CN113503992A - 一种基于多层复合薄膜的柔性压力传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于多层复合薄膜的柔性压力传感器及其制备方法，传感器包括衬底层、电极层、压力敏感层以及顶部保护层。压力敏感层为多孔MXene/还原氧化石墨烯纳米片多层复合薄膜，自上而下包括第一层还原氧化石墨烯薄膜、多孔MXene薄膜层、第二层还原氧化石墨烯薄膜。各敏感层微观材料结构呈疏松状多孔结构，对压缩应变有优良的灵敏度以及极低的检测极限。多层复合结构使传感器具有较大检测范围。本发明公开的柔性传感器，可以实现极低压力的检测，灵敏度高，制备方法简单易行，可行性高。

Description

一种基于多层复合薄膜的柔性压力传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种柔性压力传感器，具体涉及一种高灵敏度柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术

可穿戴电子器件具有很高的柔韧性和灵敏度，在机器人、假肢、医疗健康和人机交互等领域有着广泛的应用，引起了科研工作者的广泛的研究兴趣。传统的压力传感器一般是半导体硅材料为基底构成，其柔韧性和延展性差，由于其较差的穿戴功能和舒适性，限制了其在可穿戴与曲面场景的应用。如何制备具有良好性能的柔性压力传感器对可穿戴设备的发展有着重要意义。

随着2004年石墨烯在实验室中成功制备的首次报道，越来越多的低维纳米材料走近研究者的视线，由于低维材料异于传统块体材料的各种新奇的力学、热学、电学特性，使其有望成为新型电子器件的潜在应用材料，因此纳米材料呈现出爆发式的研究热度。目前，金属纳米线、碳纳米管、石墨烯、MXene等纳米材料正在被学者们致力应用于压力敏感材料的制备。其中，MXene凭借其独特的金属导电性和丰富的表面官能团，以及高度可调的化学和结构形式，使其既可以作为本征活性材料和/或其他功能材料的载体，也可以用于各种应用，包括能量存储和转换，电磁干扰屏蔽，传感器，生物医学成像和治疗。但MXene同样具有二维材料的缺点，特别是重叠倾向强，缺乏封闭的多孔结构。同时MXene所含钛（Ti）原子容易被氧化，使材料丧失导电性，极大的限制所制备器件的使用周期。

发明内容

发明目的：针对上述现有技术，提出提供一种具有高灵敏度、大检测范围及较高可靠性的柔性压力传感器，同时提供该传感器的制备方法。

技术方案：一种基于多层复合薄膜的柔性压力传感器，包括从下而上依次布设的衬底层、电极层、压力敏感层以及顶部保护层；电极层采用叉指形电极结构；压力敏感层由依次设置的第一层还原氧化石墨烯薄膜、多孔二维过渡金属碳化物薄膜层、第二层还原氧化石墨烯薄膜构成，所述第一层还原氧化石墨烯薄膜和第二层还原氧化石墨烯薄膜将多孔二维过渡金属碳化物薄膜层上下面完全包覆；其中，第一层还原氧化石墨烯薄膜、第二层还原氧化石墨烯薄膜的孔隙尺寸与多孔二维过渡金属碳化物薄膜层的孔隙尺寸不同。

进一步的，所述第一层还原氧化石墨烯薄膜、第二层还原氧化石墨烯薄膜的孔隙尺寸分布在200-500纳米，多孔二维过渡金属碳化物薄膜层的孔隙孔隙尺寸分布在100-200纳米。

