一種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(lái)說(shuō)，涉及一種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)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?，F(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(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)題:本發(fā)明所要解決的技術(shù)問(wèn)題是:提供一種壓阻式壓力傳感器及其制備方法，該壓力傳感器不僅具有了襯底可彎曲變形的優(yōu)點(diǎn)，還具有良好的靈敏度，能夠廣泛使用于生物醫(yī)學(xué)、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(wèn)題，本發(fā)明實(shí)施例采用的技術(shù)方案是:
一種壓阻式壓力傳感器，該壓力傳感器包括LCP襯底、LCP薄膜層、金屬電極、石墨烯薄膜層和石墨烯陣列層；LCP薄膜層固定連接在LCP襯底上，LCP薄膜層中設(shè)有陣列式結(jié)構(gòu)的通孔，金屬電極連接在LCP薄膜層兩端的上方，石墨烯薄膜層連接在LCP薄膜層上，且石墨烯薄膜層填充金屬電極之間的空隙和覆蓋金屬電極；石墨烯陣列層填充在LCP薄膜的通孔中，且石墨烯薄膜層和石墨烯陣列層連接。
[0005]作為優(yōu)選方案，所述的LCP薄膜層通過(guò)激光打孔制成陣列式結(jié)構(gòu)的通孔。
[0006]作為優(yōu)選方案，所述的金屬電極為金、銀、銅、鋁、鉑或者鈦。
[0007]作為優(yōu)選方案，所述的LCP薄膜層中的通孔厚度為25?50微米。
[0008]一種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)單面覆有金屬薄層的LCP薄膜層進(jìn)行激光打孔，構(gòu)成陣列式結(jié)構(gòu)的通孔； 第二步:利用迭片熱壓將LCP薄膜層與LCP襯底粘合；
第三步:在覆有金屬薄層的LCP薄膜層的兩端涂上光刻膠層；
第四步:對(duì)未被光刻膠層覆蓋的金屬薄層進(jìn)行腐蝕；
第五步:去除光刻膠層，形成金屬電極；
第六步:將石墨烯陣列層填充在LCP薄膜的通孔中，將石墨烯薄膜層連接在LCP薄膜層上，且石墨烯薄膜層填充金屬電極之間的空隙和覆蓋金屬電極，從而制成壓力傳感器。
[0009]作為優(yōu)選方案，所述的第六步具體包括:對(duì)金屬電極上表面粘貼膠布，然后對(duì)LCP薄膜層和金屬電極及其表面粘貼的膠布旋涂上一氧化石墨烯層，氧化石墨烯層填充LCP薄膜層上的通孔和金屬電極之間的空隙，且覆蓋金屬電極和膠布，接著撕掉金屬電極上的膠布，最后進(jìn)行加熱，氧化石墨烯層還原成為位于在LCP薄膜通孔中的石墨烯陣列層和位于LCP薄膜上方的石墨稀薄膜層，從而制成壓力傳感器。
[0010]作為優(yōu)選方案，所述的氧化石墨烯層還原過(guò)程中，溫度低于LCP薄膜層和LCP襯底的熔融溫度。
[0011]作為優(yōu)選方案，所述的氧化石墨烯層還原過(guò)程中，以氮?dú)庾鳛楸Ｗo(hù)氣。
[0012]作為優(yōu)選方案，所述的LCP薄膜層中的通孔厚度為25?50微米。
[0013]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:利用柔性材料LCP制成襯底，從而使得壓力傳感器襯底可彎曲變形。壓力傳感器的力敏電阻元件為石墨烯薄膜層和呈陣列結(jié)構(gòu)的石墨烯陣列層。當(dāng)壓力傳感器在外力的作用下彎曲變形的時(shí)候，石墨烯薄膜層會(huì)隨之形變，使得石墨烯薄膜層電阻增大，同時(shí)位于LCP薄膜層中的石墨烯陣列層會(huì)在縱向厚度上發(fā)生一定的壓縮，使石墨烯中碳原子的非對(duì)稱性增大，進(jìn)而導(dǎo)致石墨烯的禁帶寬度增大，費(fèi)米能級(jí)附近的能態(tài)密度降低、傳輸溝道減少，使得石墨烯的傳輸系數(shù)降低，電阻率增大，電阻也隨之增大。通過(guò)設(shè)置石墨烯薄膜層和石墨烯陣列層大大提高了壓力傳感器的靈敏度。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，并且陣列式的壓力傳感器結(jié)構(gòu)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(shuō)明】
