一种具有高灵敏度柔性压力传感器的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明涉及一种压力传感器的制备方法，具体涉及一种基于碳纳米管和高分子聚合物的柔性压力传感器的制备方法。
【背景技术】
[0002]压力传感器被广泛应用于可穿戴设备和其他电子产品中，如家用电器、机器人、医疗设备、安全装置、环境监测设备等。随着可穿戴设备种类的增多、健康数据监测及远程医疗等行业的出现，在实际应用中对柔性压力传感器的灵敏度和准确性有更高的要求。
[0003]目前柔性压力传感器的常见制备方法是将导电材料与柔性基底进行组装。制得的复合材料在外界压力和应力下产生一定的形变，导致其电阻或电容发生变化，从而引起电路中电信号的改变。常用的导电物质包括金属和无机纳米材料、碳纳米管、石墨烯以及聚合物纤维。聚二甲基硅氧烷(PDMS)由于具有良好的生物相容性和弹性，是最常用的柔性基底。对于常见的压力传感器，制约其灵敏度的主要原因是复合材料不完全表现弹性行为，在外力作用下发生蠕变，以及有较长的弛豫时间，不能在外力消失后迅速回复原状。这样就使得传感器不能对外力作出迅速的响应，影响检测的灵敏性和准确性。
【发明内容】
[0004]本发明的目的是为克服上述现有技术的不足，提供一种基于碳纳米管和高分子聚合物的柔性压力传感器的制备方法。本发明通过在聚合物基底中掺杂碳纳米管使其具有导电性；改变复合材料的微观结构，构筑独特的表面形貌，使弹性材料能够将所承受的压力全完转化为弹性形变，并在外力消失时迅速释放弹性势能回复原状。该方法采用易获取的原料，经过简单制备步骤即可得到具有快速响应性和高灵敏度的压力传感器。
[0005]为实现上述目的，本发明采用下述技术方案:
一种基于碳纳米管和高分子聚合物的柔性压力传感器的制备方法，具体步骤如下:
1)将碳纳米管(CNT)分散于氯仿中，充分超声，得到具有良好分散性的CNT悬浮液；
2)在涡旋混合器内将CNT悬浮液与液态聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合完全，随后旋蒸除去溶剂氯仿，得到PDMS与CNT的混合物；
3)己烷和固化剂以1:10混合后加入上述PDMS-CNT混合物中，比例为500mg PDMS中加入ImL己烷。充分搅拌使其混合完全，并在真空下脱气，除去气泡；
4)取100μ L上述混合液体转移到微模板上，在高温下固化3 ho模板通过对硅片的光蚀刻法得到，其表面具有周期性排列的倒三角锥形孔洞，尺寸为几微米；
5)通过溅射镀膜法将Pt沉积在PDMS膜上形成Pt电极，并将其覆盖于PDMS-CNT复合物上。将复合物从模板上取下，得到表面具有三角锥状微结构的复合材料；
6)将上述复合材料与另一表面有Pt电极的PDMS膜组装，接入电路中。
[0006]所述步骤6)中对柔性压力传感器的制备完成后，还包括对压力信号的检测，具体方法是: A)施加不同数值的压力于传感器，记录电路中的电流和电压；
B)将静态压力作用于传感器，记录电路中电信号的变化；
C)将动态压力作用于传感器，记录电路中电信号的变化。
[0007]所述步骤A)是指:压力分别为 O Pa^ 500 Pa、1000 Pa^ 2000 Pa^ 5000 Pa、10000Pa、30000 Pa时体系的1-V曲线。
[0008]所述步骤B)中，所考察的压力数值为O Pa、500 PaUOOO Pa,2000 Pa,5000 Pa、10000 Pa、30000 Pa0
[0009]所述步骤B)中，电信号的变化是指』数值，其中』/是电流的相对变化数值，/σ//是无外力作用下电路中的电流数值。
[0010]所述步骤C)中，动态电压为500 - 2000 Pa范围内的压力，以I Hz的频率作用于传感器。
[0011]本发明的工作原理:
本发明选用PDMS作为柔性基底，与导电物质碳纳米管掺杂使其具有导电性，并对基底进行表面修饰，与Pt电极复合，接入电路中。
[0012]I)导电PDMS-CNT复合材料的表面为三角锥结构，它与两Pt电极同时接触；
2)外力作用于传感器时，三角锥结构发生弹性形变，与Pt电极的接触面积增大，导致电阻减小，电流增大；
3)外力消失后，三角锥结构可迅速回复最初的形状；
4)对PDMS进行表面修饰后，在外力下不发生蠕变，体系对外力响应迅速。
[0013]本发明的有益效果是，本发明通过将导电物质与PDMS直接掺杂，制得具有导电性的复合弹性体；将电极与复合材料进行组装，构成电路，在外力作用下导电弹性体将自身形变转化为电阻的变化，引起电流对压力的响应。本发明结构简单、操作方便、造价低廉，不同材料的直接组装使复合体具有多重功能；弹性体独特的表面结构可消除蠕变及其带来的不良影响，可满足相关产业对压力检测的要求。具体优势如下:
