本發(fā)明涉及一種壓力傳感器，屬于柔性電子器件技術(shù)領(lǐng)域，特別是涉及一種基于碳納米管薄膜及光刻膠的柔性壓力傳感器。

背景技術(shù)：

隨著谷歌眼鏡、智能手環(huán)手表和智能跑鞋等可穿戴智能設(shè)備的快速發(fā)展，柔性電子器件特別是柔性人造電子皮膚，已成為近年學(xué)術(shù)研究的熱點(diǎn)之一。人造電子皮膚又被稱為智能皮膚、人造皮膚和電子皮膚，能夠模仿人體皮膚的功能，探測(cè)環(huán)境的溫度、濕度和機(jī)械刺激等信號(hào)?？蓮V泛應(yīng)用在人工智能、健康監(jiān)測(cè)、觸摸屏和可穿戴器件等領(lǐng)域。

電子皮膚的一個(gè)最重要的功能是探測(cè)壓力信號(hào)，通過(guò)測(cè)量材料受力時(shí)，電阻、電容的變化，或者是利用壓電效應(yīng)實(shí)現(xiàn)力學(xué)信號(hào)到電信號(hào)的轉(zhuǎn)換。其中，電阻式傳感器具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、響應(yīng)速度快和功耗低等優(yōu)勢(shì)，在電子皮膚、健康監(jiān)測(cè)和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域有廣闊的應(yīng)用前景。

目前，電阻式傳感器大多使用導(dǎo)電納米材料和柔性聚合物組成的復(fù)合材料作為響應(yīng)介質(zhì)(siy,wangx,yanc,etal.ultralightbiomass-derivedcarbonaceousnanofibrousaerogelswithsuperelasticityandhighpressure-sensitivity[j].advancedmaterials,2016,28(43):9512.)，其響應(yīng)速度慢，弛豫時(shí)間長(zhǎng)。同時(shí)，這樣的三維結(jié)構(gòu)難以制成壓力傳感器薄膜應(yīng)用在電子皮膚等領(lǐng)域，另外，該類型傳感器制作工藝復(fù)雜、成本較高，不利于集成和大規(guī)模生產(chǎn)。采用層疊式的二維薄膜組成壓力傳感器，不僅可以降低傳感器的響應(yīng)時(shí)間以及弛豫時(shí)間，而且能夠?qū)崿F(xiàn)超薄和共形接觸應(yīng)用在電子皮膚上。此外，利用光刻技術(shù)制備傳感器有助于將其集成在其它器件中，同時(shí)也能滿足大規(guī)模生產(chǎn)的要求。

但是，如何制備出一種具有快速響應(yīng)時(shí)間及便于集成的壓力傳感器是所屬領(lǐng)域技術(shù)人員急需解決的技術(shù)難題。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對(duì)上述背景技術(shù)中的問(wèn)題，本發(fā)明的目的在于提供一種響應(yīng)速度快、制備工藝簡(jiǎn)單、便于集成和量產(chǎn)的基于碳納米管薄膜及光刻膠的柔性壓力傳感器。

本發(fā)明的另一目的是提供一種上述基于碳納米管薄膜及光刻膠的柔性壓力傳感器的制備方法，其制備方法簡(jiǎn)單、便于集成和大規(guī)模生產(chǎn)。

本發(fā)明提供的基于碳納米管薄膜及光刻膠的柔性壓力傳感器采用三文治結(jié)構(gòu)，碳納米管薄膜與透明柔性基底結(jié)合形成自支撐的碳納米管薄膜電極層，具有微孔結(jié)構(gòu)的光刻膠薄層夾在兩層碳納米管薄膜電極層中間。

具體而言，該柔性壓力傳感器為層疊式結(jié)構(gòu)，自上而下分別是柔性聚合物層、金屬電極層、碳納米管薄膜電極層、光刻膠絕緣層、碳納米管薄膜電極層、金屬電極層和柔性聚合物層。

