一種pmma膜制備方法及pmma膜電阻式柔性壓力傳感器的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明涉及柔性壓力傳感器結(jié)構(gòu)和制備，具體涉及PMMA薄膜制備工藝以及使用PMMA薄膜的電阻式柔性壓力傳感器的結(jié)構(gòu)。
技術(shù)背景
[0002]柔性壓力傳感器是能將應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號(hào)的柔性電子器件。一般來(lái)說(shuō)，柔性壓力傳感器主要是通過(guò)電容效應(yīng)，壓電效應(yīng)以及壓電阻效應(yīng)這三種原理將力學(xué)量轉(zhuǎn)化為電學(xué)信號(hào)。因?yàn)槿嵝詨毫鞲衅髂軐h(huán)境中的力學(xué)量轉(zhuǎn)化為容易處理的電學(xué)信號(hào)，使其在柔性觸摸屏、智能機(jī)器人、移動(dòng)醫(yī)療和機(jī)械結(jié)構(gòu)損傷檢測(cè)等領(lǐng)域得到了廣泛的運(yùn)用。
[0003]柔性電阻式壓力傳感器主要有電容式、電阻式和壓電式，其中電阻式柔性壓力傳感器由于器件結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，簡(jiǎn)易的后期數(shù)據(jù)處理電路和較高的靈敏度備受產(chǎn)業(yè)界和研究界青睞。其中對(duì)電極式柔性電阻式壓力傳感器由于簡(jiǎn)易的結(jié)構(gòu)和極高的靈敏度而具有極大研究和運(yùn)用潛力。首爾大學(xué)的Changhyun Pang研究小組利用硅作為模板制備出具有微納指狀結(jié)構(gòu)陣列，然后在PDMS薄膜上濺射Pt薄膜電極組裝成對(duì)電極結(jié)構(gòu)的壓力傳感器，結(jié)構(gòu)如圖1(Changhyun Pang,Nature Materials，2012，7)。該傳感器利用覆有Pt電極的指狀導(dǎo)電結(jié)構(gòu)受到應(yīng)力作用接觸面積發(fā)生變化從而將應(yīng)力轉(zhuǎn)化為電阻變化實(shí)現(xiàn)壓力傳感。這個(gè)壓力傳感器可以檢測(cè)最小為5Pa的壓強(qiáng)，在8000次重復(fù)測(cè)試中器件性能穩(wěn)定。同樣中國(guó)蘇州納米所的張挺研究小組利用同樣的對(duì)電極式結(jié)構(gòu)，將Pt薄膜替換成CNT(碳納米管)薄膜作為導(dǎo)電層，制備出柔性壓力傳感器(Xuewen Wang,Advanced Materials，2014，9)。該傳感器可檢測(cè)最小為0.6Pa的壓強(qiáng)，同時(shí)在67500次疲勞測(cè)試后性能依舊穩(wěn)定。但由于TOMS的楊氏模量很低(I?1MPa)而且表面能低(21.6mN/m)，所以PDMS薄膜容易塌陷并且容易相互粘連。因此以PDMS為襯底的對(duì)電極結(jié)構(gòu)的壓力傳感器具有性能不穩(wěn)定和在尚壓力下容易損壞的缺點(diǎn)。其他研究者也發(fā)現(xiàn)相同的問(wèn)題并在相應(yīng)研究文獻(xiàn)中提到。例如中國(guó)蘇州納米所的張挺研究小組在實(shí)驗(yàn)中，發(fā)現(xiàn)只有在PDMS薄膜上放置一片薄玻璃才能提高器件的穩(wěn)定度。同樣ShuGong在Nature Communicat1n發(fā)表的文章中指出，PDMS薄膜的粘連性會(huì)導(dǎo)致壓阻傳感器在施加壓強(qiáng)為600Pa，施加頻率為IHZ測(cè)試條件下，產(chǎn)生響應(yīng)遲滯。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本專利提供一種制備PMMA薄膜的物理制備方法，并提供一種能提高I3DMS對(duì)電極式壓力傳感器穩(wěn)定性的結(jié)構(gòu)。該制備方法主要針對(duì)PMMA薄膜旋涂制備，并運(yùn)用在對(duì)電極式壓力傳感器制備上。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)方案是一種PMMA膜電阻式柔性壓力傳感器及PMMA膜的制備方法，對(duì)電極式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)主要采用PMMA薄膜替代PDMS壓力傳感器上電極襯底；利用PMMA薄膜高楊氏模量帶來(lái)的不易塌陷和不易發(fā)生塑形形變的優(yōu)點(diǎn)提高器件的穩(wěn)定性和性會(huì)K。
