CN114459671A - 柔性透明电容式传感器及其制作方法 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及一种柔性透明电容式传感器及其制作方法，方法包括：以PDMS为基底，并在PDMS基底上形成微结构；将银纳米线溶液涂覆于PDMS基底的表面，以形成银纳米线层；在银纳米线层和PDMS基底远离银纳米线层的一侧均设置柔性透明导电电极；通过PI胶带将PDMS基底、银纳米线层及柔性透明导电电极封装。通过采用PDMS作为压力传感器的基底，PDMS具有良好的柔韧性及可贴附性，减少压力传感器因接触不良而造成的信号采集误差的发生；PDMS基底上设置有微结构，其能够高效地感应压力分布，提高压力传感器的准确性；通过设置有柔性透明导电电极，以使得压力传感器具有柔性透明的特点，有效扩大柔性电子产品的应用范围，方便快捷。
Description
技术领域
本发明涉及一种柔性透明电容式传感器及其制作方法，属于电化学传感技术领域。
背景技术
随着信息技术和微纳加工技术的迅猛发展以及人们对自身健康信息的诉求不断增加，导致人们对可穿戴设备尤其是柔性可穿戴智能设备的需求急剧增加。压力传感器作为绝大多数可穿戴设备的必不可少的感应元件，越来越引起广大科研人员的关注。
目前现有的压力传感器一般都是刚性的，由于其不具备可贴附性、可拉伸性以及透明性等特点，故而难以具体应用在实际的可穿戴设备中(如对脉搏、心跳等身体部位微小压力的精确监测)。对于能够可穿戴的压力传感器，不仅要考虑其灵敏度、线性度等硬性指标，还要考虑可贴附性、可拉伸性以及透明度等其他方面的指标。现有的柔性压力传感器几乎都是基于ITO电极制作的，而基于这种电极制作压力传感器难以具备良好的透明度，这会使压力传感器采集到的信号具有较大的误差，从而难以给用户带来良好的应用体验。
发明内容
本发明的目的在于提供一种能够解决上述技术问题的柔性透明电容式传感器及其制作方法，其具有良好的柔韧性及可贴附性，减少压力传感器因接触不良而造成的信号采集误差的发生，方便快捷。
为达到上述目的，本发明提供如下技术方案：一种柔性透明电容式传感器的制作方法，所述方法包括：
以PDMS为基底，并在PDMS基底上形成微结构；
将银纳米线溶液涂覆于所述PDMS基底的表面，以形成银纳米线层；
在所述银纳米线层和所述PDMS基底远离所述银纳米线层的一侧均设置柔性透明导电电极；
通过PI胶带将所述PDMS基底、银纳米线层及柔性透明导电电极封装。
进一步地，所述微结构为微米量级槽深的金字塔阵列结构。
进一步地，所述PDMS为基底的制作过程为：
制作PDMS粘黏剂；
将所述PDMS粘黏剂放入真空干燥箱内抽真空处理，直至所述PDMS粘黏剂内部的气泡消失；
将所述PDMS粘黏剂旋涂于镍板上，所述镍板上设置有微米量级槽深金字塔阵列结构；
将旋涂有所述PDMS粘黏剂的镍板放入真空干燥箱内抽真空固化，以得到固化后的PDMS薄膜，所述PDMS薄膜为所述PDMS基底。
进一步地，所述微米量级槽深金字塔阵列结构可通过光刻或纳米压印形成。
进一步地，所述银纳米线溶液通过水热法制成。
进一步地，所述银纳米线溶液的制作过程为：
在高温高压条件下，将聚乙烯吡咯烷酮溶解于乙二醇中，聚乙烯吡咯烷酮完全溶解后，得到第一混合溶液；
第一混合溶液冷却至室温，加入硝酸银，并搅拌至硝酸银完全溶解于第一混合溶液中，得到第二混合溶液；
在乙二醇中加入氯化铁搅拌溶解后得到第三混合溶液，将所述第二混合溶液及第三混合溶液混合后并搅拌以得到第四混合溶液；
将第四混合溶液放置于反应釜中，将所述反应釜放置于烤箱内静置；
对静置后的沉淀进行清洗。
进一步地，对沉淀进行清洗的过程为：
在静置后的第四混合溶液中加入乙二醇反应，并对其进行离心处理；
