一種具有高靈敏度的柔性壓阻式壓力傳感器及其制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及一種壓力傳感器，具體來說，涉及一種具有高靈敏度的柔性壓阻式壓力傳感器及其制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]傳統(tǒng)的硅基壓力傳感器由于其襯底不可彎曲變形的特點(diǎn)，導(dǎo)致其在生物醫(yī)學(xué)和可穿戴設(shè)備等眾多領(lǐng)域的使用少之又少。同時(shí)，許多領(lǐng)域都急需可彎曲變形的柔性襯底壓力傳感器以供使用。現(xiàn)有的硅基壓阻式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)是在一個(gè)方形或者圓形的硅應(yīng)變薄膜上通過擴(kuò)散或者離子注入的方式在應(yīng)力集中區(qū)制作四個(gè)壓力敏感電阻，四個(gè)電阻互聯(lián)構(gòu)成惠斯頓電橋。通過惠斯頓電橋?qū)⑼饨鐗毫?dǎo)致四個(gè)壓力敏感電阻的電阻值變化轉(zhuǎn)換為輸出電壓，通過對(duì)輸出電壓與壓力值進(jìn)行標(biāo)定可以實(shí)現(xiàn)對(duì)壓力的測(cè)量。但是這種結(jié)構(gòu)的硅基壓阻式壓力傳感器由于其是非柔性的，且生物兼容性不好，導(dǎo)致生物醫(yī)學(xué)、可穿戴設(shè)備等很多領(lǐng)域都急需壓力傳感器的使用。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0003]技術(shù)問題:本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是:提供一種具有高靈敏度的柔性壓阻式壓力傳感器及其制備方法，該壓力傳感器不僅具有襯底可彎曲變形的優(yōu)點(diǎn)，還具有很高的靈敏度，能夠廣泛使用于生物醫(yī)學(xué)和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域。
[0004]技術(shù)方案:為解決上述技術(shù)問題，一方面，本發(fā)明實(shí)施例采用一種具有高靈敏度的柔性壓阻式壓力傳感器，該壓力傳感器包括柔性襯底、金屬電極、網(wǎng)格狀的石墨烯薄膜層；金屬電極固定連接在柔性襯底頂面的兩端，石墨烯薄膜層覆蓋并連接在柔性襯底和部分金屬電極上。
[0005]作為優(yōu)選，所述的柔性襯底包括LCP板、第一 LCP薄膜和第二 LCP薄膜，LCP板固定連接在第一 LCP薄膜和第二 LCP薄膜之間，LCP板中設(shè)有相互平行的條形通槽，相鄰的條形通槽之間形成條形柱體。
[0006]作為優(yōu)選，所述的LCP板中的條形柱體通過激光切割制成。
[0007]作為優(yōu)選，所述的LCP板的厚度分別大于第一 LCP薄膜的厚度和第二 LCP薄膜的厚度。
[0008]作為優(yōu)選，所述的石墨烯薄膜層中設(shè)有陣列式分布的網(wǎng)格；石墨烯薄膜層中的每列網(wǎng)格與LCP板中條形柱體對(duì)應(yīng)。
[0009]作為優(yōu)選，所述的金屬電極為金、銀、銅、鋁、鉑或者鈦。
[0010]另一方面，本發(fā)明實(shí)施例采用一種具有高靈敏度的柔性壓阻式壓力傳感器的制備方法，該制備方法包括以下步驟:
第一步:對(duì)LCP板進(jìn)行激光切割，使得LCP板中形成相互平行的條形通槽，相鄰的條形通槽之間形成條形柱體；
第二步:利用迭片熱壓方法將LCP板的一面與第一 LCP薄膜粘合； 第三步:利用迭片熱壓方法將LCP板的另一面與第二 LCP薄膜的一面粘合；第二 LCP薄膜的另一面覆有金屬薄層；
第四步:在金屬薄層的兩端分別涂上第一光刻膠層，并圖形化；
第五步:對(duì)未被第一光刻膠層覆蓋的金屬薄層進(jìn)行腐蝕；
第六步:去除第一光刻膠層，位于第一光刻膠層正下方的金屬薄層形成金屬電極；金屬電極位于第二 LCP薄膜頂面的兩端；
第七步:在裸露的第二 LCP薄膜頂面和金屬電極頂面分別涂上第二光刻膠層，并圖形化；第二光刻膠層在第二 LCP薄膜頂面呈陣列式分布；
第八步:在裸露的金屬電極、第二 LCP薄膜和第二光刻膠層上分別旋涂一層氧化石墨烯薄膜層；
第九步:去除第二光刻膠層及位于第二光刻膠層上的氧化石墨烯薄膜層；
第十步:進(jìn)行加熱，將氧化石墨烯薄膜層還原，形成網(wǎng)格狀的石墨烯薄膜層。
[0011]作為優(yōu)選，所述的LCP板的厚度分別大于第一 LCP薄膜的厚度和第二 LCP薄膜的厚度。
[0012]作為優(yōu)選，所述的第十步中，加熱溫度高于200攝氏度，且低于柔性襯底的熔融溫度。
[0013]作為優(yōu)選，所述的第十步中，氧化石墨烯薄膜層還原過程中，以氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣。
[0014]有益效果:與現(xiàn)有的硅基壓阻式壓力傳感器相比，本發(fā)明具有以下有益效果:
本實(shí)施例的壓力傳感器，由于壓力傳感器在襯底彎曲變形的情況下依然可以很好的工作，彌補(bǔ)了傳統(tǒng)硅基壓阻式壓力傳感器不可彎曲變形的缺陷，并且?guī)в袟l形柱體的LCP板和網(wǎng)格狀的石墨烯薄膜層使得壓力傳感器的靈敏度得到極大地提高，可以廣泛使用在生物醫(yī)學(xué)和可穿戴設(shè)備等領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0015]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)剖視圖。
[0016]圖2為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)俯視圖。
[0017]圖3為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法第一步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0018]圖4為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法第一步的結(jié)構(gòu)俯視圖。
