CN114295261A - 一种柔性薄膜及其制备方法与基于柔性薄膜的传感器 - Google Patents

Abstract

本发明属于柔性力学传感器以及微机电技术领域，具体为一种表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜及其制备方法，及基于此柔性薄膜制备的传感器，解决了背景技术中的技术问题，柔性薄膜的正面具有均匀分布的多个微米级正四棱锥台结构，正四棱锥台结构的表面辅以多个随机、紧密排列的纳米级凸起结构。本发明的表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜表面具有微纳米级别结构，可有效提升薄膜表面比表面积，利用本发明的三种柔性力学传感器的灵敏度高、微弱压力感知能力强和测量范围广；本发明所述的方法操作步骤简单，而且实施条件要求低，满足生产成本等要求，可利用硅片模板批量制备柔性薄膜。

Description

一种柔性薄膜及其制备方法与基于柔性薄膜的传感器

技术领域

本发明属于柔性力学传感器以及微机电技术领域，具体为一种表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜及其制备方法，及基于此柔性薄膜制备的传感器。

背景技术

随着传感技术的发展，为满足时代发展需求，柔性力学传感器被广泛研究以感知生理力学参量。目前，柔性力学传感器主要有电阻式、电容式、压电式和摩擦起电式四种模式。除压电式外，其余三种模式均可以以多层薄膜结构构成。电阻式是将力学变化转换成电阻阻值变化进行测量，其电阻阻值随外力变化而变化。电容式是将力学变化转换成电容容值变化进行测量，其电容容值随外力变化而变化。摩擦起电式是将力学变化转换成摩擦诱导电荷变化进行测量，其摩擦诱导电荷积累量随外力变化而变化。为实现对微弱生理力学信息测量（如脉搏跳动信号），柔性力学传感器微弱压力感知能力、灵敏度和测量范围等电学性能成为关键。然而，如何有效提升柔性力学传感器电学性能仍是当今世界面临的重大问题。

近年来，国内外学者围绕提升柔性力学传感器电学性能展开了大量探索。对于电阻式柔性力学传感器件，表面具有微结构的薄膜（薄膜表面有一层电阻敏感材料）在外力作用下有利于形变，进而提升器件在单位外力作用下的电阻变化量。对于电容式柔性力学传感器件，表面具有微结构的薄膜（薄膜表面有一层导电电极）具有更大比表面积，进而提升器件在单位外力作用下的电容变化量。对于摩擦起电式柔性力学传感器件，表面具有微结构的薄膜（薄膜表面具有导电材料的作为正性摩擦材料，薄膜表面没有导电材料的作为负性摩擦材料）具有更大比表面积，进而提升器件在单位外力作用下的摩擦诱导电荷积累量。专利CN113340483A提出了一种利用热膨胀微球制备微凸起结构并用于电阻式柔性力学传感器的方法，用于测量人体微弱脉搏信号。南方科技大学郭传飞等人提出基于荷叶表面微结构的电容式柔性力学传感器件用于测量人体关键运动信息（DOI：10.1002/aelm.201700586）。专利CN10829482B基于等离子体刻蚀工艺（ICP）在聚合物薄膜表面制备出纳米线状或柱状结构，并以此构建了摩擦起电式柔性力学传感器用于测量人体微弱脉搏信号。虽然基于上述方法构建的柔性力学传感器实现了对人体生理力学信号测测量，但是柔性薄膜的制备方法未采用模板法制备，所以在薄膜表面制备得到的微结构具有一定随机性且器件电学性能一致性差。

发明内容

本发明旨在解决如何有效提升柔性力学传感器电学性能的技术问题，提供了一种表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜及其制备方法，及基于此柔性薄膜制备的传感器。该柔性薄膜能够用于提升电阻式、电容式和摩擦起电式柔性力学传感器微弱压力感知能力、灵敏度和测量范围等电学性能，该传感器能够实时、精准地测量微弱生理力学信息，实现器件的可穿戴应用。

