柔性基底表面兼具压阻性能与韧性的非晶碳膜的制备方法及其应用与流程

本发明属于压阻式传感器技术领域，尤其涉及柔性基底表面兼具压阻性能与韧性的非晶碳膜的制备方法及其应用。

背景技术：

近年来，柔性应变传感器件在可穿戴设备、机器人、生物监测等方面的应用越来越广泛。传感器的性能主要由敏感材料决定，压阻式敏感材料是一种应用较广的敏感材料。表征压阻式敏感材料性能的重要参数是压阻系数，其反映了压阻材料的灵敏程度。

压阻式敏感材料中最具代表性的是单晶硅，但是由于制备工艺的原因，其在柔性传感器领域中的应用很少。近年来，以石墨烯、碳纳米管为代表的新型敏感材料在柔性应变传感器中的应用越来越多，但是由于其制备后仍然需要转移工序，导致了其生产难以批量化，并且成本较高。

非晶碳膜，英文名称为amorphouscarbon，缩写为a-c，是一类非晶态碳材料的统称。一般，非晶碳膜中碳原子之间主要通过sp²共价键和sp³形成不规则的空间网状结构，呈非晶态，因此不同于晶态材料的各向异性，其外在表现为各向同性。近年来，非晶碳膜被发现具有优秀的压阻性能，同时还具有良好的机械性能、光学性能，以及化学性能等，例如，高硬度和弹性模量、低摩擦系数、透光性、电导率的可调控性、化学惰性以及生物兼容性等，因此可用于压阻传感元件。但是，将非晶碳膜作为压阻式敏感材料的传感元件制备为柔性元件对于本领域技术人员却是技术难题，因为一方面要求具有柔性基底，另一方面要求非晶碳膜在柔性基底表面具有良好的韧性，可随柔性基底一起发生同步变形。然而，在柔性基底表面制备具有良好韧性的非晶碳膜并非易事，因为在制备过程中柔性基底很容易变形变质，并且实现非晶碳膜具有良好的韧性也是本领域技术人员的研究课题之一。

技术实现要素：

针对上述技术现状，本发明旨在实现在柔性基底表面制备兼具良好压阻性能与韧性的非晶碳膜，同时柔性基底材料在制备过程中不被破坏。

为了实现上述技术目的，本发明人尝试采用高功率脉冲磁控溅射技术在柔性基底表面制备非晶碳膜，发现与传统的磁控溅射技术相比，该技术中脉冲电源电压较高，一方面能够使制得的非晶碳膜中sp³含量提高，从而能够提高非晶碳膜的压阻系数；但是另一方面，由于功率较高会使制备过程中温度升高，导致柔性基底材料在制备过程中很容易遭到破坏，从而影响其材质与柔韧性；此外，还需要探索实现非晶碳膜具有良好韧性的工艺，从而能够随柔性基底的变形而发生同步变形。

经过长期大量实验探索后，本发明人发现当选择高功率脉冲电源电压为800～1000v时，获得的非晶碳膜在具有高压阻系数的同时能够兼具良好的韧性，在此基础上，当选择脉冲占空比为1％～5％时，发现能够避免制备过程中温度过高而导致柔性基底材料被破坏的问题。

即，本发明的技术方案为：一种在柔性基底表面兼具压阻性能与韧性的非晶碳膜的制备方法，其特征是：采用高功率脉冲磁控溅射技术，选择石墨靶，在惰性气体氛围中在柔性基底表面溅射沉积非晶碳膜，脉冲电源电压为800～1000v，脉冲占空比为1％～5％。

作为优选，所述惰性气体为氩气。作为进一步优选，真空沉积腔室中氩气压强为0.1pa-0.2pa。

作为优选，柔性基底的直流脉冲负电压为-10v～-50v。

柔性基底是指基底材料具有柔性，可发生弯曲、拉伸等形变。所述柔性基底材料不限，包括柔性高分子材料，例如pi、pet、pdms、pmma等中的一种或者几种。

作为优选，所述非晶碳膜的厚度为100-500nm。

本发明采用高功率脉冲磁控溅射技术在柔性基底表面制备非晶碳膜，优选核心工艺参数高功率脉冲电源电压为800～1000v，脉冲占空比为1％～5％，在该优选的工艺参数条件下实现了高电压下石墨靶材的稳定放电，相比与传统磁控溅射，一方面制得的非晶碳膜中具有更高的sp³含量，从而提高了非晶碳膜的压阻系数；另一方面避免了制备过程中温度过高而导致柔性基底材料遭破坏的问题；同时，制得的非晶碳膜具有良好的韧性，在变形过程中不会产生开裂，能够与柔性基底同步变形，从而为实现柔性压阻传感元件奠定基础。另外，相比于石墨烯、碳纳米管等压阻材料，本发明中非晶碳膜制备简便、可以大面积原位沉积，不需要人工转移，因此具备明显的工艺优势。

