一種柔性微壓力傳感器及其制備方法
【技術領域】
[0001]本發(fā)明屬于微壓力傳感器制備領域，具體涉及一種柔性微壓力傳感器及其制備方法。
【背景技術】
[0002]微壓力傳感器是采用半導體材料和微細加工工藝制造的新型壓力傳感器。與傳統(tǒng)壓力傳感器相比，微壓力傳感器具有精度高、敏捷度高、動態(tài)特性好、體積小、耐侵蝕、成本低等優(yōu)點，已廣泛應用于心率監(jiān)測、智能開關以及人造電子皮膚等領域。隨著越來越多可穿戴或者可卷繞設備的廣泛應用，以及人造可彎曲延伸電子皮膚發(fā)展的迫切需求，對柔性傳感器的研宄越來越受到研宄者的重視。
[0003]碳納米管是一種特殊結構(徑向尺寸為納米量級，軸向尺寸為微米量級，管子兩端基本都封口)的一維量子材料，具有優(yōu)異的力學、電學、化學和機械性能、重量輕等優(yōu)點，受到了人們極大的關注。近年來，隨著碳納米管及納米材料研宄的不斷深入，其廣闊的應用前景不斷顯現(xiàn)出來。由于碳納米管的電子特性主要由其原子排列的結構決定，所以其受力的變化會對電導率產生影響，其變化值可由電流信號檢測，這些性質使得碳納米管可應用于壓力傳感器中。另外，碳納米管具有良好的導電性、對可見光透明、穩(wěn)定性強、良好的柔性、可應用于可折疊可穿戴的電子產品中等優(yōu)點，因此，對基于碳納米管的柔性微壓力傳感器的研宄越來越多。目前基于碳納米管的微壓力傳感器中通常采用圓柱狀的微結構，在壓力作用下形變有限，降低了傳感器的靈敏度，限制了傳感器的廣泛應用。

【發(fā)明內容】

[0004]本發(fā)明針對【背景技術】存在的缺陷，提出了一種柔性微壓力傳感器及其制備方法。該柔性微壓力傳感器采用單壁碳納米管作為透明導電層，以具有正四棱錐微結構的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作為襯底，以鍍有氧化銦錫的聚對苯二甲酸乙二醇酯作為耦合電極，當傳感器受到外部壓力時，可通過測試碳納米管和氧化銦錫之間的電流變化來表征壓力的響應。該柔性微壓力傳感器對可見光透明，響應速度快，靈敏度高，對極小的壓力都有明顯響應。
[0005]本發(fā)明的技術方案如下:
[0006]一種柔性微壓力傳感器，包括柔性襯底和位于柔性襯底之上的導電層、柔性耦合電極，其特征在于，所述柔性襯底具有正四棱錐微結構。
[0007]進一步地，所述柔性襯底為具有正四棱錐微結構的聚二甲基硅氧烷(PDMS)，所述導電層為單壁碳納米管，所述柔性耦合電極為帶氧化銦錫(ITO)導電層的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)。
[0008]上述基于碳納米管的柔性微壓力傳感器的制備方法，包括以下步驟:
[0009]步驟1:采用微細加工工藝刻蝕出具有正四棱錐微結構的硅模板；
[0010]步驟2:利用步驟I得到的硅模板作為模具，采用聚二甲基硅氧烷和固化劑混合液制備得到具有正四棱錐微結構的聚二甲基硅氧烷襯底；
[0011]步驟3:將單壁碳納米管與氮甲基吡咯烷酮混合，超聲分散，離心，取上層液體，得到單壁碳納米管懸濁液；
[0012]步驟4:將步驟3得到的單壁碳納米管懸濁液放入噴槍中，采用噴涂的方法，在步驟2得到的聚二甲基硅氧烷襯底上噴一層單壁碳納米管導電層；然后制備耦合電極，即得到本發(fā)明所述柔性微壓力傳感器。
[0013]進一步地，步驟I所述具有正四棱錐微結構的硅模板的制備過程為:首先光刻，然后依次采用BOE溶液和KOH溶液刻蝕出具有正四棱錐微結構的硅模板，然后將得到的硅模板在三甲基氯硅烷上方處理4h。
[0014]進一步地，所述光刻圖形為正方形陣列，所述KOH溶液為Κ0Η、異丙醇和水的混合液，其中，H20、KOH和異丙醇的質量比為2:1:2，在KOH溶液中刻蝕時需要不斷攪拌溶液。