本发明解决其技术问题采用的技术手段是：一种表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜，柔性薄膜的正面具有均匀分布的多个微米级正四棱锥台结构，正四棱锥台结构的表面辅以多个随机、紧密排列的纳米级凸起结构，柔性薄膜的材料为硅橡胶或水凝胶中的一种。在微米级正四棱锥台结构的表面再增加纳米级凸起结构，这样可大幅提升柔性薄膜表面比表面积。进而该柔性薄膜能够用于提升电阻式、电容式和摩擦起电式柔性力学传感器微弱压力感知能力、灵敏度和测量范围等电学性能，实现对微弱生理力学信息准确测量（如脉搏跳动信号）。硅橡胶为PDMS或Ecoflex，PDMS为聚二甲基硅氧烷，指的是道康宁公司的sylgard 184这款产品；Ecoflex是美国Smooth-On公司的产品，这个产品的名称是Ecoflex 00-30。

优选的，正四棱锥台结构的底面边长为3~50μm，每个正四棱锥台结构之间间距与正四棱锥台结构底面边长相等，凸起结构近似为直径为5~500nm的半球形。这样设置能最大限度的提升柔性薄膜的比表面积。

本发明解决其技术问题还采用的另一种技术手段是：表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜作为基底材料在电阻式、电容式或摩擦起电式柔性力学传感器中的应用。表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜作为基底材料可用于提升电阻式、电容式和摩擦起电式柔性力学传感器微弱压力感知能力、灵敏度和测量范围等电学性能，使得传感器能够实时、精准地测量微弱生理力学信息，实现器件的可穿戴应用。

本发明解决其技术问题还提供了一种电阻式柔性力学传感器，由上至下包括第一封装层、电极层、电阻层和第二封装层，电阻层由表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜制成，柔性薄膜正面朝上，柔性薄膜的正面涂覆有导电溶液层，导电溶液层主要材料为含有碳纳米管、石墨烯、炭黑、金属纳米颗粒或PEDOT:PSS其中一种的溶液；PEDOT:PSS是聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐，第一封装层和第二封装层材料相同且均为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或表面无结构的硅橡胶中的一种。硅橡胶为PDMS或Ecoflex，PDMS为聚二甲基硅氧烷，指的是道康宁公司的sylgard 184这款产品；Ecoflex是美国Smooth-On公司的产品，这个产品的名称是Ecoflex 00-30。柔性薄膜在该电阻式柔性力学传感器中作为敏感材料，该柔性薄膜可提高单位作用力下表面形变量，进而提高灵敏度、微弱压力感知能力和测量范围等电学性能。电阻式柔性力学传感器中的电阻层为敏感材料，当传感器受到外力时，电阻层发生形变并产生电阻变化，同时电极层与电阻层的接触面积发生变化。在两者共同作用下，传感器整体电阻随着外力变化而发生变化。两层封装层上下配合，使柔性力学传感器免受外界环境因素干扰，提高信噪比，使其测量到的信号更加稳定。

本发明解决其技术问题还提供了一种电容式柔性力学传感器，由上至下包括第一封装层、第一电极层、介电层、第二电极层、基底层和第二封装层；基底层由表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜制成，介电层为含有高介电常数材料的柔性薄膜；第一电极层和第二电极层材料相同且均由金属导电材料或者离子导电材料制成，第一电极层附着至第一封装层的下表面，第二电极层附着至基底层柔性薄膜的正面，基底层柔性薄膜的正面朝上；第一封装层和第二封装层材料相同且均为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或表面无结构的硅橡胶中的一种。硅橡胶为PDMS或Ecoflex，PDMS为聚二甲基硅氧烷，指的是道康宁公司的sylgard 184这款产品；Ecoflex是美国Smooth-On公司的产品，这个产品的名称是Ecoflex 00-30。表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜在该电容式柔性力学传感器中作为基底层，该柔性薄膜可提高单位作用力下表面形变量，进而提高灵敏度、微弱压力感知能力和测量范围等电学性能，电容式柔性力学传感器中的介电层为敏感材料，当传感器受到外力时，介电层发生形变并产生电容变化，同时第一电极层和第二电极层之间的相对面积发生变化。在两者共同作用下，传感器整体电容随着外力变化而发生变化。两层封装层上下配合，使柔性力学传感器免受外界环境因素干扰，提高信噪比，使其测量到的信号更加稳定。