进一步的，所述电极层的电极材料为金属双面导电胶带，双面分别黏附衬底层和压力敏感层。

进一步的，所述衬底层与顶部保护层为柔性有机材料薄膜。

一种基于多层复合薄膜的柔性压力传感器制备方法，包括如下步骤：

步骤A1：采用激光打印的方式在金属双面导电胶带上打印出叉指电极结构以及与叉指电极结构连接的压焊块，形成电极层；

步骤A2：将衬底层浸入乙醇中清洗，烘干，然后将电极层转移至衬底层上；

步骤A3：将压力敏感层转移至电极层上；

步骤A4：将顶部保护层贴附在压力敏感层上，所述顶部保护层完整包覆压力敏感层。

一种基于多层复合薄膜的柔性压力传感器制备方法，所述压力敏感层制备方法包括如下步骤：

步骤B1：采用抽滤方法，在水系滤膜上抽滤氧化石墨烯纳米片水溶液，形成第一层氧化石墨烯薄膜；

步骤B2：将第一层氧化石墨烯薄膜烘干，在第一层氧化石墨烯薄膜层上加入MXene纳米片水溶液进行第二次抽滤，制备MXene薄膜层；

步骤B3：将MXene薄膜层烘干，在MXene薄膜层上加入相同浓度的氧化石墨烯纳米片水溶液进行第三次抽滤，形成第二层氧化石墨烯薄膜；

步骤B4：将制备的三层复合薄膜浸入乙醇溶液中进行剥离，得到热处理前的多层Mxene/氧化石墨烯复合薄膜；

步骤B5：将MXene/氧化石墨烯复合薄膜夹在第一石英板和第二石英板中，使用酒精灯高温热处理，氧化石墨烯在高温作用下表面的含氧官能团快速断裂后从纳米片层中排出，形成稳定多孔状的第一层还原氧化石墨烯薄膜和第二层还原氧化石墨烯薄膜，孔隙尺寸分布在200-500纳米；同时，MXene在热的作用下，表面的含氧官能团也发生断裂，形成多孔二维过渡金属碳化物薄膜层，孔隙孔隙尺寸分布在100-200纳米，并且多孔二维过渡金属碳化物薄膜层包覆在第一层还原氧化石墨烯薄膜和第二层还原氧化石墨烯薄膜中间；

步骤B6：冷却至室温，取出薄膜，得到多孔MXene/还原氧化石墨烯纳米片复合薄膜，作为压力敏感层。

有益效果：与现有技术相比，本发明的柔性压阻式压力传感器具有高的灵敏度，大检测范围以及低检测极限，响应时间与现有研究相当。第一，采用抽滤的方法制备MXene/氧化石墨烯多层复合薄膜，并火焰诱导高温还原氧化石墨烯，工艺简单安全。第二，所形成的多孔微结构可提升感压敏感膜对压力的灵敏度。第三，由于两种多孔材料的孔隙不同，复合膜在压力的作用下，首先是多孔还原氧化石墨烯薄膜的微孔隙逐渐闭合增加导电通路，电阻值减小主要由还原氧化石墨烯薄膜提供；随着压力的继续增大，还原氧化石墨烯薄膜与多孔MXene薄膜层的孔隙接近，两种薄膜层的微孔隙共同减小直至发生闭合，导电通路继续增加，使电阻值进一步增小，实现传感器更大的检测范围。第四，由于还原氧化石墨烯层将多孔MXene层包覆，可有效隔绝多孔MXene层与氧气接触，防止其被氧化，丧失导电性，提高器件的可靠性。

附图说明

图1为本发明实施例中压力传感器的示意图以及结构剖视图；

图2是本发明实施例中压力敏感层制备方法第一步的结构剖视图；

图3是本发明实施例中压力敏感层制备方法第二步的结构剖视图；

图4是本发明实施例中压力敏感层制备方法第三步的结构剖视图；

图5是本发明实施例中压力敏感层制备方法第四步的结构剖视图；

图6是本发明实施例中压力敏感层制备方法第五步的结构剖视图；

图7是本发明实施例中压力敏感层制备方法第六步的结构剖视图；

图8为本发明实施例中压力传感器制备方法第一步的示意图以及结构剖视图；

图9是本发明实施例中压力传感器制备方法第二步的示意图以及结构剖视图；

图10是本发明实施例中压力传感器制备方法第三步的示意图以及结构剖视图；

图11是本发明实施例中压力传感器制备方法第四步的示意图以及结构剖视图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明做更进一步的解释。

如图1所示，一种基于多层复合薄膜的柔性压力传感器，包括从下而上依次布设的衬底层1、电极层2、压力敏感层3以及顶部保护层4。

电极层2采用叉指形电极结构5，以及用于电引出的压焊块6。电极层2的电极材料为金属双面导电胶带，双面分别黏附衬底层1和压力敏感层3。衬底层1与顶部保护层4为柔性有机材料薄膜。

