种。所述亲水性处理的步骤包括：将所述底板先置于溶剂中超声处理，然后置于食人鱼溶液中浸泡处理，最后进行等离子体处理。在一优选实施例中，具体过程为：分别用适量的丙酮，乙醇，去离子水对底板进行浸泡并超声20min，以除去基底上的杂质；然后将底板食人鱼溶液((浓硫酸与过氧化氢体积比7:3)进行浸泡清洗30min，再用大量去离子水进行清洗，然后放入去离子水、氨水、过氧化氢的体积比为5:1:1的混合溶液中浸泡30min,目的是获得表面亲水性；然后再多次用乙醇和去离子水进行超声清洗，以除去基底表面残留的化学物质，最后将底板放入烘箱烘干，再进行等离子体处理3-10min，使其表面亲水性更强。
进一步地，在上述步骤S02中，所述离子体刻蚀，使所述胶体微球的直径减半；所述胶体微球的直径为0.5-2μm；所述等离子体刻蚀的时间为5-15min。具体一优选实施例中，胶体微球的粒径由2μm变为1μm左右。这样，可更好地调控模板的几何形状。
进一步地，在上述步骤S04中，所述金膜的厚度为3-30nm，喷涂所述金膜的温度为100-150℃；具体地，溅射金作为催化剂，溅射过程为：先将等离子体刻蚀后的胶体微球在加热炉上加热3-15min，控制温度在100℃至150℃，再喷金用作刻蚀催化剂，喷金厚度控制在3-30nm，此处的金膜作为刻蚀中催化剂，能调控刻蚀方向。喷金厚度可控制最终形成的模板的几何形状，满足此厚度可更好地实现所需要求的模板形状。
更进一步地，所述刻蚀液为H2O2和HF按1:(0.5-2)的体积比混合组成的混合液；所述刻蚀液刻蚀的时间为10-120min。在预先调配的刻蚀剂中反应 10-120min后可得到深度不同的凸起底板(优选圆锥台)，再用旋涂仪在胶体球上旋涂一层厚度约3mm的PDMS和固化剂(10:1)的混合材料，然后放入真空烘箱中加热100℃固化2h，得带有凹陷的柔性PDMS模板。
本发明先后进行过多次试验，现举一部分试验结果作为参考对发明进行进一步详细描述，下面结合具体实施例进行详细说明。
实施例1
一种柔性PDMS模板的制备方法，包括如下步骤：
如图1所示，首先，利用气液界面自组装的方法来在硅片上制备单层紧密周期性排列的胶体微球阵列，在实验之前首先要对硅片(此处采用的硅片电导率在10-3至102Ω/m)进行清洁处理，具体过程为：分别依次用适量的丙酮、乙醇、去离子水对硅片进行浸泡并超声20min，以除去硅片上的杂质，然后对硅片进行亲水性处理，亲水性处理具体步骤：首先用食人鱼溶液(用浓硫酸与过氧化氢按体积比7:3配制)进行浸泡清洗30min，再用大量去离子水进行清洗，然后放入去离子水、氨水、过氧化氢体积比为5:1:1的混合溶液中浸泡30min，目的使硅片获得亲水性表面，最后再多次用乙醇和去离子水进行超声清洗，以除去硅片表面残留的化学物质；然后将硅片放入烘箱烘干，再进行等离子体处理3至10min，使其表面亲水性更强。
用定量滴管吸取3mL的去离子水，缓慢滴在上述大小为1cm×1cm的硅片上形成一层薄薄的水膜，然后再用定量移液管吸取60μL的单分散的聚苯乙烯微球(PS微球)，从水膜的一侧缓慢注入，在范德华力的作用下，PS微球会在水膜的表面进行自组装，待水分自然蒸干后就得到了紧密排列的单层PS微球阵列，如图2所示。
然后，在上述的紧密排列的单层PS微球阵列的基础上，先进行plasma刻蚀PS小球使其减少半径至一半，结果如图3所示；然后将其在加热炉上加热 3min至15min，控制温度在100℃至150℃，再喷金用作刻蚀催化剂，喷金厚度控制在3nm至30nm，此处的金膜作为刻蚀中催化剂，能调控刻蚀方向。喷金后将硅片放置于预先调配的刻蚀剂中反应10min至120min，即可得到深度不同的圆锥台硅片，结果如图4所示，而本发明最终制得柔性压力传感器中的第一柔性导电层和第二柔性导电层中的圆锥台阵列的结构与图4相同；后续，再用旋涂仪在圆锥台硅片旋涂一层厚度约3mm的PDMS和固化剂(10:1)的混合材料，然后放入真空烘箱中加热100℃固化2h形成一层柔性PDMS膜，待降到室温后，将上层的柔性PDMS膜从硅片上轻轻地撕下来，放入合适的溶剂中浸泡 10h后取出烘干，得到具有紧密排列的凹陷的柔性PDMS模板。
实施例2
一种柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：
首先，制备具有紧密排列的圆锥台阵列的碳纳米管/PDMS复合柔性导电薄膜，具体步骤是：先将直径为10-200nm，长度为2-20μm的多壁碳纳米管在氯仿中超声5h，以使其均匀分散开，再用旋涡混合器将多壁碳纳米管和PDMS预聚物混合均匀，在90℃加热6h除去氯仿，然后将乙酸乙酯和PDMS固化剂(体积质量比为5:1)加入多壁碳纳米管和PDMS预聚物中用旋涡混合器将其混合均匀。再将该混合材料浇筑到上述实施例1得到的柔性PDMS模板中，放入真空烘箱加热80℃固化3h。待降到室温后，将两层膜慢慢分开，得到具有紧密排列的圆锥台阵列的包含多壁碳纳米管和PDMS的复合柔性导电薄膜。
