CN108469316A - 表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器及其制法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器及其制法。所述压力传感器包括：绝缘基底；共面型电极，包括彼此间隔分布在绝缘基底上的至少两个共面设置的电极，相邻两个电极的间距在纳米级到毫米级范围内可调；以及，设置在共面型电极上的导电压阻层，所述导电压阻层包括表面接枝导电聚合物薄膜和压阻层基底，并且表面接枝导电聚合物薄膜与共面型电极电性接触。所述制备方法包括：在绝缘基底上制作共面型电极，将表面接枝导电聚合物薄膜设置在共面型电极上电性接触。本发明的压力传感器结构简单，采用表面接枝导电聚合物压阻层与共面型电极对的结构，具有灵敏度高、精确度高、响应时间快等优点，且制备工艺简单，加工方便，成本低廉。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力传感器，特别涉及一种表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器及其制备方法，属于微电子器件技术领域。
背景技术
传感技术是现代测量和自动化系统的重要技术之一，从宇宙开发到海底探秘，从生产的过程控制到现代文明生活，几乎每一项技术都离不开传感器，因此，许多国家都对传感技术的发展十分重视。在各类传感器中，压力传感器具有体积小、重量轻、稳定可靠、成本低、便于集成的优点，可广泛应用于压力、高度、加速度、液体的流速、压强的测量与控制，除此之外，还可广泛应用于地质、气象、化工、医疗仪器等方面。由于压力传感器的制备技术是平面工艺与立体加工相结合，又便于集成化，所以可以制成血压计、风速计、压力表、电子秤以及自动报警装置等。
随着微光、电、机、系统技术的迅速发展以及光导、光纤、纳米技术、智能材料等新技术的应用，使得压力传感器被广泛应用于军事、生物医学、微型机械等领域。压力传感器已成为比较成熟的技术之一，其技术比较成熟，且稳定性较好。
现有的接触式压力传感器的电极多采用“三明治”结构，该结构需采用高、低介电常数材料作为压阻电极与对电极，电极采用上下接线的方法，同时电极间的间距较大，电极间的体相压阻大，造成电路中电流的损失，从而使得器件的传感性能下降。
然而，随着自动化生产程度的不断提高，对传感器的要求也在不断提高，因此必须研制出具有灵敏度高、精确度高、响应时间快、互换性好的传感器件，以确保生产自动化的可靠性。目前关于灵敏度超过一万的传感器鲜有报道，远远不能满足现代自动化生产程度的要求。因此，需要设计一种新型的传感器结构，能够实现器件的高灵敏度、高精确度及快速响应时间。
发明内容
本发明的主要目的在于提供一种表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器及其制备方法，以克服现有技术中的不足。
为实现前述发明目的，本发明采用的技术方案包括：
本发明实施例提供了一种表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器，其包括：
绝缘基底；
共面型电极，包括彼此间隔分布在所述绝缘基底上的至少两个电极，并且该至少两个电极共面设置；
以及，设置在所述共面型电极上的导电压阻层，所述导电压阻层包括表面接枝导电聚合物薄膜和压阻层基底，所述导电压阻层的厚度在纳米级(10-9m)到微米级(10-6m)之间，并且所述表面接枝导电聚合物薄膜与共面型电极电性接触。
本发明实施例还提供了所述表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器的制备方法，其包括：
在绝缘基底上制作共面型电极，所述共面型电极包括至少两个电极，该至少两个电极共面设置且彼此间隔；
将表面接枝导电聚合物薄膜设置在所述共面型电极上，并使所述导电压阻层与共面型电极电性接触。
与现有技术相比，本发明的优点包括：
