CN114279602A - 基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器及制备方法 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器及制备方法，压力传感器包括上层柔性结构和下层柔性结构，所述上层柔性结构包括上层柔性基底，上层柔性基底的下表面凸出有若干微结构，上层柔性基底的下表面附着有压电薄膜；所述下层柔性结构包括下层柔性基底，下层柔性基底的上表面附着有一层二维过渡金属硫化物导电涂层，二维过渡金属硫化物导电涂层上连接有电极，微结构处的压电薄膜与二维过渡金属硫化物导电涂层接触。二维过渡金属硫化物具有较高的载流子迁移率，对于外部电场变化具有较高灵敏度，将其与压电薄膜配合应用于本发明涉及的压力传感器，可以检测到更细微的压力，使压力传感器的响应范围更大，精度更高。
Description
技术领域
本发明属于压力传感器领域，尤其涉及一种基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器及制备方法。
背景技术
传统的刚性压力传感器通常由硬质的半导体材料或金属材料制成。由这些材料制作的传感器应用范围有限，并且具有不稳定、加工困难、成本高等问题。柔性压力传感器具有良好的柔韧性，不怕形变，并且可靠性高、精度好、温度误差小、制作工艺简单，可用于多种场合，还能非常便捷地对被测量进行检测。
迄今为止，人们已经发现石英、压电陶瓷、氧化锌、聚偏氟乙烯(PVDF)等多种压电材料。最常用的是石英晶体，其性能稳定，机械强度高，绝缘性能好，但价格昂贵，压电系数低，因此一般仅用于标准仪器或要求较高的传感器中。与压电陶瓷和压电晶体相比，压电聚合物具有柔性、高强度、耐冲击性、低介电常数、低密度、高敏感度等优点，在技术应用领域和器件中占有独特的地位。但目前，基于聚偏氟乙烯(PVDF)的压力传感器的灵敏度和检测范围仍不能满足实际的需求，需要继续优化传感器灵敏度和检测范围。
中国专利CN111060238A公开了一种电阻式柔性压力传感器及其制备方法，所述制备方法包括：提供第一柔性衬底，采用激光刻蚀所述第一柔性衬底的一表面，形成至少两种高度的微结构；在所述第一柔性衬底带有所述微结构的表面形成导电层，得到第一柔性基板；提供第二柔性基板，其中，所述第二柔性基板包括第二柔性衬底以及设于所述第二柔性衬底一表面上的电极；以及将所述第二柔性基板层叠设置于所述第一柔性基板上，且使所述电极与部分所述导电层相接触，得到电阻式柔性压力传感器。该发明中的电极布置在第二柔性衬底表面上，电极优选采用AgNWs制得，受到其载流子迁移率的影响，AgNWs对于外部电场变化灵敏度水平一般，该压力传感器对于细微压力的检测水平较差。
发明内容
本发明提供一种基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器及制备方法，以解决现有柔性压力传感器测量对于细微压力测量精度较差等问题。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术方案为：
本发明涉及一种基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器，其包括上层柔性结构和下层柔性结构，所述上层柔性结构包括上层柔性基底，上层柔性基底的下表面凸出有若干微结构，上层柔性基底的下表面附着有压电薄膜；所述下层柔性结构包括下层柔性基底，下层柔性基底的上表面附着有一层二维过渡金属硫化物导电涂层，二维过渡金属硫化物导电涂层上连接有电极，微结构处的压电薄膜与二维过渡金属硫化物导电涂层接触。
优选地，所述的二维过渡金属硫化物导电涂层为二硫化钨层或二硫化钼层。
单层和少层二硫化钨(WS2)、二硫化钼(MoS2)等二维过渡金属硫化物材料具有独特的电学、力学等特性，具有极大的比表面积及易于加工与集成等优点，是制作柔性传感器件的优选材料。申请人经过研究发现，二维过渡金属硫化物，尤其是二硫化钨和二硫化钼具有较高的载流子迁移率，对于外部电场变化具有较高灵敏度，因此可以检测到更细微的压力，使压力传感器的响应范围扩大。
