柔性导电振膜、柔性振动传感器及其制备方法和应用技术

本发明专利技术公开了一种柔性导电振膜，其包含至少一导电薄膜，所述导电薄膜包括柔性支撑层、叠设于柔性支撑层上的柔性敏感层，叠设于柔性敏感层上的柔性导电层以及与所述柔性导电层电性连接的电极。本发明专利技术还公开了所述柔性导电振膜的制备方法以及基于所述柔性导电振膜的柔性振动传感器。本发明专利技术通过采用柔性材料、纳米材料和阵列式微结构等技术的组合，使得所获柔性振动传感器具有灵敏度高、制备成本低、重量轻、厚度薄、体积小、可折叠弯曲等特点，可应用于可穿戴、可贴敷电子设备之中。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种振动传感器，特别是涉及一种基于柔性材料、纳米材料和微结构的柔性振动传感器及其制备方法和应用，属于传感器和智能材料

技术介绍
随着可穿戴设备的快速发展和制造技术的不断进步，柔性智能器件成为一项重要的研究领域。它涉及材料学、微电子技术、微机电技术、纳米技术、电路与系统以及传感技术等多学科的综合性技术，其应用已经成为众多跨国公司相继重点的研发领域。柔性的压力传感器，显示器，储能器等都有相应的产品问世。然而作为一种重要物理参数的传感器—振动传感器，却鲜有柔性器件的报道。另一方面，振动传感器在测试技术中是关键部件之一，它的作用主要是将机械量接收下来，并转换为与之成比例的电量。由于它也是一种机电转换装置。所以也被称为换能器、拾振器等。振动传感器并不是直接将原始要测的机械量转变为电量，而是将原始要测的机械量做为振动传感器的输入量，然后由机械接收部分加以接收，形成另一个适合于变换的机械量，最后由机电变换部分再将其变换为电量。但是传统振动传感器存在无法弯曲、体积大、功耗大等缺陷，难以应用于可穿戴设备中。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种柔性导电振膜，其可作为换能器而应用于可穿戴设备等之中将机械能转化为电信号加以检测，且具有柔性易弯曲、稳定性佳、工作电压低、功耗低、灵敏度高、响应时间短等优点。本专利技术的目的之二在于提供一种制备所述柔性导电振膜的方法，具有工艺简单易于实施等特点。本专利技术的目的之三在于提供一种基于所述柔性导电振膜的柔性振动传感器，其能够方便地整合在可穿戴设备中。本专利技术的目的之四在于提供一种基于所述柔性振动传感器的可穿戴设备。为实现前述专利技术目的，本专利技术采用的技术方案包括：一种柔性导电振膜，包含至少一导电薄膜，所述导电薄膜包括柔性支撑层，叠设于柔性支撑层上的柔性敏感层，叠设于柔性敏感层上的柔性导电层以及与所述柔性导电层电性连接的电极。作为较佳实施方案之一，所述柔性导电振膜包括叠加的两个以上所述导电薄膜，其中相邻导电薄膜的柔性导电层相互接触形成电阻可调的接触电阻层。进一步的，所述柔性导电振膜包括叠加的复数个导电薄膜，该复数个导电薄膜之间形成有两个以上接触电阻层。作为较佳实施方案之一，所述柔性敏感层直接设置于柔性支撑层表面，并与柔性支撑层固定连接。进一步的，所述柔性敏感层与柔性支撑层粘接固定；和/或，所述柔性敏感层与柔性支撑层通过聚合物交联反应而相互结合。进一步的，所述柔性敏感层与柔性支撑层的结合强度足以保证柔性敏感层能够被从柔性敏感层的模板上直接剥离而不破损。进一步的，所述柔性敏感层的厚度为0.1～200μm，优选为0.1-10μm，尤其优选为1μm。较为优选的，所述柔性支撑层与柔性敏感层之间和/或所述柔性敏感层与柔性导电层之间还分布有一层以上柔性层。作为较佳实施方案之一，所述柔性支撑层的两侧面上均依次叠设有柔性敏感层和柔性导电层。优选的，所述柔性支撑层的材质为聚乙烯，厚度为1-10μm。进一步的，所述柔性敏感层表面具有阵列式微结构，所述微结构包括非平面微结构，所述非平面微结构包括金字塔形、四棱锥形、三棱锥形、半球型或柱形微结构，但不限于此。优选的，所述微结构为金字塔形四棱锥，每个锥体的底面为边长为1-200μm的正方形，侧面与底面的夹角为0-90°，优选为54.7°，锥体间距为1-200μm。作为较佳实施方案之一，所述柔性导电层共形附着于所述柔性敏感层表面。进一步的，所述柔性导电振膜包括叠加的两个以上所述导电薄膜，其中一柔性导电层的非平面微结构的顶点与相配合的另一柔性导电层电性接触。更进一步的，其中一柔性导电层的非平面微结构的顶点与相配合的另一柔性导电层的平面区域电性接触。进一步的，所述柔性敏感层的材质包括高分子材料，例如可选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚氨基甲酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯等，但不限于此，但优选采用聚二甲基硅氧烷。进一步的，所述柔性支撑层的材质包括高分子材料，例如可选自聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺、聚氨基甲酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯等，但不限于此。进一步的，所述柔性导电层的材质包括导电材料或导电材料与非导电材料的组合，例如，其中所述导电材料至少选自碳纳米管、石墨烯、金属纳米线、导电聚合物材料，而所述非导电材料包括聚合物，例如所述聚合物可选自聚二甲基硅氧烷、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺、聚氨基甲酸酯、聚乙烯醇、聚乙烯醇缩甲醛、聚乙烯等，但均不限于此。优选的，所述柔性导电层的材质为碳纳米管薄膜，制备方式为喷涂，而所获相应器件的方块电阻为0.1-100kΩ/□。进一步的，所述电极的材质包括金属或非金属导电材料，例如所述金属可选自金、铂、镍、银(例如银纳米线)、铟、铜、铝，所述非金属可选自碳纳米管、石墨烯，但均不限于此。较为优选的，所述电极厚度为1～10μm。优选的，所述电极的材质为铜箔。作为可行实施方案之一，所述电极与柔性导电层通过导电胶连接。所述柔性导电振膜的制备方法包括：(1)提供柔性敏感层的模板，并在所述模板表面形成柔性敏感层；(2)在柔性敏感层上形成柔性支撑层；(3)将所述柔性敏感层及柔性支撑层自所述模板上剥离；(4)在所述柔性敏感层上形成柔性导电层，以及在所述柔性导电层上电性连接电极。进一步的，所述模板表面具有与分布在柔性敏感层上的阵列式微结构相应的微图案结构。作为较佳实施方案之一，步骤(1)包括：在所述模板表面先设置至少一脱模剂层，
再在所述脱模剂层上形成所述柔性敏感层，所述脱模剂包括三甲基氯硅烷或者全氟辛基三氯硅烷。作为较佳实施方案之一，步骤(2)包括：对所述柔性支撑层或柔性敏感层进行表面处理，之后将所述柔性支撑层与柔性敏感层结合；其中采用的表面处理方式包括强酸氧化处理、等离子处理或紫外臭氧处理方式。进一步的，表面处理的时间可以为1～30min。作为较佳实施方案之一，步骤(2)还包括：将所述柔性支撑层与柔性敏感层粘接而使该两者结合；或者使固化或半固化的柔性支撑层与固化或半固化的柔性敏感层通过交联反应而结合。例如，在真空环境下，于反应温度为50～200℃的条件下反应30min～6h而使交联反应充分。进一步的，所述柔性导电层的形成方式可包括蒸镀、化学沉积、打印、喷涂或溅射等。进一步的，所述电极的制备方法可以包括蒸镀、化学沉积、打印、喷涂或溅射等。一种柔性振动传感器，包含所述的柔性导电振膜。所述柔性振动传感器可应用于流体流速检测和声音录取等领域。一种可穿戴或可贴敷设备，包含所述的柔性导电振膜或所述的柔性振动传感器。与现有技术相比，本专利技术的优点包括：(1)构建了一种新型的柔性导电振膜，其中柔性支撑层与柔性敏感层固定连接，特别是通过交联反应结合在一起，因而在制备过程中可以借助柔性支撑层而直接将柔性敏感层从模板上取下，剥离时间快，无损伤，因而柔性敏感层可以很薄(可低至0.1μm)，敏感度更高，类似于麦克风，在非接触情况下即可实现对声音的检测；(2)构建了一种柔性振动传感器，其主要组件可以采用廉价的碳纳米管和高分子聚合物等作为原料，制备工艺简单，无需高温过程，制备成本低，同时使用纳米材料和独特的微结构，还可增加器件的灵敏度和稳定性；(3)本专利技术的柔性振动传感器中融合了柔性振动传感技本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性导电振膜，其特征在于包含至少一导电薄膜，所述导电薄膜包括柔性支撑层，叠设于柔性支撑层上的柔性敏感层，叠设于柔性敏感层上的柔性导电层以及与所述柔性导电层电性连接的电极。