[0019]圖5為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法第二步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0020]圖6為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法第三步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖7為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法第四步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖8為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法第五步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖9為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法第六步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖10為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法第七步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0025]圖11為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法第八步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0026]圖12為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法第九步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0027]圖13為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法第十步的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0028]圖中有:柔性襯底1、金屬電極2、石墨烯薄膜層3、LCP板101、第一 LCP薄膜102、第二 LCP薄膜103、條形柱體1011、金屬薄層4、第一光刻膠層5、第二光刻膠層6、氧化石墨烯薄膜層7。
【具體實(shí)施方式】
[0029]下面結(jié)合附圖，對(duì)本發(fā)明實(shí)施例的技術(shù)方案進(jìn)行詳細(xì)的說明。
[0030]如圖1和圖2所示，本發(fā)明實(shí)施例的一種具有高靈敏度的柔性壓阻式壓力傳感器，包括柔性襯底1、金屬電極2、網(wǎng)格狀的石墨烯薄膜層3。金屬電極2固定連接在柔性襯底I頂面的兩端，石墨烯薄膜層3覆蓋并連接在柔性襯底I和部分金屬電極2上。作為優(yōu)選，所述的金屬電極2為金、銀、銅、鋁、鉑或者鈦。
[0031]作為優(yōu)選方案，所述的柔性襯底I包括LCP板101、第一 LCP薄膜102和第二 LCP薄膜103。LCP板101固定連接在第一 LCP薄膜102和第二 LCP薄膜103之間，LCP板101中設(shè)有相互平行的條形通槽，相鄰的條形通槽之間形成條形柱體1011。柔性襯底I包括LCP板101、第一 LCP薄膜102和第二 LCP薄膜103。整個(gè)柔性襯底I均由LCP (液晶高分子聚合物，文中簡(jiǎn)稱LCP)材料制成。這樣，襯底具有良好的柔性，可彎曲。另外，LCP板101中設(shè)有相互平行的條形柱體1011。作為優(yōu)選，所述的LCP板101中的條形柱體通過激光切割制成。條形柱體1011及其兩側(cè)的條形通槽，使得LCP板101的彎曲變形能力增加。
[0032]作為優(yōu)選方案，所述的LCP板101的厚度分別大于第一 LCP薄膜102的厚度和第二 LCP薄膜103的厚度。位于柔性襯底I中的條形柱體1011的厚度大于第一 LCP薄膜102的厚度和第二 LCP薄膜103的厚度。這可以使得在相同的力的作用下，第二 LCP薄膜103的位移變形更大。同時(shí)，第一 LCP薄膜102和第二 LCP薄膜103做薄，可以使得傳感器的襯底整體上變薄，薄襯底要比厚襯底在相同的力作用下發(fā)生的位移變形會(huì)更大，有利于提高傳感器的靈敏度。
[0033]作為優(yōu)選方案，所述的石墨烯薄膜層3中設(shè)有陣列式分布的網(wǎng)格；石墨烯薄膜層3
中的每列網(wǎng)格與LCP板101中條形柱體--對(duì)應(yīng)。當(dāng)外界力使的條形柱體1011發(fā)生縱向位移時(shí)，因?yàn)槭┍∧?中的每列網(wǎng)格都與條形柱體1011對(duì)應(yīng)，所以使得條形柱體1011的縱向形變能夠使得石墨烯薄膜層3的每列網(wǎng)格發(fā)生最大縱向位移形變，從而使得石墨烯薄膜層3整體形變加大，繼而導(dǎo)致其電阻變化顯著，最后使得傳感器的靈敏度得到提高。
[0034]LCP是一種由剛性分子鏈構(gòu)成的、在一定物理?xiàng)l件下既有液體的流動(dòng)性又有晶體的物理性能各向異性(此狀態(tài)稱為液晶態(tài))的高分子物質(zhì)。液晶高分子聚合物具有許多獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)，例如損耗小、成本低、使用頻率范圍大、強(qiáng)度高、重量輕、耐熱性和阻燃性強(qiáng)、線膨脹系數(shù)小、耐腐蝕性和耐輻射性能好、CP薄膜的成型溫度低，具有可彎曲性和可折疊性的優(yōu)良成型加工性能，可用于各種帶弧形和彎曲等復(fù)雜形狀的制品。這完全滿足了襯底可彎曲變形的壓力傳感器對(duì)襯底的要求。由于LCP的柔韌性很好，楊氏模量在5~20Gpa之間，遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于單晶硅和多晶硅。在相同壓力的作用下，柔性襯底I的彎曲形變會(huì)更大，導(dǎo)致其上的網(wǎng)格狀石墨烯薄膜層3的形變也更大。因此，采用LCP作為柔性襯底I也有增大靈敏度的作用。
[0035]上述結(jié)構(gòu)的壓阻式壓力傳感器的工作過程是:當(dāng)外界壓力作用在第一 LCP薄膜102上時(shí)，外力通過LCP板101傳到第二 LCP薄膜103上，力傳到第二 LCP薄膜3，使得第二LCP薄膜103發(fā)生形變，繼而導(dǎo)致其上的網(wǎng)格狀石墨烯薄膜層3的形變，繼而導(dǎo)致其電阻的變化。石墨烯薄膜層3電阻的變化通過兩邊金屬電極2輸出，對(duì)輸出的電阻值與外界施加的壓力值