基于应力调制的超高灵敏非晶碳基柔性传感器及其制法制造技术

本发明专利技术公开了一种基于应力调制的超高灵敏非晶碳基柔性传感器及其制法。所述超高灵敏非晶碳基柔性传感器包括：柔性衬底；设置于所述柔性衬底表面的敏感材料层；所述敏感材料层包括非晶碳膜，且所述非晶碳膜的应力为0.4GPa～5.5GPa，初始电阻值为200kΩ～10MΩ；以及，间隔设置于所述敏感材料层上的两个电极。本发明专利技术中超高灵敏非晶碳基柔性传感器的制备工艺简单、成本低廉，兼具超高灵敏度和应变范围广的优势，且具有高重复性、稳定性，可广泛用于可穿戴设备领域。穿戴设备领域。穿戴设备领域。

【技术实现步骤摘要】
基于应力调制的超高灵敏非晶碳基柔性传感器及其制法


[0001]本专利技术属于柔性传感器制造
，具体涉及一种基于应力调制的超高灵敏非晶碳基柔性传感器及其制法。

技术介绍

[0002]柔性应变传感器是将外部机械形变/应变转换成电信号的柔性传感装置。相比传统应变传感器低灵敏度、低疲劳寿命、环境依赖性、生物相容性差、固有脆性和刚性等不足，柔性应变传感器具有便携性、柔韧性、可穿戴、变形程度大等特点，近年来受到极大关注，在人机交互、电子皮肤、植入电子器件和运动监测等领域具有广阔应用前景，已成为未来智能设备发展的重要研究方向之一。
[0003]然而，持续增加的新型智能应用对柔性应变传感器在复杂工况下稳定性也提出更高要求，但是开发兼具高灵敏度(灵敏系数GF＞100)、高可拉伸性(形变测量范围＞50％)和高稳定性的新型敏感材料及器件仍面临技术挑战。
[0004]目前已开发的高灵敏度、高可拉伸性柔性应变传感器，受限于昂贵的原材料和复杂的制造工艺，难以实现广泛应用。新型非晶碳(a
‑
C)薄膜是由碳的sp2和sp3混合形成的一大类材料，兼具高压阻敏感性、耐腐蚀和抗刮擦，且廉价易得、形态丰富多样，是实现应变传感器规模化生产的候选材料之一。将硬脆性非晶碳沉积于柔性基体时，由于薄膜高应力与膜基机械不匹配性，非晶碳出现皱褶与裂纹，在柔性基体形变过程中，由于非晶碳中裂纹与褶皱的演变，电阻出现变化，从而表现出柔性传感行为。目前通常采用预先沉积非晶碳于刚性基体，然后将非晶碳转移至柔性基体的方法制备柔性应变传感传感器；直接在柔性基体上沉积则受限于非晶碳导电性差异及皱褶、裂纹调控复杂性，柔性传感性能及敏感机理不明，开发兼具高GF和大形变测量范围的非晶碳柔性应变传感器仍是技术挑战，限制了新型非晶碳基柔性应变传感器的设计制备与集成应用。

