CN110243506A - 一种压阻式压力传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明适用于压力传感器技术领域，提供了一种压阻式压力传感器，包括：叠加在一起的平板电极和柔性微结构电极，所述平板电极包括PDMS基底及覆盖在PDMS基底表面的导电层，所述柔性微结构电极包括表面呈波浪形的柔性微结构PDMS基底及覆盖在柔性微结构PDMS基底表面的导电层和保护层；其中，柔性微结构PDMS基底的制备方法是将固化好的PDMS基底预拉伸，并进行等离子刻蚀和释放预拉伸得到刚性的波浪微结构，以此为模板，用液态PDMS将微结构复刻下来即可；所述导电层和保护层为通过磁控溅射方法溅射的金属材料；这种压阻式压力传感器制备工艺简单，金属导电层和柔性微结构电极的引入，显著提高了传感器的稳定性和灵敏度。

Description

一种压阻式压力传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于压力传感器技术领域，尤其涉及一种压阻式压力传感器及其制备方法。
背景技术
高灵敏度的柔性或可拉伸压力传感器在柔性电子学中扮演着重要的角色，如电子皮肤，人机界面，生物医学诊断和触觉机器人。
为了推动上述技术的发展和应用，要求制造成本低、性能优异的柔性压力传感器。压阻式压力传感器是其中制备方法最为简单的一种，目前已经有使用纳米材料如银纳米线(AgNWs)、碳纳米管或石墨烯等通过旋涂法或者沉积法形成压阻式压力传感器的电极。
制备的这些压阻式压力传感器虽然具有优异的机械能力，但是通过旋涂法或者沉积法制备的压阻式压力传感器的电极具有较大的不均匀性，导致性能测试时的结果不够稳定，不利于批量生产和应用；且没有对电极进行微结构化处理，压力灵敏度低；或者处理方法比较复杂，例如光刻等，且成本高。
发明内容
本发明提供一种压阻式压力传感器及其制备方法，旨在提供一种工艺简单、成本低的制备方法来制备一种稳定性强、灵敏度高的压阻式压力传感器。
本发明提供了一种压阻式压力传感器，包括：叠加在一起的平板电极和柔性微结构电极，还包括从所述平板电极引出的一根导线和从所述柔性微结构电极引出的一根导线；
所述平板电极包括聚二甲基硅氧烷PDMS基底及覆盖在所述PDMS基底表面的导电层，所述柔性微结构电极包括表面呈波浪形的柔性微结构PDMS基底及覆盖在所述柔性微结构PDMS基底表面的导电层和保护层；
所述导电层和所述保护层为通过磁控溅射方法溅射的金属材料。
进一步地，所述导电层为金或银。
进一步地，所述保护层为铬或钛。
进一步地，所述导线为铜箔。
本发明还提供了一种上述压阻式压力传感器的制备方法，包括：
在载玻片上旋涂由PDMS和固化剂按预设比例混合的液态混合物，并在预设高温温度下放置预设时间，得到固化后的PDMS基底；
将所述PDMS基底从所述载玻片上剥离，利用拉伸模具将所述PDMS基底拉伸至预设长度，再将所述PDMS基底表面进行氧化脱碳处理，形成表面为不包含碳元素的硅氧结构的PDMS基底，待自动恢复到初始长度后形成表面为波浪形的刚性微结构PDMS基底；
以所述刚性微结构PDMS基底为模具，将由PDMS和固化剂按预设比例混合的液态混合物滴加到处于水平状态的所述模具上，并将所述模具在预设高温温度下放置预设时间，固化形成柔性微结构PDMS基底，将所述柔性微结构PDMS基底和所述模具剥离，得到表面为波浪形的所述柔性微结构PDMS基底；
将所述柔性微结构PDMS基底放置在磁控溅射仪中，设置所述磁控溅射仪的磁控溅射参数为第一磁控溅射参数，使用内置的第一溅射靶材并通过磁控溅射方法在所述柔性微结构PDMS基底表面溅射形成导电层；设置所述磁控溅射仪的磁控溅射参数为第二磁控溅射参数，使用内置的第二溅射靶材并通过磁控溅射方法在所述导电层表面溅射形成保护层，得到柔性微结构电极；
