CN111337168A - 一种石墨基压阻式柔性压力传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种石墨基压阻式柔性压力传感器及其制作方法，包括柔性基底一、微电机、柔性基底二、下层石墨薄膜、上层石墨薄膜、弹性绝缘微柱结构以及胶带。其中，制作方法如下：一、取下层石墨薄膜进行石墨薄膜表面弹性绝缘微柱结构工艺附着制备弹性绝缘微柱结构；二、利用石墨及弹性绝缘微柱结构转移方法对石墨以及弹性绝缘微柱结构转移至柔性基底一上；同时利用石墨及弹性绝缘微柱结构转移方法对柔性基底二表面的上层石墨薄膜进行转移；三、利用涂覆、蒸镀方法对柔性基底一两端制作微电极；四、将带有上层石墨薄膜的柔性基底二利用胶带组合粘贴在柔性基底一上。本发明具有以下有益效果：具有易于批量化、高灵敏、低成本的特点。
Description
技术领域
本发明涉及一种压力传感器及其制作方法，特别涉及一种石墨基压阻式柔性压力传感器及其制作方法。
背景技术
人体内外普遍存在各种压力信息，主要包括眼压、声压、椎间盘压、冠状动脉血压、泌尿系统膀胱压力、脉搏跳动、心跳、呼吸等，而且这些压力信息是反应人体健康状态的重要指标。例如眼压信号就是青光眼患者的主要监测指标，大量临床数据表明，大部分青光眼患者在一天内会有较大的眼压波动，约有 52%-69%的青光眼患者的眼压峰值并不处在医院白天的上班时间，当患者眼球附近的压力持续或间断升高时，不能及时地监测眼压信号，会造成眼压超过眼球耐受的程度，从而将损害视神经，严重的将造成患者失明。根据 2016 年3 月的中国新闻网报道：目前我国青光眼的患病率为 2.6%，致盲率为 30%。因此实时监测人体压力信号是对人体疾病的诊治十分重要。目前医院常用检查眼压、血压、声压、泌尿系统膀胱压力等仪器尺寸较大，难以实现压力信号的实时监测。此外压力信号主要为超低压（＜1Pa）、微低压（1Pa～1kPa）以及低压（1～10kPa）的微小压力。因此，人体内外微小压力的实时测量对于人体健康监测及疾病诊治十分重要。
随着机械传感器技术不断进步，推动了压力传感器的发展。其中，压阻式压力传感器因具有结构简单、信号处理方便、集成和输出数据容易等特点，成为了微小压力测量的主要器件。压阻式压力传感器通常包括基底、敏感层和引线三个部分。由于基底和敏感层决定着传感器的柔韧性，并且由敏感材料组成的敏感层的压阻特性、导电能力等性能还影响着传感器灵敏度等性能，并且眼球、手腕、鼻腔、脖子等各种人体部分的表面都是弯曲面，需要高柔性的压力传感器才能实现测量。
公开号为CN109827700A的中国专利公开了一种双片式石墨基压阻式柔性压力传感器及其制作方法，这种双片式石墨基压阻式柔性压力传感器包括第一纸张以及与其相粘合的第二纸张，所述第一纸张表面与第二纸张表面均涂覆有石墨薄膜，所述第二纸张的上表面设有石墨微纳结构以及与石墨微纳结构相连的微电极。当压力作用在传感器上表面时，上层石墨薄膜会与带有微纳结构的石墨薄膜接触，从而引起其电阻率发生的变化，此外，石墨微纳结构还会受到压缩作用引起其能带变化，从而进一步引起其电阻率发生明显的变化（压阻特性），从而实现了高灵敏度的力传感。相比现有的柔性压力传感器，本发明利用低成本的石墨作为功能材料制作柔性压力传感器并通过微纳结构及微纳接触敏感的方式实现高灵敏的压力传感，降低其响应时间。
