CN111879827A - 一种柔性传感器结构及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种柔性湿度传感器的制备方法，对柔性基底进行打通孔处理，然后在柔性基底没有通孔的位置上依次进行电极制备、绝缘介质层制备和氧化石墨烯沉积制备，从而形成柔性湿度传感器；或者在柔性基底依次进行电极制备、绝缘介质层制备和氧化石墨烯沉积制备，然后在没有电极的位置上进行打通孔处理，从而形成柔性湿度传感器。还公布了一种柔性湿度传感器结构。借助多孔式结构，使得水分子可以穿过器件内部，增大了湿敏材料与水分子的接触面积，提高了传感器的灵敏度，制备的柔性湿度传感器具有优异的弯曲特性，可以广泛应用于可穿戴设备及复杂环境的湿度测试。
Description
技术领域
本发明属于传感器的技术领域，涉及一种柔性传感器结构及其制备方法。
背景技术
湿度传感器在工业、农业及环境检测等领域具有重要的作用，其核心是能够将湿度转化为其他可测试信号的敏感材料。湿敏材料主要有半导体氧化物、高分子聚合物以及相关的复合材料，但是这类传感器普遍存在检测范围小、灵敏度低等问题，氧化石墨烯作为一种石墨烯的衍生物，具有较大的比表面积及丰富的含氧官能团，其含氧官能团可以与水分子通过氢键连接，因此，氧化石墨烯非常适合作为一种湿度传感器的敏感材料。
由于检测机理的不同，湿度传感器可以分为：电容型、电阻型、声波型、光纤型、场效应晶体管型等。与其它类型的湿度传感器相比，电容型湿度传感器具有成本低，线性好，性能稳定等优势；电容式的湿度传感器通常包括叉指电极组成的电容结构和氧化石墨烯薄膜等敏感材料组成的介质层，随着物联网技术和可穿戴设备的发展，柔性器件越来越多的走进人们生活，目前常见的湿度传感器都是硅衬底，具有机械脆性，无法承受形变和弯曲，不适用于紧密贴合的可穿戴设备和一些特殊弯曲表面的测量，同时现有的湿度传感器只有最表面的湿敏材料才起作用，内部无法接触水分子，导致较低的灵敏度。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术的湿度传感器只有最表面的湿敏材料才起作用，内部无法接触水分子，导致较低的灵敏度的缺陷，提供一种柔性湿度传感器的制备方法。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：
一种柔性湿度传感器的制备方法，对柔性基底进行打通孔处理，然后在柔性基底没有通孔的位置上依次进行电极制备、绝缘介质层制备和氧化石墨烯沉积制备，从而形成柔性湿度传感器；
或者在柔性基底上依次进行电极制备、绝缘介质层制备和氧化石墨烯沉积制备，然后在没有电极的位置上进行打通孔处理，从而形成柔性湿度传感器。
借助多孔式结构，使得水分子可以穿过器件内部，增大了湿敏材料与水分子的接触面积，提高了传感器的灵敏度，制备的柔性湿度传感器具有优异的弯曲特性，可以广泛应用于可穿戴设备及复杂环境的湿度测试。
作为优选的技术方案如下：
如上文所述的一种柔性湿度传感器的制备方法，先在所述柔性基底正面没有通孔的位置上依次进行电极制备、绝缘介质层制备和氧化石墨烯沉积制备，然后再在所述柔性基底背面没有通孔的位置上依次进行电极制备、绝缘层制备和氧化石墨烯沉积制备；
或者先在柔性基底正面依次进行电极制备、绝缘介质层制备和氧化石墨烯沉积制备，然后先在柔性基底背面的对应位置上依次进行电极制备、绝缘层制备和氧化石墨烯沉积制备，最后在没有电极的位置上进行打通孔处理，从而形成柔性湿度传感器。