将所述固化后的PDMS基底放置在磁控溅射仪中，设置所述磁控溅射仪的磁控溅射参数为第一磁控溅射参数，使用内置的第一溅射靶材并通过磁控溅射方法在所述PDMS基底表面溅射形成导电层，得到平板电极；
将所述柔性微结构电极和所述平板电极表面分别附上导线引出并叠加在一起，制成压阻式压力传感器。
进一步地，所述将PDMS基底表面进行氧化脱碳处理，包括：
将所述PDMS基底放入等离子刻蚀机中进行氧化脱碳处理，或利用紫外光照射的方式将所述PDMS基底表面进行氧化脱碳处理。
进一步地，所述第一磁控溅射参数包括：电流设置为50mA，时间设置为150s，所述第二磁控溅射参数包括：电流设置为50mA，时间设置为10s；所述第一溅射靶材为金靶材或银靶材，所述第二溅射靶材为铬靶材或钛靶材。
进一步地，所述预设比例为：PDMS和固化剂的质量比10：1，所述预设高温温度为80℃，所述预设时间为120min。
进一步地，所述预设长度为所述PDMS基底初始长度的130％。
本发明与现有技术相比，有益效果在于：本发明提供的一种压阻式压力传感器及其制备方法，包括叠加在一起的平板电极和柔性微结构电极，其中，平板电极包括PDMS基底及通过磁控溅射方法溅射在PDMS基底表面的导电层，柔性微结构电极包括表面呈波浪形的柔性微结构PDMS基底及通过磁控溅射方法溅射在柔性微结构PDMS基底表面的导电层和保护层；在制备平板电极和柔性微结构电极的导电层时，通过磁控溅射方法并结合溅射靶材溅射，形成的导电层成形十分均匀，稳定性好，并且通过设置相同的磁控溅射参数，可以得到阻值相同的导电层，从而使得到的压阻式压力传感器性能更加稳定；同时，对电极进行微结构化处理，得到表面呈波浪形的柔性微结构电极，显著提高了压阻式压力传感器的压力灵敏度；另外，在柔性微结构电极的导电层表面溅射一层保护层，可以防止多次使用压力传感器后柔性微结构电极的导电层出现破损的情况，使得压阻式压力传感器具有良好的稳定性；这种压阻式柔性压力传感器制备工艺简单，制备成本低，在可穿戴柔性电子器件及人工智能等领域具有广阔的应用前景。
附图说明
图1是本发明实施例提供的一种压阻式压力传感器的制备方法的流程示意图；
图2是本发明实施例提供的一种压阻式压力传感器的制备工艺示意图；
图3a是本发明实施例提供的压阻式压力传感器的微结构的原子力显微镜图像；
图3b是本发明实施例提供的图3a所示的图像的横截面形态示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，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。
由于现有技术中存在通过旋涂法或者沉积法等制备的压阻式压力传感器性能不够稳定且压力灵敏度低的技术问题。
为了解决上述技术问题，本发明提出一种压阻式压力传感器及其制备方法，利用磁控溅射方法结合金属溅射靶材进行等离子溅射，形成平板电极和柔性微结构电极的导电层，均匀性上明显好于银纳米线、碳纳米管和石墨烯等通过旋涂法或者沉积法形成的导电层，使得压阻式压力传感器性能更稳定；同时，通过简单的转印方法对电极进行微结构化处理，显著提高了压阻式压力传感器的压力灵敏度。
下面先介绍本发明实施例提供的一种压阻式压力传感器，包括：叠加在一起的平板电极和柔性微结构电极，还包括从所述平板电极引出的一根导线和从所述柔性微结构电极引出的一根导线；所述平板电极包括PDMS基底及覆盖在所述PDMS基底表面的导电层，所述柔性微结构电极包括表面呈波浪形的柔性微结构PDMS基底及覆盖在所述柔性微结构PDMS基底表面的导电层和保护层；所述导电层和所述保护层为通过磁控溅射方法溅射的金属材料。
