CN111765999A - 基于臭氧/紫外辐射处理的柔性电容传感器 - Google Patents
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Abstract
本发明公开基于臭氧/紫外辐射处理的柔性电容传感器，包括具有柱状微结构的PDMS介电层以及两个电极，PDMS介电层制作方法为：分两次匀涂PMDS胶在载玻片上，第一次涂完后固化处理，得到第一层PDMS膜，继续匀涂，得到第二层PDMS膜，形成初步介电层；将具有孔洞的PCET模板放在第二层PDMS膜上，对该PCET模板与初步介电层抽真空处理，使PDMS进入PCET模板的孔洞里，经过固化后形成稳定的柱状微结构；洗除PCTE模板，初步形成具有柱状微结构的PDMS介电层；对柱状微结构臭氧/紫外辐射处理，在柱状微结构表面形成硬度较强的硅氧化物，形成具有柱状微结构的PDMS介电层。本发明既可长时间维持柱状微结构，使得介电层具有很大可压缩性，又可保证传感器具有稳定高灵敏度。
Description
技术领域
本发明涉及柔性电子技术领域，特别是涉及一种基于臭氧/紫外辐射处理的柔性电容传感器。
背景技术
近年来，柔性电子领域发展日新月异。柔性传感器正成为未来机器人，体外诊断和能量收集中的重要应用器件。根据机器人系统、假肢和可穿戴医疗设备的最新进展，致力于用简单的方法实现高灵敏度的柔性传感器成为实验人员的研究热点。
聚二甲基硅氧烷(PDMS)由于其生物相容性和本征的高拉伸性还有其商业可用性和经过充分研究的特性而广泛用于制造电子皮肤和其他柔性电子器件。目前，柔性电子器件的研究都是基于PDMS材料，常常将其作为电容的上、下电极板或中间的介电层。虽然PDMS具有相对较高的介电常数，可以成为传统传感器的有效电介质。但是，为了扩大柔性电容传感器的应用范围，开发高介电常数(k)的薄膜弹性体介电材料应运而生。
目前，通过制备具有微结构的介电层来实现柔性电容传感器高灵敏度的办法深受研究人员的青睐。具有微结构的PDMS薄膜介电层不仅可以提高可拉伸性，而且可以赋予柔性传感器更高的灵敏度和更快的响应时间。与此同时，如何制备较为凸显的微结构并可以很好维持该结构的柔性传感器也值的研究人员思考。常见的微结构有柱状、线型、纳米针以及金字塔型等等。对于柱状微结构来说，其高度越高，即有很大的可压缩性，同时具有较合适的刚性，不易坍塌，便可实现柔性电容传感器的高灵敏度和稳定性。但符合以上特性的柱状结构的制备具有一定难度，一方面由于PDMS在常温时是一种黏稠液体，经固化后成胶状。这两种状态均容易变形，且不易恢复。另一方面，由于柱状结构其具有微米级的尺寸，在制备过程和使用过程中容易坍塌。因此，制备稳定性好、不易坍塌的较高柱状微结构是一个有待解决的难题。
因此，目前迫切需要提出一种方法来制备柔性电容传感器，其既有很大压缩性的微结构，又可以保证传感器具有稳定的高灵敏度。
发明内容
本发明的目的是针对现有技术中存在的技术缺陷，而提供一种基于臭氧/紫外辐射处理的柔性电容传感器。
为实现本发明的目的所采用的技术方案是：
基于臭氧/紫外辐射处理的柔性电容传感器，包括具有柱状微结构的PDMS介电层以及位于PDMS介电层上下的两个ITO/PET导电膜构成的电极，所述PDMS介电层采用以下方式制作：
分两次匀涂PMDS胶在载玻片上，第一次涂完后固化处理，得到第一层PDMS膜，继续匀涂，得到第二层PDMS膜，形成电容传感器初步介电层；
将具有孔洞的PCET模板放在第二层PDMS膜上，对该PCET模板与电容传感器初步介电层抽真空处理，使PDMS胶体进入PCET模板的孔洞里，经过固化后，形成稳定的柱状微结构；
洗除PCTE模板，初步形成具有柱状微结构的PDMS电容传感器介电层；
对柱状微结构进行臭氧/紫外辐射处理，在柱状微结构的表面形成硬度较强的硅氧化物，形成具有柱状微结构的PDMS介电层。
所述第一层PDMS膜的厚度为200um，所述第一层PDMS膜的厚度为100um。
所述PCET模板的厚度为13um表面随机分布孔洞的孔径为5um。
所述PCET模板采用二氯甲烷溶解法清除。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
本发明的柔性电容传感器，既可以长时间维持柱状微结构，使得介电层具有很大的可压缩性，又可以保证传感器具有稳定的高灵敏度，操作简单、成本较低、对操作环境的要求较低，为高灵敏度柔性传感器的微结构制备开辟了新的道路。
附图说明
图1为本发明提供的基于臭氧/紫外辐射处理的柔性电容传感器的方法的流程示意图；
图2为本发明提供的基于臭氧/紫外辐射处理的柔性电容传感器制备过程中所用聚碳酸酯(PCTE)模板的示意图；
图3为本发明提供的基于臭氧/紫外辐射处理的柔性电容传感器的立体示意图；
图中，1为厚度为200um的第一层PDMS胶，2为具有两层PDMS胶的PDMS体，3为具有随机分布有孔径相同的孔洞的PCTE模板，4为镶嵌在PCTE模板中的PDMS柱体5为柱状微结构，6为初步形成的柱状微结构的PDMS介电层，7为最终形成的柱状微结构的PDMS介电层，8为硅氧化物，9为随机分布于PCET模板上的孔径相同的孔洞；10为柔性电容传感器的上极板，11为柔性电容传感器的下极板。
具体实施方式
以下结合附图和具体实施例对本发明作进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
