一种柔性压力传感器及其制备方法与流程

本发明属于传感器领域，具体涉及一种柔性压力传感器及其制备方法。

背景技术：

柔性压力传感器是能将应力转化为电学信号的柔性电子器件，一般通过电容效应、压电效应或压电阻效应实现力学量到电学信号的转换，目前，柔性压力传感器广泛应用于柔性触摸屏、智能机器人、移动医疗和机械结构损伤检测等领域。

电阻式柔性压力传感器由于具有器件结构简单、简易的后期数据处理电路和较高的灵敏度而备受产业界和研究界的青睐；对电极式柔性压力传感器是一种电阻式柔性压力传感器，其器件结构简易、灵敏度很高，具有极大的研究与应用潜力。首尔大学的Changhyun Pang研究小组利用硅作为模板制备出具有微纳指状结构阵列，然后在PDMS薄膜上溅射Pt薄膜电极组装成对电极结构的压力传感器(Changhyun Pang，Nature Materials，2012，7)；该传感器利用覆有Pt电极的指状导电结构受到应力作用接触面积发生变化从而将应力转化为电阻变化实现压力传感，可检测到最小为5Pa的压强，且在8000次重复测试中器件性能稳定。具有微纳结构的PDMS薄膜虽然能提高柔性压力传感器的灵敏度，但仅利用微纳结构的接触效应来提高灵敏度，对灵敏度的提升有限，且稳定性较差。

技术实现要素：

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种新型的柔性压力传感器及其制备方法。本发明对电极式压力传感器采用使用黑硅作为模板制备的微纳结构PDMS(聚二甲基硅氧烷)薄膜作为压力传感器电极衬底，采用CNT薄膜作为压力传感器电极，并在上下电极之间引入毫米结构的PDMS层，得到的压力传感器的灵敏度有较大的提高，且稳定性更好。

本发明的技术方案如下：

一种柔性压力传感器，自下而上依次为第一微纳结构PDMS薄膜、第一CNT薄膜、毫米结构PDMS层、第二CNT薄膜和第二微纳结构PDMS薄膜；所述毫米结构PDMS层包括两个长条形PDMS薄膜，位于第一CNT薄膜的两端，厚度为1～2mm，所述第一微纳结构PDMS薄膜和第二微纳结构PDMS薄膜表面为椎体结构。

进一步地，所述毫米结构PDMS层包括两个长条形PDMS薄膜，位于CNT薄膜的两端，两个长条形PDMS薄膜之间的距离为20～26mm，长条形PDMS薄膜的厚度为1～2mm。

进一步地，所述第一微纳结构PDMS薄膜和第二微纳结构PDMS薄膜的厚度为0.5～2mm，表面为阵列排列的厚度为2～10μm的椎体；所述第一CNT薄膜和第二CNT薄膜的厚度为100～300nm。

一种柔性压力传感器的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1：制备第一微纳结构PDMS薄膜和第一CNT薄膜；

步骤2：将两个长条形PDMS薄膜层叠于第一CNT薄膜两端，得到毫米结构PDMS层；

步骤3：制备第二微纳结构PDMS薄膜和第二CNT薄膜，并采用第二CNT薄膜面向第一CNT薄膜的方式将第二微纳结构PDMS薄膜和第二CNT薄膜层叠于步骤2得到的毫米结构PDMS层上；从而得到本发明所述柔性压力传感器。

进一步地，步骤1所述第一微纳结构PDMS薄膜和步骤3所述第二微纳结构PDMS薄膜的制备过程具体为：a)将硅片依次在丙酮、乙醇中超声清洗15～30min，然后采用去离子水冲洗，氮气吹干；b)将上步清洗吹干后的硅片放置于三维移动平台的真空腔内，真空腔内通入SF4气体后，在能量密度为0.42J/cm²、脉冲数为612.5、能量为0.1mJ的飞秒激光下以1mm/s的速度进行扫描烧蚀，得到黑硅，其SEM图如图2所示；c)上步得到的黑硅依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗15～30min，氮气吹干后，浸泡于TMCS(三甲基氯硅烷)溶液中，在60～70℃下水浴加热5～10min，取出待用；d)将聚二甲基硅氧烷主剂和硬化剂按照质量比为10：1的比例混合均匀，在0.1Torr的真空环境下放置20～30min以除去气泡，得到聚二甲基硅氧烷旋涂液，然后在上步处理后得到的黑硅上旋涂聚二甲基硅氧烷旋涂液，转速为400～500rpm，旋涂完后先置于0.1Torr的真空环境下除气20～40min，再于60～70℃温度下干燥1～3h，剥离，即可得到微纳结构的PDMS薄膜。