具体地，本发明实施例提供的平板电极和柔性微结构电极尺寸相同，叠加在一起构成压阻式压力传感器的上电极和下电极；本发明实施例提供的所述导线为铜箔，利用引出的导线可进行性能参数的测定和应用测试。
具体地，所述导电层为金或银，或其它不易氧化的金属材料；所述保护层为铬或钛。本发明实施例提供的导电层为金，保护层为铬；需要说明的是，通过在所述柔性微结构基底表面的导电层基础上再喷一层铬，可以保护柔性微结构电极的导电层不被破坏。因为在实验过程中发现，通过对磁控溅射方法处理得到的柔性微结构电极多次加压后，金层会出现破损情况，而通过喷铬，铬层具有优异的稳定性，可以保护柔性微结构电极的导电层。另外，需要说明的是，由于平板电极的金层在使用过程中不会发生形变，不易被破坏，所以平板电极的导电层不需要喷保护层。
本发明实施例提供的一种压阻式压力传感器，引入了表面呈波浪形的具有弹性的柔性微结构电极，显著提高了压阻式压力传感器的灵敏度；选择金属材料作为电极材料，通过磁控溅射方法形成均匀的导电层，显著提高了压阻式压力传感器的稳定性，使得压阻式压力传感器可以表现出良好的性能。
下面再介绍本发明实施例提供的一种压阻式压力传感器的制备方法，结合图1和图2所示，包括：
步骤S1，在载玻片上旋涂由PDMS和固化剂按预设比例混合的液态混合物，并在预设高温温度下放置预设时间，得到固化后的PDMS基底；
具体地，所述步骤S1是制备PDMS基底的具体过程，压阻式压力传感器的平板电极的基底和柔性微结构电极的微结构模具均采用PDMS制成。
具体地，所述载玻片为洁净的玻璃片。
需要说明的是，由于所述PDMS本身呈液态，所以需要利用与所述PDMS配套的固化剂与其按预设比例混合，并置于预设高温温度下预设时间，方可固化。本发明实施例提供的所述预设比例为：PDMS和固化剂的质量比10：1，所述固化剂可以是硅橡胶固化剂；所述预设高温温度为80℃，所述预设时间为120min。另外，本发明实施例通过控制旋涂时间和速度得到厚度为300微米的PDMS基底材料。
步骤S2，将所述PDMS基底从所述载玻片上剥离，利用拉伸模具将所述PDMS基底拉伸至预设长度，再将所述PDMS基底表面进行氧化脱碳处理，形成表面为不包含碳元素的硅氧结构的PDMS基底，待自动恢复到初始长度后形成表面为波浪形的刚性微结构PDMS基底；
具体地，本发明实施例提供的所述预设长度为所述PDMS基底初始长度的130％。
具体地，对所述PDMS基底表面进行氧化脱碳处理的过程具体为：将所述PDMS基底放入等离子刻蚀机中进行氧化脱碳处理，或利用紫外光照射的方式将所述PDMS基底表面进行氧化脱碳处理，来去除PDMS基底表面的碳元素，形成硅氧(Si-O)结构的表面；若放入等离子刻蚀机中进行刻蚀处理，通常设置刻蚀时间为10min。随着张力的释放，所述PDMS基底回复到初始长度，而硅氧结构的表面随着预拉伸的恢复，从而形成波浪形的微结构，所述PDMS基底制作成表面为波浪形的刚性微结构PDMS基底。
步骤S3，以所述刚性微结构PDMS基底为模具，将由PDMS和固化剂按预设比例混合的液态混合物滴加到处于水平状态的所述模具上，并将所述模具在预设高温温度下放置预设时间，固化形成柔性微结构PDMS基底，将所述柔性微结构PDMS基底和所述模具剥离，得到表面为波浪形的所述柔性微结构PDMS基底；
具体地，由于所述PDMS基底形成的微结构是刚性的，所以，需要将刚性微结构PDMS基底作为模具，通过转印剥离得到柔性微结构PDMS基底。具体的转印剥离的过程为：以制备好的刚性微结构PDMS基底作为模具，保证模具处于水平状态，将液态PDMS和固化剂的混合物滴加到所述模具上，使其在水平条件下流平，再放入烘箱(烘箱的预设高温温度设置为80℃，预设时间设置为120min)中固化，固化形成的即为柔性微结构PDMS基底；固化完成后，利用柔性微结构PDMS基底和所述模具间的界面，将新固化的柔性微结构PDMS基底剥离下来，即可得到成形良好的柔性微结构PDMS基底。