再分别加入丙酮和乙醇并采用如上步骤对第四混合溶液进行离心处理，直至离心处理后的第四混合溶液符合银纳米线溶液的要求。
进一步地，所述柔性透明导电电极为柔性自支撑镍网格电极。
进一步地，所述柔性自支撑镍网格电极的制作过程为：
对ITO或FTO导电玻璃的表面进行清洗；
在清洗后的导电玻璃的表面旋涂光刻胶，并对旋涂有光刻胶的导电玻璃作烘干处理，以在导电玻璃的表面形成光刻胶层；
利用掩膜曝光技术在所述光刻胶层中形成图形化网格，并进行显影处理以使得所述图形化网格露出导电基底；
采用电沉积工艺以在所述导电基底上生成金属镍；
将带有金属镍的所述图形化网格从所述导电基底上剥离，获得所述柔性自支撑镍网格电极。
本发明还提供了一种柔性透明电容式传感器，采用如上所述的柔性透明电容式传感器的制作方法制成。
本发明的有益效果在于：通过采用PDMS作为压力传感器的基底，PDMS具有良好的柔韧性及可贴附性，减少压力传感器因接触不良而造成的信号采集误差的发生；PDMS基底上设置有微结构，其能够高效地感应压力分布，提高压力传感器的准确性；通过设置有柔性透明导电电极，以使得压力传感器具有柔性透明的特点，有效扩大柔性电子产品的应用范围，方便快捷。
上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。
附图说明
图1为本申请的柔性透明电容式传感器的制作方法的流程图。
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“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的机构或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
此外，下面所描述的本发明不同实施方式中所涉及的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互结合。
首先，对本申请中出现的若干名词进行解释。
PDMS，聚二甲基硅氧烷(PDMS，polydimethylsiloxane)，是有机硅的一种，因其成本低，使用简单，同硅片之间具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性等特点，成为一种广泛应用于微流控等领域的聚合物材料；
PI胶带，聚酰亚胺胶带，耐高温。
请参见图1，本发明的一较佳实施例中的一种柔性透明电容式传感器的制作方法，所述方法包括：
步骤S1，以PDMS为基底，并在PDMS基底上形成微结构。在本实施例中，所述微结构为微米量级槽深的金字塔阵列结构。通过设置有微米量级槽深的金字塔阵列结构，可以阵列式的感知压力，从而感知压力的具体分布位置。诚然，在其他实施例中，该微结构也可以为其他，只需达到上述效果即可，在此不做具体限定，根据实际情况而定。具体的，所述微米量级槽深金字塔阵列结构可通过光刻或纳米压印形成，方便快捷。
其中，所述PDMS为基底的制作过程为：制作PDMS粘黏剂，在本实施例中，PDMS粘黏剂的制作采用质量比为10:1的PDMS与预涂剂，早室温下搅拌，直至溶液中出现浓密的小气泡。诚然，在其他实施例中，PDMS与预涂剂的质量比也可为其他，在此不做具体限定，根据实际情况而定。然后将PDMS粘黏剂放入真空干燥箱内抽真空处理，直至PDMS粘黏剂内部的气泡完全消失。将所述PDMS粘黏剂旋涂于镍板上，所述镍板上设置有微米量级槽深金字塔阵列结构；将旋涂有所述PDMS粘黏剂的镍板放入真空干燥箱内抽真空固化，真空固化条件为80℃，真空固化时长为1小时，以得到固化后的PDMS薄膜。将PDMS薄膜从镍板上揭下，所述PDMS薄膜为所述PDMS基底。