本发明解决其技术问题还提供了一种摩擦起电式柔性力学传感器，由上至下包括第一封装层、第一电极层、第一薄膜层、间隔层、第二电极层、第二薄膜层、第二封装层；第一薄膜层和第二薄膜层材料相同且均由表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜制成，第一薄膜层和第二薄膜层的正面朝内相对设置；第一封装层和第二封装层材料相同且均为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或表面无结构的硅橡胶中的一种；第一电极层和第二电极层材料相同且均由金属导电材料或者离子导电材料制成，第一电极层附着至第一薄膜层的背面，第二电极层附着至第二薄膜层的正面；间隔层的材料与第一封装层或第二封装层一致。硅橡胶为PDMS或Ecoflex，PDMS为聚二甲基硅氧烷，指的是道康宁公司的sylgard 184这款产品；Ecoflex是美国Smooth-On公司的产品，这个产品的名称是Ecoflex00-30。对于摩擦起电式柔性力学传感器，表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜可提高摩擦层表面电荷密度，进而提高灵敏度、微弱压力感知能力和测量范围等电学性能，上述柔性力学传感器能够实时、精准地监测微弱生理力学信号；摩擦起电式柔性力学传感器中的第一电极层和第二电极层材料得失电子能力存在差异，当两种材料接触摩擦时，易失去电子的第二电极层失去电子，易得到电子的第一电极层得到电子，使导电材料与外部负载电路相连，当第一电极层和第二电极层之间彼此分离时，就会有电荷经过外部负载电路产生流动，并产生电学信号。两层封装层上下配合，使柔性力学传感器免受外界环境因素干扰，提高信噪比，使其测量到的信号更加稳定。

本发明解决其技术问题还提供了一种柔性薄膜的制备方法，包括以下步骤：步骤一、制备硅片模板：将表面具有氧化层的单抛硅片通过光刻、显影以及经缓冲氧化物刻蚀液刻蚀后，在其抛光表面腐蚀掉规则的方形氧化硅层；接着利用四甲基氢氧化铵溶液生成的雾气对硅片进行各项异性刻蚀，制备得到低粗糙度高表面质量的微米级内凹正四棱锥台结构，将硅片放入缓冲氧化物刻蚀液中去除硅片表面剩余二氧化硅层；然后利用等离子体增强化学的气相沉积或原子层沉积工艺在硅片表面沉积一层几纳米至几十纳米厚度的氧化硅层，然后将硅片放入四甲基氢氧化铵溶液中进行湿法刻蚀，以在现有结构表面形成纳米级凹陷结构，最后，将处理后的硅片放入缓冲氧化物刻蚀液中去除硅片表面剩余的二氧化硅层，制备得到表面具有经过修饰后的内凹微锥台阵列结构的硅片模板；步骤二、在步骤一中制备好的硅片模板上喷涂脱模剂，然后将按照比例配置好的柔性聚合物材料预聚物旋涂至硅片表面并在一定温度环境中固化，最后，将固化后的柔性聚合物薄膜从硅片模板表面剥离，从而得到表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构柔性薄膜。一般在MEMS工艺中，为了避免沉积的二氧化硅薄膜的致密性太差，因此一般都是沉积厚度为好几百纳米以上的薄膜，而本申请所述方法正好是利用了“薄膜过薄时致密性差”的缺陷，从而制备了凸起结构。

本发明的有益效果是：本发明的表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜表面具有微纳米级别结构，可有效提升薄膜表面比表面积；对于电阻式柔性力学传感器，该薄膜可提高单位作用力下表面形变量，进而提高灵敏度、微弱压力感知能力和测量范围等电学性能；对于电容式柔性力学传感器，该薄膜可提高有效电极面积，进而提高灵敏度、微弱压力感知能力和测量范围等电学性能；对于摩擦起电式柔性力学传感器，该薄膜可提高摩擦层表面电荷密度，进而提高灵敏度、微弱压力感知能力和测量范围等电学性能；基于本发明所述柔性薄膜制成的柔性力学传感器可放置在人体不同部位，能够实时、精准地监测微弱生理力学信号；本发明提供的三种柔性力学传感器中的各个部分均具有柔韧性，如电极层是将柔性材料表面形成导电层制作而成，因此传感器具有柔性，可无感贴敷在人体弯曲皮肤表面，实现力学传感器可穿戴应用；本发明的三种柔性力学传感器均包含两层封装层，这两层封装层上下配合，使柔性力学传感器免受外界环境因素干扰，提高信噪比，使其测量到的信号更加稳定；利用本发明的三种柔性力学传感器的灵敏度高、微弱压力感知能力强和测量范围广，而且不仅可以测量桡动脉脉搏，还可以测量颈部等部位的脉搏跳动，也可以将其固定在关节处用于测量肢体运动状态，将人体各种生理信息收集后，利用大数据、人工智能等手段处理，可实现对人体心血管疾病、骨关节疾病等的监测，实现无创伤监测，进一步对人体肢体运动疾病和心血管疾病起到初步诊断和预防作用，为远程医疗提供解决方案；本发明所述的方法操作步骤简单，而且实施条件要求低，满足生产成本等要求，可利用硅片模板批量制备柔性薄膜。