将两片该复合柔性导电薄膜，分别作为柔性压力传感器的第一柔性导电层 2和第二柔性导电层3，将第一柔性导电层2和第二柔性导电层3的圆锥台阵列面相对设置，并在另一面各自用引线5引出电极，同时两边各自设置第一柔性基底1和第二柔性基底4，即得一种柔性压力传感器，结构图如图5所示：包括依次层叠的第一柔性基底1、第一柔性导电层2、第二柔性导电层3和第二柔性基底4。其中，图5(a)为第一柔性导电层2上的圆锥台阵列和第二柔性导电层3上的圆锥台阵列彼此相邻吻合；图5(b)为第一柔性导电层2上的圆锥台阵列和第二柔性导电层3上的圆锥台阵列彼此错开。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种柔性压力传感器，其特征在于，包括依次层叠设置的第一柔性基底、第一柔性导电层、第二柔性导电层和第二柔性基底，所述第一柔性导电层包括周期性排列的第一凸起阵列，所述第二柔性导电层包括周期性排列的第二凸起阵列，且所述第一凸起阵列和所述第二凸起阵列相邻设置；所述第一柔性导电层和所述第二柔性导电层均含有导电复合材料。
2.如权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述第一凸起阵列和所述第二凸起阵列均为圆锥台阵列。
3.如权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述导电复合材料为碳纳米管和PMDS的混合物。
4.如权利要求3所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述碳纳米管为多壁碳纳米管，且所述多壁碳纳米管的直径为10-200nm，长度为2-20μm。
5.如权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述第一柔性基底和所述第二柔性基底的材料为聚二甲基硅氧烷、乙烯-醋酸乙烯共聚物、聚对苯二甲酸乙二酯、聚乙烯醇、聚酰亚胺和聚乙烯中的至少一种。
6.一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
提供底板，将所述底板的表面进行亲水性处理后，在所述底板的一表面制备紧密排列的单层胶体微球阵列；
将所述单层胶体微球阵列进行等离子体刻蚀，使所述单层胶体微球阵列中的胶体微球的直径减小，然后喷涂一层金膜，将喷有所述金膜的底板进行刻蚀液刻蚀，形成带有周期性凸起的底板；
在所述带有周期性凸起的底板上沉积PDMS材料，形成带有凹陷的柔性PDMS模板；
在所述带有凹陷的柔性PDMS模板上沉积权利要求1-5任一项所述的柔性压力传感器中的所述导电复合材料，制备所述第一柔性导电层和所述第二柔性导电层；
将所述第一柔性导电层上的所述第一凸起阵列与所述第二柔性导电层上的所述第二凸起阵列相对设置，并引出电极、设置所述第一柔性基底和第二柔性基底得到所述柔性压力传感器。
7.如权利要求6所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述底板为硅片或玻璃片；和/或
所述单层胶体微球阵列中的胶体微球为聚苯乙烯微球、聚甲基丙烯酸甲酯微球、二氧化硅微球和聚氰胺甲醛树脂微球中的一种。
8.如权利要求6所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述亲水性处理的步骤包括：将所述底板先置于溶剂中超声处理，然后置于食人鱼溶液中浸泡处理，最后进行等离子体处理。
9.如权利要求6所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述离子体刻蚀，使所述胶体微球的直径减半；和/或
所述刻蚀液为H2O2和HF按1:(0.5-2)的体积比混合组成的混合液。
10.如权利要求6所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述胶体微球的直径为0.5-2μm；和/或
所述金膜的厚度为3-30nm；和/或
喷涂所述金膜的温度为100-150℃；和/或
所述等离子体刻蚀的时间为5-15min；和/或
所述刻蚀液刻蚀的时间为10-120min。
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