这种双片式石墨基压阻式柔性压力传感器主要是通过上层石墨薄膜与带有微纳结构的石墨薄膜接触，从而引起电阻率的变化。但在实际使用中存在以下问题：
（1）敏感原理方面，石墨基柔性压力传感器的敏感机制基本仅依靠石墨薄膜的压阻特性，由于石墨薄膜压阻因子不如碳纳米管等材料，因此石墨基柔性压力传感器的灵敏度也比部分纳米材料基压阻式柔性压力传感器低一个量级左右。
（2）结构方面，目前石墨基柔性压力传感器大多由纸张基底、薄膜状结构石墨和电极构成。由于纸张的柔韧性和可靠性有限，且潮湿环境等情况下易被破坏，从而限制了石墨基柔性压力传感器的实际应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种石墨基压阻式柔性压力传感器及其制作方法。这种石墨基压阻式柔性压力传感器具有高灵敏、低成本的特点，其传感器的制作方法具有能够批量化生产具有高灵敏、低成本的压阻式柔性传感器的效果。
本发明的发明目的是通过以下技术方案实现的：一种石墨基压阻式柔性压力传感器，包括柔性基底一，所述柔性基底一上设置有两个微电极，两个所述微电极之间设置有下层石墨薄膜，所述下层石墨薄膜上设置有多个弹性绝缘微柱结构，所述弹性绝缘微柱结构顶部设置有上层石墨薄膜，所述上层石墨薄膜外设置有柔性基底二，所述柔性基底二外设置有用于将柔性基底二以及上层石墨薄膜安装固定在柔性基底一上的胶带。
通过采用上述技术方案后，通过上述设置，使得传感器具有高灵敏、低成本的特点。其中，高灵敏度的特点在于，不再通过对石墨进行微结构处理，而是直接利用弹性绝缘微柱结构设置于下层石墨薄膜与上层石墨薄膜之间，当该传感器上表面受到压力作用时，弹性绝缘微柱结构会被压缩，使得上下两层压阻材料接触，从而使得传感器的电阻变小。并且随着压力增大，上下两层石墨的接触面积也会增大，电阻随着接触面积增大而进一步减小。更重要的是，上下两层石墨薄膜也会受到压力作用引起其能带变化，并且弹性绝缘微柱结构附近的石墨表面应力更加集中，加剧了能带变化，从而引起其电阻率发生明显的变化（压阻效应）。
本发明进一步设置为：所述弹性绝缘微柱结构均匀分布排列在下层石墨薄膜上且两两弹性绝缘微柱结构之间设置有相应的空隙。
通过采用上述技术方案后，由于弹性绝缘微柱结构的均匀排布设置使得弹性绝缘微柱结构之间具有相应的空隙，才能够使得下层石墨薄膜与上层石墨薄膜之间接触，同时能够方便在压力继续增大的情况下导致下层石墨薄膜与上层石墨薄膜之间的接触面积进一步增大，使得电阻进一步减小。
本发明进一步设置为：所述柔性基底一与柔性基底二为PI材料制成。
通过采用上述技术方案后，相比较于硬质材料，柔性材料PI的设置，有利于对弯曲表面微小压力进行测量。
本发明进一步设置为：所述弹性绝缘微柱结构为光刻胶制成。
通过采用上述技术方案后，光刻胶技术制作弹性绝缘微柱结构有利于降低成本，同时无需对石墨进行微结构化处理，进一步降低成本，有利于批量生产。
本发明的另一发明目的是通过以下技术方案实现的：一种石墨基压阻式柔性压力传感器的制作方法，其特征是：包括如下步骤：
步骤一：取下层石墨薄膜进行石墨薄膜表面弹性绝缘微柱结构工艺附着制备弹性绝缘微柱结构；
步骤二：利用石墨及弹性绝缘微柱结构转移方法对石墨以及弹性绝缘微柱结构转移至柔性基底一上；同时利用石墨及弹性绝缘微柱结构转移方法对柔性基底二表面的上层石墨薄膜进行转移；
步骤三：利用涂覆、蒸镀方法对柔性基底一两端制作微电极；
