專利名稱：有孔膜傳感器的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及由聚合體和納米材料制成的膜。更具體地，本發(fā)明涉及在膜中的孔的形成。進ー步更具體地，本發(fā)明涉及由因為膜中的孔而具有更大的靈敏度的膜制成的壓カ傳感器。
背景技術(shù)：
有多種類型的膜傳感器。這些膜傳感器被普遍地用于測量加速度、力或壓カ的裝置中。然而，普遍可用的膜傳感器典型地具有固有的問題，諸如位于下面的基板的熱預(yù)算限制、在弾性基板上的傳感器的機械完整性、膜基板的表面粗糙、信號通路、金屬對聚酰亞胺基板的附接、在傳感器之間的串?dāng)_、電源要求、高成本和不可接受的制造要求。而且，當(dāng)前的弾性傳感器通常不提供可以用來調(diào)節(jié)諸如觸摸、力、加速度和流量或 者裝置的操作特性這樣的激勵的實時反饋以補償激勵。即使可行，當(dāng)前傳感器能夠測量的測量值的范圍也缺少用于諸如衛(wèi)生保健、汽車或消費品エ業(yè)這樣的特定應(yīng)用所要求的靈敏度。因此，當(dāng)前可利用的膜傳感器對于在這些エ業(yè)中使用是不理想的。關(guān)于現(xiàn)有技術(shù)膜傳感器的特定問題是膜是剛性的或半剛性的。膜的剛性通常是由于這些膜傳感器由多層構(gòu)成的事實所造成的。例如，普遍可用的カ傳感器是利用兩層的聚酯或聚酰亞胺來制成的。在每ー個層上，涂覆導(dǎo)電材料，接著是壓敏墨層。當(dāng)カ傳感器處于空載時，膜的電阻非常高，因為墨通過在層之間的間隙而被分離。當(dāng)將カ施加到傳感器吋，電阻降低，因為在層上的墨之間的距離減小。由于傳感器必須能夠在カ的施加之后恢復(fù)到初始狀態(tài)，所以限制了用來形成層的材料的選擇。用于層的材料的類型的該限制進而限制了這些類型的傳感器的靈敏度。因此，在本領(lǐng)域中需要一種不依賴如此的兩層結(jié)構(gòu)的膜，從而提供彈性的、靈敏的、非侵入式的、實時的、低成本的、容易利用的反饋裝置，以測量和估計加速度、力和/或壓力。

發(fā)明內(nèi)容
通過包括聚合體、納米材料和孔的膜以及根據(jù)該膜的方法，解決了上述和其它問題，并且實現(xiàn)了本領(lǐng)域的進步。根據(jù)本發(fā)明的膜的第一個優(yōu)點是膜包括孔，所述孔使得膜更順從變形。根據(jù)本發(fā)明的膜的第二個優(yōu)點是改善了膜的導(dǎo)電率。根據(jù)本發(fā)明的膜的第三個優(yōu)點是膜的使用改善了在低壓カ范圍的檢測或測量。根據(jù)本發(fā)明的實施方式，以下面的方式執(zhí)行形成具有聚合體和納米材料的膜的方法。將聚合體和無序的納米材料混合以形成混合物。然后于將在膜內(nèi)形成孔的處理中干燥該混合物。在本發(fā)明的一些實施方式中，納米材料為碳納米管。在這些實施方式的一部分中，碳納米管為多壁碳納米管。在這些實施方式的其它一部分中，碳納米管為單壁碳納米管?？梢允褂玫募{米材料的其它示例包括(但是不限于)納米線。在本發(fā)明的另外ー些實施方式中，聚合體是電絕緣的并且納米材料是導(dǎo)電的。
根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式，聚合體和納米材料的混合物還包括異丙醇。蒸發(fā)在膜中的異丙醇以形成孔。在膜中，這些孔分離碳納米管。在本發(fā)明的一些實施方式中，通過在預(yù)定溫度下加熱膜持續(xù)預(yù)定量的時間來輔助干燥處理。在ー些具體的實施方式中，膜可以加熱持續(xù)大約20分鐘到600分鐘，并且/或者在大約25攝氏度到大約90攝氏度的溫度范圍中。在根據(jù)本發(fā)明的另外ー些實施方式中，在大致60攝氏度的溫度下，膜可以加熱大致20分鐘。在根據(jù)本發(fā)明的另外ー些實施方式中，在指定壓カ下加熱膜。在這些實施方式中的具體的一些實施方式中，可以在從大致0. OOlatm到大致Iatm的范圍中的壓カ下加熱膜。在本發(fā)明的一些實施方式中，所得的膜具有在從100納米到1000微米的范圍中的均勻厚度。在本發(fā)明的另外ー些實施方式中，膜為0.5mm厚。在本發(fā)明的一些實施方式中，每ー個孔的尺寸都大致為100納米到500微米。孔的尺寸可以為均勻的或非均勻的。典型地，在膜中的孔的密度在5到75個體積百分比之間。在本發(fā)明的一些實施方式中，在大致0. 5kPa到IOOkPa的壓カ范圍中，膜的特性顯著地改變。