1)将不同材料组装为复合体简化了传感器的结构和制备步骤；
2)与报道中未经表面处理的PDMS相比，对其表面结构进行设计后，在外力下完全表现弹性行为；
3)在检测中表现对外力的迅速响应和较高的灵敏度；
4)循环多次后，其性能未见明显降低。
【附图说明】
[0014]图1是压力传感器制备过程的示意图。
[0015]图2是压力传感器在电路中的示意图。
[0016]图3是不同压力下电路的1-V曲线。
[0017]图4是不同压力下电路中电流的变化。
[0018]图5是I Hz频率动态电压下电路中电流的变化。
【具体实施方式】
[0019]下面结合附图和实施例对本发明进行进一步的阐述，应该说明的是，下述说明仅是为了解释本发明，并不对其内容进行限定。
[0020]实施例:
柔性压力传感器的制备:
(I)取直径为110 - 190 nm，长度为5 - 9 μ m的多壁碳纳米管(CNT)分散于氯仿中，超声6 h，得到具有良好分散性的CNT悬浮液。
[0021](2)在涡旋混合器内将CNT悬浮液与PDMS基底液混合完全，随后在90 ° C下旋蒸6 h除去溶剂氯仿，得到PDMS与CNT的混合物。
[0022](3)己烷和固化剂以1:10混合后加入上述PDMS-CNT混合物中，比例为500 mgPDMS中加入ImL己烷。搅拌5 min使其混合完全，并在真空下脱气，除去气泡。
[0023](4)取100 μ L上述混合液体在600 rpm下悬涂在微模板上，厚度约为500 μ m,并在90 ° C下固化3 h。模板通过对硅片的光蚀刻法得到，其表面具有周期性排列的倒三角锥形孔洞，尺寸为几微米，如图1a和b所示。
[0024](5 )通过溅射镀膜将Pt电极沉积在PDMS膜上，并覆盖于PDMS-CNT复合物上。将复合物从模板上取下，得到表面具有三角锥形微结构的复合材料，如图1c和d所示。
[0025](6)将上述复合材料与另一表面有Pt电极的PDMS膜组装，接入电路中，如图2所不O
[0026]对压力信号的检测:
(I)压力分别为O Pa、500 Pa、1000 Pa、2000 Pa、5000 Pa、10000 Pa、30000 Pa时，记录电路的1-V曲线，结果如图3所示。
[0027](2)压力数值为O Pa^500 Pa、1000 Pa^2000 Pa^5000 Pa、10000 Pa^30000 Pa时，
记录电路中电信号』数值的变化，其中是电流的相对变化数值，/σ//是无外力作用下电路中的电流数值，结果如图4所示。
[0028](3)以I Hz频率变化的动态电压作用于传感器，压力数值在500 - 2000 Pa范围内，记录电路中电信号』数值的变化，结果如图5所示。
[0029]上述虽然结合附图对本发明的【具体实施方式】进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。
【主权项】
1.一种基于碳纳米管和高分子聚合物的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下: 1)将碳纳米管(CNT)分散于氯仿中，充分超声，得到具有良好分散性的CNT悬浮液； 2)在涡旋混合器内将CNT悬浮液与液态聚二甲基硅氧烷(PDMS)混合完全，随后旋蒸除去溶剂氯仿，得到PDMS与CNT的混合物； 3)己烷和固化剂以1:10混合后加入上述PDMS-CNT混合物中，比例为500mg PDMS中加入ImL己烷，充分搅拌使其混合完全，并在真空下脱气，除去气泡； 4)取100μ L上述混合液体转移到微模板上，在高温下固化3 h，模板通过对硅片的光蚀刻法得到，其表面具有周期性排列的倒三角锥形孔洞，尺寸为几微米； 5)通过溅射镀膜法将Pt沉积在PDMS膜上形成Pt电极，并将其覆盖于PDMS-CNT复合物上，将复合物从模板上取下，得到表面具有三角锥状微结构的复合材料； 6)将上述复合材料与另一表面有Pt电极的PDMS膜组装，接入电路中，即得到传感器。
【专利摘要】本发明公开了一种基于碳纳米管和高分子聚合物的柔性压力传感器的制备方法。本发明通过在聚合物基底中掺杂碳纳米管，制得具有导电性的弹性体材料；将电极与复合材料进行组装，构筑柔性压力传感器。接入电路后，在外力作用下导电弹性体将自身形变转化为电阻的变化，通过对电信号的测定实现对压力的检测。我们对弹性体材料的表面微观结构进行了修饰，独特的表面形貌使其只表现弹性行为，不发生蠕变，能够对外界施加的压力做出迅速响应，极大提高了传感器的灵敏度。
【IPC分类】G01L9/02
【公开号】CN105136375
【申请号】CN201510567278
【发明人】夏抒
【申请人】宁波绿凯节能科技有限公司
【公开日】2015年12月9日
【申请日】2015年9月9日