[发明专利]一种柔性微压力传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明属于微压力传感器制备领域，具体涉及一种柔性微压力传感器及其制备方法。

背景技术

微压力传感器是采用半导体材料和微细加工工艺制造的新型压力传感器。与传统压力传感器相比，微压力传感器具有精度高、敏捷度高、动态特性好、体积小、耐侵蚀、成本低等优点，已广泛应用于心率监测、智能开关以及人造电子皮肤等领域。随着越来越多可穿戴或者可卷绕设备的广泛应用，以及人造可弯曲延伸电子皮肤发展的迫切需求，对柔性传感器的研究越来越受到研究者的重视。

碳纳米管是一种特殊结构(径向尺寸为纳米量级，轴向尺寸为微米量级，管子两端基本都封口)的一维量子材料，具有优异的力学、电学、化学和机械性能、重量轻等优点，受到了人们极大的关注。近年来，随着碳纳米管及纳米材料研究的不断深入，其广阔的应用前景不断显现出来。由于碳纳米管的电子特性主要由其原子排列的结构决定，所以其受力的变化会对电导率产生影响，其变化值可由电流信号检测，这些性质使得碳纳米管可应用于压力传感器中。另外，碳纳米管具有良好的导电性、对可见光透明、稳定性强、良好的柔性、可应用于可折叠可穿戴的电子产品中等优点，因此，对基于碳纳米管的柔性微压力传感器的研究越来越多。目前基于碳纳米管的微压力传感器中通常采用圆柱状的微结构，在压力作用下形变有限，降低了传感器的灵敏度，限制了传感器的广泛应用。

发明内容

本发明针对背景技术存在的缺陷，提出了一种柔性微压力传感器及其制备方法。该柔性微压力传感器采用单壁碳纳米管作为透明导电层，以具有正四棱锥微结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为衬底，以镀有氧化铟锡的聚对苯二甲酸乙二醇酯作为耦合电极，当传感器受到外部压力时，可通过测试碳纳米管和氧化铟锡之间的电流变化来表征压力的响应。该柔性微压力传感器对可见光透明，响应速度快，灵敏度高，对极小的压力都有明显响应。

本发明的技术方案如下：

一种柔性微压力传感器，包括柔性衬底和位于柔性衬底之上的导电层、柔性耦合电极，其特征在于，所述柔性衬底具有正四棱锥微结构。

进一步地，所述柔性衬底为具有正四棱锥微结构的聚二甲基硅氧烷(PDMS)，所述导电层为单壁碳纳米管，所述柔性耦合电极为带氧化铟锡(ITO)导电层的聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)。

上述基于碳纳米管的柔性微压力传感器的制备方法，包括以下步骤：

步骤1：采用微细加工工艺刻蚀出具有正四棱锥微结构的硅模板；

步骤2：利用步骤1得到的硅模板作为模具，采用聚二甲基硅氧烷和固化剂混合液制备得到具有正四棱锥微结构的聚二甲基硅氧烷衬底；

步骤3：将单壁碳纳米管与氮甲基吡咯烷酮混合，超声分散，离心，取上层液体，得到单壁碳纳米管悬浊液；

步骤4：将步骤3得到的单壁碳纳米管悬浊液放入喷枪中，采用喷涂的方法，在步骤2得到的聚二甲基硅氧烷衬底上喷一层单壁碳纳米管导电层；然后制备耦合电极，即得到本发明所述柔性微压力传感器。

进一步地，步骤1所述具有正四棱锥微结构的硅模板的制备过程为：首先光刻，然后依次采用BOE溶液和KOH溶液刻蚀出具有正四棱锥微结构的硅模板，然后将得到的硅模板在三甲基氯硅烷上方处理4h。

进一步地，所述光刻图形为正方形阵列，所述KOH溶液为KOH、异丙醇和水的混合液，其中，H₂O、KOH和异丙醇的质量比为2：1：2，在KOH溶液中刻蚀时需要不断搅拌溶液。

进一步地，步骤2的具体过程为：将聚二甲基硅氧烷和固化剂混合均匀，真空处理去除空气泡；将上步得到的聚二甲基硅氧烷和固化剂混合液滴在步骤1得到的具有正四棱锥微结构的硅模板上，放入真空腔内抽真空；取出后加热，使聚二甲基硅氧烷固化；将固化的聚二甲基硅氧烷从硅模版上剥离，得到具有正四棱锥微结构的聚二甲基硅氧烷衬底。

进一步地，所述聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量比为10:1；得到的聚二甲基硅氧烷衬底为微米级。

进一步地，步骤3得到的单壁碳纳米管悬浊液中单壁碳纳米管与氮甲基吡咯烷酮的质量比为1:4000。

进一步地，步骤4中采用喷涂法制备单壁碳纳米管导电层时，聚二甲基硅氧烷衬底的温度为180℃；步骤4所述耦合电极为带ITO导电层的PET。

本发明的有益效果为：