CN111693189B - 一种新型柔性力敏传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种新型柔性力敏传感器及其制备方法，本发明包括柔性材料、其上的微结构电极阵列区和宏观结构电极、与微结构电极阵列区结合的微纳碳材料所组成。本发明结合了柔性材料、微阵列电极结构和微纳碳材料，基于压阻原理实现了简便、低成本、高灵敏度、多维度感应的力学信号传感。微阵列电极制作于柔性材料表面，同时微纳碳材料和微阵列电极复合形成传感区。制备方法采用传统的微纳加工工艺实现。

Description

一种新型柔性力敏传感器及其制备方法

技术领域

本发明公开了一种新型柔性力敏传感器及其制备方法，涉及传感器技术领域。

背景技术

近年来，随着电子皮肤、生物力学、医学测量等领域的进一步发展，人们对柔性力敏传感器的需求更迫切。压力传感器/系统的广泛应用引起了人们的关注，从健康监测、人体生理信号检测到人工假肢手术。在许多情况下，压力传感器将物理力/压力转化为结构变形，从而进一步导致电信号的变化,其中压阻式压力传感器主要是通过电阻率来检测压力数据,由于其具有低工作电压和能耗，制作方法和器件结构简单等优点，使得电阻型传感器成为便携式电子系统的理想选择,然而，目前大多数的压阻式压力传感器采用平面结构的复合弹性体，灵敏度低，传感效果差。

发明内容

本发明针对上述背景技术中的缺陷，提供一种新型柔性力敏传感器及其制备方法，结构简单，制备简单，性能优异。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：一种新型柔性力敏传感器，包括柔性材料，其上设置的电极阵列区和宏观结构电极，所述的电极阵列区设置在柔性材料的中部，所述的宏观结构电极设置在电极阵列区的两侧，所述的电极阵列区集成微纳碳材料。

进一步的，所述的电极阵列区包括若干个大小一致的，具有相同间隔的矩形方块，所述的矩形方块上与矩形方块间集成微纳碳材料。

进一步的，所述的微纳碳材料包括碳纳米管、石墨烯其中的一种或多种结合。

进一步的，所述的柔性材料为PDMS或PMMA或PI或SU8其中的一种；传感核心区为电极阵列区和微纳碳材料结合所组成，实现多维度、高灵敏度形变到电阻的感应；在两个宏观电极之间，呈现力敏的电阻变化，在两者上联通探针或导线；柔性材料负责高效转化力与形变，以及与皮肤的有效接触。

进一步的，所述矩形方块的间隔为1µm-100µm，通过设定不同距离的间隔以达到改变传感电阻变化特性，进而调整柔性电阻整体特征。

进一步的，所述的宏观电极采用金属电极材料制成，最佳为铜、铝或金材料。

一种新型柔性力敏传感器的制备方法，包括以下步骤：

将基底材料进行预处理，去除表面的污染物，然后备用，所述的预处理步骤依次包括：水中清洗、丙酮清洗、乙醇清洗和烘干；

在基底材料上旋涂、烘干固化，制作一层一定厚度的柔性材料；

在柔性材料表面用微加工工艺的加法工艺（甩胶-光刻-显影-沉积金属-玻璃光刻胶）或减法工艺（沉积金属-甩胶-光刻-显影-刻蚀金属-去胶），制备电极阵列及宏观电极；

在电极阵列处均匀喷涂或旋涂微纳碳材料；

将器件（柔性材料及金属和微纳碳材料）从基底材料上剥离下来。

进一步的，所述的基底材料采用硅片或玻璃片。

工作原理：本发明是根据半导体材料的压阻效应，两个宏观电极之间的电阻随核心感应区的微纳碳材料和电极阵列之间，以及微纳碳材料内部，由于力而导致的接触的变化而发生变化；其电阻变化主要直接来自材料之间有效接触面积随压力的变化，并且这个原理是随着不同的电极阵列形状、结构参数、电极材料、微纳碳材料的密度和其与电极的结合方式有不同的变化特点，从而实现不同的传感性能。

有益效果：

（1）本发明采用柔性材料，易于制作各种微结构和各种大小面积、能与皮肤充分接触。

（2）本发明采用微纳碳材料，电子迁移率高、导电性能好，具有纳米尺度特点。

（3）本发明采用金属微结构，稳定性好，导电性好，具有微米尺度特点。

（4）本发明采用柔性材料、纳米碳材料和微米电极相结合，兼具微纳尺度效应和复合效应，且集成制作成本低。

（5）本发明采用二维方块阵列电极微结构，可通过对阵列图形排布、参数设计和碳材料的密度和结合方式等设计，可以有效的实现不同的传感性能，每一个微结构的不同维度和碳材料结合，实现兼具多维度感应，传感器可感知从上往下挤压/横向或纵向折叠以及震动等的信号变化。