步骤S2，将银纳米线溶液涂覆于所述PDMS基底的表面，以形成银纳米线层。其中，所述银纳米线溶液通过水热法制成。具体的，所述银纳米线溶液的制作过程为：在高温高压条件下，将聚乙烯吡咯烷酮溶解于乙二醇中，聚乙烯吡咯烷酮完全溶解后，得到第一混合溶液。值得注意的是，在本实施例中，高温高压指的是，高温指大于100℃的温度，高压指大于大气压的压强。聚乙烯吡咯烷酮质量为0.24g，乙二醇为30ml，溶解温度低于65℃，溶解时间为2h。然后将第一混合溶液冷却至室温，加入硝酸银，并搅拌至硝酸银完全溶解于第一混合溶液中，得到第二混合溶液。在乙二醇中加入氯化铁搅拌溶解后得到第三混合溶液，其中，第三混合溶液由7g的氯化铁溶解于乙二醇中并搅拌3分钟，以得到浓度为600×10-6mol·L-1的第三混合溶液。将所述第二混合溶液及第三混合溶液混合后并搅拌以得到第四混合溶液，将第四混合溶液放置于反应釜中，将所述反应釜放置于烤箱内静置，静置温度为130℃，放置5h。对静置后的沉淀进行清洗。
具体的，对沉淀进行清洗的过程为：在静置后的第四混合溶液中加入乙二醇反应，并对其进行离心处理；再分别加入丙酮和乙醇并采用如上步骤对第四混合溶液进行离心处理，直至离心处理后的第四混合溶液符合银纳米线溶液的浓度要求，达到0.3mg/ml。在本实施例中，第四混合溶液中加入乙二醇后反应5分钟，然后以7000rpm的转速离心；然后用丙酮和乙醇离心两次，每次各5分钟，转速为3000rpm，以得到以0.3mg·ml-1的浓度分散在乙醇中的银纳米线溶液。
步骤S3，在所述银纳米线层和所述PDMS基底远离所述银纳米线层的一侧均设置柔性透明导电电极。在本实施例中，所述柔性透明导电电极为柔性自支撑镍网格电极。具体的，所述柔性自支撑镍网格电极的制作过程为：对ITO或FTO导电玻璃的表面进行清洗；在清洗后的导电玻璃的表面旋涂光刻胶，并对旋涂有光刻胶的导电玻璃作烘干处理，以在导电玻璃的表面形成光刻胶层。在本实施例中，将旋涂有光刻胶的导电玻璃放置于烘箱中做烘干处理，烘箱内需放置增粘剂，且烘箱内的温度为90℃。诚然，在其他实施例中，可以采用其他工作对旋涂有光刻胶的导电玻璃作烘干处理，在此不做具体限定，根据实际情况而定。利用掩膜曝光技术在所述光刻胶层中形成图形化网格，并进行显影处理以使得所述图形化网格露出导电基底；采用电沉积工艺以在所述导电基底上生成金属镍。这样设置的目的在于：金属镍只在显露导电基底上的微沟槽处生长沉积，而无法在光刻胶层覆盖的区域内沉积。然后对沉积有金属镍的光刻胶层进行清洗，清洗干净后，将带有金属镍的所述图形化网格从所述导电基底上剥离，获得所述柔性自支撑镍网格电极。
步骤S4，通过PI胶带将所述PDMS基底、银纳米线层及柔性透明导电电极封装。需先在柔性透明导电电极，即柔性自支撑镍网格电极的一端各引出一条引线，该引线可以为铜线或银线或其他，在此不做具体限定，只需其起到连接电路的作用即可。然后将柔性自支撑镍网格电极、PDMS基底、银纳米线层、柔性自支撑镍网格电极按照自下而上的顺序进行排列后，采用PI胶带进行封装，以完成压力传感器的制备。
本发明还提供了一种柔性透明电容式传感器，采用如上所述的柔性透明电容式传感器的制作方法制成。该压力传感器的灵敏度公式为：
其中C为施加压力后的电容，C0为施加压力前的电容，p为施加压力的大小，Sc为灵敏度。因此，当施加的压力越小时，传感器的灵敏度越高。本发明所制得的柔性透明电容式传感器，因为其上设置有微米量级槽深的金字塔阵列结构，可以阵列式的感知压力，从而感知压力的具体分布位置，所以只需施加较小的力，即可获得较高的灵敏度。
综上所述：通过采用PDMS作为压力传感器的基底，PDMS具有良好的柔韧性及可贴附性，减少压力传感器因接触不良而造成的信号采集误差的发生；PDMS基底上设置有微结构，其能够高效地感应压力分布，提高压力传感器的准确性；通过设置有柔性透明导电电极，以使得压力传感器具有柔性透明的特点，有效扩大柔性电子产品的应用范围，方便快捷。