优选地，所述的若干微结构之间的间距范围为50～150μm，微结构高度范围为50～150μm；电极的厚度范围为10～50nm。
优选地，所述的微结构形状为倒圆锥形、圆柱状、倒棱锥状、倒棱柱状或半球状。
优选地，所述的上层柔性基底的材质为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚萘二甲酸乙二醇酯；压电薄膜的材质为聚偏氟乙烯或聚偏氟乙烯与三氟乙烯的共聚物；下层柔性基底的材质为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚萘二甲酸乙二醇酯。
优选地，其还包括封装薄膜，所述的封装薄膜封装包裹上层柔性结构和下层柔性结构。
一种根据权利要求1所述的基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、将聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚萘二甲酸乙二醇酯和固化剂混合均匀后倒入上层柔性基底对应的模具，干燥后脱模，得到含有若干微结构的上层柔性基底；将聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚萘二甲酸乙二醇酯和固化剂混合均匀后倒入下层柔性基底对应的模具，干燥后脱模，得到下层柔性基底；
S2、将聚偏氟乙烯或聚偏氟乙烯与三氟乙烯的共聚物溶解在N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌后将所得物均匀置于上层柔性基底的一个表面上，干燥去除N,N-二甲基甲酰胺DMF后退火处理，得到附着有压电薄膜的上层柔性结构；
S3、以蓝宝石为衬底，以WO3粉末或MoO3粉末为原料，使用管式炉在蓝宝石表面制备WS2薄膜或者MoS2薄膜；
S4、通过湿法转移，将步骤S3制得的金属硫化物薄膜转移到步骤S1制得的下层柔性基底上，即在下层柔性基底上形成一层二维过渡金属硫化物导电涂层；
S5、在二维过渡金属硫化物导电涂层表面蒸镀电极，得到下层柔性结构；
S6、将上层柔性结构置于下层柔性结构的上方，使得微结构处的压电薄膜与二维过渡金属硫化物导电涂层接触，从而制得基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器。
优选地，步骤S1中，将聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚萘二甲酸乙二醇酯和固化剂按照8：1的比例进行混合；干燥过程为在温度80℃的恒温干燥箱中干燥30min；
步骤S2中，取聚偏氟乙烯粉末或摩尔比为75：25的聚偏氟乙烯与三氟乙烯的共聚物粉末进行溶解；所使用的N,N-二甲基甲酰胺的质量百分比为20％；溶解过程为在室温下搅拌12h，而后再用旋涂法将其置于微结构上，然后在80度下干燥5min去除N,N-二甲基甲酰胺，最后进行退火处理得到置于微结构表面上的压电薄膜。
优选地，步骤S3的具体过程为：将NaCl溶于去离子水，使用电子天平称量NaCl晶体20mg，放入烧杯中，并溶于100ml的去离子水，使用玻璃棒搅拌去离子水，加速NaCl晶体的溶解；称量70mg WO3粉末或MoO3粉末，将WO3粉末或MoO3粉末平铺在开口石英舟A开口的一端，WO3粉末或MoO3粉末平铺的长度在0.8cm～1cm区间、宽度在0.4cm～0.6cm区间即可；称量硫粉200mg，将硫粉均匀的平铺在整个开口石英舟B中；然后将蓝宝石浸泡在NaCl溶液中5分钟，用气枪吹干蓝宝石表面的水分，把蓝宝石倒扣在WO3粉末或MoO3粉末上方区域；将开口石英舟A放在宽度3cm的石英片底座上，此时将石英片底座推入到管式炉主炉的中央位置，将开口石英舟B直接推入管式炉预热炉的中央位置；将管式炉中抽真空后，将氩气以150sccm流量通入管式炉内，管式炉主炉温度升温到975℃后维持30min，然后让管式炉自然降温，同时在管式炉主炉温度达到975℃时，给管式炉的预热炉升温，经过10min预热炉升温到150℃，维持40min，然后让管式炉自然降温，最后在蓝宝石衬底上获得WS2或者MoS2薄膜；上述的开口石英舟A、开口石英舟B以及石英片底座在中国专利CN113174583A中已经被公开，此处不再过多赘述；