1.本发明提供的表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器结构简单，采用共面型电极对的结构，电极间的距离可从微米级到毫米级间进行调控，同时该结构中对电极材料的选取无要求，解决了由于体相电阻大和低介电常数材料引起的电流损失问题，相对于三明治型结构电极，能够有效的减小压阻层体相电阻和低介电材料对压力传感器传感性能的影响，从而提高压力传感器件的灵敏度，具有灵敏度高、精确度高、响应时间快等优点，适用的压强测试范围为低压区；
2.本发明提供的表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器的表面接枝导电聚合物薄膜,采用化学键合的方法吸附于压阻层基底上,与压阻层基底表面贴合紧密,且不会引起压阻层基底表面结构改变,可有效地保持住压阻层基底制备前后的形状,从而提高传感器件稳定性能；
3.本发明提供的表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器的制备工艺简单，加工方便，成本低廉。
附图说明
图1是本发明实施例1中表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器的内部结构示意图；
图2a是本发明实施例1中共面型电极的结构示意图；
图2b是本发明实施例1中表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器的另一结构示意图；
图3是本发明实施例1中表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器于不同电压下的I-V曲线图；
图4是本发明实施例1中表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器的性能测试曲线图。
具体实施方式
鉴于现有技术中的不足，本案发明人经长期研究和大量实践，得以提出本发明的技术方案。如下将对该技术方案、其实施过程及原理等作进一步的解释说明。
本发明实施例的一个方面提供了一种表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器，其包括：
绝缘基底；
共面型电极，包括彼此间隔分布在所述绝缘基底上的至少两个电极，并且该至少两个电极共面设置；
以及，设置在所述共面型电极上的导电压阻层，所述导电压阻层包括表面接枝导电聚合物薄膜和压阻层基底，所述导电压阻层的厚度在(10-9m)到微米级(10-6m)之间，并且所述表面接枝导电聚合物薄膜与共面型电极电性接触。
作为本发明的优选方案之一，所述表面接枝导电聚合物薄膜设置在压阻层基底上。
在一些较佳实施方案中，所述压阻层基底包括平面状柔性基底和/或具有微纳结构的柔性基底。
优选的，所述的微纳结构包括规则或不规则的图形阵列。
更优选的，所述规则的图形阵列包括圆形阵列、金字塔形阵列和柱状阵列中的任意一种或两种以上的组合，例如倒金字塔型聚二甲基硅氧烷(PDMS)基片，但不限于此。
优选的，所述导电压阻层包括表面接枝导电聚合物薄膜。
所述表面接枝导电聚合物薄膜的材质包括表面接枝共聚物。
更优选的，所述表面接枝共聚物可以是N-(3-三甲氧基硅丙基)吡咯聚合物(PPy)、3,4-乙烯二氧噻吩聚合物(PEDOT)等。
优选的，所述表面接枝导电聚合物薄膜与共面型电极紧密贴合。
优选的，所述电极的材质可以是金、银等金属，也可以是导电聚合物，且不限于此。
进一步的，相邻电极之间的距离在纳米级(10-9m)至毫米级(mm)范围内可调。
更优选的，相邻电极之间的间距为10μm～2mm。
进一步的，所述绝缘基底的材质可以是刚性材料或者柔性材料，例如耐高温聚酯薄膜。
本发明实施例的另一个方面提供了前述表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器的制备方法，其包括：
在绝缘基底上制作共面型电极，所述共面型电极包括至少两个电极，该至少两个电极共面设置且彼此间隔；
将表面接枝导电聚合物薄膜设置在所述共面型电极上，并使所述表面接枝导电聚合物薄膜与共面型电极电性接触。
在一些较佳实施方案中，所述制备方法包括：至少采用真空热蒸镀法、磁控溅射工艺、光刻工艺中的任意一种方式在所述绝缘基底上制作形成所述共面型电极，且不限于此。
进一步的，所述制备方法包括：至少采用原位生长、滴注、提拉、旋涂中的任意一种方式制作形成所述导电压阻层，且不限于此。