附图说明

为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本发明所述柔性薄膜上表面具有修饰后的微锥台阵列结构的结构示意图。

图2为本发明所述的电阻式柔性力学传感器的结构示意图。

图3为本发明所述的电容式柔性力学传感器的结构示意图。

图4为本发明所述的摩擦生电式柔性力学传感器的结构示意图。

图中：1、正四棱锥台结构；2、凸起结构；3、第一封装层；4、电极层；5、电阻层；6、第二封装层；7、导电溶液层；8、第一电极层；9、介电层；10、第二电极层；11、基底层；12、第一薄膜层；13、间隔层；14、第二薄膜层。

具体实施方式

下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。

在本发明的描述中，需要说明的是，术语 “第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明提供了一种柔性薄膜的制备方法，包括以下步骤：

步骤一、制备硅片模板：将表面具有氧化层的单抛硅片通过光刻、显影以及经缓冲氧化物刻蚀液刻蚀后，在其表面腐蚀掉规则的方形氧化硅层；雾化处理时，将硅片固定在晶圆夹持器上并放入内有四甲基氢氧化铵溶液的雾化装置中，随后，利用雾化装置中的超声换能器将四甲基氢氧化铵溶液雾化，并且利用风动装置将雾化气体均匀分散至装置容器内，使硅片表面发生各项异性刻蚀，制备得到低粗糙度高表面质量的微米级内凹正四棱锥台结构1，将硅片放入缓冲氧化物刻蚀液中去除硅片表面剩余二氧化硅层；然后利用等离子体增强化学的气相沉积或原子层沉积工艺在硅片表面沉积一层几纳米至几十纳米厚度的氧化硅层，然后将硅片放入四甲基氢氧化铵溶液中进行湿法刻蚀，以在现有结构表面形成纳米级凹陷结构，最后，将处理后的硅片放入缓冲氧化物刻蚀液中去除硅片表面剩余的二氧化硅层，制备得到表面具有经过修饰后的内凹微锥台阵列结构的硅片模板，其中，正四棱锥台结构1底面边长为3~50μm；每个正四棱锥台结构1之间距离与该结构底面边长相等；纳米凹陷结构近似为半球形，其直径为5~500nm；

步骤二、在步骤一中制备好的硅片模板上喷涂脱模剂，喷涂脱模剂以防止预聚物固化时与硅片表面粘连，然后将按照比例配置好的柔性聚合物材料预聚物旋涂至硅片表面并在一定温度环境中固化，柔性聚合物材料为硅橡胶或水凝胶中的一种，最后，将固化后的柔性聚合物薄膜从硅片模板表面剥离，从而得到表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构柔性薄膜，柔性聚合物薄膜厚度为10~500μm；可用可腐蚀金属替代脱模剂，可复试金属为铝等金属材料，利用溅射工艺在硅片模板表面沉积铝薄膜，然后将附有固化后柔性薄膜的硅片放入盐酸中，便可剥离出表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构柔性薄膜。一般在MEMS工艺中，为了避免沉积的二氧化硅薄膜的致密性太差，因此一般都是沉积厚度为好几百纳米以上的薄膜，而本申请所述方法正好是利用了“薄膜过薄时致密性差”的缺陷，从而制备了凸起结构2。硅橡胶为PDMS或Ecoflex，PDMS为聚二甲基硅氧烷，指的是道康宁公司的sylgard 184这款产品；Ecoflex是美国Smooth-On公司的产品，这个产品的名称是Ecoflex00-30。