基于上述制备方法，本发明提出一种柔性压阻式传感元件，包括柔性基底，位于柔性基底表面的非晶碳膜作为压敏电阻，以及设置在压敏电阻两端的金属电极。

所述金属电极的材料不限，包括au、cr、cu、al等中的一种金属或几种的组合。

作为优选，还包括柔性保护层，用于保护压敏电阻。所述柔性保护层材料不限，包括pdms、pmma等。

所述非晶碳膜压敏电阻在基体表面呈一定图形，作为一种实现方式，在柔性基底表面制备所述非晶碳膜压敏电阻的方法包括如下步骤：

(1)使用光刻工艺在柔性基底表面制备掩膜一，使柔性基底表面没有掩膜一的部分呈所述图形；

(2)将步骤(1)处理后的柔性基底置于真空镀膜腔室中，采用高功率脉冲磁控溅射技术，选择石墨靶，在柔性基底表面沉积所述非晶碳膜，脉冲电源电压为800～1000v，脉冲占空比为1％～5％；

(3)将步骤(2)处理后的柔性基底从真空镀膜腔室中取出，使用剥离工艺去除掩膜一；

作为一种实现方式，金属电极的制备方法包括如下步骤：

(1)使用光刻工艺在压敏电阻表面制备掩膜二，使压敏电阻表面没有被掩膜二遮盖的部分呈所述金属电极形状；

(2)采用磁控溅射工艺，溅射靶材为金属，在惰性气体氛围条件下在压敏电阻表面溅射沉积，得到金属电极；然后，使用剥离工艺去除掩膜一。

作为优选，所述溅射电流为2.0a-3.0a。

作为优选，沉积腔室压力为0.2-0.5pa。

作为优选，柔性基底的直流脉冲偏置电压为-100-0v。

附图说明

图1是实施例1制得的柔性基底表面的非晶碳膜的压阻性能测试结果。

图2是实施例1制得的柔性基底表面的非晶碳膜的表面微观形貌。

图3是对比实施例1制得的柔性基底表面非晶碳膜的表面微观形貌。

图4是对比实施例2制得的柔性基底表面非晶碳膜的表面微观形貌。

图5是实施例2制得的柔性基底表面的非晶碳膜的压阻性能测试结果。

图6是实施例3制得的柔性基底表面的非晶碳膜的压阻性能测试结果。

图7是实施例4柔性压阻传感元件中柔性基底、非晶碳膜以及金属电极的俯视图。

图8是实施例4中柔性压阻传感元件的侧视图。

具体实施方式

下面结合实施例与附图对本发明作进一步详细描述，需要指出的是，以下所述实施例旨在便于对本发明的理解，而对其不起任何限定作用。

图1图2中的附图标记为：1-柔性基底，2-非晶碳膜，3-金属电极，4-柔性保护层。

实施例1：

本实施实例中，柔性基底材料是pi，在该柔性基底表面制备非晶碳膜，具体如下：

(1)柔性基底经丙酮超声清洗后烘干后置于真空镀膜腔室中，抽真空至2.7×10^-3pa，其后用氩等离子体刻蚀基底表面30min；

(2)采用高功率脉冲磁控溅射技术，选择高纯石墨靶，通过离化后的氩气将碳原子从高纯石墨靶中溅射出，在步骤(1)处理后的柔性基底表面沉积非晶碳膜，控制真空镀膜腔室的氩气体压强为0.1pa，高功率脉冲电源电压为800v，脉冲占空比为1％，柔性基底直流脉冲负电压为-10v，得到非晶碳膜。

将上述制得的表面沉积非晶碳膜的柔性基底进行拉伸变形，测试非晶碳膜的压阻性能，结果如图1所示，图中横坐标应变量表示非晶碳膜的变形量与其变形前的尺寸之比。从图1可以看出，该非晶碳膜具有良好的压阻性能。压阻测试后其表面微观形貌照片如图2所示，表明该非晶碳膜没有因为变形测试出现开裂，具有良好的韧性。