步骤四：将带有上层石墨薄膜的柔性基底二利用胶带组合粘贴在柔性基底一上完成石墨基压阻式柔性压力传感器的制作。
通过采用上述技术方案后，利用上述步骤能够完整制作出石墨基压阻式柔性压力传感器，且生产成本较低，制作出的传感器具有高灵敏度的特性，克服了石墨本身灵敏度不足的问题。
本发明进一步设置为：所述石墨薄膜表面弹性绝缘微柱结构工艺步骤如下：
步骤一：利用匀胶机在石墨表面上甩光刻胶薄膜；
步骤二：利用带有微纳图案的掩模版进行接触式掩模，并以紫外线作为光源在下层石墨薄膜表面进行光学曝光加工；
步骤三：对曝光后的石墨进行显影和烘干，得到表面带有一层弹性弹性绝缘微柱结构的石墨片。
通过采用上述技术方案后，在石墨表面涂覆光刻胶后，利用掩模板进行掩模。之后，通过光学曝光加工，使得光刻胶发生相应的化学反应，使得未被掩模板遮掩的部分发生变性，从而使得各个弹性绝缘微柱结构之间存在一定的空隙，最终利用显影和烘干技术得到带有弹性绝缘微柱结构的石墨片。
本发明进一步设置为：所述石墨及弹性绝缘微柱结构转移方法包括如下步骤：
步骤一：在带有弹性绝缘微柱结构的石墨表面涂覆粘性聚合物；
步骤二：待聚合物固化后将聚合物从石墨表面剥离，此时部分石墨薄膜和光刻胶会从石墨基底中剥离；
步骤三：将剥离出来的石墨薄膜和光刻胶转移到 PI 等柔性基底一；
步骤四：用溶液法去除粘性聚合物，最后在柔性基底一上得到带有弹性绝缘微柱结构的下层石墨薄膜。
通过采用上述技术方案后，在制备完成弹性绝缘微柱结构后，需要将下层石墨薄膜以及弹性绝缘微柱结构转移至柔性基底上。通过在石墨表面涂覆粘性聚合物后，等到聚合物固化后进行转移至柔性基底一上，之后利用溶液法去除粘性聚合物得到转移后的下层石墨薄膜以及弹性绝缘微柱结构。这种转移方法成本较低，且能够实现批量化生产的目的。
综上所述，本发明具有以下有益目的：本申请具有易于批量化生产、高灵敏、低成本的特点。
附图说明
图1为实施例的结构示意图；
图2为实施例的爆炸视图；
图3为受压前的状态图；
图4为受压后的状态图。
附图标记：1、柔性基底一；2、微电极；3、下层石墨薄膜；4、弹性绝缘微柱结构；5、空隙；6、上层石墨薄膜；7、柔性基底二；8、胶带。
具体实施方式
以下结合附图对本发明作进一步详细说明。
本具体实施例仅仅是对本发明的解释，其并不是对本发明的限制，本领域技术人员在阅读完本说明书后可以根据需要对本实施例做出没有创造性贡献的修改，但只要在本发明的权利要求范围内都受到专利法的保护。
如图1、图2所示，一种石墨基压阻式柔性压力传感器，包括柔性基底一1。柔性基底一1上设置有两个微电极2。两个微电极2之间设置有下层石墨薄膜3，下层石墨薄膜3上设置有多个由光刻胶制成的弹性绝缘微柱结构4，其中，弹性绝缘微柱结构4均匀分布排列在下层石墨薄膜3上并且每两个弹性绝缘微柱结构4之间均设置有相应的空隙5。弹性绝缘微柱结构4顶部设置有上层石墨薄膜6。上层石墨薄膜6外设置有柔性基底二7。柔性基底一1与柔性基底二7为PI材料制成。柔性基底二7外设置有用于将柔性基底二7以及上层石墨薄膜6安装固定在柔性基底一1上的胶带8。
一种石墨基压阻式柔性压力传感器的制作方法，包括如下步骤：
步骤1：取下层石墨薄膜3进行石墨薄膜表面弹性绝缘微柱结构4工艺附着制备弹性绝缘微柱结构4；该石墨薄膜表面弹性绝缘微柱结构4工艺包括步骤1-1：利用匀胶机在石墨表面上甩光刻胶薄膜；步骤1-2：利用带有微纳图案的掩模版进行接触式掩模，并以紫外线作为光源在下层石墨薄膜3表面进行光学曝光加工；步骤1-3：对曝光后的石墨进行显影和烘干，得到表面带有一层弹性弹性绝缘微柱结构4的石墨片。