本发明还提出了可以在柔性基底的正面和背面都进行电极制备、绝缘介质层制备和氧化石墨烯沉积制备，再结合通孔处理，形成双面通孔结构，由于传感器主要尺寸是在长度和宽度方向，厚度方向可以忽略，通过这种双面结构的制备，稍微增加了传感器的厚度，使得柔性基底的两面均有湿敏材料吸收水分子，可以使器件在孔密度和孔尺寸一样的情况下，传感器中水分子与湿敏材料接触面积均为单面结构的两倍，使得器件在不增加主要尺寸的情况下，大幅度地提高了器件性能。
如上文所述的一种柔性湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
S01、制备柔性基底，并进行氧气等离子体处理；
S02、利用激光对制备好的柔性基底进行打通孔处理，形成具有多孔分布的衬底结构；
S03、在柔性基底没有通孔的位置上制备叉指电极，形成电容结构；
S04、制备绝缘介质层，覆盖在叉指电极表面；
S05、制备氧化石墨烯沉积层，覆盖到绝缘介质层表，形成柔性电容式湿度传感器；或者
S01、制备柔性基底，并进行氧气等离子体处理；
S02、在柔性基底上制备叉指电极，形成电容结构；
S03、制备绝缘介质层，覆盖在叉指电极表面；
S04、制备氧化石墨烯沉积层，覆盖到绝缘介质层表；
S05、利用激光在没有叉指电极的位置进行打通孔处理，形成具有多孔分布结构，完成柔性电容式湿度传感器的制备。
其中，柔性基底可以为PET聚对苯二甲酸乙二醇酯或者PI聚酰亚胺，用氧气等离子体处理时间可以为1-5min。借助氧气等离子体处理，可以增加柔性基底的亲水性，利用激光打孔可以精确控制孔的位置和大小，准确性高。
如上文所述的一种柔性湿度传感器的制备方法，所述通孔的密度设置为100-500个/mm2，孔径设置为50um-200um，形状设置为圆形、三角、四边形或者六边形。
孔的密度和尺寸越大，湿敏材料与水分子的接触面积越大，性能提升越好，但是较大的孔密度和孔尺寸会影响后续电极的制备，会导致电极的间距增加，也会影响衬底的弯曲强度，降低器件的使用寿命，因此，经过大量的实验验证，我们才获得上述的配合尺寸，在最大化提高接触面积，增加器件灵敏度的同时，保证器件的使用寿命。
如上文所述的一种柔性湿度传感器的制备方法，利用丝网印刷技术将PDMS聚二甲基硅氧烷沉积在叉指电极表面，通过加热固化形成绝缘介质层。其中，丝网印刷的掩膜版参照柔性基底上通孔的分布，从而使有通孔的地方均不覆盖绝缘介质层。
如上文所述的一种柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于：通过喷墨打印技术在绝缘介质层上沉积氧化石墨烯薄膜，并对薄膜进行退火处理，退火温度设置为50-80℃。其中，喷墨打印所用的图案参照柔性基底上通孔的分布，从而使有通孔的地方均不覆盖氧化石墨烯薄膜。
由于氧化石墨烯在水中分散较好，容易配制喷墨打印的墨水，采用喷墨打印方法无需掩膜版即可实现图形化，可以降低成本，减少材料浪费。
如上文所述的一种柔性湿度传感器的制备方法，利用纳米银、纳米铜或者纳米铝墨水，通过喷墨打印或者丝网印刷技术，在柔性基底上形成叉指电极结构。
考虑到柔性基底不能耐高温，无法使用溅射工艺形成电极，而印刷电子工艺刚好满足要求。用纳米银、纳米铜或者纳米铝墨水，通过喷墨打印或者丝网印刷技术，形成叉指电极结构，而叉指电极间的缝隙刚好为柔性基底上孔的所在位置，印刷电子工艺的成本更低，更适用于量产。
如上文所述的一种柔性湿度传感器的制备方法，包括以下步骤：
S01、制备柔性基底，并进行氧气等离子体处理；
S02、利用激光对制备好的柔性基底进行打通孔处理，形成具有多孔分布的衬底结构；
S03、在柔性基底的正面没有通孔的位置上制备叉指电极，形成电容结构；
S04、制备绝缘介质层，覆盖在叉指电极表面；
S05、制备氧化石墨烯沉积层，覆盖到绝缘介质层表面；
S06、将柔性基底进行翻转，重复步骤S03-S05，形成柔性电容式湿度传感器；
或者
S01、制备柔性基底，并进行氧气等离子体处理；