本发明提供了一种表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜，柔性薄膜的正面具有均匀分布的多个微米级正四棱锥台结构1，正四棱锥台结构1的表面辅以多个随机、紧密排列的纳米级凸起结构2，柔性薄膜的材料为硅橡胶或水凝胶中的一种；正四棱锥台结构1的底面边长为3~50μm，每个正四棱锥台结构1之间间距与正四棱锥台结构1底面边长相等，凸起结构2近似为直径为5~500nm的半球形。硅橡胶为PDMS或Ecoflex，PDMS为聚二甲基硅氧烷，指的是道康宁公司的sylgard 184这款产品；Ecoflex是美国Smooth-On公司的产品，这个产品的名称是Ecoflex 00-30。这样设置能最大限度的提升柔性薄膜的比表面积。在微米级正四棱锥台结构1的表面再增加纳米级凸起结构2，这样可大幅提升柔性薄膜表面比表面积。进而该柔性薄膜能够用于提升电阻式、电容式和摩擦起电式柔性力学传感器微弱压力感知能力、灵敏度和测量范围等电学性能，实现对微弱生理力学信息准确测量（如脉搏跳动信号）。

本发明还提供了：表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜作为基底材料在电阻式、电容式或摩擦起电式柔性力学传感器中的应用。表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜作为基底材料可用于提升电阻式、电容式和摩擦起电式柔性力学传感器微弱压力感知能力、灵敏度和测量范围等电学性能，使得传感器能够实时、精准地测量微弱生理力学信息，实现器件的可穿戴应用。

本发明还提供了一种电阻式柔性力学传感器，由上至下包括第一封装层3、电极层4、电阻层5和第二封装层6，电阻层5由表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜制成，柔性薄膜正面朝上，柔性薄膜的正面涂覆有导电溶液层7，导电溶液层7主要材料为含有碳纳米管、石墨烯、炭黑、金属纳米颗粒或PEDOT:PSS其中一种的溶液；PEDOT:PSS是聚3，4-乙烯二氧噻吩/聚苯乙烯磺酸盐，第一封装层3和第二封装层6材料相同且均为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或表面无结构的硅橡胶中的一种。硅橡胶为PDMS或Ecoflex，PDMS为聚二甲基硅氧烷，指的是道康宁公司的sylgard 184这款产品；Ecoflex是美国Smooth-On公司的产品，这个产品的名称是Ecoflex 00-30。柔性薄膜在该电阻式柔性力学传感器中作为敏感材料，该柔性薄膜可提高单位作用力下表面形变量，进而提高灵敏度、微弱压力感知能力和测量范围等电学性能。电阻式柔性力学传感器中的电阻层5为敏感材料，当传感器受到外力时，电阻层5发生形变并产生电阻变化，同时电极层4与电阻层5的接触面积发生变化。在两者共同作用下，传感器整体电阻随着外力变化而发生变化。两层封装层上下配合，使柔性力学传感器免受外界环境因素干扰，提高信噪比，使其测量到的信号更加稳定。

本发明所述一种电阻式柔性力学传感器的制备方法为：首先，准备含有导电材料的溶液和第一封装层3；然后，利用沉积工艺（溅射或蒸镀等）在封装层表面制备一层金属材料，作为电极层4；接着，将导电溶液喷涂至表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构柔性薄膜表面，作为电阻层5；最后，在表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构柔性薄膜背面放置第二封装层6，与第一封装层3组合成柔性密封结构对传感器进行封装。其中，封装层厚度范围为10~500μm，电极层4厚度为100~700nm，电阻层5厚度为10nm~100μm。

本发明还提供了一种电容式柔性力学传感器，由上至下包括第一封装层3、第一电极层8、介电层9、第二电极层10、基底层11和第二封装层6；基底层11由表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜制成，介电层9为含有高介电常数材料的柔性薄膜；第一电极层8和第二电极层10材料相同且均由金属导电材料或者离子导电材料制成，第一电极层8附着至第一封装层3的下表面，第二电极层10附着至基底层11柔性薄膜的正面，基底层11柔性薄膜的正面朝上；第一封装层3和第二封装层6材料相同且均为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或表面无结构的硅橡胶中的一种。硅橡胶为PDMS或Ecoflex，PDMS为聚二甲基硅氧烷，指的是道康宁公司的sylgard 184这款产品；Ecoflex是美国Smooth-On公司的产品，这个产品的名称是Ecoflex 00-30。表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜在该电容式柔性力学传感器中作为基底层，该柔性薄膜可提高单位作用力下表面形变量，进而提高灵敏度、微弱压力感知能力和测量范围等电学性能，电容式柔性力学传感器中的介电层9为敏感材料，当传感器受到外力时，介电层9发生形变并产生电容变化，同时第一电极层8和第二电极层10之间的相对面积发生变化。在两者共同作用下，传感器整体电容随着外力变化而发生变化。两层封装层上下配合，使柔性力学传感器免受外界环境因素干扰，提高信噪比，使其测量到的信号更加稳定。