如图3a所示为实拍的压阻式压力传感器的微结构的原子力显微镜图像，其中，波峰高-1.7μm，波谷高-2.7μm，即波峰和波谷的高度差是1μm，从图中可以看出表面微结构存在且成形良好；如图3b所示为图3a所示的图像的横截面形态示意图。
步骤S4，将所述柔性微结构PDMS基底放置在磁控溅射仪中，设置所述磁控溅射仪的磁控溅射参数为第一磁控溅射参数，使用内置的第一溅射靶材并通过磁控溅射方法在所述柔性微结构PDMS基底表面溅射形成导电层；设置所述磁控溅射仪的磁控溅射参数为第二磁控溅射参数，使用内置的第二溅射靶材并通过磁控溅射方法在所述导电层表面溅射形成保护层，得到柔性微结构电极；
具体地，所述第一磁控溅射参数包括：电流设置为50mA，时间设置为150s，所述第二磁控溅射参数包括：电流设置为50mA，时间设置为10s；所述第一溅射靶材为金靶材或银靶材，所述第二溅射靶材为铬靶材或钛靶材。
需要说明的是，所述溅射镀膜方法为：在真空中利用荷能粒子轰击靶表面，使被轰击出的粒子沉积在基片上的技术。通常，利用低压惰性气体辉光放电来产生入射离子。阴极靶由镀膜材料制成，基片作为阳极，真空室中通入氩气或其它惰性气体，阴极(靶)在1-3KV直流负高压或13.56MHz的射频电压作用下产生辉光放电。电离出的氩离子轰击靶表面，使得靶原子溅出并沉积在基片上，形成薄膜。由于被溅射原子是与具有数十电子伏特能量的正离子交换动能后飞溅出来的，因而溅射出来的原子能量高，有利于提高沉积时原子的扩散能力，提高沉积组织的致密程度，使制出的薄膜与基片具有强的附着力。
本发明实施例提供的导电层就是通过采用溅射镀膜方法，第一溅射靶材选用金靶材，利用低压氩气辉光放电来产生入射离子，电离出的氩离子轰击金靶材表面，使得金靶原子溅出并沉积在所述柔性微结构PDMS基底上，形成导电金层。实验过程中，控制磁控溅射参数，电流设置为50mA，时间设置为150s，在柔性微结构PDMS基底表面形成导电金层。为确保微结构化的电极(即金层)在使用过程中不产生破损，在金层表面再溅射一层铬，电流设置为50mA，时间设置为10s，铬具有很好的稳定性，可以保护导电金层的完整性。
步骤S5，将所述固化后的PDMS基底放置在磁控溅射仪中，设置所述磁控溅射仪的磁控溅射参数为第一磁控溅射参数，使用内置的第一溅射靶材并通过磁控溅射方法在所述PDMS基底表面溅射形成导电层，得到平板电极；
具体地，所述第一磁控溅射参数包括：电流设置为50mA，时间设置为150s，所述第一溅射靶材为金靶材或银靶材。
具体地，本发明实施例提供的制作平板电极的方法是直接在步骤S1固化好的所述PDMS基底的表面，通过上述磁控溅射方法溅射金形成导电层，即可得到平板电极，在此不再赘述。
步骤S6，将所述柔性微结构电极和所述平板电极表面分别附上导线引出并叠加在一起，制成压阻式压力传感器。
具体地，将制备好的所述柔性微结构电极和所述平板电极，根据实验和使用需要进行切割，切割成同样尺寸的柔性微结构电极和平板电极，用铜箔引出作为导线，随后叠加在一起，即可得到一个性能优异、结构稳定的压阻式压力传感器，从而可进行性能参数的测定和应用测试。
本发明实施例提供的一种压阻式压力传感器的制备方法，一方面，在制备柔性微结构电极的柔性微结构时，将固化好的PDMS基底预拉伸，并进行等离子刻蚀，释放预拉伸则得到刚性的波浪微结构，以此为模板，用液态PDMS将微结构复刻下来，得到的就是柔性的微结构，这种柔性微结构成形良好，几乎无缺陷，可以显著提高压阻式压力传感器的灵敏度；另一方面，通过磁控溅射方法得到平板电极和柔性微结构电极的导电层，并得到柔性微结构电极导电层的保护层，相对于传统的旋涂法和沉积法来说，成形十分均匀，可以显著提高压阻式压力传感器的稳定性；另外，通过控制磁控溅射时间，可以得到阻值不同的导电层。经过试验验证，所制备的压阻性压力传感器具有良好的灵敏性和稳定性，性能优异。