步骤S4的具体过程为：将附有WS2或者MoS2薄膜的蓝宝石衬底置于恒温台上，通过加热去除样品表面吸附的杂质和水汽；使用匀胶机以2000rpm/s的速度在蓝宝石衬底上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯聚合物1min；恒温台的温度设置为175℃，将旋涂好聚甲基丙烯酸甲酯聚合物的蓝宝石衬底置于恒温台上加热烘干，时长为2～3min，使用刀片刮削蓝宝石衬底的四周，使蓝宝石衬底两面的附着物层分离；将蓝宝石衬底置于去离子水中，去离子水从蓝宝石上刀片刮出的开口涌入，然后通过空气和去离子水接触面的张力将聚甲基丙烯酸甲酯聚合物薄膜脱离，WS2或者MoS2薄膜依附在聚甲基丙烯酸甲酯聚合物薄膜上，随之从蓝宝石衬底上脱离下来；使用下层柔性基底从去离子水中捞取脱离下来的聚甲基丙烯酸甲酯聚合物薄膜，并且使WS2或者MoS2薄膜的那一面面向下层柔性基底，然后用滤纸吸干WS2或者MoS2薄膜和下层柔性基底之间的水分，并且使WS2或者MoS2薄膜尽量平整的贴合下层柔性基底的上表面；然后将下层柔性基底放到温度为80℃的恒温台上加热，烘干多余的水分，再放入丙酮中浸泡2h来去除聚甲基丙烯酸甲酯聚合物薄膜，最后放入去离子水中清洗10min后捞取，完成下层柔性结构的制作。
优选地，步骤S6中还包括：使用封装薄膜对制得的压力传感器进行封装。
采用本发明提供的技术方案，与现有技术相比，具有如下有益效果：
1、本发明所涉及的基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器在上层柔性结构的下表面设有凸起的微结构，微结构上附着有一层压电薄膜，当压力传感器受到压力时，压电薄膜受压，其内部电荷发生极化，两侧表面产生电位差；与此同时，与压电薄膜接触的二维过渡金属硫化物(如WS2或者MoS2)具有较高的载流子迁移率，对于外部电场变化具有较高灵敏度，因此可以检测到更加细微的力，使压力传感器的响应检测范围扩大；当微结构为自下而上截面逐渐变大的形状(如倒圆锥形、倒棱锥形)时，微结构受压时压电薄膜的受压面积会不断变大(参阅图2)，因此压电薄膜两侧产生的电位差也会显著增大，进一步提升了本发明所涉及的压力传感器的灵敏度和检测范围，可用于测量细微压力。
2、本发明所涉及的基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器整体为薄膜结构，各部分均使用柔性材料，具有良好的柔韧性、延展性。
3、本发明中的压电薄膜选用聚偏氟乙烯或聚偏氟乙烯与三氟乙烯的共聚物，聚偏氟乙烯或聚偏氟乙烯与三氟乙烯的共聚物弹性模量接近人体皮肤，不易粘附，减少了测量时的能量损失。
附图说明
图1是本发明所涉及的基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器的结构示意图；
图2是本发明所涉及的基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器受压时的结构示意图；
图3是本发明实施例8所涉及的基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器的结构示意图。
图示说明：1、上层柔性基底，2、下层柔性基底，3、压电薄膜，4、二维过渡金属硫化物导电涂层，5、电极，6、封装薄膜。
具体实施方式
为进一步了解本发明的内容，结合实施例对本发明作详细描述，以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。
实施例1
