CN111766003A

CN111766003A - 基于臭氧/紫外辐射处理的柔性电阻传感器

Info

Publication number: CN111766003A
Application number: CN201910260120.8A
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

本发明公开基于臭氧/紫外辐射处理的柔性电阻传感器，包括叠放的两个具有柱状微结构的掺有碳纳米管的PDMS柔性电极，PDMS柔性电极制备如下：将掺有碳纳米管的PDMS胶分两次匀涂在载玻片上，第一次涂完后固化处理后第二次匀涂，形成初步电极；将有孔洞的PCET模板放在第二层涂的PDMS胶上，对PCET模板与初步电极抽真空处理使PDMS胶进入孔洞里，经过固化后，形成柱状微结构；洗除PCTE模板，然对柱状微结构＝臭氧/紫外辐射处理，形成PDMS柔性电极。本发明实现在柔性电极上制备稳定柱状微结构，使接触点的应力集中，柔性电极具有很大可压缩性，又可保证传感器具有稳定高灵敏度和较短延迟响应时间。

Description

基于臭氧/紫外辐射处理的柔性电阻传感器

技术领域

本发明涉及柔性电子技术领域，特别是涉及一种基于臭氧/紫外辐射处理的高灵敏度柔性电阻传感器。

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，而提供一种基于臭氧/紫外辐射处理的高灵敏度柔性电阻传感器，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，且操作简单、成本较低、对实验操作环境的要求较低，为高灵敏度柔性传感器的微结构制备开辟了新的道路。

为实现本发明的目的所采用的技术方案是：

基于臭氧/紫外辐射处理的柔性电阻传感器，包括上下叠放在一起的两个具有柱状微结构的掺有碳纳米管的PDMS柔性电极，所述PDMS柔性电极制备方法如下：

将掺有碳纳米管的PDMS胶分两次匀涂在载玻片上，第一次涂完后固化处理，进行第二次匀涂，形成电阻传感器初步电极；

将具有孔洞的PCET模板放在第二层匀涂的PDMS胶上，对该PCET模板与电阻传感器初步电极抽真空处理，使PDMS胶进入PCET模板孔洞里，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；

对柱状微结构进行臭氧/紫外辐射处理，最终形成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：

本发明提供的基于臭氧/紫外辐射处理的高灵敏度柔性电阻传感器，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。

本发明通过在制备过程临近结束时中添加了臭氧/紫外辐射处理的步骤，经过臭氧/紫外辐射处理的PDMS表面会生成硅氧化物，例如常见的二氧化硅。这样的硅氧化物具有一定的硬度，即刚性较好。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，从而使柔性电容传感器保持优异的灵敏度。

附图说明

图1为本发明提供的基于臭氧/紫外辐射处理的高灵敏度柔性电阻传感器的制作方法的流程示意图；

图2为本发明提供的基于臭氧/紫外辐射处理的高灵敏度柔性电阻传感器制备方法中所用聚碳酸酯(PCTE)模板的示意图；

图3为本发明提供的基于臭氧/紫外辐射处理的高灵敏度柔性电阻传感器的立体示意图；

图4为本发明提供的基于臭氧/紫外辐射处理的高灵敏度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的掺有碳纳米管的复合PDMS胶，2为具有两层复合PDMS的复合PDMS弹性体，3为具有随机分布的孔洞孔径相同的PCTE模板，4为镶嵌在PCTE模板中的PDMS柱体，5为柱状微结构，6为初步形成的柱状微结构的电极，7为最终形成的柱状微结构的电极；8为硅氧化物，9为随机分布于PCET模板、孔径相同的孔洞。

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所示，本发明基于臭氧/紫外辐射处理的高灵敏度柔性电阻传感器，由两部分构成，均为具有柱状微结构的掺有碳纳米管的PDMS柔性电极；

其中，掺有碳纳米管的PDMS柔性电极的制备方法如下：

首先，制备掺有碳纳米管的PMDS复合弹性体。该掺有碳纳米管的PMDS复合材料分两次匀在载玻片上形成。第一次在载玻片上匀200um厚的掺有碳纳米管的复合PDMS，之后进行固化处理，得到第一层复合PDMS胶。在此基础上，继续匀100um厚的掺有碳纳米管的复合PDMS胶，且不进行任何处理，得到第二层复合PDMS胶。这两层复合PDMS胶形成的弹性体共同构成电阻传感器的初步电极。

其次，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复合PDMS样品上。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模板下面的复合PDMS胶进入PCET模板中的孔洞里。由于PCET模板的孔洞具有一定的高度，因此，将样品再一次经过固化后，即可在复合电极上稳定地形成柱状微结构。

其中，该PCET模板的厚度为13um，且表面随机分布有孔径均为5um的孔洞。

接下来，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，电阻传感器中一个具有柱状微结构的电极初步制备完毕。

然后，对柱状结构进行臭氧/紫外辐射处理,增强柱状结构的刚性。

通过模板法制备出的微结构由于具有很高的高度，在之后感知压力的过程中容易坍塌，使得柔性电阻传感器的性能变差。因此需要增强柱状结构的刚性，同时还要保持其的柔性。

其中，在臭氧/紫外辐射处理时，可以是采用功率为28mW cm-2对的TUV紫外灯管对初次制备的柱状微结构进行处理30min，由于紫外灯管可以产生臭氧，进而可在微结构的表面形成硅氧化物。

通过臭氧/紫外辐射处理，可以在柱状结构的表面形成硬度相对较强的硅氧化物。这样，可以使得柱状结构多次形变之后仍可以长时间直立于柔性电极上，继续感知外界的压力并发生相应的形变，使柔性电阻传感器具有很好的灵敏度和稳定性。这样，柔性电阻传感器中具有柱状微结构的一个柔性电极制备完成。

最后，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，本发明具有以下的有益效果：

1.灵敏度高，本发明的柱状微结构具有一定的刚性、高度相对较大、具有很大的可压缩性，既可使接触点的应变集中，也可增大接触面积的变化范围，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，本发明对柔性电极进行臭氧/紫外辐射处理，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，本发明所涉及的所有材料和设备都是柔性电子器件制备时所需的最基本的材料和设备，不涉及成本较高的实验环节。

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.基于臭氧/紫外辐射处理的柔性电阻传感器，其特征在于，包括上下叠放在一起的两个具有柱状微结构的掺有碳纳米管的PDMS柔性电极，所述PDMS柔性电极制备方法如下：

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所述基于臭氧/紫外辐射处理的柔性电阻传感器，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所述基于臭氧/紫外辐射处理的柔性电阻传感器，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所述基于臭氧/紫外辐射处理的柔性电阻传感器，其特征在于，所述PCET模板采用二氯甲烷溶解法清除。