专利名称：有孔膜传感器的制作方法
技术领域：
本发明涉及由聚合体和纳米材料制成的膜。更具体地，本发明涉及在膜中的孔的形成。进ー步更具体地，本发明涉及由因为膜中的孔而具有更大的灵敏度的膜制成的压カ传感器。
背景技术：
有多种类型的膜传感器。这些膜传感器被普遍地用于测量加速度、力或压カ的装置中。然而，普遍可用的膜传感器典型地具有固有的问题，诸如位于下面的基板的热预算限制、在弾性基板上的传感器的机械完整性、膜基板的表面粗糙、信号通路、金属对聚酰亚胺基板的附接、在传感器之间的串扰、电源要求、高成本和不可接受的制造要求。而且，当前的弾性传感器通常不提供可以用来调节诸如触摸、力、加速度和流量或 者装置的操作特性这样的激励的实时反馈以补偿激励。即使可行，当前传感器能够测量的測量值的范围也缺少用于诸如卫生保健、汽车或消费品エ业这样的特定应用所要求的灵敏度。因此，当前可利用的膜传感器对于在这些エ业中使用是不理想的。关于现有技术膜传感器的特定问题是膜是刚性的或半刚性的。膜的刚性通常是由于这些膜传感器由多层构成的事实所造成的。例如，普遍可用的カ传感器是利用两层的聚酯或聚酰亚胺来制成的。在每ー个层上，涂覆导电材料，接着是压敏墨层。当カ传感器处于空载时，膜的电阻非常高，因为墨通过在层之间的间隙而被分离。当将カ施加到传感器吋，电阻降低，因为在层上的墨之间的距离减小。由于传感器必须能够在カ的施加之后恢复到初始状态，所以限制了用来形成层的材料的选择。用于层的材料的类型的该限制进而限制了这些类型的传感器的灵敏度。因此，在本领域中需要一种不依赖如此的两层结构的膜，从而提供弹性的、灵敏的、非侵入式的、实时的、低成本的、容易利用的反馈装置，以测量和估计加速度、力和/或压力。
发明内容
通过包括聚合体、纳米材料和孔的膜以及根据该膜的方法，解决了上述和其它问题，并且实现了本领域的进步。根据本发明的膜的第一个优点是膜包括孔，所述孔使得膜更顺从变形。根据本发明的膜的第二个优点是改善了膜的导电率。根据本发明的膜的第三个优点是膜的使用改善了在低压カ范围的检测或测量。根据本发明的实施方式，以下面的方式执行形成具有聚合体和纳米材料的膜的方法。将聚合体和无序的纳米材料混合以形成混合物。然后于将在膜内形成孔的处理中干燥该混合物。在本发明的一些实施方式中，纳米材料为碳纳米管。在这些实施方式的一部分中，碳纳米管为多壁碳纳米管。在这些实施方式的其它一部分中，碳纳米管为单壁碳纳米管。可以使用的纳米材料的其它示例包括(但是不限于)纳米线。在本发明的另外ー些实施方式中，聚合体是电绝缘的并且纳米材料是导电的。
根据本发明的一个实施方式，聚合体和纳米材料的混合物还包括异丙醇。蒸发在膜中的异丙醇以形成孔。在膜中，这些孔分离碳纳米管。在本发明的一些实施方式中，通过在预定温度下加热膜持续预定量的时间来辅助干燥处理。在ー些具体的实施方式中，膜可以加热持续大约20分钟到600分钟，并且/或者在大约25摄氏度到大约90摄氏度的温度范围中。在根据本发明的另外ー些实施方式中，在大致60摄氏度的温度下，膜可以加热大致20分钟。在根据本发明的另外ー些实施方式中，在指定压カ下加热膜。在这些实施方式中的具体的一些实施方式中，可以在从大致0. OOlatm到大致Iatm的范围中的压カ下加热膜。在本发明的一些实施方式中，所得的膜具有在从100纳米到1000微米的范围中的均匀厚度。在本发明的另外ー些实施方式中，膜为0.5mm厚。在本发明的一些实施方式中，每ー个孔的尺寸都大致为100纳米到500微米。孔的尺寸可以为均匀的或非均匀的。典型地，在膜中的孔的密度在5到75个体积百分比之间。在本发明的一些实施方式中，在大致0. 5kPa到IOOkPa的压カ范围中，膜的特性显著地改变。
在下面的详细说明中描述了根据本发明的膜的以上和其它的特征以及优点，并且在下面的附图中示出图I例示了在没有施加力的情况下根据本发明的膜的实施方式的横截面侧视图；图2例示了在图I中所示的实施方式的放大的横截面侧视图；图3例示了由于施加到膜的カ而引起变形的在图I中所示的实施方式的横截面侧视图；图4例示了在图3中所示的实施方式的放大的横截面侧视图；图5例示了用于制造根据本发明的膜的处理的实施方式的流程图；以及图6例示了根据本发明的压カ传感器的实施方式与现有技术的传感器相比的实
