CN111766002A

CN111766002A - 柔性电阻传感器

Info

Publication number: CN111766002A
Application number: CN201910260096.8A
Authority: CN
Inventors: 邹强; 马卓敏
Original assignee: Tianjin University
Current assignee: Tianjin University
Priority date: 2019-04-02
Filing date: 2019-04-02
Publication date: 2020-10-13

Abstract

本发明公开柔性电阻传感器，包括上下叠放在一起的具有柱状微结构的掺杂碳纳米管的PDMS柔性电极，PDMS柔性电极用以下方式制作：将PDMS DC184、PDMS SE1700按预定比例混合制作成PMDS混合胶并掺杂碳纳米管；分两次匀涂掺杂碳纳米管的PMDS混合胶在载玻片上，第一次涂完后固化处理，继续匀涂，形成电阻传感器初步电极；将具有孔洞的PCET模板放在二次涂的PDMS上后抽真空处理，使PDMS进入PCET模板孔洞里，固化后形成柱状微结构；洗除PCTE模板，形成PDMS柔性电极。本发明能达到理想高度，提高可压缩性，同时具有很好的稳定性，不易坍塌，使柔性电阻传感器保持优异灵敏度。

Description

柔性电阻传感器

技术领域

本发明涉及柔性电子技术领域，特别是涉及一种柔性电阻传感器。

背景技术

近年来，柔性电子领域发展日新月异。柔性传感器正成为未来机器人，体外诊断和能量收集中的重要应用器件。根据机器人系统、假肢和可穿戴医疗设备的最新进展，致力于用简单的方法实现高灵敏度的柔性传感器成为实验人员的研究热点。并且，柔性电子领域快速发展的同时，也需要电子器件制备工艺的进步。

一般，柔性电阻传感器由上电极和下电极组成，利用柔软、耐磨的柔性衬底和特殊微米/纳米结构的导电传感材料来实现压阻效应。聚合物的机械滞后将严重导致压力传感器响应和恢复时间延长。而导电材料如果具有特殊的结构，会使得聚合物集体能够在收到压力压缩时形变，这种形变为电子提供更多的渗透通道并导致电导率增加。这样，就可以实现柔性电阻传感器的高灵敏度。目前，PDMS弹性体深受研究人员的青睐。其不仅可以提高可拉伸性，而且可以赋予柔性传感器更高的灵敏度和更快的响应时间。与此同时，如何制备较为凸显的微结构并可以很好维持该结构的柔性传感器也值的研究人员思考。常见的微结构有柱状、线型、纳米针以及金字塔型等等。对于柱状微结构来说，其高度越高，即具有很大的可压缩性，同时具有较合适的刚性，不易坍塌，便可实现柔性电阻传感器的高灵敏度和稳定性。但符合以上特性的柱状结构的制备具有一定难度，一方面由于PDMS在常温时是一种黏稠液体，经固化后成胶状。这两种状态均容易变形，且不易恢复。另一方面，由于柱状结构其具有微米级的尺寸，在制备过程和使用过程中容易坍塌。因此，制备稳定性好、不易坍塌的较高柱状微结构是一个有待解决的难题。

因此，目前迫切需要提出一种方法来制备具有微结构的柔性电阻传感器，其既有很大压缩性的微结构，又可以保证传感器具有稳定的高灵敏度。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种柔性电阻传感器，其既有极高的生物相容性、很大压缩性的微结构，又可以保证传感器具有稳定的高灵敏度，且制作方法操作简单、成本较低、对操作环境的要求较低，为柔性传感器微结构的制备工艺开辟了新的道路。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

柔性电阻传感器，包括上下叠放在一起的具有柱状微结构的掺有碳纳米管的PDMS柔性电极，所述PDMS柔性电极采用以下方式制作：

将PDMS DC184、PDMS SE1700按预定比例混合制作成PMDS混合胶并掺杂碳纳米管；

分两次匀涂掺杂碳纳米管的PMDS混合胶在载玻片上，第一次涂完后固化处理，得到第一层PDMS膜，继续匀涂，得到第二层PDMS膜，形成电阻传感器初步电极；

将具有孔洞的PCET模板放在第二层PDMS膜上，对该PCET模板与电阻传感器初步电极抽真空处理，使PDMS胶体进入PCET模板的孔洞里，经过固化后，形成稳定的柱状微结构；