进一步的，所述制备方法包括：至少采用溶液法、热蒸镀法、沉积法中的任意一种方式在所述压阻层基底的表面形成所述表面接枝导电聚合物薄膜。
在一些较为具体的实施案例中，所述的制备方法包括：以聚吡咯为原料，并通过原位生长或者滴注、旋涂中的任意一种或者多种溶液法的组合使得聚吡咯以共价键结合于绝缘基底表面，从而形成导电压阻层。
在一些较为具体的实施案例中，所述制备方法可以包括以下步骤：
(1)制备导电压阻层：在具有微结构或平面的聚二甲基硅氧烷或者其他基底上通过原位生长、旋涂、滴注、自组装等溶液法制备表面接枝导电聚合物薄膜；或者在具有微结构或平面的聚二甲基硅氧烷或者其他基底上通过热蒸镀，沉积等方法制备表面接枝导电聚合物薄膜；
(2)制作电极：在耐高温聚酯薄膜或者其他基底上，通过热蒸镀，磁控溅射等方法制备共面型电极对；
(3)制作压力传感器：将制备好的表面接枝导电聚合物薄膜紧密贴合于共面型电极对上，制得所述基于共面型电极的压力传感器。
本发明提供的表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器在工作时，因作用在导电压阻层的压强改变，导电压阻层与共面型电极间接触面积发生改变以及导电压阻层发生形变，引起电阻的变化，在通电压的情况下，通过监测电流的变化，可探知所述压力传感器的开关曲线及电流-电压变化曲线，进而可实现对压力的精确监测。同时，由于共面型电极间距小，导电压阻层的形变引起的体相电阻变化小，由于导电压阻层与共面型电极间接触面积发生改变即接触电阻的改变远大于导电压阻层的体相电阻，接触电阻与压强有关，在较小压强的作用下就可以引起较大电阻的变化，从而引起较大电流变化，进而实现压力传感器灵敏度高的性能。
藉由上述技术方案，本发明提供的表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器具有结构简单，灵敏度高、精确度高和响应时间快等特点，同时还具有加工方便，成本低廉等优点。
下面将结合附图及一些典型实施案例对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述。
实施例1：本实施例涉及一种基于原位生长法制备的表面接枝导电聚合物和共面型电极的压力传感器、其制备工艺及传感性能测试。
本实施例涉及的所述压力传感器结构示意图可以参阅图1所示，其制备工艺包括：
步骤1：表面接枝导电聚合物薄膜的制备：
先将具有微结构或者平面的聚二甲基硅氧烷基片用功率约为150W的氧等离子体处理1分钟，在处理完聚二甲基硅氧烷基片上修饰一层吡咯单体；取2毫升15.6mg/ml对甲苯磺酸铁水溶液和1毫升体积比为3/100的吡咯水溶液进行混合，然后将聚二甲基硅氧烷基片放入混合液反应30分钟，之后取出聚二甲基硅氧烷基片，在乙醇中超声清洗1分钟，用氮气吹干，形成聚吡咯压阻层，其厚度约为640nm。
步骤2：共面型电极的制备：
在耐高温聚酯薄膜上通过掩模，用热蒸发法蒸镀上一层金电极，金电极沟道长度(即共面电极对中两金电极之间的距离)约为100μm，可以参阅图2a。
步骤3：压力传感器的制备：
将通过原位生长的聚吡咯薄膜压阻层置于蒸镀上共面电极的耐高温聚酯薄膜上，形成压力传感器，实物图可以参阅图2b。
将所述压力传感器的电极通过导电银胶与Keithley4200系统电连接，并将压力计与压力传感器连接，通过压力改变导电压阻层的体相电阻和其与共面型电极间的接触电阻来实现其传感性能测试。
参阅图3和4是本实施例的压力传感器性能测试，该压力传感器的电流变化可达到5个数量级的变化。
实施例2：本实施例涉及一种基于滴注法制备的表面接枝导电聚合物和共面型电极的压力传感器、其制备工艺及传感性能测试。
本实施例涉及的所述压力传感器结构示意图可以参阅图1所示，其制备工艺包括：
步骤1：表面接枝导电聚合物薄膜的制备：
先将具有微结构或者平面的聚二甲基硅氧烷基片用功率约为150W的氧等离子体处理3分钟，然后在其表面滴注3,4-乙烯二氧噻吩聚合物，倾斜90度去除多余的3,4-乙烯二氧噻吩聚合物，80℃加热30分钟，形成3,4-乙烯二氧噻吩聚合物压阻层，其厚度约为1.15μm。
步骤2：共面型电极的制备：
在耐高温聚酯薄膜上通过掩模，用热蒸发法蒸镀上一层金电极，金电极沟道长度(即共面电极对中两金电极之间的距离)约为2mm，可以参阅图2a。