压力敏感层3由依次设置的第一层还原氧化石墨烯薄膜304、多孔二维过渡金属碳化物薄膜层305、第二层还原氧化石墨烯薄膜306构成，第一层还原氧化石墨烯薄膜304和第二层还原氧化石墨烯薄膜306将多孔二维过渡金属碳化物薄膜层305上下面完全包覆。其中，第一层还原氧化石墨烯薄膜304、第二层还原氧化石墨烯薄膜306的孔隙尺寸与多孔二维过渡金属碳化物薄膜层305的孔隙尺寸不同。第一层还原氧化石墨烯薄膜304、第二层还原氧化石墨烯薄膜306的孔隙尺寸分布在200-500纳米，多孔二维过渡金属碳化物薄膜层305的孔隙孔隙尺寸分布在100-200纳米。

上述柔性压力传感器制备方法，包括如下步骤：

步骤A1：如图8所示，采用激光打印的方式在金属双面导电胶带上打印出叉指电极结构5以及与叉指电极结构5连接的压焊块6，形成电极层2。

步骤A2：将衬底层1浸入乙醇中清洗，烘干，然后将电极层2转移至衬底层1上，如图9所示。

步骤A3：将压力敏感层3转移至电极层2上，如图10所示。

步骤A4：将顶部保护层4贴附在压力敏感层3上，所述顶部保护层4完整包覆压力敏感层3，如图11所示。

其中，压力敏感层3制备方法包括如下步骤：

步骤B1：采用抽滤方法，在水系滤膜7上抽滤氧化石墨烯纳米片水溶液，形成第一层氧化石墨烯薄膜301，如图2所示。

步骤B2：将第一层氧化石墨烯薄膜301烘干，在第一层氧化石墨烯薄膜层301上加入MXene纳米片水溶液进行第二次抽滤，制备MXene薄膜层302，如图3所示。

步骤B3：将MXene薄膜层302烘干，在MXene薄膜层302上加入相同浓度的氧化石墨烯纳米片水溶液进行第三次抽滤，形成第二层氧化石墨烯薄膜303，如图4所示。

步骤B4：将制备的三层复合薄膜浸入乙醇溶液中进行剥离，得到热处理前的多层Mxene/氧化石墨烯复合薄膜，如图5所示。

步骤B5：将MXene/氧化石墨烯复合薄膜夹在第一石英板8和第二石英板9中，使用酒精灯高温热处理，处理温度为400-500度，氧化石墨烯在高温作用下表面的含氧官能团快速断裂形成水分子等，从纳米片层中排出，形成稳定多孔状的第一层还原氧化石墨烯薄膜304和第二层还原氧化石墨烯薄膜306，孔隙尺寸分布在200-500纳米；同时，MXene在热的作用下，表面的含氧官能团也发生断裂，形成多孔二维过渡金属碳化物薄膜层305，孔隙平均在100-200纳米，并且多孔二维过渡金属碳化物薄膜层305包覆在第一层还原氧化石墨烯薄膜304和第二层还原氧化石墨烯薄膜306中间，如图6所示，热处理后实现多孔Mxene与外界环境空气中氧气隔离。

步骤B6：冷却至室温，取出薄膜，得到多孔MXene/还原氧化石墨烯纳米片复合薄膜，作为压力敏感层3，如图7所示。

上述制备方法中，第一层还原氧化石墨烯薄膜304和第二层还原氧化石墨烯薄膜306将多孔二维过渡金属碳化物薄膜层305完全包覆，隔绝其与外界的接触，可有效防止MXene在空气中的氧化。

本发明的柔性压力传感器，当压力施加于压力敏感层3时，多孔MXene薄膜以及多孔还原氧化石墨烯薄膜的孔隙变小，接触变多，形成更多有效的导电通路，电阻变小。通过对敏感层电阻变化的采集实现对压力的检测。得益于多孔还原氧化石墨烯薄膜与多孔MXene薄膜孔隙大小的不同，所制备的柔性压阻式压力传感器在大检测范围内呈现出高灵敏度。