[0006]因而本發(fā)明一種PMMA膜電制備方法，該方法包括:
[0007]步驟1:PMMA的清洗方法；
[0008]將PMMA顆粒使用洗潔精和去離子水清洗后氮?dú)獯蹈?再將吹干的PMMA顆粒使用無(wú)水乙醇浸泡后，使用超聲機(jī)超聲清洗，然后使用N2氣吹干待用；將上述PMMA顆粒再用去離子水浸泡，使用超聲清洗機(jī)超聲清洗，清洗完后使用他氣吹干待用；
[0009]步驟2:對(duì)旋涂需要的基板做預(yù)處理；
[0010]步驟3:將適量干燥的PMMA顆粒放入CHCl3、CCl4或TFH溶劑中，攪拌至PMMA顆粒完全溶解于溶劑中；
[0011 ]步驟4:將基板放置在旋涂機(jī)上，將旋涂機(jī)轉(zhuǎn)速設(shè)定在300rpm?400rpm;將足量的PMMA的溶液滴在基板上，至PMMA溶液均勻平鋪于基板上;旋涂成功后，將覆有PMMA薄膜的基板放置在高溫烘箱中，將烘箱溫度設(shè)置在50°C?80°C通風(fēng)熱烘至薄膜凝固成型，最后剝離薄膜。
[0012]進(jìn)一步的，所述步驟2中采用的基板為玻璃基板，玻璃基板的預(yù)處理方法為:
[0013]將玻璃基板先使用洗潔精清洗去除表面污漬，再用清水清洗后使用犯氣吹干;再將玻璃基板浸泡在丙酮溶劑中超聲清洗，洗凈取出后用清水沖洗，犯氣吹干;再使用無(wú)水乙醇超聲清洗，洗凈取出后清水沖洗，他氣吹干備用。
[0014]進(jìn)一步的，所述步驟2中采用的基板為鋁板基板，鋁板基板的預(yù)處理方法為:
[0015]Al板先使用去離子水超聲清洗，再使用丙酮超聲清洗，再使用去離子水超聲清洗；
[0016]將BTSE溶于體積比為3:1的乙醇和水的混合溶液中，BTSE為“I，2_雙(三乙氧基硅基)乙燒”，制備成硅烷化試劑，然后將上述硅烷化試劑放在35°C?500C恒溫槽中水解;待硅烷化試劑水解后，將干燥的Al板放入上述硅烷化試劑中Imin?5min，取出放入溫度設(shè)定50°C?80°C的烘箱干燥固化；
[0017]一種PMMA膜電阻式柔性壓力傳感器，該傳感器包括:上電極、上電極襯底、下電極、下電極襯底、封裝結(jié)構(gòu)，上電極位于上電極襯底下表面，下電極位于下電極襯底的上表面，上電極與下電極之間留有空腔，所述上、下電極包括:導(dǎo)電薄膜、設(shè)置于導(dǎo)電薄膜上的銀電極，與銀電極相連的銅導(dǎo)線，下電極襯底為PDMS薄膜，其特征在于上電極襯底為PMMA薄膜。
[0018]本專利的有益效果是，使用了更為廉價(jià)的PMMA薄膜作為對(duì)電極式壓力傳感器襯底降低對(duì)電極式壓力傳感器制備成本。傳統(tǒng)PDMS襯底制備原料為道康寧的PDMS組合試劑，價(jià)格為1000RMB/kg。而制備的PMMA薄膜原料是PMMA和CHCl3，其中PMMA顆粒價(jià)格50RMB/kg，而作為溶劑使用CHCl3的價(jià)格為25RMB/500ml。
[0019]本專利另一個(gè)有益的效果，使用韌性較強(qiáng)、楊氏模量更大PMMA薄膜后，克服了PDMS薄膜的自身容易塌陷粘連的缺點(diǎn)，提高使用TOMS制備的對(duì)電極式壓力傳感器穩(wěn)定性，從而拓寬PDMS對(duì)電極式柔性壓力傳感器的使用領(lǐng)域。
【附圖說(shuō)明】
[0020]圖1為傳統(tǒng)PDMS薄膜的對(duì)電極式柔性壓力傳感器結(jié)構(gòu)
[0021 ]說(shuō)明:I為使用PDMS雙組分試劑制備的PDMS; 2為使用抽濾方法制備的CNT導(dǎo)電薄膜或者使用其他方法制備的導(dǎo)電薄膜;3為導(dǎo)電Ag膠制備的電極;4為通過(guò)Ag電極引出的Cu導(dǎo)線。
[0022]圖2為使用PMMA薄膜的PDMS對(duì)電極式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖；
[0023]說(shuō)明:I為旋涂方法制備的PMMA薄膜襯底；2為使用PDMS雙組分試劑制備的PDMS;3為方法制備的CNT導(dǎo)電薄膜或者使用其他方法制備的導(dǎo)電薄膜;4為導(dǎo)電Ag膠制備的電極；
(5)為通過(guò)Ag電極引出的Cu導(dǎo)線。
[0024]圖3為使用PMMA薄膜的PDMS對(duì)電極式壓力傳感器側(cè)視圖
[0025]說(shuō)明:I為旋涂方法制備的PMMA薄膜襯底，厚度為10um;2為使用PDMS雙組分試劑制備的PDMS，厚度為10um; 3為方法制備的CNT導(dǎo)電薄膜或者使用其他方法制備的導(dǎo)電薄膜，厚度為10nm; 4為導(dǎo)電Ag膠制備的電極，直徑2mm，厚度2mm; 5為通過(guò)Ag電極引出的Cu導(dǎo)線。
[0026]圖4為PMMA薄膜制備工藝流程圖.