请参阅图1，本发明涉及一种基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器，其包括上层柔性结构和下层柔性结构，所述上层柔性结构包括上层柔性基底1，上层柔性基底1的下表面凸出有若干微结构11，上层柔性基底1的下表面附着有压电薄膜3；所述下层柔性结构包括下层柔性基底2，下层柔性基底2的上表面附着有一层二维过渡金属硫化物导电涂层4，二维过渡金属硫化物导电涂层4上连接有电极5，微结构11处的压电薄膜3与二维过渡金属硫化物导电涂层4接触。所述的二维过渡金属硫化物导电涂层4为二硫化钨(WS2)层。
所述的若干微结构11之间的间距为50～150μm，微结构11高度为50～150μm；电极5的厚度为10～50nm，电极通过原子层沉积法生长在二硫化钨层上。所述的微结构11形状为倒棱锥形，倒棱锥形的微结构可以通过光刻、等离子蚀刻或模具制得，微结构棱锥面与水平面的夹角为57°。所述的上层柔性基底1的材质为聚酰亚胺；压电薄膜3的材质为聚偏氟乙烯；下层柔性基底2的材质为聚酰亚胺。
实施例2
请参阅图1，本发明涉及一种基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器，其包括上层柔性结构和下层柔性结构，所述上层柔性结构包括上层柔性基底1，上层柔性基底1的下表面凸出有若干微结构11，上层柔性基底1的下表面附着有压电薄膜3；所述下层柔性结构包括下层柔性基底2，下层柔性基底2的上表面附着有一层二维过渡金属硫化物导电涂层4，二维过渡金属硫化物导电涂层4上连接有电极5，微结构11处的压电薄膜3与二维过渡金属硫化物导电涂层4接触。所述的二维过渡金属硫化物导电涂层4为二硫化钼(MoS2)层。
所述的若干微结构11之间的间距为50～150μm，微结构11高度为50～150μm；电极5的厚度为10～50nm，电极通过原子层沉积法生长在二硫化钼层上。所述的微结构11形状为倒棱锥形，倒棱锥形的微结构可以通过光刻、等离子蚀刻或模具制得，微结构棱锥面与水平面的夹角为57°。所述的上层柔性基底1的材质为聚二甲基硅氧烷；压电薄膜3的材质为聚偏氟乙烯；下层柔性基底2的材质为聚二甲基硅氧烷。
实施例3
请参阅图1，本发明涉及一种基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器，其包括上层柔性结构和下层柔性结构，所述上层柔性结构包括上层柔性基底1，上层柔性基底1的下表面凸出有若干微结构11，上层柔性基底1的下表面附着有压电薄膜3；所述下层柔性结构包括下层柔性基底2，下层柔性基底2的上表面附着有一层二维过渡金属硫化物导电涂层4，二维过渡金属硫化物导电涂层4上连接有电极5，微结构11处的压电薄膜3与二维过渡金属硫化物导电涂层4接触。所述的二维过渡金属硫化物导电涂层4为二硫化钨(WS2)层。
所述的若干微结构11之间的间距为50～150μm，微结构11高度为50～150μm；电极5的厚度为10～50nm，电极通过原子层沉积法生长在二硫化钨层上。所述的微结构11形状为倒棱锥形，倒棱锥形的微结构可以通过光刻、等离子蚀刻或模具制得，微结构棱锥面与水平面的夹角为57°。所述的上层柔性基底1的材质为聚酰亚胺；压电薄膜3的材质为聚偏氟乙烯与三氟乙烯的共聚物；下层柔性基底2的材质为聚酰亚胺。
实施例4
请参阅图1，本发明涉及一种基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器，其包括上层柔性结构和下层柔性结构，所述上层柔性结构包括上层柔性基底1，上层柔性基底1的下表面凸出有若干微结构11，上层柔性基底1的下表面附着有压电薄膜3；所述下层柔性结构包括下层柔性基底2，下层柔性基底2的上表面附着有一层二维过渡金属硫化物导电涂层4，二维过渡金属硫化物导电涂层4上连接有电极5，微结构11处的压电薄膜3与二维过渡金属硫化物导电涂层4接触。所述的二维过渡金属硫化物导电涂层4为二硫化钼(MoS2)层。
所述的若干微结构11之间的间距为50～150μm，微结构11高度为50～150μm；电极5的厚度为10～50nm，电极通过原子层沉积法生长在二硫化钼层上。所述的微结构11形状为倒棱锥形，倒棱锥形的微结构可以通过光刻、等离子蚀刻或模具制得，微结构棱锥面与水平面的夹角为57°。所述的上层柔性基底1的材质为聚酰亚胺；压电薄膜3的材质为聚偏氟乙烯与三氟乙烯的共聚物；下层柔性基底2的材质为聚酰亚胺。