S02、在柔性基底上制备叉指电极，形成电容结构；
S03、制备绝缘介质层，覆盖在叉指电极表面；
S04、制备氧化石墨烯沉积层，覆盖到绝缘介质层表；
S05、将柔性基底进行翻转，重复步骤S02-S04，制备叉指电极、绝缘介质层和氧化石墨烯沉积层；
S06、利用在激光没有叉指电极的位置进行打通孔处理，形成具有多孔分布结构，完成柔性电容式湿度传感器的制备。
在进行双面制作时，可利用夹具进行夹持，正面完成后，只要利用夹具进行翻转，使背面朝上，方便相关工艺的实施。
一种柔性传感器结构，包括柔性基底，在所述柔性基底的一面或者双面依次设置有叉指电极、绝缘介质层和氧化石墨烯沉积层，在没有叉指电极的位置设置有多个通孔。可采用任一上述制备方法进行制备。
有益效果：
本发明借助激光打孔，先在柔性基底上形成多孔式结构或者完成多层制备后，再进行激光打孔，都使得整体结构变为多孔式，从而使得水分子可以穿过器件内部，增大了湿敏材料与水分子的接触面积，提高了传感器的灵敏度，同时，还提出了可以在柔性基底的正面和背面都进行湿度传感器的多层制备，形成双层结构，较单层结构的接触面积提高一倍，进一步提高了传感器的灵敏度，使得器件在不增加主要尺寸的情况下，大幅度地提高了器件性能。制备的柔性湿度传感器具有优异的弯曲特性，可以广泛应用于可穿戴设备及复杂环境的湿度测试。
本发明的制备方法操作简单，成本低廉，效率高，适应性强，极具应用前景。
附图说明
图1为本发明的实施例1的流程框架示意图；
图2为本发明的实施例1的流程实物示意图；
图3为本发明的实施例1制备的湿度传感器的俯视图；
图4为本发明的实施例4的流程实物示意图；
图5为本发明的实施例5的流程实物示意图。
具体实施方式
下面结合附图，对本发明的具体实施方式做进一步阐述。
实施例1
一种柔性湿度传感器的制备方法，如图1和2所示，其具体步骤如下：
S01:准备柔性基底PET，用氧等离子体处理1min，增加柔性基底的亲水性。
S02：将柔性基底用激光打孔，形成具有多孔分布的衬底结构，其中孔在柔性基底上的密度为100个/mm2，孔径为50um，孔形状为圆形。
S03:用喷墨打印的方法将纳米银墨水打印到衬底上，在100℃温度下烧结形成叉指电极结构。
S04:选择PDMS聚二甲基硅氧烷作为绝缘介质，利用丝网印刷将PDMS沉积在电极表面，通过100℃加热固化形成绝缘层。
S05:通过旋涂工艺在绝缘层上沉积氧化石墨烯薄膜，旋涂速度为400rpm,并对薄膜进行退火，退火温度为50℃。最终形成的柔性湿度传感器的俯视图如附图3所示。通过理论计算，取孔径d＝50um，氧化石墨烯厚度h＝10um，则该实例中1mm2单个孔可以增加的面积S1＝πdh，约为1.57*10-3mm2，100个孔可以增加的面积为S100＝0.157mm2，相对于未打孔的器件，接触面积提升了15.7％。
实施例2
一种柔性湿度传感器的制备方法，其具体步骤如下：
S01:准备柔性基底PET，用氧等离子体处理3min，增加柔性基底的亲水性。
S02：将柔性基底用激光打孔，形成具有多孔分布的衬底结构，其中孔在柔性基底上的密度为200个/mm2，孔径为100um，孔形状为圆形。
S03:用喷墨打印的方法将纳米银墨水打印到衬底上，在100℃温度下烧结形成叉指电极结构。
S04:选择PDMS聚二甲基硅氧烷作为绝缘介质，利用丝网印刷将PDMS沉积在电极表面，通过100℃加热固化形成绝缘层。
S05:通过旋涂工艺在绝缘层上沉积氧化石墨烯薄膜，旋涂速度为400rpm，并对薄膜进行退火，退火温度为60℃。最终形成的柔性湿度传感器俯视图如附图3所示。通过理论计算，取孔径d＝100um，氧化石墨烯厚度h＝10um，则该实例中1mm2单个孔可以增加的面积S1＝πdh，约为3.14*10-3mm2，200个孔可以增加的面积为S200＝0.628mm2,相对于未打孔的器件，接触面积提升了62.8％