洗除PCTE模板，形成具有柱状微结构的PDMS柔性电极。

所述第一层PDMS膜的厚度为200um，所述第一层PDMS膜的厚度为100um。

所述PCET模板的厚度为13um,表面随机分布孔洞的孔径为5um。

所述PCET模板采用二氯甲烷溶解法清除。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

本发明柔性电阻传感器，采用PDMS胶的两种不同型号、杨氏模量不同的PDMSSE1700和PDMS DC184来制备具有柱状微结构的PDMS柔性电极，杨氏模量的大小标志了材料的刚性，杨氏模量越大，材料越不易发生形变。这样，制备出的微结构可以达到理想的高度，提高可压缩性，同时具有很好的稳定性，不易坍塌，从而使柔性电阻传感器保持优异的灵敏度。

本发明柔性电阻传感器，其能够实现在柔性电极上制备稳定的柱状微结构，使得接触点的应力集中，柔性电极具有很大的可压缩性。又可以保证传感器具有稳定的高灵敏度和较短的延迟响应时间，操作简单、成本较低、对实验操作环境的要求较低，为柔性传感器微结构的制备工艺开辟了新的道路。

附图说明

图1为本发明提供的的柔性电阻传感器的介电材料的制备示意图；

图2为本发明提供的柔性电阻传感器的制作流程示意图；

图3为本发明提供的柔性电阻传感器的制作中所用PCET模板的示意图；

图4为本发明提供的柔性电阻传感器的立体示意图；

图5为本发明提供的柔性电阻传感器施加应变导致内部微结构变形的示意图；

图中：1为厚度为200um的掺有碳纳米管的第一层PDMS复合胶，2为具有两层掺有碳纳米管的PDMS复合胶的复合弹性体的初步电极，3为具有随机分布的孔径相同的孔洞PCTE模板，4为镶嵌在PCTE模板中的PDMS柱体，5为柱状微结构，6为具有柱状微结构的掺有碳纳米管的PDMS柔性电极，7为随机分布于PCET模板上的孔径相同的孔洞；8为PDMS SE1700样品，9为PDMS DC184样品，10为按比例混合搅拌均匀的混合PDMS样品。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。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。

如图1-5所示，本发明提供的高灵敏度柔性电阻传感器，包括上下叠放在一起的具有柱状微结构的掺有碳纳米管的PDMS柔性电极，所述PDMS柔性电极采用以下方式制作：

首先，制备混合PMDS样品。由于经常使用的PDMS DC184的杨氏模量较小，会导致之后柱状微结构的制备中可能会存在一定困难。又由于柱状结构的高度会影响传感器的灵敏度，因此，根据传感器想要实现的灵敏度来配制PDMS DC184和PDMS SE1700的混合胶样品，为制备高稳定性的柱状结构奠定基础,PDMS DC184和PDMS SE1700的质量混合比为4:1-2:1。

需要说明的是，本发明中，PDMS DC184样品，用于制备柔性电极，为常用的柔性材料，具有较小的杨氏模量。仅用其制备出的柱状微结构易坍塌，可压缩性小，构成的柔性电阻传感器的灵敏度和稳定性也相对较低；

PDMS SE1700样品，用于提高电极材料的杨氏模量，具有很好的刚性，可使柱状微结构在制备过程中不易坍塌，在使用过程中受到压力后可进行多次形变，有很大的可压缩性，在提高传感器灵敏度的同时提高传感器的稳定性。

PDMS DC184样品与PDMS SE1700样品形成的混合PDMS介电材料，用于本发明的高灵敏度柔性电阻传感器电极的制备，之后要掺入一定量的碳纳米管，形成掺有碳纳米管的复合PDMS复合胶，用于制备电阻传感器的微结构和电极，具有优异的柔性和介电性。