验結果。
具体实施例方式本发明涉及由聚合体和纳米材料制成的膜。更具体地，本发明涉及在该膜中的孔的形成。进ー步更具体地，本发明涉及由因为膜中的孔而具有更大的灵敏度的膜制成的压カ传感器。图I到5例示了根据本发明的压カ传感器的ー个具体实施方式
，并且图6例示了在该实施方式的灵敏度方面的結果。为了清楚，在不同的图中，将相同的附图标记赋予在多于ー个的图中所示的部件。图I示出了包括是本发明的示例性实施方式的膜120的压カ传感器100。没有力施加到压カ传感器100。膜120由电绝缘聚合体和导电碳纳米管122制成。可以使用的纳米材料的其它示例包括(但是不限于)纳米线。电绝缘聚合体的一个示例是聚ニ甲基硅氧烷(PDMS)。然而，本领域技术人员将意识到，在没有脱离本发明的情况下，也可以使用任何其它的纳米材料和任何其它的电绝缘聚合体。在所描述的实施方式中，碳纳米管122是管形式的碳，并且可以具有数纳米的直径以及达到数毫米的长度。碳纳米管122的长度与直径的比率可以高达28，000，000:1，并且强度为钢的一百倍，而重量仅为钢的六分之一。碳纳米管122可以是许多不同形式中的任何ー种，包括(但不限制干)单壁碳纳米管和多壁碳纳米管。膜120的嵌入视图130示出了以随意无序的方式遍布整个膜的碳纳米管122。为了该说明的目的，“无序”意味着碳纳米管122不以任何具体的方式排列并且不形成任何一致或重复的图案。碳纳米管122的浓度的 范围可以为聚合体的4到12个质量百分比。在膜120中的碳纳米管122的浓度越高，压カ传感器100的灵敏度就越高。类似地，在膜120中的碳纳米管122的浓度越低，压カ传感器100的灵敏度就越低。在ー个优选实施方式中，碳纳米管122的浓度的范围为聚合体的4到8个质量百分 比。4到8个质量百分比的该范围给定了压カ传感器100的最佳性能。孔121被形成在膜120内。孔121为在膜120内的空隙或孔穴。孔121可以包括空气或气体。根据本发明，孔121的确切的内容是不重要的，并且为了简洁可以省略。碳纳米管122彼此之间通过孔121而物理地分离，如在图2中所清楚地示出的。在碳纳米管122之间的分离增加了膜120的电阻率。而且，相对于无孔构成，孔121降低了膜120的机械属性。因此，膜120顺从于变形。因此，孔121改善了膜120的检测和測量能力，特别地在低压カ范围。稍后在该说明书中进一歩公开了孔121的详细说明。接触部105和110与膜120接触。这些接触部可以由金属制成，虽然可以使用任何导电的材料。通常使用溅射来将这些接触部布置在膜或表面上。也可以使用其它沉积技术来将金属或其它导电材料布置在膜上。这些可以与膜的掩模处理结合以实现在膜上的理想的形状。电表140代表在压カ传感器100中的测量流过压カ传感器100的电流量的电路。根据本发明，电路的确切的构造是不重要的，并且为了简洁可以省略。因为没有力施加到压力传感器100，所以电表140记录了由于具有高电阻的膜120所引起的低电流。图3示出了当力350施加到膜120时的膜120。力350可以是任何类型的力，包括由压力、物理碰撞、或任何其它行为导致的力。当施加力350时，膜120变形。在膜120内，孔121被力所压缩。相对于没有孔的膜，孔121的压缩允许膜121可以更加具有弾性并且变形更大。而且，当孔121被压缩时，在碳纳米管122之间的间隙减小，并且进而，増加了碳纳米管122的导电率以及减小了膜120的电阻率。图4示出了强调孔121的变形的嵌入视图230。若干个碳纳米管122被示出彼此接触。因此，在接触部105和110之间的渗透路径由碳纳米管122形成。该渗透路径降低了膜的总的电阻，并且在图6中可以绘制表现出该效果。根据本发明的膜可以用作压カ感应装置。该膜也可以用于其中有必要检测压力或力的大量应用中。如此的应用可以应用在多个产品中，包括(但不限干)生物医学产品和自动化系统。