一种微纳结构的薄膜传感器及其制备方法

本发明属于薄膜传感器，具体涉及一种微纳结构的薄膜传感器及其制备方法。

背景技术：

1、传感器是一种用于检测和测量环境中物理、化学或生物量的设备。在传感领域中，微结构的制备和优化可以在传感器中实现高度的灵敏度和选择性。微微纳结构是指在微米到纳米尺度范围内具有独特特性的结构，在许多领域中具备独特的应用潜力。结构的高表面积和界面效应可以增加传感器的灵敏度，且微纳米级别的尺寸尺度可以提高传感器的选择性和响应速度。此外，微结构的多功能性也可以对传感器进行定制，以满足不同应用的特定需求。

2、例如，用于生物检测的电化学传感器通常采用微电极或微通道结构，以提高检测灵敏度和选择性。具有特定形状的纳米材料能够在传感器中用于检测多种生物分子，如dna和蛋白质。光学传感器可以应用微纳米孔阵列或纳米垂直结构等微纳米结构制备技术，以实现更高的光学信号响应。将具有特定的物理或化学参数的微结构与其他薄膜材料进行组合可以制备出高性能的薄膜型传感器，用于检测微小的应变、压力、温度、湿度等参数变化。

3、如今薄膜型传感器已经广泛应用于医学、生物检测、环境监测、机器人技术、航空航天等领域。但当前制备传感器中微纳结构的方法存在精度不足的问题，这可能会严重影响传感器性能和检测灵敏度，同时制造技术的局限性与随机性都可能导致在多次制造过程中出现较大的变异，这可能导致传感器的可重复性较差，带来额外的生产成本问题，需要改进。

技术实现思路

1、本发明提供一种微纳结构的薄膜传感器及其制备方法，设计一种成本低、制作简便且微纳结构可控的薄膜传感器，其具有高灵敏度和可设计性。

2、为解决上述问题，本发明提供的技术方案如下：

3、本发明实施例提供一种微纳结构的薄膜传感器，该微纳结构的薄膜传感器包括对位设置的第一聚合物薄膜和第二聚合物薄膜，且所述第一聚合物薄膜朝向所述第二聚合物薄膜一侧设置有微纳结构；所述第一聚合物薄膜和所述第二聚合物薄膜用于作为两个摩擦层；两个摩擦层相反的两侧分别设置有第一导电纤维层和第二导电纤维层，所述第一导电纤维层和所述第二导电纤维层用于作为两个电极层；两个摩擦层和两个电极层组装以形成双电极式摩擦电压力传感器。

4、所述第一聚合物薄膜的材质为聚酰亚胺和/或聚对苯二甲酸乙二醇酯，所述第二聚合物薄膜的材质为热塑性聚氨酯弹性体橡胶，所述第一导电纤维层和所述第二导电纤维层为连续的网格状结构。

5、根据本发明一可选实施例，所述第一聚合物薄膜和所述第二聚合物薄膜的尺寸大小相同。

6、根据本发明一可选实施例，所述微纳结构的粒径为10nm～20um，且所述微纳结构为凹凸结构，其截面形状为梯形、弧形、三角形、四边形或者不规则形状。

7、本发明还提供一种微纳结构的薄膜传感器的制备方法，所述制备方法包括如下步骤：

8、步骤1，准备第一聚合物薄膜，在所述第一聚合物薄膜上制备微纳结构，选择与所述第一聚合物薄膜尺寸大小相同的第二聚合物薄膜，将所述第一聚合物薄膜与所述第二聚合物薄膜对位设置，作为两个摩擦层。

9、步骤2，在两个摩擦层的相反的两侧分别贴附第一导电纤维层和第二导电纤维层，第一导电纤维层和第二导电纤维层用于作为两个电极层。

10、步骤3，将两个摩擦层与两个电极层组装成高灵敏度、高精度的双电极式摩擦电压力传感器。

11、根据本发明一可选实施例，步骤1包括：

12、步骤11：使用离心机对适量单分散聚苯乙烯微球溶液进行离心；离心后去除上清液，然后加入等量无水乙醇，混合均匀；使用去离子水配置sds溶液，用于后续ps微球的自组装；在器皿内倒入适量去离子水，再用微量注射器将加入无水乙醇的ps溶液贴近器皿的水面缓慢滴加到水面上，在器皿内的液面上会出现零散的ps微球薄膜；再用微量注射器滴加少量的sds溶液缓慢加入到器皿内，零散分布的ps微球薄膜就会在sds的作用下聚集在一起形成一张完整致密的薄膜。