其次，匀涂混合PMDS复合胶弹性体样品。该电介质材料PDMS复合胶去气泡后分两次匀在载玻片上。第一次在载玻片上匀200um混合PMDS复合胶样品，之后进行固化处理，得到第一层PDMS复合胶体。在此基础上，继续匀100um混合PMDS复合胶样品，且不进行任何处理，得到第二层PDMS复合胶。这两层PDMS复合胶共同构成电阻传感器的复合弹性体初步电极。其中，第二层PDMS复合胶用于制备电阻传感器的微结构和电极，它是固化后的第一层PDMS复合胶的基础上继续匀一层PDMS复合胶样品而得到，且不进行其他的任何处理后直接进入下一步处理；

之后，利用PCET模板制备微结构。将提前准备好的PCET模板放置在之前处理过的两层PDMS膜共同构成电阻传感器的初步电极上。其中，根据想要实现的柱状结构的高度选用合适厚度的PCET模板。

在这里选用厚度为13um的PCET模板，且其表面随机分布有孔径均为5um的孔洞。之后，再对该模板与PDMS样品进行抽真空处理。这样，可以利用气压使得PCET模板下面的PDMS胶体进入模板中的孔洞里。由于孔洞具有一定的高度，因此，将样品再一次经过固化后，即可在PDMS上稳定的形成柱状微结构。

最后，洗除PCTE模板。由于二氯甲烷具有极强的溶解能力，因此，在保持PDMS柱状微结构不被破坏的同时，使用二氯甲烷试剂用于将PCTE模板洗除，使得样品仅由柱状PDMS和PDMS膜构成。这样，具有柱状微结构的电阻传感器PDMS柔性电极制备完毕。

重复以上步骤制备另一个具有柱状结构的电极，并将这两个电极上下叠放在一起。这样，具有柱状微结构的柔性电阻传感器制备完成。

当该电阻传感器受到应力时，两个电极上的柱状弹性体使得接触点的应力集中，导致微型柱状发生专有的形变。由于较高的柱状微结构在发生专有形变时，接触面积具有很大的变化范围。因此，这可大大增强传感器对各种刺激的响应灵敏度。同时，它是通过外界应变改变柱状阵列之间的接触面积来改变接触电阻，从而做出响应的。这样也克服了由掺有碳纳米管的PDMS聚合物的黏附性导致的响应延迟。

与现有技术相比较，本发明柔性传感器具有以下有益效果：

1.灵敏度高，本发明制备的柱状微结构杨氏模量较大、高度相对较大，既可使接触点的应变集中，也可增大接触面积的变化范围，这很大程度地提高了柔性电阻传感器的灵敏度；

2.稳定性好，本发明的柱状结构可进行多次压缩，不易坍塌，具有很高的稳定性和可靠性，可使用周期较长；

3.操作简单，本发明将两种不同杨氏模量的PDMS胶进行一定的配比混合，实验步骤简单、易操作；

4.对操作环境的要求较低，本发明在操作全程均不需要超净环境，普通实验环境即可完成实验；

5.成本低，本发明使用的PDMS SE1700以及PDMS DC184均为实验中常用的平价材料。

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

Claims

1.柔性电阻传感器，其特征在于，包括上下叠放在一起的具有柱状微结构的掺有碳纳米管的PDMS柔性电极，所述PDMS柔性电极采用以下方式制作：

洗除PCTE模板，形成具有柱状微结构的PDMS柔性电极。

2.如权利要求1所述柔性电阻传感器，其特征在于，所述第一层PDMS膜的厚度为200um，所述第一层PDMS膜的厚度为100um。

3.如权利要求1所述柔性电阻传感器，其特征在于，所述PCET模板的厚度为13um,表面随机分布孔洞的孔径为5um。

4.如权利要求1所述柔性电阻传感器，其特征在于，所述PCET模板采用二氯甲烷溶解法清除。