实施例5
请参阅图1，本发明涉及一种基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器，其包括上层柔性结构和下层柔性结构，所述上层柔性结构包括上层柔性基底1，上层柔性基底1的下表面凸出有若干微结构11，上层柔性基底1的下表面附着有压电薄膜3；所述下层柔性结构包括下层柔性基底2，下层柔性基底2的上表面附着有一层二维过渡金属硫化物导电涂层4，二维过渡金属硫化物导电涂层4上连接有电极5，微结构11处的压电薄膜3与二维过渡金属硫化物导电涂层4接触。所述的二维过渡金属硫化物导电涂层4为二硫化钨(WS2)层。
所述的若干微结构11之间的间距为50～150μm，微结构11高度为50～150μm；电极5的厚度为10～50nm，电极通过原子层沉积法生长在二硫化钨层上。所述的微结构11形状为倒棱锥形，倒棱锥形的微结构可以通过光刻、等离子蚀刻或模具制得，微结构棱锥面与水平面的夹角为57°。所述的上层柔性基底1的材质为聚二甲基硅氧烷；压电薄膜3的材质为聚偏氟乙烯与三氟乙烯的共聚物；下层柔性基底2的材质为聚二甲基硅氧烷。
实施例6
请参阅图1，本发明涉及一种基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器，其包括上层柔性结构和下层柔性结构，所述上层柔性结构包括上层柔性基底1，上层柔性基底1的下表面凸出有若干微结构11，上层柔性基底1的下表面附着有压电薄膜3；所述下层柔性结构包括下层柔性基底2，下层柔性基底2的上表面附着有一层二维过渡金属硫化物导电涂层4，二维过渡金属硫化物导电涂层4上连接有电极5，微结构11处的压电薄膜3与二维过渡金属硫化物导电涂层4接触。所述的二维过渡金属硫化物导电涂层4为二硫化钼(MoS2)层。
所述的若干微结构11之间的间距为50～150μm，微结构11高度为50～150μm；电极5的厚度为10～50nm，电极通过原子层沉积法生长在二硫化钼层上。所述的微结构11形状为倒棱锥形，倒棱锥形的微结构可以通过光刻、等离子蚀刻或模具制得，微结构棱锥面与水平面的夹角为57°。所述的上层柔性基底1的材质为聚萘二甲酸乙二醇酯；压电薄膜3的材质为聚偏氟乙烯与三氟乙烯的共聚物；下层柔性基底2的材质为聚萘二甲酸乙二醇酯。
实施例7
请参阅图1，本发明涉及一种基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器，其包括上层柔性结构和下层柔性结构，所述上层柔性结构包括上层柔性基底1，上层柔性基底1的下表面凸出有若干微结构11，上层柔性基底1的下表面附着有压电薄膜3；所述下层柔性结构包括下层柔性基底2，下层柔性基底2的上表面附着有一层二维过渡金属硫化物导电涂层4，二维过渡金属硫化物导电涂层4上连接有电极5，微结构11处的压电薄膜3与二维过渡金属硫化物导电涂层4接触。所述的二维过渡金属硫化物导电涂层4为二硫化钨(WS2)层。
所述的若干微结构11之间的间距为50～150μm，微结构11高度为50～150μm；电极5的厚度为10～50nm，电极通过原子层沉积法生长在二硫化钨层上。所述的微结构11形状为倒圆锥形，倒圆锥形的微结构可以通过光刻、等离子蚀刻或模具制得。所述的上层柔性基底1的材质为聚酰亚胺；压电薄膜3的材质为聚偏氟乙烯；下层柔性基底2的材质为聚酰亚胺。
实施例8
请参阅图3，本发明涉及一种基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器，其包括上层柔性结构和下层柔性结构，所述上层柔性结构包括上层柔性基底1，上层柔性基底1的下表面凸出有若干微结构11，上层柔性基底1的下表面附着有压电薄膜3；所述下层柔性结构包括下层柔性基底2，下层柔性基底2的上表面附着有一层二维过渡金属硫化物导电涂层4，二维过渡金属硫化物导电涂层4上连接有电极5，微结构11处的压电薄膜3与二维过渡金属硫化物导电涂层4接触。所述的二维过渡金属硫化物导电涂层4为二硫化钨(WS2)层。