一个如此的应用是将膜120合并到弹性垫中以感应在人的整个脚上的压カ分布，以用于步态分析。在一些实施方式中，膜120还可以用作传感器以将压力变换为控制系统的电信号。本领域技术人员将意识到，这里描述的膜120的使用仅为示例性的目的，并且在不脱离本发明的情况下，膜120可以用在需要压カ传感器的各种应用中。图5示出了制造根据本发明的一个实施方式的膜120的示例性处理500。该处理通过将碳纳米管122混合到聚合体中以形成混合物而以步骤502开始。可以通过手动搅拌、电磁搅拌以及超声搅拌来完成上述混合。碳纳米管为商业可用的碳纳米管。在步骤503中，通过诸如旋转涂覆、浸溃涂覆和丝网印刷这样的各种涂覆处理来形成膜120。典型地，膜120具有从100纳米到1000微米的范围的均匀厚度。例如，在ー个优选实施方式中，膜120大致为0. 5mm。在步骤503之后，在步骤504中，膜120经历可以由烤炉辅助的干燥处理。在ー个实施方式中，在大致25摄氏度到90摄氏度的温度范围中，膜120由烤炉进行加热持续大约20分钟到大约600分钟。在ー个优选实施方式中，在60摄氏度的温度下，膜120由烤炉进行加热持续120分钟。此外，膜120可以在大致0. OOlatm到大致Iatm的压カ范围下进行加热。在该阶段，通过发气剂的降解形成孔121。可选择地，于在烤炉中退火之前，可以通过除气步骤布置膜来形成孔。该步骤使得分解的气体聚集以形成孔。典型地，形成的孔121具有范围从大致100纳米到500微米的尺寸。本领域技术人员将意识到，孔121的尺寸可以是均匀的或者非均匀的，并且确切的尺寸可以是通过改变处理而控制的设计选择。另外，在膜120中的孔121的密度优选地在大致5个体积百分比到大致75个体积百分比。在大致0. 5kPa到IOOkPa的压カ范围中，膜120的特性显著地改变。然后在步骤505中，根据用于增加如此的接触部的普通处理来增加接触部，以形成压カ传感器。上述内容是根据本发明的传感器的一个实施方式的描述。可设想的是，本领域技 术人员能够并且将设计出对如在所附权利要求中提出的本发明进行侵犯的本发明的可选实施方式。
权利要求
1.ー种形成膜的方法，所述方法包括 形成包括聚合体和多个无序的纳米材料的混合物； 使用所述混合物形成膜； 干燥所述膜；以及 在所述膜内形成多个孔。
2.根据权利要求I所述的方法，其中，所述纳米材料为纳米线。
3.根据权利要求I所述的方法，其中，所述聚合体是电绝缘的。
4.根据权利要求I所述的方法，其中，所述纳米材料为碳纳米管。
5.根据权利要求4所述的方法，其中，所述碳纳米管是导电的。
6.根据权利要求5所述的方法，其中，所述碳纳米管为多壁碳纳米管。
7.根据权利要求5所述的方法，其中，所述碳纳米管为单壁碳纳米管。
8.根据权利要求5所述的方法，其中，所述碳纳米管包括单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的混合物。
9.根据权利要求5所述的方法，其中，在所述膜中，所述孔分离所述纳米管。
10.根据权利要求5所述的方法，其中，所述混合物包括异丙醇。
11.根据权利要求10所述的方法，其中，形成所述孔的所述步骤包括 蒸发在所述膜中的所述异丙醇以形成所述孔。
12.根据权利要求10所述的方法，其中，所述膜具有在从100纳米到1000微米的范围中的均匀厚度。
13.根据权利要求12所述的方法，其中，所述膜为0.5mm厚。
14.根据权利要求12所述的方法，其中，干燥所述膜的所述步骤包括 在预定温度加热所述膜持续预定量的时间。
15.根据权利要求14所述的方法，其中，加热的所述步骤包括 加热所述膜持续在大约20分钟到大约600分钟之间。
16.根据权利要求14所述的方法，其中，加热的所述步骤包括 加热所述膜持续120分钟。
17.根据权利要求14所述的方法，其中，加热所述膜的所述步骤包括 在大约25摄氏度到大约90摄氏度的范围中的温度下加热所述膜。