在下面的詳細說明中描述了根據(jù)本發(fā)明的膜的以上和其它的特征以及優(yōu)點，并且在下面的附圖中示出圖I例示了在沒有施加力的情況下根據(jù)本發(fā)明的膜的實施方式的橫截面?zhèn)纫晥D；圖2例示了在圖I中所示的實施方式的放大的橫截面?zhèn)纫晥D；圖3例示了由于施加到膜的カ而引起變形的在圖I中所示的實施方式的橫截面?zhèn)纫晥D；圖4例示了在圖3中所示的實施方式的放大的橫截面?zhèn)纫晥D；圖5例示了用于制造根據(jù)本發(fā)明的膜的處理的實施方式的流程圖；以及圖6例示了根據(jù)本發(fā)明的壓カ傳感器的實施方式與現(xiàn)有技術(shù)的傳感器相比的實
驗結(jié)果。
具體實施例方式本發(fā)明涉及由聚合體和納米材料制成的膜。更具體地，本發(fā)明涉及在該膜中的孔的形成。進ー步更具體地，本發(fā)明涉及由因為膜中的孔而具有更大的靈敏度的膜制成的壓カ傳感器。圖I到5例示了根據(jù)本發(fā)明的壓カ傳感器的ー個具體實施方式
，并且圖6例示了在該實施方式的靈敏度方面的結(jié)果。為了清楚，在不同的圖中，將相同的附圖標(biāo)記賦予在多于ー個的圖中所示的部件。圖I示出了包括是本發(fā)明的示例性實施方式的膜120的壓カ傳感器100。沒有力施加到壓カ傳感器100。膜120由電絕緣聚合體和導(dǎo)電碳納米管122制成?？梢允褂玫募{米材料的其它示例包括(但是不限于)納米線。電絕緣聚合體的一個示例是聚ニ甲基硅氧烷(PDMS)。然而，本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，在沒有脫離本發(fā)明的情況下，也可以使用任何其它的納米材料和任何其它的電絕緣聚合體。在所描述的實施方式中，碳納米管122是管形式的碳，并且可以具有數(shù)納米的直徑以及達到數(shù)毫米的長度。碳納米管122的長度與直徑的比率可以高達28，000，000:1，并且強度為鋼的一百倍，而重量僅為鋼的六分之一。碳納米管122可以是許多不同形式中的任何ー種，包括(但不限制干)單壁碳納米管和多壁碳納米管。膜120的嵌入視圖130示出了以隨意無序的方式遍布整個膜的碳納米管122。為了該說明的目的，“無序”意味著碳納米管122不以任何具體的方式排列并且不形成任何一致或重復(fù)的圖案。碳納米管122的濃度的 范圍可以為聚合體的4到12個質(zhì)量百分比。在膜120中的碳納米管122的濃度越高，壓カ傳感器100的靈敏度就越高。類似地，在膜120中的碳納米管122的濃度越低，壓カ傳感器100的靈敏度就越低。在ー個優(yōu)選實施方式中，碳納米管122的濃度的范圍為聚合體的4到8個質(zhì)量百分 比。4到8個質(zhì)量百分比的該范圍給定了壓カ傳感器100的最佳性能?？?21被形成在膜120內(nèi)?？?21為在膜120內(nèi)的空隙或孔穴?？?21可以包括空氣或氣體。根據(jù)本發(fā)明，孔121的確切的內(nèi)容是不重要的，并且為了簡潔可以省略。碳納米管122彼此之間通過孔121而物理地分離，如在圖2中所清楚地示出的。在碳納米管122之間的分離增加了膜120的電阻率。而且，相對于無孔構(gòu)成，孔121降低了膜120的機械屬性。因此，膜120順從于變形。因此，孔121改善了膜120的檢測和測量能力，特別地在低壓カ范圍。稍后在該說明書中進一歩公開了孔121的詳細說明。接觸部105和110與膜120接觸。這些接觸部可以由金屬制成，雖然可以使用任何導(dǎo)電的材料。通常使用濺射來將這些接觸部布置在膜或表面上。