步骤2：利用石墨及弹性绝缘微柱结构4转移方法对石墨以及弹性绝缘微柱结构4转移至柔性基底一1上；同时利用石墨及弹性绝缘微柱结构4转移方法对柔性基底二7表面的上层石墨薄膜6进行转移；该石墨及弹性绝缘微柱结构4转移方法包括步骤2-1：在带有弹性绝缘微柱结构4的石墨表面涂覆粘性聚合物；步骤2-2：待聚合物固化后将聚合物从石墨表面剥离，此时部分石墨薄膜和光刻胶会从石墨基底中剥离；步骤2-3：将剥离出来的石墨薄膜和光刻胶转移到 PI 等柔性基底一1；步骤2-4：用溶液法去除粘性聚合物，最后在柔性基底一1上得到带有弹性绝缘微柱结构4的下层石墨薄膜3。
步骤3：利用涂覆、蒸镀方法对柔性基底一1两端制作微电极2；
步骤4：将带有上层石墨薄膜6的柔性基底二7利用胶带8组合粘贴在柔性基底一1上完成石墨基压阻式柔性压力传感器的制作。
综上所述，本申请所提出的石墨基压阻式柔性压力传感器由单一上层石墨薄膜6、带有弹性绝缘微柱结构4的下层石墨薄膜3、微电极2、柔性基底一1、柔性基底二7和胶带8等几部分组装而成，传感器的敏感层由上下两层石墨薄膜组成，其中下层的表面含有弹性较好的绝缘微柱结构，并且由于该传感器的较好的柔韧性，可以贴在弯曲的表面。 该传感器的工作原理为：如图3、图4所示，当该传感器上表面受到压力作用时，弹性绝缘微柱结构4会被压缩，使得上下两层压阻材料接触，从而使得传感器的电阻变小。并且随着压力增大，上下两层石墨的接触面积也会增大，电阻随着接触面积增大而进一步减小。更重要的是，上下两层石墨薄膜也会受到压力作用引起其能带变化，并且弹性绝缘微柱结构4附近的石墨表面应力更加集中，加剧了能带变化，从而引起其电阻率发生明显的变化（压阻效应）。因此，基于上述微接触面积增大引起的材料间的函数关系变化，以及应力集中效应加剧的能带变化，实现了高灵敏度的弯曲表面力传感。
其中，弹性绝缘微柱结构4能够提高灵敏度的原理如下：当该器件受到垂直方向的压力作用时，石墨晶粒间距变小，引起石墨电阻变小。此外，由于应力集中等机制，弹性绝缘微柱结构4的上下端部的石墨将产生较大的应力（应变），使得石墨电阻率发生明显的变化，因此弹性绝缘微柱结构4提高了的力信号传感的检测灵敏度。更重要的是，基于光刻胶良好的弹性，当压力释放时，传感器又会回到初始状态，从而一定程度上保证了传感器的可重复性。综上可知，本申请提出的这种石墨基压阻式柔性压力传感器在受到压力作用时，由于上下石墨薄膜的微纳接触以及微结构的应力集中等效应将增强了石墨电阻率的变化。
Claims (7)
1.一种石墨基压阻式柔性压力传感器，其特征是：包括柔性基底一(1)，所述柔性基底一(1)上设置有两个微电极(2)，两个所述微电极(2)之间设置有下层石墨薄膜(3)，所述下层石墨薄膜(3)上设置有多个弹性绝缘微柱结构(4)，所述弹性绝缘微柱结构(4)顶部设置有上层石墨薄膜(6)，所述上层石墨薄膜(6)外设置有柔性基底二(7)，所述柔性基底二(7)外设置有用于将柔性基底二(7)以及上层石墨薄膜(6)安装固定在柔性基底一(1)上的胶带(8)。
2.根据权利要求1所述的一种石墨基压阻式柔性压力传感器，其特征是：所述弹性绝缘微柱结构(4)均匀分布排列在下层石墨薄膜(3)上且两两弹性绝缘微柱结构(4)之间设置有相应的空隙(5)。