所述的若干微结构11之间的间距为50～150μm，微结构11高度为50～150μm；电极5的厚度为10～50nm，电极为导电金属，电极通过原子层沉积法生长在二硫化钨层上。所述的微结构11形状为倒圆锥形，倒圆锥形的微结构可以通过光刻、等离子蚀刻或模具制得。所述的上层柔性基底1的材质为聚酰亚胺；压电薄膜3的材质为聚偏氟乙烯；下层柔性基底2的材质为聚酰亚胺。
请参阅图2，微结构受压时压电薄膜的受压面积会不断变大，因此压电薄膜两侧产生的电位差也会显著增大，进一步提升了本发明所涉及的压力传感器的灵敏度和检测范围，可用于测量细微压力。
本实施例还包括封装薄膜，所述的封装薄膜封装包裹上层柔性结构和下层柔性结构。
本发明还涉及一种基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
S1、将聚酰亚胺和固化剂混合均匀后倒入上层柔性基底对应的模具，干燥后脱模，得到含有若干微结构的上层柔性基底；将聚酰亚胺和固化剂混合均匀后倒入下层柔性基底对应的模具，干燥后脱模，得到下层柔性基底；
其中，聚酰亚胺和固化剂按照8：1的比例进行混合；干燥过程为在温度80℃的恒温干燥箱中干燥30min；
S2、选择聚偏氟乙烯粉末，将其溶解在20wt％的N,N-二甲基甲酰胺(DMF)中，并在室温下搅拌12h，再用旋涂法将所得物均匀置于上层柔性基底的一个表面，使其覆盖微结构，然后在80℃下干燥5min去除N,N-二甲基甲酰胺，最后进行退火处理得到附着有压电薄膜的上层柔性结构；
S3、将NaCl溶于去离子水，使用电子天平称量NaCl晶体20mg，放入烧杯中，并溶于100ml的去离子水，使用玻璃棒搅拌去离子水，加速NaCl晶体的溶解；称量70mg WO3粉末，将WO3粉末平铺在开口石英舟A开口的一端，WO3粉末平铺的长度在0.8cm～1cm区间、宽度在0.4cm～0.6cm区间即可；称量硫粉200mg，将硫粉均匀的平铺在整个开口石英舟B中；然后将蓝宝石浸泡在NaCl溶液中5分钟，用气枪吹干蓝宝石表面的水分，把蓝宝石倒扣在WO3粉末上方区域；将开口石英舟A放在宽度3cm的石英片底座上，此时将石英片底座推入到管式炉主炉的中央位置，将开口石英舟B直接推入管式炉预热炉的中央位置；将管式炉中抽真空后，将氩气以150sccm流量通入管式炉内，管式炉主炉温度升温到975℃后维持30min，然后让管式炉自然降温，同时在管式炉主炉温度达到975℃时，给管式炉的预热炉升温，经过10min预热炉升温到150℃，维持40min，然后让管式炉自然降温，最后在蓝宝石衬底上获得WS2薄膜；上述的开口石英舟A、开口石英舟B以及石英片底座在中国专利CN113174583A中已经被公开，此处不再过多赘述；
S4、将附有WS2薄膜的蓝宝石衬底置于恒温台上，通过加热去除样品表面吸附的杂质和水汽；使用匀胶机以2000rpm/s的速度在蓝宝石衬底上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯聚合物1min；恒温台的温度设置为175℃，将旋涂好聚甲基丙烯酸甲酯聚合物的蓝宝石衬底置于恒温台上加热烘干，时长为2～3min，使用刀片刮削蓝宝石衬底的四周，使蓝宝石衬底两面的附着物层分离；将蓝宝石衬底置于去离子水中，去离子水从蓝宝石上刀片刮出的开口涌入，然后通过空气和去离子水接触面的张力将聚甲基丙烯酸甲酯聚合物薄膜从蓝宝石表面脱离，由于聚甲基丙烯酸甲酯聚合物强烈的粘性，WS2薄膜依附在聚甲基丙烯酸甲酯聚合物薄膜上，随之从蓝宝石衬底上脱离下来；使用下层柔性基底从去离子水中捞取脱离下来的聚甲基丙烯酸甲酯聚合物薄膜，并且使WS2薄膜的那一面面向下层柔性基底，然后用滤纸吸干WS2薄膜和下层柔性基底之间的水分，并且使WS2薄膜尽量平整的贴合下层柔性基底的上表面；然后将下层柔性基底放到温度为80℃的恒温台上加热，烘干多余的水分，再放入丙酮中浸泡2h来去除聚甲基丙烯酸甲酯聚合物薄膜，最后放入去离子水中清洗10min后捞取，完成下层柔性结构的制作。