18.根据权利要求14所述的方法，其中，加热的所述步骤包括 在大致60摄氏度的温度下加热所述膜。
19.根据权利要求14所述的方法，其中，加热的所述步骤包括 在指定压カ下加热所述膜。
20.根据权利要求14所述的方法，其中，加热的所述步骤包括 在从大致0. OOlatm到大致Iatm的范围中的压カ下加热所述膜。
21.根据权利要求14所述的方法，其中，所述孔具有在从大致100纳米到500微米的范围中的尺寸。
22.根据权利要求21所述的方法，其中，所述孔具有均匀的尺寸。
23.根据权利要求21所述的方法，其中，所述孔具有一系列的尺寸。
24.根据权利要求21所述的方法，其中，在所述膜中的所述孔的密度在5到75个体积百分比之间。
25.根据权利要求21所述的方法，其中，在大致0.5kPa到IOOkPa的压カ范围中，所述膜的特性显著地改变。
26.—种制造传感器的方法，所述方法包括 形成膜，形成膜的所述步骤包括 形成聚合体和无序的碳纳米材料的混合物； 使用所述混合物形成膜； 干燥所述膜；以及 在所述膜内形成孔。
27.根据权利要求26所述的方法，所述方法还包括将接触部溅射在所述膜上。
28.根据权利要求27所述的方法，其中，所述接触部由金属制成。
29.ー种膜传感器，所述膜传感器包括 聚合体和多个无序的纳米材料的膜； 在所述膜内形成在所述多个碳纳米管之间的孔。
30.根据权利要求29所述的膜，其中，所述纳米材料为纳米线。
31.根据权利要求29所述的膜，其中，所述聚合体是电绝缘的。
32.根据权利要求29所述的膜，其中，所述纳米材料为碳纳米管。
33.根据权利要求32所述的膜，其中，所述碳纳米管是导电的。
34.根据权利要求32所述的膜，其中，所述碳纳米管为多壁碳纳米管。
35.根据权利要求32所述的膜，其中，所述碳纳米管为单壁碳纳米管。
36.根据权利要求32所述的膜，其中，所述碳纳米管包括单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的混合物。
37.根据权利要求32所述的膜，其中，在所述膜中，所述孔分离所述碳纳米管。
38.根据权利要求29所述的膜，其中，所述膜具有在从大约100纳米到大约1000微米的范围中的均匀厚度。
39.根据权利要求38所述的膜，其中，所述膜为大致0.5mm厚。
40.根据权利要求29所述的膜，其中，所述孔具有变化范围从大致100纳米到大致500微米的尺寸。
41.根据权利要求40所述的膜，其中，所述孔具有均匀的尺寸。
42.根据权利要求40所述的膜，其中，所述孔具有一系列的尺寸。
43.根据权利要求40所述的膜，其中，在所述膜中的所述孔的密度在大致5个体积百分比到大致75个体积百分比之间。
44.根据权利要求40所述的膜，其中，在大致0.5kPa到IOOkPa的压カ范围中，所述膜的特性显著地改变。
45.根据权利要求29所述的膜传感器，所述膜传感器包括 附接到所述膜的第一接触部；和 附接到所述膜的第二接触部。
46.根据权利要求29所述的膜传感器，其中，所述孔将所述多个碳纳米管间隔开，从而当实质上没有力施加到所述膜时，给予所述膜第一电阻率。
47.根据权利要求46所述的膜传感器，其中，所述孔响应于施加了カ而变形，从而改变所述碳纳米管的所述间隙。
48.根据权利要求29所述的膜传感器，其中，所述膜传感器的所述导电率响应于所述膜传感器的变形而改变。
49.根据权利要求29所述的膜传感器，其中，所述膜传感器用于可移动车辆中。
50.根据权利要求29所述的膜传感器，其中，所述孔造成在所述无序的纳米材料的多个部分之间的间隙。
全文摘要
描述了一种形成膜的方法。该方法通过形成包括聚合体和多个无序的纳米材料的混合物而开始。将膜干燥并且在膜内形成多个孔。利用该方法可以制成能够检测压力和施加的力的改变的灵敏的膜传感器。
文档编号B29D7/01GK102656007SQ200980162635
公开日2012年9月5日 申请日期2009年11月30日 优先权日2009年11月30日
发明者珠儒智·阿布·萨曼 申请人:南洋理工学院