一种基于半球形微结构的柔性压力传感器及其制造方法与流程

本发明属于柔性压力传感器技术领域，尤其涉及一种基于半球形微结构的柔性压力传感器及其制造方法。

背景技术：

随着社会的发展，柔性传感器件为社会生活的多个方面带来了革命性变化，因其在柔性方面的优势，逐渐被应用到机器人，可穿戴电子设备，人机交互，智能蒙皮等领域。相对于传统的传感器，柔性传感器的在性能方面还存在着很多缺陷，目前的柔性传感器柔性还存在着灵敏度不高，测量范围小，滞后现象较大以及容易受到外部环境噪声的干扰等问题。

最近几年，随着经济的快速发张，人们生活品质大大提高，促进了可穿戴的柔性传感器快速的发展，人们希望能将传感器件舒适地穿戴在身上，或者与皮肤表面进行直接的贴附，从而获取脉搏和血压等健康信息。此外，柔性传感器还是人类仿生假肢以及智能机器人感知外界环境的重要组成部件。柔性压力传感器的研究成为了今年来的研究热点，前人采用多种不同的手段提高了柔性压力传感器的性能指标，如灵敏度、量程、重复性以及一致性等等，拓展了柔性压力传感器的应用领域。

近年来的制作柔性压力传感器的工艺主要有以下几种：

1.通过光刻蚀和湿法刻蚀制作金字塔凹槽阵列模具，将pdms倒入模具中，制作出具有金字塔结构的pdms基底，然后制备氧化石墨烯悬浮液，然后采用层层自组装的方法在具有金字塔结构的pdms薄膜上制作石墨烯薄膜，最后将带有石墨烯pdms薄膜与带有ito涂层的pet薄膜贴合上，在薄膜上引出电极，便完成柔性压力传感器的制备。此压力传感器最小可以测量1.5pa的压力，响应时间只有0.2毫秒，在0到100pa的压力范围上的灵敏度为-5.53/kpa。

2.采用光刻技术制作出具有金字塔形凹槽的轨晶片模具。以5：1的比例混合pdms和交联剂，再用己烷将其稀释并搅拌30分钟以上。将稀释后的100微升的溶液涂覆在模具上并进行除气，将一片150微米厚带有ito导电层的pet薄膜用紫外线处理20分钟，然后在真空环境下将pet薄膜放在pdms薄膜上，并在70摄氏度的环境下对薄膜施加至少100mpa的压力堆叠4小时，最后在薄膜两端接上导线制成传感器。由于传感器具有易于变形的微结构阵列，因此实现了高灵敏度的测量，在2kpa的范围内灵敏度达到0.55/kpa。

3.将10、30、50毫克的单壁碳纳米管(swcnt)粉与10ml的去离子水混合制作不同浓度的swcnt溶液，接着混合0.1毫升的聚苯乙烯(pss)溶液进行30分钟的超声降解。把pdms溶液倒进模具中制作出500微米厚的pdms薄膜，对pdms表面采用氧气等离子进行处理得到亲水表面。100纳米厚的pu-pedot:pss的复合弹性体层由聚氨酯(60％的重量)和pedot:pss(40％的重量)的溶液混合而成并将其沉积在基板上。以150摄氏度的退火一小时，采用三乙氧硅烷溶液对复合膜表面进行30分钟的自组装(sam)，从而在pdms基体上获得swcnt溶液涂层。在sam处理后，将swcnt溶液滴在基底表面上并以1000rpm转速旋涂10分钟，得到厚度为1.2微米的薄膜。然后将样品置于100摄氏度的环境下退火1个小时。最后再涂上一层pu/pedot:pss溶液并在100摄氏度下退火一小时，完成传感器的制备。该传感器具有很高的透明度，可以达到72％的透明度，并且具有很好的重复性，灵敏系数达到106.