也可以使用其它沉積技術(shù)來將金屬或其它導(dǎo)電材料布置在膜上。這些可以與膜的掩模處理結(jié)合以實現(xiàn)在膜上的理想的形狀。電表140代表在壓カ傳感器100中的測量流過壓カ傳感器100的電流量的電路。根據(jù)本發(fā)明，電路的確切的構(gòu)造是不重要的，并且為了簡潔可以省略。因為沒有力施加到壓力傳感器100，所以電表140記錄了由于具有高電阻的膜120所引起的低電流。圖3示出了當(dāng)力350施加到膜120時的膜120。力350可以是任何類型的力，包括由壓力、物理碰撞、或任何其它行為導(dǎo)致的力。當(dāng)施加力350時，膜120變形。在膜120內(nèi)，孔121被力所壓縮。相對于沒有孔的膜，孔121的壓縮允許膜121可以更加具有弾性并且變形更大。而且，當(dāng)孔121被壓縮時，在碳納米管122之間的間隙減小，并且進而，増加了碳納米管122的導(dǎo)電率以及減小了膜120的電阻率。圖4示出了強調(diào)孔121的變形的嵌入視圖230。若干個碳納米管122被示出彼此接觸。因此，在接觸部105和110之間的滲透路徑由碳納米管122形成。該滲透路徑降低了膜的總的電阻，并且在圖6中可以繪制表現(xiàn)出該效果。根據(jù)本發(fā)明的膜可以用作壓カ感應(yīng)裝置。該膜也可以用于其中有必要檢測壓力或力的大量應(yīng)用中。如此的應(yīng)用可以應(yīng)用在多個產(chǎn)品中，包括(但不限干)生物醫(yī)學(xué)產(chǎn)品和自動化系統(tǒng)。一個如此的應(yīng)用是將膜120合并到彈性墊中以感應(yīng)在人的整個腳上的壓カ分布，以用于步態(tài)分析。在一些實施方式中，膜120還可以用作傳感器以將壓力變換為控制系統(tǒng)的電信號。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，這里描述的膜120的使用僅為示例性的目的，并且在不脫離本發(fā)明的情況下，膜120可以用在需要壓カ傳感器的各種應(yīng)用中。圖5示出了制造根據(jù)本發(fā)明的一個實施方式的膜120的示例性處理500。該處理通過將碳納米管122混合到聚合體中以形成混合物而以步驟502開始?？梢酝ㄟ^手動攪拌、電磁攪拌以及超聲攪拌來完成上述混合。碳納米管為商業(yè)可用的碳納米管。在步驟503中，通過諸如旋轉(zhuǎn)涂覆、浸潰涂覆和絲網(wǎng)印刷這樣的各種涂覆處理來形成膜120。典型地，膜120具有從100納米到1000微米的范圍的均勻厚度。例如，在ー個優(yōu)選實施方式中，膜120大致為0. 5mm。在步驟503之后，在步驟504中，膜120經(jīng)歷可以由烤爐輔助的干燥處理。在ー個實施方式中，在大致25攝氏度到90攝氏度的溫度范圍中，膜120由烤爐進行加熱持續(xù)大約20分鐘到大約600分鐘。在ー個優(yōu)選實施方式中，在60攝氏度的溫度下，膜120由烤爐進行加熱持續(xù)120分鐘。此外，膜120可以在大致0. OOlatm到大致Iatm的壓カ范圍下進行加熱。在該階段，通過發(fā)氣劑的降解形成孔121。可選擇地，于在烤爐中退火之前，可以通過除氣步驟布置膜來形成孔。該步驟使得分解的氣體聚集以形成孔。典型地，形成的孔121具有范圍從大致100納米到500微米的尺寸。本領(lǐng)域技術(shù)人員將意識到，孔121的尺寸可以是均勻的或者非均勻的，并且確切的尺寸可以是通過改變處理而控制的設(shè)計選擇。另外，在膜120中的孔121的密度優(yōu)選地在大致5個體積百分比到大致75個體積百分比。在大致0. 5kPa到IOOkPa的壓カ范圍中，膜120的特性顯著地改變。然后在步驟505中，根據(jù)用于增加如此的接觸部的普通處理來增加接觸部，以形成壓カ傳感器。上述內(nèi)容是根據(jù)本發(fā)明的傳感器的一個實施方式的描述?？稍O(shè)想的是，本領(lǐng)域技 術(shù)人員能夠并且將設(shè)計出對如在所附權(quán)利要求中提出的本發(fā)明進行侵犯的本發(fā)明的可選實施方式。