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 (9)

1.一种压阻式压力传感器，其特征在于，包括：叠加在一起的平板电极和柔性微结构电极，还包括从所述平板电极引出的一根导线和从所述柔性微结构电极引出的一根导线；
所述平板电极包括聚二甲基硅氧烷PDMS基底及覆盖在所述PDMS基底表面的导电层，所述柔性微结构电极包括表面呈波浪形的柔性微结构PDMS基底及覆盖在所述柔性微结构PDMS基底表面的导电层和保护层；
所述导电层和所述保护层为通过磁控溅射方法溅射的金属材料。
2.如权利要求1所述的压阻式压力传感器，其特征在于，所述导电层为金或银。
3.如权利要求1或2所述的压阻式压力传感器，其特征在于，所述保护层为铬或钛。
4.如权利要求1所述的压阻式压力传感器，其特征在于，所述导线为铜箔。
5.一种如权利要求1-4任一项所述的压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：
在载玻片上旋涂由PDMS和固化剂按预设比例混合的液态混合物，并在预设高温温度下放置预设时间，得到固化后的PDMS基底；
将所述PDMS基底从所述载玻片上剥离，利用拉伸模具将所述PDMS基底拉伸至预设长度，再将所述PDMS基底表面进行氧化脱碳处理，形成表面为不包含碳元素的硅氧结构的PDMS基底，待自动恢复到初始长度后形成表面为波浪形的刚性微结构PDMS基底；
以所述刚性微结构PDMS基底为模具，将由PDMS和固化剂按预设比例混合的液态混合物滴加到处于水平状态的所述模具上，并将所述模具在预设高温温度下放置预设时间，固化形成柔性微结构PDMS基底，将所述柔性微结构PDMS基底和所述模具剥离，得到表面为波浪形的所述柔性微结构PDMS基底；
将所述柔性微结构PDMS基底放置在磁控溅射仪中，设置所述磁控溅射仪的磁控溅射参数为第一磁控溅射参数，使用内置的第一溅射靶材并通过磁控溅射方法在所述柔性微结构PDMS基底表面溅射形成导电层；设置所述磁控溅射仪的磁控溅射参数为第二磁控溅射参数，使用内置的第二溅射靶材并通过磁控溅射方法在所述导电层表面溅射形成保护层，得到柔性微结构电极；
将所述固化后的PDMS基底放置在磁控溅射仪中，设置所述磁控溅射仪的磁控溅射参数为第一磁控溅射参数，使用内置的第一溅射靶材并通过磁控溅射方法在所述PDMS基底表面溅射形成导电层，得到平板电极；
将所述柔性微结构电极和所述平板电极表面分别附上导线引出并叠加在一起，制成压阻式压力传感器。
6.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述将PDMS基底表面进行氧化脱碳处理，包括：
将所述PDMS基底放入等离子刻蚀机中进行氧化脱碳处理，或利用紫外光照射的方式将所述PDMS基底表面进行氧化脱碳处理。
7.如权利要求5或6所述的制备方法，其特征在于，所述第一磁控溅射参数包括：电流设置为50mA，时间设置为150s，所述第二磁控溅射参数包括：电流设置为50mA，时间设置为10s；所述第一溅射靶材为金靶材或银靶材，所述第二溅射靶材为铬靶材或钛靶材。
8.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述预设比例为：PDMS和固化剂的质量比10：1，所述预设高温温度为80℃，所述预设时间为120min。
9.如权利要求5所述的制备方法，其特征在于，所述预设长度为所述PDMS基底初始长度的130％。
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