步骤3：压力传感器的制备：
将通过滴注法组装的3,4-乙烯二氧噻吩聚合物薄膜压阻层置于蒸镀上共面电极的耐高温聚酯薄膜上，形成压力传感器，其实物图与图2b相似。
将所述压力传感器的电极通过导电银胶与Keithley4200系统电连接，并将压力计与压力传感器连接，其性能与图3和图4相似。
此外，本案发明人还参阅实施例1-2的方案，对不同厚度的导电压阻层、不同的相邻共面电极之间的距离等进行了试验，并发现当导电压阻层的厚度在纳米级至微米级范围内调整时，以及当相邻共面电极之间的距离在纳米级至毫米级范围调整时所形成的压力传感器件均具有灵敏度高、精确度高、响应时间快等优点，且适用的压强测试范围为低压区。
需要说明的是，本实施例的附图均采用非常简化的形式且均使用非精准的比率，仅用于方便、明晰地辅助说明本发明的实施例。
本发明的技术内容及技术特征已揭示如上，然而熟悉本领域的技术人员仍可能基于本发明的教示及揭示而作种种不背离本发明精神的替换及修饰，因此，本发明保护范围应不限于实施例所揭示的内容，而应包括各种不背离本发明的替换及修饰，并为本专利申请权利要求所涵盖。
Claims (10)
1.一种表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器，其特征在于包括：
绝缘基底；
共面型电极，包括彼此间隔分布在所述绝缘基底上的至少两个电极，并且该至少两个电极共面设置；
以及，设置在所述共面型电极上的导电压阻层，所述导电压阻层包括表面接枝导电聚合物薄膜和压阻层基底，所述导电压阻层的厚度在纳米级到微米级之间，并且所述表面接枝导电聚合物薄膜与共面型电极电性接触。
2.根据权利要求1所述的表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器，其特征在于：所述压阻层基底包括平面状柔性基底和/或具有微纳结构的柔性基底；优选的，所述的微纳结构包括规则或不规则的图形阵列；优选的，所述规则的图形阵列包括圆形阵列、金字塔形阵列或柱状阵列。
3.根据权利要求1所述的表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器，其特征在于：所述表面接枝导电聚合物薄膜的材质包括表面接枝共聚物；优选的，所述表面接枝共聚物包括N-(3-三甲氧基硅丙基)吡咯聚合物和/或3,4-乙烯二氧噻吩聚合物。
4.根据权利要求1所述的表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器，其特征在于：所述表面接枝导电聚合物薄膜与共面型电极紧密贴合。
5.根据权利要求1所述的表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器，其特征在于：所述电极的材质包括金属和/或导电聚合物。
6.根据权利要求1或5所述的表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器，其特征在于：相邻电极之间的距离在纳米级至毫米级范围内可调；优选的，相邻电极之间的间距为10μm～2mm。
7.根据权利要求1所述的表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器，其特征在于：所述绝缘基底为刚性基底或者柔性基底。
8.权利要求1-7中任一项所述的表面接枝导电聚合物和共面型电极压力传感器的制备方法，其特征在于包括：
在绝缘基底上制作共面型电极，所述共面型电极包括至少两个电极，该至少两个电极共面设置且彼此间隔；
将表面接枝导电聚合物薄膜设置在所述共面型电极上，并使所述导电压阻层与共面型电极电性接触。
9.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于包括：至少采用真空热蒸镀法、磁控溅射工艺、光刻工艺中的任意一种方式在所述绝缘基底上制作形成所述共面型电极。
10.根据权利要求8所述的制备方法，其特征在于包括：至少采用原位生长、滴注、提拉、旋涂中的任意一种方式制作形成所述表面接枝导电聚合物薄膜。
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