權(quán)利要求
1.ー種形成膜的方法，所述方法包括 形成包括聚合體和多個無序的納米材料的混合物； 使用所述混合物形成膜； 干燥所述膜；以及 在所述膜內(nèi)形成多個孔。
2.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述納米材料為納米線。
3.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述聚合體是電絕緣的。
4.根據(jù)權(quán)利要求I所述的方法，其中，所述納米材料為碳納米管。
5.根據(jù)權(quán)利要求4所述的方法，其中，所述碳納米管是導(dǎo)電的。
6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述碳納米管為多壁碳納米管。
7.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述碳納米管為單壁碳納米管。
8.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述碳納米管包括單壁碳納米管和多壁碳納米管的混合物。
9.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，在所述膜中，所述孔分離所述納米管。
10.根據(jù)權(quán)利要求5所述的方法，其中，所述混合物包括異丙醇。
11.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，形成所述孔的所述步驟包括 蒸發(fā)在所述膜中的所述異丙醇以形成所述孔。
12.根據(jù)權(quán)利要求10所述的方法，其中，所述膜具有在從100納米到1000微米的范圍中的均勻厚度。
13.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，所述膜為0.5mm厚。
14.根據(jù)權(quán)利要求12所述的方法，其中，干燥所述膜的所述步驟包括 在預(yù)定溫度加熱所述膜持續(xù)預(yù)定量的時間。
15.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，加熱的所述步驟包括 加熱所述膜持續(xù)在大約20分鐘到大約600分鐘之間。
16.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，加熱的所述步驟包括 加熱所述膜持續(xù)120分鐘。
17.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，加熱所述膜的所述步驟包括 在大約25攝氏度到大約90攝氏度的范圍中的溫度下加熱所述膜。
18.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，加熱的所述步驟包括 在大致60攝氏度的溫度下加熱所述膜。
19.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，加熱的所述步驟包括 在指定壓カ下加熱所述膜。
20.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，加熱的所述步驟包括 在從大致0. OOlatm到大致Iatm的范圍中的壓カ下加熱所述膜。
21.根據(jù)權(quán)利要求14所述的方法，其中，所述孔具有在從大致100納米到500微米的范圍中的尺寸。
22.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述孔具有均勻的尺寸。
23.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，所述孔具有一系列的尺寸。