实施例3
一种柔性湿度传感器的制备方法，其具体步骤如下：
S01:准备柔性基底PET，用氧等离子体处理5min，增加柔性基底的亲水性。
S02：将柔性基底用激光打孔，形成具有多孔分布的衬底结构，其中孔在柔性基底上的密度为500个/mm2，孔径为200um，孔形状为正方形。
S03:用喷墨打印的方法将纳米银墨水打印到衬底上，在100℃温度下烧结形成叉指电极结构。
S04:选择PDMS聚二甲基硅氧烷作为绝缘介质，利用丝网印刷将PDMS沉积在电极表面，通过100℃加热固化形成绝缘层。
S05:通过旋涂工艺在绝缘层上沉积氧化石墨烯薄膜，旋涂速度为400rpm,并对薄膜进行退火，退火温度为80℃。最终形成的柔性湿度传感器俯视图如附图3所示。通过理论计算，取孔径d＝200um，氧化石墨烯厚度h＝10um，则该实例中1mm2单个孔可以增加的面积S1＝4dh，约为8*10-3mm2，500个孔可以增加的面积为S500＝4mm2，相对于未打孔的器件，接触面积提升了400％。
实施例4
一种柔性湿度传感器的制备方法，如图4所示，其具体步骤如下：
S01:准备柔性基底PI，用氧等离子体处理1min，增加柔性基底的亲水性。
S02：用丝网印刷的方法将纳米铜墨水沉积到柔性基底上，在120℃温度下烧结形成叉指电极结构。
S03:选择PDMS聚二甲基硅氧烷作为绝缘介质，利用旋涂工艺将PDMS沉积在电极表面，通过100℃加热固化形成绝缘层。
S04:通过旋涂工艺在绝缘层上沉积氧化石墨烯薄膜，旋涂速度为400rpm,并对薄膜进行退火，退火温度为50℃。
S05:对整个结构进行激光打孔，形成具有多孔分布的湿度传感器结构，其中孔的密度为60％，孔径为1000um，孔形状可以为圆形。相对先在柔性基底上进行激光打孔，后续工艺都要避免孔被覆盖，该实施例过程相对简单，可实施性更强，效果更高，经济效果更好。
实施例5
一种柔性湿度传感器的制备方法，如图5所示，其具体步骤如下：
S01：在实例四的S04完成之后，将器件翻面，利用夹具夹持，在柔性基底的背面分别进行叉指电极、绝缘介质层和氧化石墨烯薄膜层的沉积。
S02：背面的膜层沉积完成后，利用激光打孔进行整个双面结构通孔的制备。由于传感器主要尺寸是在长度和宽度方向，厚度方向可以忽略，通过这种双面结构的制备，稍微增加了传感器的厚度，使得衬底两面均有敏感材料吸收水分子，可以使器件在孔密度和孔尺寸一样的情况下，传感器中水分子与敏感材料接触面积均为实施例1-4的两倍，使得器件在不增加主要尺寸的情况下，大幅提高器件性能。
虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应该理解，这些仅是举例说明，在不违背本发明的原理和实质的前提下，可以对这些实施方式做出多种变更或修改。
Claims (9)
1.一种柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于：对柔性基底进行打通孔处理，然后在柔性基底没有通孔的位置上依次进行电极制备、绝缘介质层制备和氧化石墨烯沉积制备，从而形成柔性湿度传感器；
或者在柔性基底上依次进行电极制备、绝缘介质层制备和氧化石墨烯沉积制备，然后在没有电极的位置上进行打通孔处理，从而形成柔性湿度传感器。
2.根据权利要求1所述的柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于：先在所述柔性基底正面没有通孔的位置上依次进行电极制备、绝缘介质层制备和氧化石墨烯沉积制备，然后再在所述柔性基底背面没有通孔的位置上依次进行电极制备、绝缘层制备和氧化石墨烯沉积制备；