本发明所述一种电容式柔性力学传感器的制备方法为：首先，准备封装层材料，并利用沉积工艺（溅射或蒸镀等）在封装层表面制备一层金属材料，作为电极层4；接着，利用柔性材料和高介电常数材料制备介电层9；然后，在表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构柔性薄膜表面制备另一层电极层4；最后，在表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构柔性薄膜背面放置第二封装层6，与第一封装层3组合成柔性密封结构对传感器进行封装。其中，封装层厚度范围为10~500μm，电极层4厚度为100~700nm，介电层9厚度为10nm~100μm。

本发明还提供了一种摩擦起电式柔性力学传感器，由上至下包括第一封装层3、第一电极层8、第一薄膜层12、间隔层13、第二电极层10、第二薄膜层14、第二封装层6；第一薄膜层12和第二薄膜层14材料相同且均由表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜制成，第一薄膜层12和第二薄膜层14的正面朝内相对设置；第一封装层3和第二封装层6材料相同且均为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、表面无结构的硅橡胶中的一种；硅橡胶为PDMS或Ecoflex，PDMS为聚二甲基硅氧烷，指的是道康宁公司的sylgard 184这款产品；Ecoflex是美国Smooth-On公司的产品，这个产品的名称是Ecoflex 00-30。第一电极层8和第二电极层10材料相同且均由金属导电材料或者离子导电材料制成，第一电极层8附着至第一薄膜层12的背面，第二电极层10附着至第二薄膜层14的正面；间隔层13的材料与第一封装层3或第二封装层6一致。对于摩擦起电式柔性力学传感器，表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜可提高摩擦层表面电荷密度，进而提高灵敏度、微弱压力感知能力和测量范围等电学性能，上述柔性力学传感器能够实时、精准地监测微弱生理力学信号；摩擦起电式柔性力学传感器中的第一电极层8和第二电极层10材料得失电子能力存在差异，当两种材料接触摩擦时，易失去电子的第二电极层10失去电子，易得到电子的第一电极层8得到电子，使导电材料与外部负载电路相连，当第一电极层8和第二电极层10之间彼此分离时，就会有电荷经过外部负载电路产生流动，并产生电学信号。两层封装层上下配合，使柔性力学传感器免受外界环境因素干扰，提高信噪比，使其测量到的信号更加稳定。

本发明所述一种摩擦起电式柔性力学传感器的制备方法为：首先，准备第一薄膜层12，并利用沉积工艺（溅射或蒸镀等）在第一薄膜层12背面制备金属材料，作为第一电极层8；接着，准备第二薄膜层14，并利用沉积工艺（溅射或蒸镀等）在第二薄膜层14表面制备金属材料，作为第二电极层10；然后，将第一薄膜层12和第二薄膜层14正面相对以及支撑在二者之间的支撑块制备具有中空结构的间隔层13，支撑块位于第一薄膜层12和第二薄膜层14的两边缘，支撑块与封装层的材料相同；最后，利用两个封装层材料将传感器封装。其中，封装层厚度范围为10~500μm，电极层4厚度为100~700nm，间隔层13厚度为10~500μm。

最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜，其特征在于，柔性薄膜的正面具有均匀分布的多个微米级正四棱锥台结构(1)，正四棱锥台结构(1)的表面辅以多个随机、紧密排列的纳米级凸起结构(2)，柔性薄膜的材料为硅橡胶或水凝胶中的一种。

2.根据权利要求1所述的一种表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜，其特征在于，正四棱锥台结构(1)的底面边长为3~50μm，每个正四棱锥台结构(1)之间间距与正四棱锥台结构(1)底面边长相等，凸起结构(2)近似为直径为5~500nm的半球形。

3.表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜作为基底材料在电阻式、电容式或摩擦起电式柔性力学传感器中的应用。