24.根據(jù)權(quán)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個體積百分比之間。
25.根據(jù)權(quán)利要求21所述的方法，其中，在大致0.5kPa到IOOkPa的壓カ范圍中，所述膜的特性顯著地改變。
26.—種制造傳感器的方法，所述方法包括 形成膜，形成膜的所述步驟包括 形成聚合體和無序的碳納米材料的混合物； 使用所述混合物形成膜； 干燥所述膜；以及 在所述膜內(nèi)形成孔。
27.根據(jù)權(quán)利要求26所述的方法，所述方法還包括將接觸部濺射在所述膜上。
28.根據(jù)權(quán)利要求27所述的方法，其中，所述接觸部由金屬制成。
29.ー種膜傳感器，所述膜傳感器包括 聚合體和多個無序的納米材料的膜； 在所述膜內(nèi)形成在所述多個碳納米管之間的孔。
30.根據(jù)權(quán)利要求29所述的膜，其中，所述納米材料為納米線。
31.根據(jù)權(quán)利要求29所述的膜，其中，所述聚合體是電絕緣的。
32.根據(jù)權(quán)利要求29所述的膜，其中，所述納米材料為碳納米管。
33.根據(jù)權(quán)利要求32所述的膜，其中，所述碳納米管是導(dǎo)電的。
34.根據(jù)權(quán)利要求32所述的膜，其中，所述碳納米管為多壁碳納米管。
35.根據(jù)權(quán)利要求32所述的膜，其中，所述碳納米管為單壁碳納米管。
36.根據(jù)權(quán)利要求32所述的膜，其中，所述碳納米管包括單壁碳納米管和多壁碳納米管的混合物。
37.根據(jù)權(quán)利要求32所述的膜，其中，在所述膜中，所述孔分離所述碳納米管。
38.根據(jù)權(quán)利要求29所述的膜，其中，所述膜具有在從大約100納米到大約1000微米的范圍中的均勻厚度。
39.根據(jù)權(quán)利要求38所述的膜，其中，所述膜為大致0.5mm厚。
40.根據(jù)權(quán)利要求29所述的膜，其中，所述孔具有變化范圍從大致100納米到大致500微米的尺寸。
41.根據(jù)權(quán)利要求40所述的膜，其中，所述孔具有均勻的尺寸。
42.根據(jù)權(quán)利要求40所述的膜，其中，所述孔具有一系列的尺寸。
43.根據(jù)權(quán)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個體積百分比到大致75個體積百分比之間。
44.根據(jù)權(quán)利要求40所述的膜，其中，在大致0.5kPa到IOOkPa的壓カ范圍中，所述膜的特性顯著地改變。
45.根據(jù)權(quán)利要求29所述的膜傳感器，所述膜傳感器包括 附接到所述膜的第一接觸部；和 附接到所述膜的第二接觸部。
46.根據(jù)權(quán)利要求29所述的膜傳感器，其中，所述孔將所述多個碳納米管間隔開，從而當(dāng)實質(zhì)上沒有力施加到所述膜時，給予所述膜第一電阻率。
47.根據(jù)權(quán)利要求46所述的膜傳感器，其中，所述孔響應(yīng)于施加了カ而變形，從而改變所述碳納米管的所述間隙。
48.根據(jù)權(quán)利要求29所述的膜傳感器，其中，所述膜傳感器的所述導(dǎo)電率響應(yīng)于所述膜傳感器的變形而改變。
49.根據(jù)權(quán)利要求29所述的膜傳感器，其中，所述膜傳感器用于可移動車輛中。
50.根據(jù)權(quán)利要求29所述的膜傳感器，其中，所述孔造成在所述無序的納米材料的多個部分之間的間隙。
全文摘要
描述了一種形成膜的方法。該方法通過形成包括聚合體和多個無序的納米材料的混合物而開始。將膜干燥并且在膜內(nèi)形成多個孔。利用該方法可以制成能夠檢測壓力和施加的力的改變的靈敏的膜傳感器。
文檔編號B29D7/01GK102656007SQ200980162635
公開日2012年9月5日 申請日期2009年11月30日 優(yōu)先權(quán)日2009年11月30日
發(fā)明者珠儒智·阿布·薩曼 申請人:南洋理工學(xué)院