4.将44mg的四氯金酸三水合物加入到40ml的己烷中，接着加入1.5ml的油胺，金盐完全溶解后，在上述溶液中加入了2.1毫升的三异丙基硅烷。将混合后的溶液在室温下静置两天，知道溶液颜色由黄色变为深红色，表明金纳米线的形成。用乙醇和己烷(体积比2：1)的混合溶液进行多次离心和清洗以清除残留的化合物，最后浓缩到2ml的氯仿溶液中。将8x8mm2的金伯利(kimberlyclark)薄纸浸泡在金纳米线的氯仿溶液中，在氯仿蒸发后，薄纸的颜色由白色变为深红色。通过大约十次的重复涂抹和干燥，直到薄纸的电阻到2.5mω/sq.在30x27mm2的pdms基底镀上交错的ti/au电极。相邻电极的间距通常为0.1毫米，中间的电极间距为0.5毫米。两个10x10mm2接触板被放置在两个电极间的两端与外部电路相连。最后用带有交错电极的pdms薄膜与空白的pdms薄膜把带有aunws的薄膜包夹在中间，形成三文治一样的结构。这种方法得到的传感器可以测量很小的压力，并且有着17ms的相应时间,以及1.14/kpa的灵敏度，可以实现对人类脉搏的实时测量。

尽管上述的柔性传感器可以实现对外界压力的测量，可是还存在一些缺点。

1.基于石墨烯微结构阵列的柔性压力传感器在过高或过低的压力范围中，其灵敏度较低。导致应用范围较小。

2.基于微结构橡胶介电层的柔性传感器的灵敏度比较低，只适用于感测静态压力。

3.基于压阻效应的柔性传感器在较大的拉伸量下，会出现响应滞后，难以恢复原状。

4.基于金纳米线的柔性压力传感器透明度较低，传感器在较大拉伸量下其灵敏度较低，甚至由于电极的断裂而失效。

技术实现要素：

本发明的目的在于克服上述现有技术的不足，提供了一种基于半球形微结构的柔性压力传感器及其制造方法，其提高了柔性压力传感器的测量范围、灵敏度以及减少响应时间。

本发明的技术方案是：一种基于半球形微结构的柔性压力传感器，包括pdms柔性基底层、碳纳米管薄膜和pdms柔性薄膜层，所述pdms柔性基底层具有微结构，所述微结构呈球面凸起状，所述pdms柔性基底层具有所述微结构的一面覆盖有所述碳纳米管薄膜，且所述碳纳米管薄膜位于所述pdms柔性基底层和所述pdms柔性薄膜层之间，所述碳纳米管薄膜连接有电极。

可选地，所述微结构呈半球形。

本发明还提供了一种柔性压力传感器的制造方法，包括以下步骤：

制备具有微结构呈球面凸起状的pdms柔性基底层；

制备碳纳米管薄膜；

于所述pdms柔性基底层具有微结构的表面覆盖所述碳纳米管薄膜；

制备pdms柔性薄膜层并将所述pdms柔性薄膜层覆盖于所述碳纳米管薄膜；

于所述碳纳米管薄膜连接电极。

可选地，其中，制备所述pdms柔性基底层包括以下步骤：

采用光蚀刻技术制作出具有半球形凹槽结构的硅晶片模具；

将pdms与交联剂以10:1的重量比混合搅拌得到混合溶液，接着将所述混合溶液涂覆于具有半球形凹槽的所述硅晶片模具；

加热所述硅晶片模具和所述混合溶液；

冷却所述硅晶片模具和所述混合溶液，所述混合溶液冷却固化之后形成pdms柔性基底层，将pdms柔性基底层从所述硅晶片模具中分离出来，得到具有半球形微结构的pdms柔性基底层。