所述柔性聚合物層包括pdms、pi、pet、pva、pp和pu。

所述金屬電極層包括金、銀、銅、鉑、鎳、鎘、鈦和鈀中的一種或者幾種復(fù)合。

所述碳納米管薄膜為由單壁碳納米管、雙壁碳納米管、或多壁碳納米管構(gòu)成的薄膜，厚度為10nm-1μm。

所述光刻膠絕緣層包括光聚合型正性、光分解型正性和光交聯(lián)型負(fù)性光刻膠。

所述光刻膠絕緣層厚度為0.5μm-50μm。

所述光刻膠多孔絕緣層孔徑為2μm-100μm,形狀可為圓形、方形、三角形或任意形狀的孔洞。

進(jìn)一步，所述光刻膠多孔絕緣層還可以為光刻膠柱狀結(jié)構(gòu)，形狀可為圓柱、方柱或任意形狀的柱子。

本發(fā)明還提供了一種上述基于碳納米管薄膜及光刻膠的柔性壓力傳感器的制備方法，其包括以下步驟：

1)將碳納米管薄膜轉(zhuǎn)移并貼合在聚合物柔性基底上；

2)將金屬電極沉積到碳納米管薄膜柔性電極上，使金屬電極覆蓋在碳納米管薄膜電極邊沿上，并預(yù)留出大面積裸露的碳納米管薄膜電極；

3)將光刻膠旋涂在預(yù)留的碳納米管薄膜電極上，并進(jìn)行光刻、顯影和洗膠，在碳納米管薄膜電極上形成光刻膠多孔絕緣層；

4)將另一塊步驟2)得到的碳納米管薄膜柔性電極覆蓋在步驟3)所得的結(jié)構(gòu)上，使附著了碳納米管薄膜的一面與光刻膠接觸，組裝成壓力傳感器。

本發(fā)明的基于碳納米管薄膜及光刻膠的柔性壓力傳感器，具有如下有益效果：

1)本發(fā)明的傳感器采用三文治結(jié)構(gòu)，碳納米管薄膜與透明柔性基底結(jié)合形成自支撐的碳納米管薄膜電極層，具有微孔結(jié)構(gòu)的光刻膠薄層夾在兩層碳納米管薄膜電極層中間。

2)本發(fā)明的壓力傳感器，利用接觸電阻隨接觸面積迅速改變的性質(zhì)，實(shí)現(xiàn)了一種高靈敏度、低功耗、透明和超薄的壓力傳感器，同時(shí)也具有快速響應(yīng)、高空間分辨率以及易于集成和低成本等優(yōu)勢(shì)。

3)本發(fā)明的壓力傳感器具有柔性、透明、超薄、靈敏度高、響應(yīng)速度快和弛豫時(shí)間小的優(yōu)良特性，且適用于電子皮膚、可穿戴設(shè)備和健康監(jiān)測(cè)等應(yīng)用。另外，其制備方法簡(jiǎn)單、便于集成和大規(guī)模生產(chǎn)。

附圖說(shuō)明

圖1是本發(fā)明中基于碳納米管薄膜及光刻膠的柔性壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2是碳納米管薄膜電極的光學(xué)顯微照片；

圖3是使用了厚度為5μm，小孔的直徑為40μm的光刻膠多孔薄膜作為絕緣層的壓力傳感器的光學(xué)顯微照片；

圖4是使用了厚度為5μm，小孔的直徑為40μm的光刻膠多孔薄膜作為絕緣層的壓力傳感器，在16pa壓力的循環(huán)加載測(cè)試下，傳感器的電流響應(yīng)曲線；

圖5是使用了厚度為5μm，小孔的直徑為10μm的光刻膠多孔薄膜作為絕緣層的壓力傳感器的光學(xué)顯微照片；

圖6是使用了厚度為5μm，小孔的直徑為10μm的光刻膠多孔薄膜作為絕緣層的壓力傳感器，在4000pa壓力的循環(huán)加載測(cè)試下，傳感器的電流響應(yīng)曲線；

圖7是使用了厚度為15μm，小孔的直徑為20μm的光刻膠多孔薄膜作為絕緣層的壓力傳感器的光學(xué)顯微照片；

圖8是使用了厚度為15μm，小孔的直徑為20μm的光刻膠多孔薄膜作為絕緣層的壓力傳感器，在1500pa壓力的循環(huán)加載測(cè)試下，傳感器的電流響應(yīng)曲線。

具體實(shí)施方式

本發(fā)明是利用碳納米管薄膜作為柔性電極，并利用光刻技術(shù)將光刻膠多孔薄膜與碳納米管薄膜柔性電極組裝成柔性壓力傳感器。圖1是本發(fā)明中基于碳納米管薄膜及光刻膠的柔性壓力傳感器的結(jié)構(gòu)示意圖。圖2是碳納米管薄膜電極的光學(xué)顯微照片。

如圖1和2所示，該柔性壓力傳感器為層疊式結(jié)構(gòu)，自上而下分別是：柔性聚合物層1、金屬電極層2、碳納米管薄膜電極層3、光刻膠絕緣層4、碳納米管薄膜電極層5、金屬電極層6和柔性聚合物層7。

本發(fā)明的柔性壓力傳感器包括聚合物柔性基底、碳納米管薄膜柔性電極、光刻膠多孔絕緣層。所述碳納米管薄膜直接轉(zhuǎn)移附著在聚合物柔性基底上，通過(guò)光刻在碳納米管薄膜電極上形成絕緣的光刻膠多孔絕緣層，所述光刻膠多孔薄膜的厚度和孔徑可以通過(guò)光刻工藝調(diào)節(jié)，所述聚合物柔性基底、碳納米管薄膜電極和光刻膠絕緣層均為透明結(jié)構(gòu)。其制備方法為先轉(zhuǎn)移碳納米管薄膜到柔性基底上，形成碳納米管薄膜柔性電極，然后在柔性電極上進(jìn)行光刻，使電極上覆蓋一層多孔的光刻膠絕緣層，最后再覆蓋一層相同的碳納米管薄膜柔性電極。