进一步地，步骤1所述第一微纳结构PDMS薄膜和步骤3所述第二微纳结构PDMS薄膜的厚度为0.5～2mm，表面为阵列排列的厚度为2～10μm的椎体。

进一步地，在微纳结构PDMS薄膜上制备CNT薄膜的具体过程为：a)在第一微纳结构PDMS薄膜和第二微纳结构PDMS薄膜上分别转移厚度为100～300nm的CNT薄膜，然后在90～110℃下退火处理10～30min，得到第一CNT薄膜和第二CNT薄膜；b)在上步得到的第一CNT薄膜和第二CNT薄膜的边缘分别涂覆导电银胶并粘附Cu导线引出，并在60～80℃温度下热烘20～40min直至导电银胶凝固。

进一步地，步骤2所述长条形PDMS薄膜的制备过程具体为：将聚二甲基硅氧烷主剂和硬化剂按质量比10:1的比例混合，在0.1Torr的真空环境下放置10～30min以除去气泡，得到聚二甲基硅氧烷旋涂液；然后在硅烷化处理后的玻璃基片上旋涂上述聚二甲基硅氧烷旋涂液；最后将旋涂后的带聚二甲基硅氧烷的玻璃基片在60～80℃温度下干燥1～3h进行固化成型，将固化成型后的聚二甲基硅氧烷薄膜剥离下，即可得到厚度为1～2mm的长条形PDMS薄膜。

本发明的有益效果为：

1、本发明对电极式压力传感器采用使用黑硅作为模板制备的微纳结构PDMS薄膜作为压力传感器电极衬底，采用CNT薄膜作为压力传感器电极，通过在上下电极之间引入毫米结构的PDMS层，从而使得上下电极之间形成空气槽，空气槽的存在使得上方的第二微纳结构PDMS薄膜向下的形变量变大，且可防止器件发生畸形形变，提高了器件的灵敏度。

2、本发明采用飞秒刻蚀黑硅作为制备微纳结构PDMS薄膜的模板，克服了传统光刻硅模板成本高、周期长的缺点，且能准确得到图案化的微纳结构。

附图说明

图1为本发明柔性压力传感器的结构示意图；其中，1为第二微纳结构PDMS薄膜，2为第二CNT薄膜，3为毫米结构PDMS层，4为银电极，5为用于测试引出的铜线，6为第一CNT薄膜，7为第一微纳结构PDMS薄膜；

图2为本发明实施例采用飞秒激光法制得的黑硅表面的SEM图；

图3为本发明实施例得到的柔性压力传感器在不同压强下的响应度测试曲线；

图4为对比例得到的柔性压力传感器在不同压强下的响应度测试曲线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，详述本发明的技术方案。

一种柔性压力传感器，自下而上依次为第一微纳结构PDMS薄膜、第一CNT薄膜、毫米结构PDMS层、第二CNT薄膜和第二微纳结构PDMS薄膜；所述毫米结构PDMS层包括两个长条形PDMS薄膜，位于第一CNT薄膜的两端，厚度为1～2mm，所述第一微纳结构PDMS薄膜和第二微纳结构PDMS薄膜表面为椎体结构。

进一步地，所述毫米结构PDMS层包括两个相同的长条形PDMS薄膜，位于CNT薄膜的两端，两个长条形PDMS薄膜之间的距离为20～26mm，长条形PDMS薄膜的厚度为1～2mm。

进一步地，所述第一微纳结构PDMS薄膜和第二微纳结构PDMS薄膜的厚度为0.5～2mm，表面为阵列排列的厚度为2～10μm的椎体；所述第一CNT薄膜和第二CNT薄膜的厚度为100～300nm。