3.根据权利要求1所述的一种石墨基压阻式柔性压力传感器，其特征是：所述柔性基底一(1)与柔性基底二(7)为PI材料制成。
4.根据权利要求1所述的一种石墨基压阻式柔性压力传感器，其特征是：所述弹性绝缘微柱结构(4)为光刻胶制成。
5.一种石墨基压阻式柔性压力传感器的制作方法，其特征是：包括如下步骤：
包括如下步骤：
步骤一：取下层石墨薄膜(3)进行石墨薄膜表面弹性绝缘微柱结构(4)工艺附着制备弹性绝缘微柱结构(4)；
步骤二：利用石墨及弹性绝缘微柱结构(4)转移方法对石墨以及弹性绝缘微柱结构(4)转移至柔性基底一(1)上；同时利用石墨及弹性绝缘微柱结构(4)转移方法对柔性基底二(7)表面的上层石墨薄膜(6)进行转移；
步骤三：利用涂覆、蒸镀方法对柔性基底一(1)两端制作微电极(2)；
步骤四：将带有上层石墨薄膜(6)的柔性基底二(7)利用胶带(8)组合粘贴在柔性基底一(1)上完成石墨基压阻式柔性压力传感器的制作。
6.根据权利要求5所述的一种石墨基压阻式柔性压力传感器的制作方法，其特征是：所述石墨薄膜表面弹性绝缘微柱结构(4)工艺步骤如下：
步骤一：利用匀胶机在石墨表面上甩光刻胶薄膜；
步骤二：利用带有微纳图案的掩模版进行接触式掩模，并以紫外线作为光源在下层石墨薄膜(3)表面进行光学曝光加工；
步骤三：对曝光后的石墨进行显影和烘干，得到表面带有一层弹性弹性绝缘微柱结构(4)的石墨片。
7.根据权利要求5所述的一种石墨基压阻式柔性压力传感器的制作方法，其特征是：所述石墨及弹性绝缘微柱结构(4)转移方法包括如下步骤：
步骤一：在带有弹性绝缘微柱结构(4)的石墨表面涂覆粘性聚合物；
步骤二：待聚合物固化后将聚合物从石墨表面剥离，此时部分石墨薄膜和光刻胶会从石墨基底中剥离；
步骤三：将剥离出来的石墨薄膜和光刻胶转移到 PI 等柔性基底一(1)；
步骤四：用溶液法去除粘性聚合物，最后在柔性基底一(1)上得到带有弹性绝缘微柱结构(4)的下层石墨薄膜(3)。
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| CN202010296823.9A CN111337168A (zh) | 2020-04-15 | 2020-04-15 | 一种石墨基压阻式柔性压力传感器及其制作方法 |
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN111562040A (zh) * | 2020-04-22 | 2020-08-21 | 温州大学苍南研究院 | 一种石墨基压阻式柔性压力传感器及其制作方法 |
| CN112957549A (zh) * | 2021-03-04 | 2021-06-15 | 清华大学 | 压力传感器及引流组件 |
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| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
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2020
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