可选地，其中，制备所述碳纳米管薄膜包括以下步骤：

步骤一：把氯化氢与过氧化氢溶液混合得到混合液，将碳纳米管粉末加入混合液中加热；

步骤二：将步骤一中的碳纳米管加入二甲基甲酰胺溶液中抽真空渗漏，最后得到一层附着在渗漏膜上的碳纳米管薄膜。

步骤三：将渗漏膜斜插入去离子水中，一层碳纳米管薄膜从步骤二中得到的碳纳米管薄膜上分离下来。

步骤四：将漂浮在去离子水上的碳纳米管薄膜取出，用氮气流风干。

可选地，在所述步骤三中，一层50-60nm厚的碳纳米管薄膜从200-300微米厚的碳纳米管薄膜上分离下来。

可选地，于所述pdms柔性基底层具有微结构的表面覆盖所述碳纳米管薄膜包括以下步骤：

将碳纳米管薄膜转移至具有半球形微结构的pdms柔性基底层上后加热。

可选地，其中，制备pdms柔性薄膜层包括以下步骤：

将pdms与交联剂以10:1的重量比混合搅拌得到溶液；

将溶液旋涂在硅片上后加热，之后冷却，将硅片上的半固化的pdms柔性薄膜层分离出来。

可选地，将半固化的pdms柔性薄膜层与碳纳米管薄膜和所述pdms柔性基底层粘合，并加热。

可选地，粘合后，在中间层的碳纳米管薄膜的两侧引出电极。

本发明所提供的一种基于半球形微结构的柔性压力传感器及其制造方法，其柔性压力传感器采用了半球形的内部结构，传感器的测量范围得到了很大的改善，结合具有高导电率的碳纳米管，使得其具有更高的灵敏度，并且通过改善制作方法，使得柔性传感器的制作更为简单可行，降低了制作难度，减少了人工成本，提高了制作的效率，实现了标准化制作工艺。

附图说明

为了更清楚地说明本发明实施例中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1是本发明实施例提供的一种基于半球形微结构的柔性压力传感器的剖面示意图；

图2是本发明实施例提供的柔性压力传感器的制造方法中所采用的硅晶片模具的剖面示意图；

图3是本发明实施例提供的柔性压力传感器的制造方法中所采用的硅晶片模具的平面示意图；

图4是本发明实施例提供的柔性压力传感器的制造方法的参考流程图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者可能同时存在居中元件。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或者可能同时存在居中元件。

还需要说明的是，本发明实施例中的左、右、上、下等方位用语，仅是互为相对概念或是以产品的正常使用状态为参考的，而不应该认为是具有限制性的。

如图1所示，本发明实施例提供的一种基于半球形微结构的柔性压力传感器，包括pdms柔性基底层1、碳纳米管薄膜2和pdms柔性薄膜层3，pdms柔性基底层1和pdms柔性薄膜层3均采用pdms制成，pdms(polydimethylsiloxane)为聚二甲基硅氧烷的英文缩写，透明度高，同硅片之间具有良好的粘附性，而且具有良好的化学惰性，其透光性良好、生物相容性佳、易与多种材质室温接合、以及因为低杨氏模量致使结构高弹性。所述pdms柔性基底层1具有微结构11，所述微结构11呈球面凸起状，即微结构11可以呈球冠状，优选地，微结构11可以呈半球形。微结构11设置有多个，多个微结构11呈矩阵状一体成型于pdms柔性基底层1的一面。所述pdms柔性基底层1具有所述微结构11的一面覆盖有所述碳纳米管薄膜2，碳纳米管薄膜2均匀、贴合覆盖于微结构11和pdms柔性基底层1。且所述碳纳米管薄膜2位于所述pdms柔性基底层1和所述pdms柔性薄膜层3之间，所述碳纳米管薄膜2连接有电极。该柔性传感器的工作原理是压阻效应，当外部环境对柔性传感器施加载荷的时候，内部半球形的微结构11发生形变，半球形的微结构11与基板之间的接触面积减少，使得柔性压力传感器的电阻变小，从而导致电流强度的增加。而当载荷释放之后，由于pdms的弹性特性，半球形的微结构11恢复到初始状态，所以柔性压力传感器通过测量电流便可以实现压力的测量，且柔性压力传感器的测量范围和灵敏度提高，响应时间缩短。

本发明实施例还提供了一种柔性压力传感器的制造方法，可以用于制备上述一种基于半球形微结构的柔性压力传感器，包括以下步骤：

制备具有微结构11呈球面凸起状的pdms柔性基底层1；

制备碳纳米管薄膜2；

于所述pdms柔性基底层1具有微结构11的表面覆盖所述碳纳米管薄膜2；

制备pdms柔性薄膜层3并将所述pdms柔性薄膜层3覆盖于所述碳纳米管薄膜2；

于所述碳纳米管薄膜2连接电极。

具体地，其中，制备所述pdms柔性基底层1包括以下步骤：

如图2和图3所示，采用光蚀刻技术制作出具有半球形凹槽结构41的硅晶片模具4，半球形凹槽结构41可以用于成型半球形微结构11；

将pdms与交联剂以10:1的重量比混合搅拌得到混合溶液，接着将所述混合溶液涂覆于具有半球形凹槽41的所述硅晶片模具4；

加热所述硅晶片模具4和所述混合溶液；

冷却所述硅晶片模具4和所述混合溶液，所述混合溶液冷却固化之后形成pdms柔性基底层1，将pdms柔性基底层1从所述硅晶片模具4中分离出来，得到具有半球形微结构11的pdms柔性基底层1。

