[发明专利]超高灵敏仿生柔性纳米传感器

说明书

本发明涉及一种柔性传感器，具体是一种超高灵敏仿生柔性纳米传感器，解决了现有传感器二维高灵敏、高柔性探测问题。包括柔性弹性基底和导电金属薄膜层，其中紫外光固化聚氨酯丙烯酸酯组成弹性基底，采用溅射沉积金属镍形成金属薄膜层，金属薄膜层上通过机械弯曲金属层形成呈十字排列的两条裂缝，裂缝十字交叉中心圆形凹槽，并将两条裂缝分成四条独立裂缝。施加电压时，裂缝是电流通道的主要电阻来源。外界引起金属层裂缝的变形，通过检测裂缝断开‑连接过程中引起的电流通道中镍电阻的变化实现机械信号的高灵敏探测，十字型裂缝实现二维方向高灵敏探测。可用于检测声音、心率等微小振动信号，在医学检测、微振动检测等领域有广泛的应用前景。

技术领域

本发明涉及一种柔性传感器，具体是一种超高灵敏仿生柔性纳米传感器。

背景技术

由于柔性传感器具有轻、薄、柔的便携式、可折叠、可穿戴的特点，在自动控制、医学诊断、机器人、柔性电子，甚至人工器官、人机交互、可穿戴交互设备等领域广泛应用。柔性触觉传感器的应用使得机器人对外界的接触做更加灵敏的感知，对物体进行更加灵巧的操控。而器件灵敏度，体现了对外界微弱信号的探测能力，可以极大的拓展器件的研究领域，因此器件的灵敏度至关重要。

相关科研机构研究使用新型聚合物材料以及纳米材料、引入微纳尺度结构等方法和手段提升柔性传感器灵敏度等指标，器件在性能上不断提高，应用领域也不断拓展。但是，总的来说，该类器件的研究还在结构设计，性能指标，应用领域和加工工艺方面存在很多不完善之处，需要更进一步的研究和分析。电容式柔性压力传感器可实现较宽量程范围内的高灵敏探测，但是杂质和其他污染物可能导致介电常数的变化并影响传感器的性能，而且结构较为复杂，制造成本高，可延展性受限；压电式传感器可提供更高的灵敏度，但不能测量静态负载，价格昂贵，结构设计较困难，因此实现多点测量的技术难度较大，导致其很难在大面积场合实际应用；基于导电橡胶的电阻式压力传感器性能不稳定，在低压区显示出大的滞后和低灵敏度，不能同时满足高灵敏、高柔性和耐用性，限制了其实际工程应用，不能满足智能化信息时代的发展需求。因此开发一种多维超高灵敏度、高柔性和耐用性的多功能传感器非常有必要。

发明内容

本项目为了解决现有柔性传感器存在的多维高灵敏探测问题和高柔性问题，受蜘蛛缝感受器几何形状及其振动感知机理启发，提出一种结构简单，高柔性，高灵敏度的十字型纳米级导电裂缝结构的柔性力敏传感器。

本发明是采用如下技术方案实现的：一种超高灵敏仿生柔性纳米传感器，包括柔性弹性基底、导电金属薄膜层，导电金属薄膜层上设有十字形金属薄膜裂缝，所述的裂缝位置处下方的柔性弹性基底上也设有基底裂缝，十字形金属薄膜裂缝的交叉位置为圆形凹槽，圆形凹槽底部位于柔性弹性基底上。

其中柔性弹性基底（1）由紫外光固化聚氨酯丙烯酸酯制备形成。导电金属薄膜层（2）采用溅射沉积金属镍制成。十字形金属薄膜裂缝和相应的基底裂缝采用机械弯曲形成呈十字排列的两条裂缝。柔性弹性基底几何尺寸为长10mm×宽10mm×厚10μm。导电金属薄膜层（2）厚度为20nm。十字形金属薄膜裂缝和相应的基底裂缝总深度为40-50nm。

超高灵敏仿生柔性纳米传感器的制备过程是，以聚氨酯丙烯酸酯为加工材料，由紫外光固化加工形成的方形的柔性弹性基底，方形柔性弹性基底上通过溅射沉积技术加工形成金属镍薄膜层，金属镍层上通过采用机械弯曲金属层形成两条呈十字交叉排列裂缝，每条裂缝穿透金属镍薄膜层延伸至聚氨酯丙烯酸酯柔性基底，以两条裂缝十字交叉中心点为圆心，在金属薄膜层腐蚀出圆形的凹槽，以此将金属薄膜层两条裂缝分成独立不互联的四条裂缝，减小横向耦合。在金属薄膜层四个端面施加电压时，电流只通过金属层，分别对应的裂缝是电流通道的主要电阻来源，四条呈十字排列的裂缝组成可同时测量X方向和Y方向的测量电路。