【技术特征摘要】
2015.03.17 CN 20151011699711.一种柔性导电振膜，其特征在于包含至少一导电薄膜，所述导电薄膜包括柔性支撑层，叠设于柔性支撑层上的柔性敏感层，叠设于柔性敏感层上的柔性导电层以及与所述柔性导电层电性连接的电极。2.根据权利要求1所述的柔性导电振膜，其特征在于包括叠加的两个以上所述导电薄膜，其中相邻导电薄膜的柔性导电层相互接触形成电阻可调的接触电阻层。3.根据权利要求2所述的柔性导电振膜，其特征在于包括叠加的复数个导电薄膜，该复数个导电薄膜之间形成有两个以上接触电阻层。4.根据权利要求1-3中任一项所述的柔性导电振膜，其特征在于所述柔性敏感层与柔性支撑层的结合强度足以保证柔性敏感层能够被从柔性敏感层的模板上直接剥离而不破损。5.根据权利要求4所述的柔性导电振膜，其特征在于所述柔性敏感层与柔性支撑层粘接固定；或者，所述柔性敏感层与柔性支撑层通过聚合物交联反应而相互结合。6.根据权利要求1-3、5中任一项所述的柔性导电振膜，其特征在于所述柔性敏感层的厚度为0.1～200μm。7.根据权利要求1-3、5中任一项所述的柔性导电振膜，其特征在于所述柔性支撑层与柔性敏感层之间和/或所述柔性敏感层与柔性导电层之间还分布有一层以上柔性层。8.根据权利要求1-3、5中任一项所述的柔性导电振膜，其特征在于所述柔性敏感层表面具有阵列式微结构，所述微结构包括非平面微结构，所述非平面微结构包括金字塔形、四棱锥形、三棱锥形、半球型或柱形微结构。9.根据权利要求8所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：张珽，顾杨，
申请(专利权)人：中国科学院苏州纳米技术与纳米仿生研究所，
类型：发明
国别省市：江苏;32