1.一類(lèi)基于三維碳納米材料場(chǎng)效應(yīng)結(jié)構(gòu)的柔性力敏傳感元件,其特征是:由椎體層和覆蓋在椎體層上的導(dǎo)電柵極層構(gòu)成;所述的椎體層由中心向外依次為彈性體三維棱體錐膜層、碳納米材料薄膜層、平行條狀電極層、離子膠體介電材料層;所述的彈性體三維棱體錐膜層是若干三維棱體錐形成的平行一維棱錐條帶或陣列,所述的三維棱體錐的底寬20-150微米;所述的導(dǎo)電柵極層的基體為彈性體材料,表面覆蓋柔性導(dǎo)電材料,導(dǎo)電材料層與椎體層的三維棱體錐的頂端接觸,形成可移動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極;所述的碳納米材料薄膜層為連續(xù)石墨烯或分散碳納米管。
2.如權(quán)利要求1所述的基于三維碳納米材料場(chǎng)效應(yīng)結(jié)構(gòu)的柔性力敏傳感元件,其特征是:所述的彈性體三維棱體錐膜層材質(zhì)是室溫固化硅橡膠、熱塑性聚氨酯、醚酯型熱塑性彈性體中的任意一種。
3.如權(quán)利要求1所述的基于三維碳納米材料場(chǎng)效應(yīng)結(jié)構(gòu)的柔性力敏傳感元件,其特征是:所述離子膠體介電材料層是1-乙基-3-甲基咪唑雙三氟甲璜酰亞胺鹽離子液體與偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的混合物,用溶液甩膠法沉積在碳納米材料薄膜層表面,厚度不大于200納米。
4.如權(quán)利要求1所述的基于三維碳納米材料場(chǎng)效應(yīng)結(jié)構(gòu)的柔性力敏傳感元件,其特征是:所述的導(dǎo)電柵極層的基體為熱塑性聚氨脂、醚酯型熱塑彈性體中任意一種,覆蓋的柔性導(dǎo)電材料為碳納米管、銀納米線(xiàn)、銅納米線(xiàn)中的任意一種,密度使得方塊電阻不大于1000歐姆。
5.如權(quán)利要求1所述的基于三維碳納米材料場(chǎng)效應(yīng)結(jié)構(gòu)的柔性力敏傳感元件,其特征是:所述的平行條狀電極層用銀或銅納米線(xiàn)作為電極導(dǎo)電材料,采用噴墨打印方法制備在覆蓋有碳納米材料薄膜層的棱錐條帶上,作為單個(gè)或平行棱錐條帶陣列的場(chǎng)效應(yīng)結(jié)構(gòu)源、漏測(cè)量電極。
6.制備權(quán)利要求1-5任一所述的基于三維碳納米材料場(chǎng)效應(yīng)結(jié)構(gòu)的柔性力敏傳感元件的方法,其特征是:先制備三維棱體錐層,再制備碳納米材料薄膜層,然后,用光刻法在碳納米材料薄膜層表面制備場(chǎng)效應(yīng)測(cè)量區(qū),先將棱錐條帶部分用光刻法覆蓋水性光刻膠,然后用氧等離子體去除暴露部分碳納米材料薄膜層,再用噴墨打印法在棱錐條帶或條帶陣列上制備銀或銅納米線(xiàn)電極,電極線(xiàn)寬為40至150微米,該納米線(xiàn)電極的密度保持為方塊電阻不高于200歐姆,得到附著在碳納米材料薄膜層表面的源、漏電極;在上述碳納米材料薄膜層表面沉積一層離子膠體,再在上述結(jié)構(gòu)表面覆蓋一層導(dǎo)電柵極層,基體為彈性體材料,表面覆蓋柔性導(dǎo)電材料,該導(dǎo)電層下表面與棱錐頂端接觸,形成可移動(dòng)場(chǎng)效應(yīng)晶體管柵極;其中,當(dāng)碳納米材料薄膜層是連續(xù)石墨烯時(shí),用模板法和