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步詳細(xì)說(shuō)明。

應(yīng)當(dāng)了解以下較佳實(shí)施例僅僅用于解釋本發(fā)明的內(nèi)容和技術(shù)方案，方便本領(lǐng)域的其他技術(shù)人員清楚本發(fā)明的原理，而本發(fā)明不局限于以下所述的實(shí)施例。在不脫離權(quán)利要求和本發(fā)明原理的前提下，任何對(duì)以下實(shí)施例作簡(jiǎn)單的修改、潤(rùn)飾和改進(jìn)也應(yīng)當(dāng)包含在本發(fā)明保護(hù)范圍之中。

實(shí)施例1

一種基于碳納米管薄膜及光刻膠的柔性壓力傳感器，其制備方法包括以下步驟：

1)將單壁、雙壁或多壁碳納米管薄膜(厚度為20nm-2μm)，轉(zhuǎn)移并貼合在厚度為500μm的pdms柔性基底上；

2)將銀電極沉積到碳納米管薄膜柔性電極上，使銀電極覆蓋在碳納米管薄膜電極邊沿上，并預(yù)留出大面積裸露的碳納米管薄膜電極；

3)將光刻膠旋涂在預(yù)留的碳納米管薄膜電極上，并進(jìn)行光刻、顯影和洗膠，在碳納米管薄膜電極上形成光刻膠多孔絕緣層，其中，光刻膠厚度為5μm，小孔的直徑為40μm，并周期性排列，圖3是該實(shí)施例中光刻膠的光學(xué)顯微照片，可以看出周期性的光刻膠圓孔整齊排列在碳納米管薄膜電極上；

4)將另一塊步驟2)得到的碳納米管薄膜柔性電極覆蓋在步驟3)所得的結(jié)構(gòu)上，使附著了碳納米管的一面與光刻膠接觸，組裝成壓力傳感器。

圖4為16pa壓力的循環(huán)加載測(cè)試下，傳感器的電流響應(yīng)曲線，可以看出，傳感器電流響應(yīng)十分穩(wěn)定。

實(shí)施例2

一種基于碳納米管薄膜及光刻膠的柔性壓力傳感器，其制備方法包括以下步驟：

1)將單壁、雙壁或多壁碳納米管薄膜(厚度為20nm-2μm)，轉(zhuǎn)移并貼合在厚度為500μm的pdms柔性基底上；

2)將銀電極沉積到碳納米管薄膜柔性電極上，使銀電極覆蓋在碳納米管薄膜電極邊沿上，并預(yù)留出大面積裸露的碳納米管薄膜電極；

3)將光刻膠旋涂在預(yù)留的碳納米管薄膜電極上，并進(jìn)行光刻、顯影和洗膠，在碳納米管薄膜電極上形成光刻膠多孔絕緣層，其中，光刻膠厚度為5μm，小孔的直徑為10μm，并周期性排列，圖5是該實(shí)施例中光刻膠的光學(xué)顯微照片，可以看出周期性的光刻膠圓孔整齊排列在碳納米管薄膜電極上；

4)將另一塊步驟2)得到的碳納米管薄膜柔性電極覆蓋在步驟3)所得的結(jié)構(gòu)上，使附著了碳納米管的一面與光刻膠接觸，組裝成壓力傳感器。

圖6為4000pa壓力的循環(huán)加載測(cè)試下，傳感器的電流響應(yīng)曲線，可以看出，傳感器電流響應(yīng)十分穩(wěn)定。

實(shí)施例3

一種基于碳納米管薄膜及光刻膠的柔性壓力傳感器，其制備方法包括以下步驟：

1)將單壁、雙壁或多壁碳納米管薄膜(厚度為20nm-2μm)，轉(zhuǎn)移并貼合在厚度為500μm的pdms柔性基底上；

2)將銀電極沉積到碳納米管薄膜柔性電極上，使銀電極覆蓋在碳納米管薄膜電極邊沿上，并預(yù)留出大面積裸露的碳納米管薄膜電極；

3)將光刻膠旋涂在預(yù)留的碳納米管薄膜電極上，并進(jìn)行光刻、顯影和洗膠，在碳納米管薄膜電極上形成光刻膠多孔絕緣層，其中，光刻膠厚度為15μm，小孔的直徑為20μm，并周期性排列，圖7是該實(shí)施例中光刻膠的光學(xué)顯微照片，可以看出周期性的光刻膠圓孔整齊排列在碳納米管薄膜電極上；

4)將另一塊步驟2)得到的碳納米管薄膜柔性電極覆蓋在步驟3)所得的結(jié)構(gòu)上，使附著了碳納米管的一面與光刻膠接觸，組裝成壓力傳感器。

圖8為1500pa壓力的循環(huán)加載測(cè)試下，傳感器的電流響應(yīng)曲線，可以看出，傳感器電流響應(yīng)十分穩(wěn)定。

以上所述，僅是本發(fā)明的較佳實(shí)施例而已，并非對(duì)本發(fā)明作任何形式上的限制，故凡是未脫離本發(fā)明技術(shù)方案內(nèi)容，依據(jù)本發(fā)明的技術(shù)實(shí)質(zhì)對(duì)以上實(shí)施例所作的任何簡(jiǎn)單修改、等同變化與修飾,均仍屬于本發(fā)明技術(shù)方案的范圍內(nèi)。