S5、在二维过渡金属硫化物导电涂层表面蒸镀电极，将电极通过原子层沉积法生长在WS2导电涂层上，得到下层柔性结构；
S6、将上层柔性结构置于下层柔性结构的上方，使得微结构处的压电薄膜与二维过渡金属硫化物导电涂层接触，制得基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器，再使用封装薄膜对制得的压力传感器进行封装。
以上结合实施例对本发明进行了详细说明，但所述内容仅为本发明的较佳实施例，不能被认为用于限定本发明的实施范围。凡依本发明申请范围所作的均等变化与改进等，均应仍属于本发明的专利涵盖范围之内。
Claims (10)
1.一种基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器，其特征在于：其包括上层柔性结构和下层柔性结构，所述上层柔性结构包括上层柔性基底，上层柔性基底的下表面凸出有若干微结构，上层柔性基底的下表面附着有压电薄膜；所述下层柔性结构包括下层柔性基底，下层柔性基底的上表面附着有一层二维过渡金属硫化物导电涂层，二维过渡金属硫化物导电涂层上连接有电极，微结构处的压电薄膜与二维过渡金属硫化物导电涂层接触。
2.根据权利要求1所述的基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器，其特征在于：所述的二维过渡金属硫化物导电涂层为二硫化钨层或二硫化钼层。
3.根据权利要求1所述的基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器，其特征在于：所述的若干微结构之间的间距范围为50～150μm，微结构高度范围为50～150μm；电极的厚度范围为10～50nm。
4.根据权利要求1所述的基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器，其特征在于：所述的微结构形状为倒圆锥形、圆柱状、倒棱锥状、倒棱柱状或半球状。
5.根据权利要求1所述的基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器，其特征在于：所述的上层柔性基底的材质为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚萘二甲酸乙二醇酯；压电薄膜的材质为聚偏氟乙烯或聚偏氟乙烯与三氟乙烯的共聚物；下层柔性基底的材质为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚萘二甲酸乙二醇酯。
6.根据权利要求1所述的基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器，其特征在于：其还包括封装薄膜，所述的封装薄膜封装包裹上层柔性结构和下层柔性结构。
7.一种根据权利要求1所述的基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器的制备方法，其特征在于包括以下步骤：
S1、将聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚萘二甲酸乙二醇酯和固化剂混合均匀后倒入上层柔性基底对应的模具，干燥后脱模，得到含有若干微结构的上层柔性基底；将聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚萘二甲酸乙二醇酯和固化剂混合均匀后倒入下层柔性基底对应的模具，干燥后脱模，得到下层柔性基底；
S2、将聚偏氟乙烯或聚偏氟乙烯与三氟乙烯的共聚物溶解在N,N-二甲基甲酰胺中，搅拌后将所得物均匀置于上层柔性基底的一个表面上，干燥去除N,N-二甲基甲酰胺DMF后退火处理，得到附着有压电薄膜的上层柔性结构；
S3、以蓝宝石为衬底，以WO3粉末或MoO3粉末为原料，使用管式炉在蓝宝石表面制备WS2薄膜或者MoS2薄膜；