如图1-3，一种基于臭氧/紫外辐射处理的高灵敏度柔性电容传感器，包括电介质层上下的两个电极以及中间具有柱状微结构的PDMS介电层，PDMS介电层按如下方法制备：
首先，准备需要电介质材料PMDS。该电介质材料PDMS去气泡后分两次匀在载玻片上。第一次在载玻片上匀200um厚的PDMS，之后进行固化处理，得到第一层PDMS膜。在此基础上，继续匀100um厚的PDMS，且不进行任何处理，得到第二层PDMS胶膜。这两层PDMS共同构成电容传感器的初步介电层。
第一层PDMS膜，用于充当电容传感器的介电层，具有优异的柔性和介电性。其中，PDMS经过去气泡后被匀在载玻片上，再经过固化过程形成第一层PDMS膜；第二层PDMS膜，用于制备介电层中的柱状微结构，是在第一层PDMS膜的基础上继续匀一层100um的PDMS而得到，且不进行其他的任何处理；
其次，利用PCET模板制备微结构。将提前准备好的PCET模板轻轻放置在之前处理过的两层PDMS样品上。之后，再对该模板与PDMS样品进行抽真空处理。这样，可以利用气压使得PCET模板下面的PDMS胶体进入模板中的孔洞里。由于孔洞具有一定的高度，因此，将样品再一次经过固化后，即可在PDMS上形成相对稳定的柱状微结构。
其中，根据想要实现的柱状结构的高度选用合适厚度的PCET模板。本发明优选用厚度为13um的PCET模板，且其表面随机分布有孔径均为5um的孔洞。
然后，洗除PCTE模板。由于二氯甲烷具有极强的溶解能力，因此，在保持PDMS柱状微结构不被破坏的同时，使用二氯甲烷试剂用于将PCTE模板洗除，使得样品仅由柱状PDMS和PDMS膜构成。这样，具有柱状微结构的电容传感器介电层的制备初步完成。
最后，对柱状微结构进行臭氧/紫外辐射处理，在柱状微结构的表面形成硬度相对较强的硅氧化物，能增加微结构的表面硬度和刚性，使微结构可以很好地直立于介电层上，不易坍塌。通过模板法制备出的微结构由于具有很高的高度，在之后感知压力的过程中容易坍塌，使得柔性电容传感器的性能变差。因此，需要增强柱状微结构的刚性，同时还要保持其的柔性。
其中，在臭氧/紫外辐射处理时，可以是采用功率为28mW cm-2对的TUV紫外灯管对初次制备的柱状微结构进行处理30min，由于紫外灯管可以产生臭氧，进而可在微结构的表面形成硅氧化物。
而通过臭氧/紫外辐射处理，可以在柱状微结构的表面形成硬度相对较强的硅氧化物。这样，可以使得柱状微结构多次形变之后仍可以长时间直立于介电层上，继续感知外界的压力并发生相应的形变，使柔性电容传感器具有很好的灵敏度和稳定性。这样，柔性电容传感器中具有柱状微结构的介电层制备完毕。
需要说明的是，该电容器的上下电极由ITO/PET(氧化铟锡/聚对苯二甲酸)导电膜构成。ITO导电膜是采用磁控溅射的方法，在透明ITO导电膜镀层并经高温退火处理得到。由于ITO/PET导电膜可以很好地固定在制备好的介电层上，不易脱落，具有很好的稳定性，因此选用ITO/PET导电膜充当电极。
与现有技术相比较，本发明具有以下的有益效果：
1.灵敏度高，本发明制备的柱状微结构具有一定的刚性、高度相对较大、具有很大的可压缩性，可以极大程度地提高柔性电容传感器的灵敏度；
2.稳定性好，本发明制备的柱状结构可进行多次压缩，不易坍塌，具有很高的稳定性和可靠性，可使用周期较长；
3.操作简单，本发明的对介电材料进行臭氧/紫外辐射处理，实验步骤简单、易操作；
4.对操作环境的要求较低，本发明在操作全程均不需要超净环境，普通实验环境即可完成实验；
5.成本低，本发明所涉及的所有材料和设备都是柔性电子器件制备时所需的最基本的材料和设备，不涉及成本较高的实验环节。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出的是，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
Claims (4)
1.基于臭氧/紫外辐射处理的柔性电容传感器，其特征在于，包括具有柱状微结构的PDMS介电层以及位于PDMS介电层上下的两个ITO/PET导电膜构成的电极，所述PDMS介电层采用以下方式制作：
分两次匀涂PMDS胶在载玻片上，第一次涂完后固化处理，得到第一层PDMS膜，继续匀涂，得到第二层PDMS膜，形成电容传感器初步介电层；
将具有孔洞的PCET模板放在第二层PDMS膜上，对该PCET模板与电容传感器初步介电层抽真空处理，使PDMS胶体进入PCET模板的孔洞里，经过固化后，形成稳定的柱状微结构；
洗除PCTE模板，初步形成具有柱状微结构的PDMS电容传感器介电层；
对柱状微结构进行臭氧/紫外辐射处理，在柱状微结构的表面形成硬度较强的硅氧化物，形成具有柱状微结构的PDMS介电层。
2.如权利要求1所述基于臭氧/紫外辐射处理的柔性电容传感器，其特征在于，所述第一层PDMS膜的厚度为200um，所述第一层PDMS膜的厚度为100um。
3.如权利要求1所述基于臭氧/紫外辐射处理的柔性电容传感器，其特征在于，所述PCET模板的厚度为13um表面随机分布孔洞的孔径为5um。
4.如权利要求1所述基于臭氧/紫外辐射处理的柔性电容传感器，其特征在于，所述PCET模板采用二氯甲烷溶解法清除。
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