[0015]進一步地，步驟2的具體過程為:將聚二甲基硅氧烷和固化劑混合均勻，真空處理去除空氣泡；將上步得到的聚二甲基硅氧烷和固化劑混合液滴在步驟I得到的具有正四棱錐微結構的硅模板上，放入真空腔內抽真空；取出后加熱，使聚二甲基硅氧烷固化；將固化的聚二甲基硅氧烷從硅模版上剝離，得到具有正四棱錐微結構的聚二甲基硅氧烷襯底。
[0016]進一步地，所述聚二甲基硅氧烷和固化劑的質量比為10:1 ;得到的聚二甲基硅氧烷襯底為微米級。
[0017]進一步地，步驟3得到的單壁碳納米管懸濁液中單壁碳納米管與氮甲基吡咯烷酮的質量比為1:4000。
[0018]進一步地，步驟4中采用噴涂法制備單壁碳納米管導電層時，聚二甲基硅氧烷襯底的溫度為180°C ;步驟4所述耦合電極為帶ITO導電層的PET。
[0019]本發(fā)明的有益效果為:
[0020]1、本發(fā)明提供的柔性微壓力傳感器由具有正四棱錐微結構的下電極和耦合電極組成，當壓力作用于傳感器上時，下電極與耦合電極接觸面積變大，若給傳感器施以恒定電壓，則在壓力作用下，通過傳感器的電流會上升；本發(fā)明采用具有特殊的正四棱錐微結構的下電極，由于在壓力作用下，正四棱錐微結構的形變非常明顯，即在很小的壓力下都會有較大的形變，這就使得傳感器對微壓力的響應更靈敏，實施例制得的微壓力傳感器在100Pa的壓強下電流增大到初始的5000多倍。
[0021]2、本發(fā)明提供的柔性微壓力傳感器采用PDMS作為下電極襯底，柔性好，可彎曲和拉伸；采用噴涂方法制備的單壁碳納米管作為導電層，對可見光透明，且在傳感器拉伸或彎曲過程中不易損壞，穩(wěn)定性好；本發(fā)明微壓力傳感器制備原料成本低、工藝簡單，適用于工業(yè)大規(guī)模生產。
【附圖說明】
[0022]圖1為本發(fā)明實施例的一種柔性微壓力傳感器的結構示意圖。
[0023]圖2為本發(fā)明實施例制備得到的具有正四棱錐微結構的PDMS襯底的掃描電子顯微鏡圖(SEM)。其中，(a)圖比例尺為50微米；(b)圖比例尺為10微米；(c)圖為正四棱錐微結構上沉積的碳納米管導電層的表面形貌，比例尺為I微米。
[0024]圖3為本發(fā)明實施例制備得到的微壓力傳感器在430Pa、520Pa和740Pa壓強下響應數(shù)據(jù)圖。
[0025]圖4為本發(fā)明實施例制備得到的微壓力傳感器在不同壓強下的響應強度圖。
[0026]圖5為利用本發(fā)明實施例制備的微壓力傳感器測量人體手腕脈搏的響應圖。
【具體實施方式】
[0027]下面結合附圖和實施例對本發(fā)明做進一步地說明。
[0028]一種柔性微壓力傳感器，包括具有正四棱錐微結構的聚二甲基硅氧烷(PDMS)襯底，位于PDMS襯底上的單壁碳納米管導電層和具有氧化銦錫(ITO)導電層的聚對苯二甲酸乙二醇酯(PET)耦合電極。
[0029]本發(fā)明提供的柔性微壓力傳感器，從下往上依次為具有正四棱錐微結構的聚二甲基硅氧烷襯底、單壁碳納米管導電層、氧化銦錫和聚對苯二甲酸乙二醇酯，用兩根引線分別連接碳納米管導電層和氧化銦錫導電層。
[0030]本發(fā)明提供的柔性微壓力傳感器，當有壓力作用于傳感器上時，碳納米管導電層與氧化銦錫導電層接觸面積變大；若給傳感器以恒定電壓，則在壓力作用下，通過傳感器的電流上升，從而表征表面壓力變化。
[0031]一種柔性微壓力傳感器的制備方法，包括以下步驟:
[0032]步驟1:首先光刻得到正方形陣列，然后依次采用BOE溶液和KOH溶液刻蝕出具有正四棱錐微結構的硅模板，并將硅模板在三甲基氯硅烷上方處理4h ;所述KOH溶液為Κ0Η、異丙醇和水的混合液，其中，H2O, KOH和異丙醇的質量比為2:1:2，在KOH溶液中刻蝕時需磁力攪拌溶液；
[0033]步驟2:將聚二甲基硅氧烷和固化劑按10:1的質量比混合均勻，放入真空腔中真空處理去除空氣泡；
[0034]步驟3:將步驟2處理后的聚二甲基硅氧烷和固化劑混合液滴在步驟I得到的具有正四棱錐微結構的硅模板上，放入真空腔內抽真空；取出后加熱，使PDMS固化；將固化的PDMS從硅模版上剝離，得到具有正四棱錐微結構的微米級PDMS襯底；<