或者先在柔性基底正面依次进行电极制备、绝缘介质层制备和氧化石墨烯沉积制备，然后先在柔性基底背面的对应位置上依次进行电极制备、绝缘层制备和氧化石墨烯沉积制备，最后在没有电极的位置上进行打通孔处理，从而形成柔性湿度传感器。
3.根据权利要求1所述的柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S01、制备柔性基底，并进行氧气等离子体处理；
S02、利用激光对制备好的柔性基底进行打通孔处理，形成具有多孔分布的衬底结构；
S03、在柔性基底没有通孔的位置上制备叉指电极，形成电容结构；
S04、制备绝缘介质层，覆盖在叉指电极表面；
S05、制备氧化石墨烯沉积层，覆盖到绝缘介质层表，形成柔性电容式湿度传感器；或者
S01、制备柔性基底，并进行氧气等离子体处理；
S02、在柔性基底上制备叉指电极，形成电容结构；
S03、制备绝缘介质层，覆盖在叉指电极表面；
S04、制备氧化石墨烯沉积层，覆盖到绝缘介质层表；
S05、利用激光在没有叉指电极的位置进行打通孔处理，形成具有多孔分布结构，完成柔性电容式湿度传感器的制备。
4.根据权利要求1-3之一所述的柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于：所述通孔的密度设置为100-500个/mm2，孔径设置为50um-200um，形状设置为圆形、三角、四边形或者六边形。
5.根据权利要求3所述的柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于：利用纳米银、纳米铜或者纳米铝墨水，通过喷墨打印或者丝网印刷技术，在柔性基底上形成叉指电极结构。
6.根据权利要求3所述的柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于：利用丝网印刷技术将PDMS聚二甲基硅氧烷沉积在叉指电极表面，通过加热固化形成绝缘介质层。
7.根据权利要求3所述的柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于：通过喷墨打印技术在绝缘介质层上沉积氧化石墨烯薄膜，并对薄膜进行退火处理，退火温度设置为50-80℃。
8.根据权利要求2所述的柔性湿度传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S01、制备柔性基底，并进行氧气等离子体处理；
S02、利用激光对制备好的柔性基底进行打通孔处理，形成具有多孔分布的衬底结构；
S03、在柔性基底的正面没有通孔的位置上制备叉指电极，形成电容结构；
S04、制备绝缘介质层，覆盖在叉指电极表面；
S05、制备氧化石墨烯沉积层，覆盖到绝缘介质层表面；
S06、将柔性基底进行翻转，重复步骤S03-S05，形成柔性电容式湿度传感器；
或者
S01、制备柔性基底，并进行氧气等离子体处理；
S02、在柔性基底上制备叉指电极，形成电容结构；
S03、制备绝缘介质层，覆盖在叉指电极表面；
S04、制备氧化石墨烯沉积层，覆盖到绝缘介质层表；
S05、将柔性基底进行翻转，重复步骤S02-S04，制备叉指电极、绝缘介质层和氧化石墨烯沉积层；
S06、利用激光在没有叉指电极的位置进行打通孔处理，形成具有多孔分布结构，完成柔性电容式湿度传感器的制备。
9.一种柔性传感器结构，其特征在于：包括柔性基底，在所述柔性基底的一面或者双面依次设置有叉指电极、绝缘介质层和氧化石墨烯沉积层，在没有叉指电极的位置设置有多个通孔。
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