電沉積法制備銅表面三維棱體錐層結(jié)構(gòu);用化學(xué)氣相沉積法在上述銅結(jié)構(gòu)表面沉積單層或多層石墨烯;用彈性體材料在上述銅結(jié)構(gòu)表面負(fù)型中填充,形成連續(xù)基體厚膜;用水性溶液溶解銅膜,形成覆蓋在三維彈性體棱錐結(jié)構(gòu)表面的石墨烯連續(xù)薄膜;當(dāng)碳納米材料薄膜層是分散碳納米管時(shí),用模板法制備彈性體三維棱體錐層結(jié)構(gòu);用溶液甩膠法在上述彈性體表面沉積一層半導(dǎo)體型單臂碳納米管,形成分散的碳納米管薄膜層,厚度不大于10納米;所述的碳納米管用化學(xué)氣相沉積方法制備,長(zhǎng)度0.8到2.5微米,直徑0.7到1.3納米,電子遷移率不低于102/Vs,半導(dǎo)體型碳管含量大于95%,分散液為甲苯。
7.如權(quán)利要求6所述的制備基于連續(xù)三維碳納米材料場(chǎng)效應(yīng)結(jié)構(gòu)的柔性力敏傳感元件的方法,其特征是:用模板法和電沉積法制備銅表面三維棱體錐層結(jié)構(gòu)是先用模板法制備彈性體膠膜三維結(jié)構(gòu),步驟為:
(1)先在有氧化層的硅片表面光刻出單個(gè)或多個(gè)條帶狀窗口,然后用HF腐蝕去除氧化層,再用四甲基氫氧化胺水溶液加異丙醇,腐蝕出棱椎條帶腐蝕坑負(fù)型;
(2)用熔化的熱塑性聚氨酯填充加熱的上述棱錐狀硅負(fù)型,在真空下固化后機(jī)械剝離,形成正型的聚氨酯膠膜;
(3)在上述聚氨酯正型表面用甩膠法涂覆一層聚甲基丙烯酸甲酯,厚度小于1微米,充分干燥后,再用真空蒸發(fā)法在表面蒸發(fā)一層純銅,將表面覆蓋有銅膜的膠膜懸掛在硫酸銅電解液中,以純銅為陽(yáng)極,上述膠膜正型為陰極,在表面緩慢沉積一層純銅;
(4)將沉積完畢的銅膜清洗、干燥后浸入甲苯中1分鐘,取出干燥,膠膜正型剝離,將銅膜繼續(xù)用氯仿浸泡10小時(shí)后,取出干燥,在干燥純氮?dú)猸h(huán)境保存。
8.如權(quán)利要求6所述的制備基于連續(xù)三維碳納米材料場(chǎng)效應(yīng)結(jié)構(gòu)的柔性力敏傳感元件的方法,其特征是:用化學(xué)汽相沉積法在銅結(jié)構(gòu)表面沉積單層或多層石墨烯,具體是:將上述銅結(jié)構(gòu)在氫氣中700℃退火1小時(shí),然后排出氫氣,升溫至900~1020℃,保持1小時(shí),再按1:1流量通入甲烷和氫氣,在900~1020℃保持15分鐘,然后緩慢降溫,得到生長(zhǎng)在銅表面的單層或多層石墨烯。
9.如權(quán)利要求7所述的制備基于連續(xù)三維碳納米材料場(chǎng)效應(yīng)結(jié)構(gòu)的柔性力敏傳感元件的方法,其特征是:用模板法制備彈性體三維棱體錐層結(jié)構(gòu)的具體步驟為:
(1)先在有氧化層的硅片表面光刻出單個(gè)或多個(gè)條帶狀窗口,然后用HF腐蝕去除氧化層,再用四甲基氫氧化胺水溶液加異丙醇,腐蝕出棱椎條帶腐蝕坑硅負(fù)型;
(2)用彈性體材料在上述硅結(jié)構(gòu)表面負(fù)型中填充,形成連續(xù)基體厚膜,真空固化后機(jī)械剝離,形成彈性體膠膜正型。
10.如權(quán)利要求7所述的制備基于連續(xù)三維碳納米材料場(chǎng)效應(yīng)結(jié)構(gòu)的柔性力敏傳感元件的方法,其特征是:所述的水性溶液為氯化鐵、硝酸鐵飽和溶液。