一种柔性压力传感器的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、制备第一微纳结构PDMS薄膜和第一CNT薄膜：a)将6英寸的硅片切割为3cm×3cm大小，然后依次在丙酮、乙醇中超声清洗15～30min，然后采用去离子水冲洗，氮气吹干；b)将上步清洗吹干后的硅片放置于三维移动平台的真空腔内，真空腔内通入SF4气体后，在能量密度为0.42J/cm²、脉冲数为612.5、能量为0.1mJ的飞秒激光下以1mm/s的速度进行扫描烧蚀，得到黑硅，其SEM图如图2所示；c)上步得到的黑硅依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗15～30min，氮气吹干后，浸泡于TMCS(三甲基氯硅烷)溶液中，在60～70℃下水浴加热5～10min，取出待用；d)将聚二甲基硅氧烷主剂和硬化剂按照质量比为10：1的比例混合均匀，在0.1Torr的真空环境下放置20～30min以除去气泡，得到聚二甲基硅氧烷旋涂液，然后在上步处理后得到的黑硅上旋涂聚二甲基硅氧烷旋涂液，转速为400～500rpm，旋涂完后先置于0.1Torr的真空环境下除气20～40min，再于60～70℃温度下干燥1～3h，剥离，即可得到第一微纳结构PDMS薄膜；e)在上步得到的第一微纳结构PDMS薄膜上转移厚度为100～300nm的CNT薄膜，然后在90～110℃下退火处理10～30min，得到第一CNT薄膜，在第一CNT薄膜的边缘涂覆导电银胶并粘附Cu导线引出，并在60～80℃温度下热烘20～40min直至导电银胶凝固；

步骤2、毫米结构PDMS层的制备：a)将聚二甲基硅氧烷主剂和硬化剂按质量比10:1的比例混合，在0.1Torr的真空环境下放置10～30min以除去气泡，得到聚二甲基硅氧烷旋涂液；b)在硅烷化处理后的玻璃基片上旋涂上述聚二甲基硅氧烷旋涂液；c)将旋涂后的带聚二甲基硅氧烷的玻璃基片在60～80℃温度下干燥1～3h进行固化成型，将固化成型后的聚二甲基硅氧烷薄膜剥离下，即可得到厚度为1～2mm的长条形PDMS薄膜；d)将两个长条形PDMS薄膜分别放于第一CNT薄膜的两端，即可得到毫米结构PDMS层，两个长条形PDMS薄膜之间的距离为20～26mm；

步骤3、采用与步骤1相同的方法制备第二微纳结构PDMS薄膜和第二CNT薄膜，并采用第二CNT薄膜面向第一CNT薄膜的方式将第二微纳结构PDMS薄膜和第二CNT薄膜层叠于步骤2得到的毫米结构PDMS层上；从而得到本发明所述柔性压力传感器。

进一步地，步骤1所述第一微纳结构PDMS薄膜和步骤3所述第二微纳结构PDMS薄膜的厚度为0.5～2mm，表面为阵列排列的厚度为2～10μm的椎体。

实施例

一种柔性压力传感器的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、制备第一微纳结构PDMS薄膜和第一CNT薄膜：a)将6英寸的硅片切割为3cm×3cm大小，然后依次在丙酮、乙醇中超声清洗15min，然后采用去离子水冲洗，氮气吹干；b)将上步清洗吹干后的硅片放置于三维移动平台的真空腔内，真空腔内通入SF4气体后，在能量密度为0.42J/cm²、脉冲数为612.5、能量为0.1mJ的飞秒激光下以1mm/s的速度进行扫描烧蚀，得到黑硅，其SEM图如图2所示；c)上步得到的黑硅依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗15min，氮气吹干后，浸泡于TMCS(三甲基氯硅烷)溶液中，在65℃下水浴加热5min，取出待用；d)将聚二甲基硅氧烷主剂和硬化剂按照质量比为10：1的比例混合均匀，在0.1Torr的真空环境下放置30min以除去气泡，得到聚二甲基硅氧烷旋涂液，然后在上步处理后得到的黑硅上旋涂聚二甲基硅氧烷旋涂液，转速为500rpm，旋涂完后先置于0.1Torr的真空环境下除气30min，再于65℃温度下干燥1h，剥离，即可得到第一微纳结构PDMS薄膜；e)在上步得到的第一微纳结构PDMS薄膜上转移厚度为300nm的CNT薄膜，然后在100℃下退火处理30min，得到第一CNT薄膜，在第一CNT薄膜的边缘涂覆导电银胶并粘附Cu导线引出，并在65℃温度下热烘30min直至导电银胶凝固；