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 (6)

1.一种基于多层复合薄膜的柔性压力传感器，其特征在于，包括从下而上依次布设的衬底层（1）、电极层（2）、压力敏感层（3）以及顶部保护层（4）；电极层（2）采用叉指形电极结构（5）；压力敏感层（3）由依次设置的第一层还原氧化石墨烯薄膜（304）、多孔二维过渡金属碳化物薄膜层（305）、第二层还原氧化石墨烯薄膜（306）构成，所述第一层还原氧化石墨烯薄膜（304）和第二层还原氧化石墨烯薄膜（306）将多孔二维过渡金属碳化物薄膜层（305）上下面完全包覆；其中，第一层还原氧化石墨烯薄膜（304）、第二层还原氧化石墨烯薄膜（306）的孔隙尺寸与多孔二维过渡金属碳化物薄膜层（305）的孔隙尺寸不同。

2.根据权利要求1所述的基于多层复合薄膜的柔性压力传感器，其特征在于，所述第一层还原氧化石墨烯薄膜（304）、第二层还原氧化石墨烯薄膜（306）的孔隙尺寸分布在200-500纳米，多孔二维过渡金属碳化物薄膜层（305）的孔隙孔隙尺寸分布在100-200纳米。

3.根据权利要求1所述的基于多层复合薄膜的柔性压力传感器，其特征在于，所述电极层（2）的电极材料为金属双面导电胶带，双面分别黏附衬底层（1）和压力敏感层（3）。

4.根据权利要求1所述的基于多层复合薄膜的柔性压力传感器，其特征在于，所述衬底层（1）与顶部保护层（4）为柔性有机材料薄膜。

5.一种基于多层复合薄膜的柔性压力传感器制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

步骤A1：采用激光打印的方式在金属双面导电胶带上打印出叉指电极结构（5）以及与叉指电极结构（5）连接的压焊块（6），形成电极层（2）；

步骤A2：将衬底层（1）浸入乙醇中清洗，烘干，然后将电极层（2）转移至衬底层（1）上；

步骤A3：将压力敏感层（3）转移至电极层（2）上；

步骤A4：将顶部保护层（4）贴附在压力敏感层（3）上，所述顶部保护层（4）完整包覆压力敏感层（3）。

6.根据权利要求5所述的基于多层复合薄膜的柔性压力传感器制备方法，其特征在于，所述压力敏感层（3）制备方法包括如下步骤：

步骤B1：采用抽滤方法，在水系滤膜（7）上抽滤氧化石墨烯纳米片水溶液，形成第一层氧化石墨烯薄膜（301）；

步骤B2：将第一层氧化石墨烯薄膜（301）烘干，在第一层氧化石墨烯薄膜层（301）上加入MXene纳米片水溶液进行第二次抽滤，制备MXene薄膜层（302）；

步骤B3：将MXene薄膜层（302）烘干，在MXene薄膜层（302）上加入相同浓度的氧化石墨烯纳米片水溶液进行第三次抽滤，形成第二层氧化石墨烯薄膜（303）；

步骤B4：将制备的三层复合薄膜浸入乙醇溶液中进行剥离，得到热处理前的多层Mxene/氧化石墨烯复合薄膜；

步骤B5：将MXene/氧化石墨烯复合薄膜夹在第一石英板（8）和第二石英板（9）中，使用酒精灯高温热处理，氧化石墨烯在高温作用下表面的含氧官能团快速断裂后从纳米片层中排出，形成稳定多孔状的第一层还原氧化石墨烯薄膜（304）和第二层还原氧化石墨烯薄膜（306），孔隙尺寸分布在200-500纳米；同时，MXene在热的作用下，表面的含氧官能团也发生断裂，形成多孔二维过渡金属碳化物薄膜层（305），孔隙孔隙尺寸分布在100-200纳米，并且多孔二维过渡金属碳化物薄膜层（305）包覆在第一层还原氧化石墨烯薄膜（304）和第二层还原氧化石墨烯薄膜（306）中间；

步骤B6：冷却至室温，取出薄膜，得到多孔MXene/还原氧化石墨烯纳米片复合薄膜，作为压力敏感层（3）。

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