具体地，其中，制备所述碳纳米管薄膜2包括以下步骤：

步骤一：把氯化氢与过氧化氢溶液混合得到混合液，将碳纳米管粉末加入混合液中加热；

步骤二：将步骤一中的碳纳米管加入二甲基甲酰胺溶液中抽真空渗漏，最后得到一层附着在渗漏膜上的碳纳米管薄膜2。

步骤三：将渗漏膜斜插入去离子水中，一层碳纳米管薄膜2从步骤二中得到的碳纳米管薄膜2上分离下来。

步骤四：将漂浮在去离子水上的碳纳米管薄膜2取出，用氮气流风干。

具体地，在所述步骤三中，一层50-60nm厚的碳纳米管薄膜2从200-300微米厚的碳纳米管薄膜2上分离下来。

具体地，于所述pdms柔性基底层1具有微结构11的表面覆盖所述碳纳米管薄膜2包括以下步骤：

将碳纳米管薄膜2转移至具有半球形微结构11的pdms柔性基底层1上后加热。

具体地，其中，制备pdms柔性薄膜层3包括以下步骤：

将pdms与交联剂以10:1的重量比混合搅拌得到溶液；

将溶液旋涂在硅片上后加热，之后冷却，将硅片上的半固化的pdms柔性薄膜层3分离出来。

具体地，半固化的pdms柔性薄膜层3与碳纳米管薄膜2和所述pdms柔性基底层1粘合，并加热。

具体地，粘合后，在中间层的碳纳米管薄膜2两侧引出电极。

具体应用可以参考以下流程，如图1所示：

第一步：采用光蚀刻技术制作出具有半球形凹槽结构41的硅晶片模具4，如图2和图3所示。

第二步：将聚二甲基硅氧烷(pdms)与交联剂以10:1的重量比混合搅拌十分钟，接着将溶液涂覆在具有半球形凹槽结构41的硅晶片模具4上，在85摄氏度下加热60分钟。

第三步：将上述得到的溶液温度置于室温下冷却，固化之后将薄膜从硅晶片模具4中分离出来，得到具有半球形微结构11的pdms薄膜(pdms柔性基底层1)。

第四步：把氯化氢与过氧化氢溶液以3：1的比例混合，将5克碳纳米管粉末加入混合溶液中，在60摄氏度下加热4小时。

第五步：将处理后的碳纳米管加入二甲基甲酰胺溶液中抽真空渗漏，最后得到一层附着在渗漏膜上的碳纳米管薄膜。

第六步：将渗漏膜以45度倾角斜插入去离子水中，一层50-60nm厚的碳纳米管薄膜2从200-300微米厚的碳纳米管薄膜上分离下来。

第七步：将漂浮在去离子水上的碳纳米管薄膜2取出，用氮气流风干。

第八步：转移碳纳米管薄膜2到具有半球形微结构11的pdms薄膜(pdms柔性基底层1)上，在200-220摄氏度下加热半小时。

第九步：将聚二甲基硅氧烷(pdms)与交联剂以10:1的重量比混合搅拌十分钟，并且以900-1100rpm转速旋涂在硅片上，在85摄氏度下加热半个小时，之后将溶液温度置于室温下冷却，将硅片上的半固化的pdms薄膜(pdms柔性薄膜层3)分离出来。

第十步：将半固化的pdms柔性薄膜层3与碳纳米管薄膜2和pdms柔性基底层1粘合，在摄氏度下加热30分钟，进行紧密的粘合(如图1)。

第十一步：在中间层的碳纳米管薄膜2两侧引出电极，完成了柔性压力传感器制作。

本发明实施例所提供的一种基于半球形微结构11的柔性压力传感器及其制造方法，其柔性压力传感器采用了半球形的内部结构，传感器的测量范围得到了很大的改善，结合具有高导电率的碳纳米管，使得其具有更高的灵敏度，并且通过改善制作方法，使得柔性传感器的制作更为简单可行，降低了制作难度，减少了人工成本，提高了制作的效率，实现了标准化制作工艺。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换或改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。