4.一种电阻式柔性力学传感器，其特征在于，由上至下包括第一封装层(3)、电极层(4)、电阻层(5)和第二封装层(6)，电阻层(5)由表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜制成，柔性薄膜正面朝上，柔性薄膜的正面涂覆有导电溶液层(7)，导电溶液层(7)主要材料为含有碳纳米管、石墨烯、炭黑、金属纳米颗粒或PEDOT:PSS其中一种的溶液；第一封装层(3)和第二封装层(6)材料相同且均为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或表面无结构的硅橡胶中的一种。

5.一种电容式柔性力学传感器，其特征在于，由上至下包括第一封装层(3)、第一电极层(8)、介电层(9)、第二电极层(10)、基底层(11)和第二封装层(6)；基底层(11)由表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜制成，介电层(9)为含有高介电常数材料的柔性薄膜；第一电极层(8)和第二电极层(10)材料相同且均由金属导电材料或者离子导电材料制成，第一电极层(8)附着至第一封装层(3)的下表面，第二电极层(10)附着至基底层(11)柔性薄膜的正面，基底层(11)柔性薄膜的正面朝上；第一封装层(3)和第二封装层(6)材料相同且均为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或表面无结构的硅橡胶中的一种。

6.一种摩擦起电式柔性力学传感器，其特征在于，由上至下包括第一封装层(3)、第一电极层(8)、第一薄膜层(12)、间隔层(13)、第二电极层(10)、第二薄膜层(14)、第二封装层(6)；第一薄膜层(12)和第二薄膜层(14)材料相同且均由表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜制成，第一薄膜层(12)和第二薄膜层(14)的正面朝内相对设置；第一封装层(3)和第二封装层(6)材料相同且均为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或表面无结构的硅橡胶中的一种；第一电极层(8)和第二电极层(10)材料相同且均由金属导电材料或者离子导电材料制成，第一电极层(8)附着至第一薄膜层(12)的背面，第二电极层(10)附着至第二薄膜层(14)的正面；间隔层(13)的材料与第一封装层(3)或第二封装层(6)一致。

7.一种柔性薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

步骤一、制备硅片模板：将表面具有氧化层的单抛硅片通过光刻、显影以及经缓冲氧化物刻蚀液刻蚀后，在其抛光表面腐蚀掉规则的方形氧化硅层；接着利用四甲基氢氧化铵溶液生成的雾气对硅片进行各项异性刻蚀，制备得到低粗糙度高表面质量的微米级内凹正四棱锥台结构(1)，将硅片放入缓冲氧化物刻蚀液中去除硅片表面剩余二氧化硅层；然后利用等离子体增强化学的气相沉积或原子层沉积工艺在硅片表面沉积一层几纳米至几十纳米厚度的氧化硅层，然后将硅片放入四甲基氢氧化铵溶液中进行湿法刻蚀，以在现有结构表面形成纳米级凹陷结构，最后，将处理后的硅片放入缓冲氧化物刻蚀液中去除硅片表面剩余的二氧化硅层，制备得到表面具有经过修饰后的内凹微锥台阵列结构的硅片模板；

步骤二、在步骤一中制备好的硅片模板上喷涂脱模剂，然后将按照比例配置好的柔性聚合物材料预聚物旋涂至硅片表面并在一定温度环境中固化，最后，将固化后的柔性聚合物薄膜从硅片模板表面剥离，从而得到表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构柔性薄膜。

8.根据权利要求7所述的一种柔性薄膜的制备方法，其特征在于，柔性聚合物材料为硅橡胶或水凝胶中的一种。

9.根据权利要求8所述的一种柔性薄膜的制备方法，其特征在于，步骤二中，可用可腐蚀金属替代脱模剂，利用溅射工艺在硅片模板表面沉积铝薄膜，然后将附有固化后柔性薄膜的硅片放入盐酸中，便可剥离出表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构柔性薄膜。

10.根据权利要求7~9任一项所述的一种柔性薄膜的制备方法，其特征在于，步骤一中，雾化处理时，将硅片固定在晶圆夹持器上并放入内有四甲基氢氧化铵溶液的雾化装置中，随后，利用雾化装置中的超声换能器将四甲基氢氧化铵溶液雾化，并且利用风动装置将雾化气体均匀分散至装置容器内，使硅片表面发生各项异性刻蚀。

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