S4、通过湿法转移，将步骤S3制得的金属硫化物薄膜转移到步骤S1制得的下层柔性基底上，即在下层柔性基底上形成一层二维过渡金属硫化物导电涂层；
S5、在二维过渡金属硫化物导电涂层表面蒸镀电极，得到下层柔性结构；
S6、将上层柔性结构置于下层柔性结构的上方，使得微结构处的压电薄膜与二维过渡金属硫化物导电涂层接触，从而制得基于二维金属硫化物和压电薄膜的压力传感器。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：
步骤S1中，将聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺或聚萘二甲酸乙二醇酯和固化剂按照8：1的比例进行混合；干燥过程为在温度80℃的恒温干燥箱中干燥30min；
步骤S2中，取聚偏氟乙烯粉末或摩尔比为75：25的聚偏氟乙烯与三氟乙烯的共聚物粉末进行溶解；所使用的N,N-二甲基甲酰胺的质量百分比为20％；溶解过程为在室温下搅拌12h，而后再用旋涂法将其置于微结构上，然后在80度下干燥5min去除N,N-二甲基甲酰胺，最后进行退火处理得到置于微结构表面上的压电薄膜。
9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：
步骤S3的具体过程为：将NaCl溶于去离子水，使用电子天平称量NaCl晶体20mg，放入烧杯中，并溶于100ml的去离子水，使用玻璃棒搅拌去离子水，加速NaCl晶体的溶解；称量70mgWO3粉末或MoO3粉末，将WO3粉末或MoO3粉末平铺在开口石英舟A开口的一端，WO3粉末或MoO3粉末平铺的长度在0.8cm～1cm区间、宽度在0.4cm～0.6cm区间即可；称量硫粉200mg，将硫粉均匀的平铺在整个开口石英舟B中；然后将蓝宝石浸泡在NaCl溶液中5分钟，用气枪吹干蓝宝石表面的水分，把蓝宝石倒扣在WO3粉末或MoO3粉末上方区域；将开口石英舟A放在宽度3cm的石英片底座上，此时将石英片底座推入到管式炉主炉的中央位置，将开口石英舟B直接推入管式炉预热炉的中央位置；将管式炉中抽真空后，将氩气以150sccm流量通入管式炉内，管式炉主炉温度升温到975℃后维持30min，然后让管式炉自然降温，同时在管式炉主炉温度达到975℃时，给管式炉的预热炉升温，经过10min预热炉升温到150℃，维持40min，然后让管式炉自然降温，最后在蓝宝石衬底上获得WS2或者MoS2薄膜；
步骤S4的具体过程为：将附有WS2或者MoS2薄膜的蓝宝石衬底置于恒温台上，通过加热去除样品表面吸附的杂质和水汽；使用匀胶机以2000rpm/s的速度在蓝宝石衬底上旋涂聚甲基丙烯酸甲酯聚合物1min；恒温台的温度设置为175℃，将旋涂好聚甲基丙烯酸甲酯聚合物的蓝宝石衬底置于恒温台上加热烘干，时长为2～3min，使用刀片刮削蓝宝石衬底的四周，使蓝宝石衬底两面的附着物层分离；将蓝宝石衬底置于去离子水中，去离子水从蓝宝石上刀片刮出的开口涌入，然后通过空气和去离子水接触面的张力将聚甲基丙烯酸甲酯聚合物薄膜脱离，WS2或者MoS2薄膜依附在聚甲基丙烯酸甲酯聚合物薄膜上，随之从蓝宝石衬底上脱离下来；使用下层柔性基底从去离子水中捞取脱离下来的聚甲基丙烯酸甲酯聚合物薄膜，并且使WS2或者MoS2薄膜的那一面面向下层柔性基底，然后用滤纸吸干WS2或者MoS2薄膜和下层柔性基底之间的水分，并且使WS2或者MoS2薄膜尽量平整的贴合下层柔性基底的上表面；然后将下层柔性基底放到温度为80℃的恒温台上加热，烘干多余的水分，再放入丙酮中浸泡2h来去除聚甲基丙烯酸甲酯聚合物薄膜，最后放入去离子水中清洗10min后捞取，完成下层柔性结构的制作。
10.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：步骤S6中还包括：使用封装薄膜对制得的压力传感器进行封装。
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Legal Events
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