[0027]圖5為采用PMMA薄膜作為上電極絕緣襯底時(shí)壓力測(cè)試結(jié)果圖。
[0028]圖6為采用PDMS薄膜作為上電極絕緣襯底時(shí)壓力測(cè)試結(jié)果圖。
【具體實(shí)施方式】
[0029]采用200Pa測(cè)試壓強(qiáng)，對(duì)PMMA上電極絕緣襯底的柔性壓力傳感器和PDMS上電極絕緣襯底的柔性壓力傳感器進(jìn)行對(duì)比測(cè)試。
[0030]采用PMMA薄膜作為上電極絕緣襯底時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示壓力傳感器在恢復(fù)過(guò)程中，數(shù)據(jù)毛刺尖峰更小。在不受力時(shí)，壓力傳感器的電阻值為270 Ω，受到200Pa壓強(qiáng)時(shí)電阻數(shù)據(jù)為235Ω，電阻值變化為35 Ω (具體見圖5)。
[0031]采用PDMS薄膜作為上電極絕緣襯底時(shí)，測(cè)試數(shù)據(jù)顯示壓力傳感器在恢復(fù)過(guò)程中，數(shù)據(jù)毛刺尖峰更大更明顯。在不受力時(shí)，壓力傳感器的電阻值為300 Ω，受到200Pa壓強(qiáng)時(shí)電阻數(shù)據(jù)為275 Ω，電阻值變化為25 Ω (具體見圖6)。
[0032]從數(shù)據(jù)可以看出，采用PMMA薄膜作為上電極絕緣襯底的壓力傳感器，在恢復(fù)過(guò)程中毛刺更小，器件性能更穩(wěn)定。同時(shí)在200Pa壓強(qiáng)下，PMMA薄膜作為上電極絕緣襯底的壓力傳感器響應(yīng)度更好。
[0033]1.PMMA清洗工藝
[0034]將純度99.98%，顆粒直徑為5mm左右，質(zhì)量為5g的PMMA顆粒使用洗潔精和去離子水清洗后氮?dú)獯蹈?。再將吹干的PMMA顆粒使用無(wú)水乙醇浸泡后，使用超聲機(jī)超聲清洗15min，然后使用他氣(純度99.99%)吹干待用。將上述PMMA顆粒再用去離子水浸泡，使用超聲清洗機(jī)超聲清洗15min，清洗完后使用N2氣吹干待用。
[0035]將玻璃基板(3cmX3cm)先使用洗潔精清洗去除表面污漬，再用清水清洗后使用N2氣吹干。再將玻璃基板浸泡在丙酮溶劑中超聲清洗15min，洗凈取出后用清水沖洗，N2氣吹干。再使用無(wú)水乙醇超聲清洗15min，洗凈取出后清水沖洗，純他氣吹干備用。
[0036](2)PMMA 溶解工藝
[0037]將干燥的?1嫩顆粒按0.18/41111的比例放入01(:13(三氯甲烷，純度99.99%)有機(jī)溶劑中，使用攪拌器攪拌15min直至PMMA顆粒完全溶解到CHCl3中。針對(duì)PMMA顆粒溶解還可以使用CCl4(四氯甲烷)、??Η(四氫呋喃)作為溶劑。其中PMMA在CCl4中采用溶解度與在CHCl3中溶解的一樣。而PMMA顆粒溶解在TFH(四氫呋喃)溶解度按I %?5 %質(zhì)量比溶解。<