[0014]圖1為本發(fā)明實(shí)施例的結(jié)構(gòu)剖視圖。
[0015]圖2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。
[0016]圖3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。
[0017]圖4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。
[0018]圖5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。
[0019]圖6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。
[0020]圖7為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法第六步中S601的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0021]圖8為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法第六步中S602的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0022]圖9為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法第六步中S603的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0023]圖10為本發(fā)明實(shí)施例中制備方法第六步中S604的結(jié)構(gòu)示意圖。
[0024]圖中有:LCP襯底1、LCP薄膜層2、金屬電極3、石墨烯薄膜層4、光刻膠層5、金屬薄層6、石墨烯陣列層7、氧化石墨烯層8、膠布9。
【具體實(shí)施方式】
[0025]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(shuō)明。
[0026]如圖1所示，本發(fā)明實(shí)施例的一種壓阻式壓力傳感器，包括LCP襯底1、LCP薄膜層2、金屬電極3、石墨烯薄膜層4和石墨烯陣列層7。LCP薄膜層2固定連接在LCP襯底I上，LCP薄膜層2中設(shè)有陣列式結(jié)構(gòu)的通孔，金屬電極3連接在LCP薄膜層2兩端的上方。石墨烯薄膜層4連接在LCP薄膜層2上，且石墨烯薄膜層4填充金屬電極3之間的空隙和覆蓋金屬電極3。石墨烯陣列層7填充在LCP薄膜2的通孔中，且石墨烯薄膜層4和石墨烯陣列層7連接。
[0027]液晶高分子聚合物(文中簡(jiǎn)稱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，LCP襯底I的彎曲形變會(huì)更大，導(dǎo)致其上的石墨烯薄膜層4的形變也更大。所以采用LCP作為襯底也有增大靈敏度的作用。另外，采用了 LCP材料才使得可以做成襯底和力敏電阻元件兩個(gè)陣列式結(jié)構(gòu)，從而使得傳感器的靈敏度得到極大地提高。
[0028]上述結(jié)構(gòu)的壓阻式壓力傳感器的工作過(guò)程是:當(dāng)壓力傳感器在外力的作用下彎曲變形的時(shí)候，石墨烯薄膜層4會(huì)隨之形變，使得石墨烯薄膜層4的電阻增大，同時(shí)LCP薄膜層2中的石墨烯陣列層7會(huì)在縱向厚度上發(fā)生一定的壓縮，使石墨烯中碳原子的非對(duì)稱性增大，進(jìn)而導(dǎo)致石墨烯的禁帶寬度增大，費(fèi)米能級(jí)附近的能態(tài)密度降低、傳輸溝道減少，使得石墨烯的傳輸系數(shù)降低，電阻率增大，電阻也隨之增大。石墨烯薄膜層4和LCP薄膜層2中的石墨烯陣列層7的電阻變化會(huì)通過(guò)金屬電極3測(cè)出來(lái)，繼而達(dá)到測(cè)出外在壓力的值的目的。
[0029]該結(jié)構(gòu)的壓阻式壓力傳感器中，在LCP薄膜層2中設(shè)置了陣列式結(jié)構(gòu)的通孔，是為了構(gòu)成石墨烯陣列層7。傳感器的力敏電阻元件由兩部分構(gòu)成，分別是石墨烯陣列層7和石墨烯薄膜層4。該結(jié)構(gòu)中的力敏電阻元件可以提高傳感器的靈敏度。當(dāng)外界壓力作用于壓力傳感器時(shí)，石墨烯薄膜層4發(fā)生彎曲形變，導(dǎo)致其電阻也隨之增大。當(dāng)外界壓力作用于壓力傳感器時(shí)，LCP薄膜層2中的石墨烯陣列層7在縱向厚度上發(fā)生壓縮，使石墨烯中碳原子的