（6）本发明可通过选择不同导电填料、密度和微结构参数，使得器件的设计更加灵活，且改善柔性传感器的灵敏度、迟滞性等参数指标。

附图说明

图1是本发明的俯视图；

图2是本发明的主视图；

图3是本发明的制备工艺流程图，

图4为一种实施例制备工艺流程图；

图5 为另一种实施例制备工艺流程图。

具体实施方式

下面结合附图对技术方案的实施作进一步的详细描述。以下实施例仅用于更加清楚地说明本发明的技术方案，而不能以此来限制本发明的保护范围。

如图1和2所示，一种新型柔性力敏传感器，包括柔性材料，其上设置的电极阵列区和宏观结构电极，所述的电极阵列区设置在柔性材料的中部，所述的宏观结构电极设置在电极阵列区的两侧，所述的电极阵列区集成微纳碳材料。

所述的电极阵列区包括若干个大小一致的，具有相同间隔的矩形方块，所述的矩形方块上与矩形方块间集成微纳碳材料。

所述的微纳碳材料包括碳纳米管、石墨烯其中的一种或多种结合。

所述的柔性材料为PDMS或PMMA或PI或SU8其中的一种。

所述矩形方块的间隔为1µm-100µm。

所述的宏观电极采用金属电极材料制成，最佳为铜、铝或金材料。

如图3所示的制备工艺流程图，首先在基底材料（硅片或者玻璃片）上制作一层柔性材料，然后在柔性材料表面制作宏观电极和金属电极阵列，最后在金属阵列上用喷涂等方法集成一层微纳碳材料完成制作。

如图4所示的一种实施例制备工艺流程图（加法工艺）；

起始基片材料为硅片，柔性材料为PDMS，电极材料为铜，微纳碳材料为石墨烯和碳管一定比例的混合。

（1）将硅片进行水中清洗、丙酮清洗、乙醇清洗、烘干等预处理过程，然后备用；

（2）将PDMS与固化剂10：1均匀混合搅拌，设置旋涂机2000r进行55s旋涂于硅片表面，并在120℃下固化30min；

（3）采用一定厚度的转速设置，在固化好的PDMS表面旋涂光刻胶，并烘干；

（4-5）用掩膜版做掩膜，进行光刻曝光，显影露出要沉积金属电极的特定区域，然后在120℃环境下后烘20min；

（6-7）进行铜的沉积，厚度0.5µm，剥离光刻胶，最终在特定区域留下金属电极，烘干；

（8）喷涂碳管和石墨烯的混合悬浊液；并将PDMS层从硅片上剥离下来。

如图5所示的另一种实施例制备工艺流程图（减法工艺）；

起始基片材料为硅片，柔性材料为PDMS，电极材料为铜，碳材料为碳纳米管。

（1）将硅片进行水中清洗、丙酮清洗、乙醇清洗、烘干等预处理过程，然后备用；

（2）将PDMS与固化剂10：1均匀混合搅拌，设置旋涂机1000r进行30s旋涂于硅片表面，并在110℃下固化30min；

（3）进行铜的沉积，厚度0.3µm；

（4）采用一定厚度的转速设置，在沉积金属表面旋涂光刻胶，并烘干；

（5-6）用带有微结构的掩膜版做掩膜，进行光刻曝光，显影，然后在120℃环境下后烘20min；

（7）将显影露出的区域进行蚀刻，留下特定的需要电极的区域；

（8）旋涂碳纳米管；并将PDMS层从硅片上剥离下来。

以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变形，这些改进和变形也应视为本发明的保护范围。

Claims (7)

1.一种新型柔性力敏传感器，其特征在于，包括柔性材料，其上设置的金属电极阵列区和宏观结构电极，所述的金属电极阵列区设置在柔性材料的中部，所述的宏观结构电极设置在金属电极阵列区的两侧，所述的金属电极阵列区集成微纳碳材料，所述的金属电极阵列区包括若干个大小一致的，具有相同间隔的矩形方块，所述的矩形方块上与矩形方块间集成微纳碳材料。

2.根据权利要求1所述的一种新型柔性力敏传感器，其特征在于，所述的微纳碳材料包括碳纳米管、石墨烯其中的一种或多种结合。

3.根据权利要求1所述的一种新型柔性力敏传感器，其特征在于，所述的柔性材料为PDMS或PMMA或PI或SU8其中的一种。

4.根据权利要求1所述的一种新型柔性力敏传感器，其特征在于，所述矩形方块的间隔为1µm-100µm。

5.根据权利要求1所述的一种新型柔性力敏传感器，其特征在于，所述的宏观结构电极采用金属电极材料制成，为铜、铝或金材料。

6.根据权利要求1~5任一项所述的一种新型柔性力敏传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤；

（1）首先对基底材料进行清洗、烘干，去除表面的污染物；

（2）在基底材料上旋涂、烘干制作一层柔性材料；

（3）在柔性材料表面用微加工工艺的加法或减法工艺，制备金属电极阵列区及宏观结构电极；

（4）在金属电极阵列区处均匀集成或旋涂微纳碳材料；

（5）将器件与基底材料分离。

7.根据权利要求6所述的一种新型柔性力敏传感器的制备方法，其特征在于，所述的基底材料采用硅片或玻璃片。

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