步骤2、毫米结构PDMS层的制备：a)将聚二甲基硅氧烷主剂和硬化剂按质量比10:1的比例混合，在0.1Torr的真空环境下放置30min以除去气泡，得到聚二甲基硅氧烷旋涂液；b)在硅烷化处理后的玻璃基片上旋涂上述聚二甲基硅氧烷旋涂液；c)将旋涂后的带聚二甲基硅氧烷的玻璃基片在65℃温度下干燥1h进行固化成型，将固化成型后的聚二甲基硅氧烷薄膜剥离下，即可得到厚度为1mm的长条形PDMS薄膜；d)将两个长条形PDMS薄膜分别放于第一CNT薄膜的两端，即可得到毫米结构PDMS层；

步骤3、采用与步骤1相同的方法制备第二微纳结构PDMS薄膜和第二CNT薄膜，并采用第二CNT薄膜面向第一CNT薄膜的方式将第二微纳结构PDMS薄膜和第二CNT薄膜层叠于步骤2得到的毫米结构PDMS层上；从而得到本发明所述柔性压力传感器。

对比例

一种柔性压力传感器的制备方法，具体包括以下步骤：

步骤1、制备第一微纳结构PDMS薄膜和第一CNT薄膜：a)将6英寸的硅片切割为3cm×3cm大小，然后依次在丙酮、乙醇中超声清洗15min，然后采用去离子水冲洗，氮气吹干；b)将上步清洗吹干后的硅片放置于三维移动平台的真空腔内，真空腔内通入SF4气体后，在能量密度为0.42J/cm²、脉冲数为612.5、能量为0.1mJ的飞秒激光下以1mm/s的速度进行扫描烧蚀，得到黑硅，其SEM图如图2所示；c)上步得到的黑硅依次在丙酮、无水乙醇和去离子水中超声清洗15min，氮气吹干后，浸泡于TMCS(三甲基氯硅烷)溶液中，在65℃下水浴加热5min，取出待用；d)将聚二甲基硅氧烷主剂和硬化剂按照质量比为10：1的比例混合均匀，在0.1Torr的真空环境下放置30min以除去气泡，得到聚二甲基硅氧烷旋涂液，然后在上步处理后得到的黑硅上旋涂聚二甲基硅氧烷旋涂液，转速为500rpm，旋涂完后先置于0.1Torr的真空环境下除气30min，再于65℃温度下干燥1h，剥离，即可得到第一微纳结构PDMS薄膜；e)在上步得到的第一微纳结构PDMS薄膜上转移厚度为300nm的CNT薄膜，然后在100℃下退火处理30min，得到第一CNT薄膜，在第一CNT薄膜的边缘涂覆导电银胶并粘附Cu导线引出，并在65℃温度下热烘30min直至导电银胶凝固；

步骤2、采用与步骤1相同的方法制备第二微纳结构PDMS薄膜和第二CNT薄膜，并采用第二CNT薄膜面向第一CNT薄膜的方式将第二微纳结构PDMS薄膜和第二CNT薄膜层叠于步骤1得到的第一CNT薄膜上；从而得到柔性压力传感器。

将实施例和对比例得到的柔性压力传感器用固定重物产生固定压强下测试器件的电阻变化来表示器件的响应度，器件的响应度计算公式为：其中，Ri表示器件的初始电阻值，Rr表示施加固定压强下的器件的电阻值，ΔR表示施加固定压强后的电阻变化值。

图3为本发明实施例得到的柔性压力传感器在不同压强下的响应度测试曲线。由图3可知，实施例的柔性压力传感器在100Pa下的响应度为50％，在50Pa下的响应度为47％，在10Pa压强下响应度为35％，在5Pa下响应度为25％；对器件多次施加压强后其电阻值没有明显变化，器件稳定性更好。综上，实施例得到的柔性压力传感器与对比例相比，灵敏度和稳定性均有较大的改善。

图4为对比例得到的柔性压力传感器在不同压强下的响应度测试曲线。由图4可知，对比例的柔性压力传感器在100Pa下的响应度为29.6％，在50Pa的响应度为22％，在10Pa压强下响应度为11.7％，在5Pa下响应度为1.8％；对器件多次施加压强后其电阻值逐渐变小，稳定性较差。因此，对比例得到的柔性压力传感器与本发明相比，灵敏度和稳定性均较差。