以上所述实施例的各技术特征可以进行任意的组合，为使描述简洁，未对上述实施例中的各个技术特征所有可能的组合都进行描述，然而，只要这些技术特征的组合不存在矛盾，都应当认为是本说明书记载的范围。
以上所述实施例仅表达了本发明的几种实施方式，其描述较为具体和详细，但并不能因此而理解为对发明专利范围的限制。应当指出的是，对于本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变形和改进，这些都属于本发明的保护范围。因此，本发明专利的保护范围应以所附权利要求为准。
Claims (10)
1.一种柔性透明电容式传感器的制作方法，其特征在于，所述方法包括：
以PDMS为基底，并在PDMS基底上形成微结构；
将银纳米线溶液涂覆于所述PDMS基底的表面，以形成银纳米线层；
在所述银纳米线层和所述PDMS基底远离所述银纳米线层的一侧均设置柔性透明导电电极；
通过PI胶带将所述PDMS基底、银纳米线层及柔性透明导电电极封装。
2.如权利要求1所述的柔性透明电容式传感器的制作方法，其特征在于，所述微结构为微米量级槽深的金字塔阵列结构。
3.如权利要求2所述的柔性透明电容式传感器的制作方法，其特征在于，所述PDMS为基底的制作过程为：
制作PDMS粘黏剂；
将所述PDMS粘黏剂放入真空干燥箱内抽真空处理，直至所述PDMS粘黏剂内部的气泡消失；
将所述PDMS粘黏剂旋涂于镍板上，所述镍板上设置有微米量级槽深金字塔阵列结构；
将旋涂有所述PDMS粘黏剂的镍板放入真空干燥箱内抽真空固化，以得到固化后的PDMS薄膜，所述PDMS薄膜为所述PDMS基底。
4.如权利要求3所述的柔性透明电容式传感器的制作方法，其特征在于，所述微米量级槽深金字塔阵列结构可通过光刻或纳米压印形成。
5.如权利要求1所述的柔性透明电容式传感器的制作方法，其特征在于，所述银纳米线溶液通过水热法制成。
6.如权利要求5所述的柔性透明电容式传感器的制作方法，其特征在于，所述银纳米线溶液的制作过程为：
在高温高压条件下，将聚乙烯吡咯烷酮溶解于乙二醇中，聚乙烯吡咯烷酮完全溶解后，得到第一混合溶液；
第一混合溶液冷却至室温，加入硝酸银，并搅拌至硝酸银完全溶解于第一混合溶液中，得到第二混合溶液；
在乙二醇中加入氯化铁搅拌溶解后得到第三混合溶液，将所述第二混合溶液及第三混合溶液混合后并搅拌以得到第四混合溶液；
将第四混合溶液放置于反应釜中，将所述反应釜放置于烤箱内静置；
对静置后的沉淀进行清洗。
7.如权利要求6所述的柔性透明电容式传感器的制作方法，其特征在于，对沉淀进行清洗的过程为：
在静置后的第四混合溶液中加入乙二醇反应，并对其进行离心处理；
再分别加入丙酮和乙醇并采用如上步骤对第四混合溶液进行离心处理，直至离心处理后的第四混合溶液符合银纳米线溶液的要求。
8.如权利要求1所述的柔性透明电容式传感器的制作方法，其特征在于，所述柔性透明导电电极为柔性自支撑镍网格电极。
9.如权利要求8所述的柔性透明电容式传感器的制作方法，其特征在于，所述柔性自支撑镍网格电极的制作过程为：
对ITO或FTO导电玻璃的表面进行清洗；
在清洗后的导电玻璃的表面旋涂光刻胶，并对旋涂有光刻胶的导电玻璃作烘干处理，以在导电玻璃的表面形成光刻胶层；
利用掩膜曝光技术在所述光刻胶层中形成图形化网格，并进行显影处理以使得所述图形化网格露出导电基底；
采用电沉积工艺以在所述导电基底上生成金属镍；
将带有金属镍的所述图形化网格从所述导电基底上剥离，获得所述柔性自支撑镍网格电极。
10.一种柔性透明电容式传感器，其特征在于，采用如权利要求1至9中任一项所述的柔性透明电容式传感器的制作方法制成。
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