13、步骤12：然后使用第一聚合物薄膜从器皿液面上方粘取已经成膜的ps微球薄膜，最后自然晾干；将晾干后的第一聚合物薄膜放在刻蚀机内，设置好刻蚀的功率和氧气流量，调节刻蚀时间来控制第一聚合物薄膜上的微纳结构的深度。

14、根据本发明一可选实施例，步骤1包括：

15、步骤s10包括：准备pi和pet的薄膜作为第一聚合物薄膜，裁剪成1cm×1cm大小，并用无水乙醇超声清洗5min裁剪后薄膜；干燥后，使用空气等离子体清洗机对薄膜进行亲水处理，亲水处理的清洗时间和功率分别为30s和100w。

16、步骤s11包括：取1ml的10um、浓度为2.5wt％的ps微球溶液放入离心机中离心，离心时间和离心转速分别为5min和7000r/min；去除离心后的上清液，加入1ml无水乙醇，摇晃均匀；使用去离子水配置5wt％的sds溶液；在器皿内倒入3/4去离子水，再用微量注射器将加入无水乙醇的ps溶液贴近水面缓慢滴加到水面上，在水面上会形成零散的ps微球薄膜；再用微量注射器滴加2ul的sds溶液缓慢加入到器皿内，在sds的作用下零散的ps微球薄膜聚集在一起，以形成一张完整致密的薄膜。

17、步骤12包括：分别使用pi和pet薄膜从器皿液面上方粘取已经成膜的ps微球薄膜，最后自然晾干；将晾干后的pi和pet薄膜放在刻蚀机内，分别设置刻蚀的功率、氧气流量和刻蚀时间分别为200w、300sccm、40min。

18、根据本发明一可选实施例，步骤1具体包括：

19、步骤s10包括：准备pet材质薄膜作为第一聚合物薄膜，裁剪成1cm×1cm大小，并用无水乙醇超声清洗5min；干燥后，使用空气等离子体清洗机对薄膜进行亲水处理，亲水处理的清洗时间和功率分别为30s和100w。

20、步骤s11包括：取1ml的10um、浓度为2.5wt％的ps微球溶液放入离心机中离心，离心时间和离心转速为5min和7000r/min；去除离心后的上清液，加入1ml无水乙醇，摇晃均匀；使用去离子水配置5wt％的sds溶液；在器皿内倒入3/4去离子水，再用微量注射器将加入无水乙醇的ps溶液贴近水面缓慢滴加到水面上，在水面上会形成零散的ps微球薄膜；再用微量注射器滴加2ul的sds溶液缓慢加入到器皿内，在sds的作用下零散的ps微球薄膜聚集在一起形成一张完整致密的薄膜。

21、步骤12包括：使用pet薄膜从器皿液面上方粘取已经成膜的ps微球薄膜，最后自然晾干；将晾干后pet薄膜放在刻蚀机内，刻蚀的功率和氧气流量为200w、300sccm，设置刻蚀时间分别为20min、40min、1h。

22、根据本发明一可选实施例，步骤1还包括：将制备的具有微纳的第一聚合物薄膜作为其中一层摩擦层，将干净的tpu薄膜裁剪成1cm×1cm大小的第二聚合物薄膜作为另一层摩擦层；步骤2包括：准备导电纤维，裁剪成若干1cm×1cm大小相同的第一导电纤维层和第二导电纤维层，并分别贴在两层摩擦层的相反的两侧。

23、有益效果：本发明实施例提供的一种微纳结构的薄膜传感器及其制备方法，该微纳结构的薄膜传感器包括对位设置的第一聚合物薄膜和第二聚合物薄膜，且第一聚合物薄膜朝向第二聚合物薄膜一侧设置有微纳结构；第一聚合物薄膜和第二聚合物薄膜用于作为两个摩擦层；两个摩擦层相反的两侧分别设置有第一导电纤维层和第二导电纤维层，第一导电纤维层和第二导电纤维层用于两个电极层；两个摩擦层和两个电极层形成有双电极式摩擦电压力传感器；第一聚合物薄膜的材质为聚酰亚胺和/或聚对苯二甲酸乙二醇酯，第二聚合物薄膜的材质为热塑性聚氨酯弹性体橡胶，第一导电纤维层和第二导电纤维层为连续的网格状结构。本发明通过刻蚀不同聚合物材料制备出不同凹凸结构的微纳结构，或者，将聚合物材料刻蚀不同时间制备出不同深度的微纳结构，增加薄膜传感器的接触面积，提高传感灵敏度。