对比实施例1：

本实施实例中，柔性基底与实施例1中相同，在该柔性基底表面制备非晶碳膜，具体如下：

(1)与实施例1中的步骤(1)相同；

(2)与实施例1中的步骤(2)基本相同，所不同的是高功率脉冲电源电压为500v。

沉积结束后柔性基底表面的非晶碳膜的表面微观形貌如图3所示，即，该非晶碳膜由于制备过程中的热应力作用表面出现微裂纹，无法用于压阻测试。

对比实施例2：

本实施实例中，柔性基底与实施例1中相同，在该柔性基底表面制备非晶碳膜，具体如下：

(1)与实施例1中的步骤(1)相同；

(2)与实施例1中的步骤(2)基本相同，所不同的是高功率脉冲电源电压为700v；

沉积结束后柔性基底表面的非晶碳膜的表面微观形貌如图4所示，即，该非晶碳膜由于制备过程中的热应力作用表面出现微裂纹，无法用于压阻测试。

对比实施例3：

本实施实例中，柔性基底与实施例1中相同，在该柔性基底表面制备非晶碳膜，具体如下：

(1)与实施例1中的步骤(1)相同；

(2)与实施例1中的步骤(2)基本相同，所不同的是脉冲占空比为10％；

上述非晶碳膜沉积结束后柔性基底材料出现变形扭曲，无法用于压阻测试。

对比实施例4：

本实施实例中，柔性基底与实施例1中相同，在该柔性基底表面制备非晶碳膜，具体如下：

(1)与实施例1中的步骤(1)相同；

(2)与实施例1中的步骤(2)基本相同，所不同的是脉冲占空比为20％；

上述非晶碳膜沉积结束后柔性基底材料出现严重变形扭曲烧蚀，无法用于压阻测试。

实施例2：

本实施实例中，柔性基底与实施例1中相同，在该柔性基底表面制备非晶碳膜，具体如下：

(1)与实施例1中的步骤(1)相同；

(2)与实施例1中的步骤(2)基本相同，所不同的是高功率脉冲电源电压为1000v；

与实施例1类似，将上述制得的表面沉积非晶碳膜的柔性基底进行拉伸变形，测试非晶碳膜的压阻性能，结果如图5所示，表明该非晶碳膜具有良好的压阻性能。与实施例1类似，压阻测试后该非晶碳膜没有因为变形测试出现开裂，具有良好的韧性。

实施例3：

本实施实例中，柔性基底与实施例1中相同，在该柔性基底表面制备非晶碳膜，具体如下：

(1)与实施例1中的步骤(1)相同；

(2)与实施例1中的步骤(2)基本相同，所不同的是脉冲占空比为5％；

与实施例1类似，将上述制得的表面沉积非晶碳膜的柔性基底进行拉伸变形，测试非晶碳膜的压阻性能，结果如图6所示，表明该非晶碳膜具有良好的压阻性能。与实施例1类似，压阻测试后该非晶碳膜没有因为变形测试出现开裂，具有良好的韧性。

实施例4：

本实施例中，柔性压阻式传感元件的结构如图7与图8所示，包括柔性基底1、非晶碳膜2与金属电极3。本实施例中，柔性基底材料是pi。非晶碳膜2位于柔性基底1表面，呈如图7所示的折线形，非晶碳膜作为压敏电阻，非晶碳膜2两端设置金属电极位3。

如图8所示，本实施例中，柔性压阻式传感元件还包括柔性保护层4，柔性保护层4覆盖非晶碳膜。本实施例中，柔性保护层材料是pdms。

该柔性压阻式传感元件的制备方法包括如下步骤：

(1)柔性基底经丙酮超声清洗后烘干；使用光刻工艺在柔性基底上制备非晶碳膜图形化的掩蔽；在柔性基底表面制备掩膜一，使柔性基底表面没有被掩膜一遮盖的部分呈如图1所示的折线形；

(2)将步骤(1)处理后的柔性基底放置于真空镀膜腔室中，抽真空至2.7×10^-3pa，其后用氩等离子体刻蚀基底表面30min；

(3)采用高功率脉冲磁控溅射技术，选择高纯石墨靶，通过离化后的氩气将碳原子从高纯石墨靶中溅射出，在步骤(2)处理后的柔性基底表面沉积非晶碳膜，控制真空镀膜腔室的氩气体压强为0.1pa，高功率脉冲电源电压为800v，脉冲占空比为1％，柔性基底直流脉冲负电压为-10v，得到图形化的非晶碳膜；

(4)将步骤(3)处理后的柔性基底从真空镀膜腔室中取出，使用丙酮剥离去除掩膜一；然后在非晶碳膜上利用光刻工艺制备掩膜二，使没有被掩膜二遮盖的部分呈金属电极的形状；

(5)将步骤(4)处理后的柔性基底放入真空镀膜腔室中，采用磁控溅射工艺，选择金属靶材，溅射气体为氩气，在非晶碳膜表面沉积金属电极，溅射靶电流为3.0a，控制腔室压力为0.3pa，柔性基底的直流脉冲偏置电压为-100v；

(6)将步骤(5)处理后的带有非晶碳膜和金属电极的柔性基底从腔室中取出，使用丙酮剥离去除掩膜二；然后，在金属电极上使用导电银浆连接金属银线并120℃烘干固化；

(7)在步骤(6)制得的样品表面均匀涂抹液态的pdms，如图8所示，使其均匀覆盖在除金属电极之外的柔性基底表面，然后120℃固化pdms。

实施例5：

本实施例中，柔性压阻式传感元件的结构与实施例4相同。

本实施例中，该柔性压阻式传感元件的制备方法与实施例4中的制备方法基本相同，所不同的是：步骤(3)中，高功率脉冲电源电压为900v，脉冲占空比为3％。

实施例6：

本实施例中，柔性压阻式传感元件的结构与实施例4相同。

本实施例中，该柔性压阻式传感元件的制备方法与实施例4中的制备方法基本相同，所不同的是：步骤(3)中，高功率脉冲电源电压为1000v，脉冲占空比为5％。

以上所述的实施例对本发明的技术方案进行了详细说明，应理解的是以上所述仅为本发明的具体实施例，并不用于限制本发明，凡在本发明的原则范围内所做的任何修改、补充或类似方式替代等，均应包含在本发明的保护范围之内。