技术实现思路

[0005]本专利技术的主要目的在于提供一种基于应力调制的超高灵敏非晶碳基柔性传感器及其制法，以克服现有技术的不足。
[0006]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：
[0007]本专利技术实施例提供了一种基于应力调制的超高灵敏非晶碳基柔性传感器，其包括：
[0008]柔性衬底；
[0009]设置于所述柔性衬底表面的敏感材料层；所述敏感材料层包括非晶碳膜，且所述非晶碳膜的应力为0.4GPa～5.5GPa，初始电阻值为200kΩ～10MΩ；
[0010]以及，间隔设置于所述敏感材料层上的两个电极。
[0011]本专利技术实施例还提供了前述的基于应力调制的超高灵敏非晶碳基柔性传感器的制备方法，其包括：
[0012]提供柔性衬底；
[0013]采用磁控溅射技术，以石墨靶为靶材，在所述柔性衬底表面沉积形成非晶碳膜；
[0014]以及，在所述非晶碳膜表面设置彼此间隔设置的两个电极，从而获得基于应力调制的超高灵敏非晶碳基柔性传感器。
[0015]本专利技术实施例还提供了前述的基于应力调制的超高灵敏非晶碳基柔性传感器于人机交互、电子皮肤、植入电子器件或运动监测领域中的用途。
[0016]与现有技术相比，本专利技术的有益效果在于：
[0017](1)本专利技术提供的制备方法简单，原料成本低廉，易于加工，可以大面积原位沉积，不需要人工转移，具备明显工艺优势；
[0018](2)本专利技术提供的超高灵敏非晶碳基柔性传感器的灵敏度高、可识别范围广；
[0019](3)本专利技术提供的超高灵敏非晶碳基柔性传感器，以柔性聚合物为衬底，具有极好的弹性、高热稳定性、透明性、化学惰性、固化性、无毒性和生物相容性，适用于可穿戴设备的衬底层。
附图说明
[0020]为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术中记载的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
[0021]图1是本专利技术一典型实施方案中超高灵敏非晶碳基柔性传感器的结构示意图；
[0022]图2是本专利技术实施例1中超高灵敏非晶碳基柔性传感器在0～20％应变加载阶段的电阻率及灵敏度系数随应变变化关系图；
[0023]图3是本专利技术实施例1中超高灵敏非晶碳基柔性传感器在恒定电流源为10nA时循环加卸载3000次的电压走势图；
[0024]图4是本专利技术实施例1中超高灵敏非晶碳基柔性传感器在拉伸范围0＜ε＜1％时的电阻率随应变变化关系图；
[0025]图5是本专利技术实施例2中超高灵敏非晶碳基柔性传感器在0～20％应变加载阶段的电阻率及灵敏度系数随应变变化关系图；
[0026]图6是本专利技术实施例2中超高灵敏非晶碳基柔性传感器在恒定电流源为10nA时循环加卸载3000次的电压走势图；
[0027]图7是本专利技术实施例2中超高灵敏非晶碳基柔性传感器在拉伸范围0＜ε＜80％时的电阻率随应变变化关系图；
[0028]图8是本专利技术实施例3中超高灵敏非晶碳基柔性传感器在拉伸范围0＜ε＜30％时的电阻率随应变变化关系图；
[0029]图9是本专利技术实施例4中超高灵敏非晶碳基柔性传感器在拉伸范围0＜ε＜40％时的电阻率随应变变化关系图；
[0030]图10是本专利技术对比例1中非晶碳基柔性传感器在0～20％应变加载阶段的电阻率及灵敏度系数随应变变化关系图；
[0031]附图标记：1
‑
柔性衬底，2
‑
敏感材料层，3
‑
电极。
具体实施方式
[0032]鉴于现有技术的缺陷，本案专利技术人经长期研究和大量实践，得以提出本专利技术的技术方案，本专利技术提供一种基于应力调制的超高灵敏非晶碳基柔性传感器及其制法，该柔性传感器解决了传感器在拉伸应变时，灵敏度不高，形变测量范围小，长时间使用稳定性差的问题，大大提高了柔性传感器传感性能。
[0033]下面将对本专利技术的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。
[0034]具体的，作为本专利技术技术方案的一个方面，其所涉及的一种基于应力调制的超高灵敏非晶碳基柔性传感器包括：
[0035]柔性衬底；
[0036]设置于所述柔性衬底表面的敏感材料层；所述敏感材料层包括非晶碳膜，且所述非晶碳膜的应力为0.4GPa～5.5GPa，初始电阻值为200kΩ～10MΩ；
[0037]以及，间隔设置于所述敏感材料层上的两个电极。
[0038]在一些优选实施方案中，所述超高灵敏非晶碳基柔性传感器通过直接在柔性衬底表面沉积非晶碳膜获得。
[0039]本专利技术中的基于应力调制的超高灵敏非晶碳基柔性传感器的示意图如图1所示，包括柔性衬底1、敏感材料层2、电极3。
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于应力调制的超高灵敏非晶碳基柔性传感器，其特征在于包括：柔性衬底；设置于所述柔性衬底表面的敏感材料层；所述敏感材料层包括非晶碳膜，且所述非晶碳膜的应力为0.4GPa～5.5GPa，初始电阻值为200kΩ～10MΩ；以及，间隔设置于所述敏感材料层上的两个电极。2.根据权利要求1所述的超高灵敏非晶碳基柔性传感器，其特征在于：所述超高灵敏非晶碳基柔性传感器可识别的应变范围为0＜ε＜80％；优选的，所述超高灵敏非晶碳基柔性传感器可识别的应变范围为1％＜ε＜80％时，灵敏系数最大值为23038；优选的，所述超高灵敏非晶碳基柔性传感器可识别的应变范围为0＜ε＜1％时，灵敏系数最大值为1600。3.根据权利要求1所述的超高灵敏非晶碳基柔性传感器，其特征在于：所述敏感材料层的厚度为40～1000nm。4.根据权利要求1所述的超高灵敏非晶碳基柔性传感器，其特征在于：所述柔性衬底的材质包括柔性聚合物，所述柔性聚合物包括聚二甲基硅氧烷、聚偏二氟乙烯、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚丙烯、聚酰亚胺、聚甲基丙烯酸甲酯、天然橡胶、丁苯橡胶、环氧树脂、Ecoflex、热塑性弹性体中的任意一种或两种以上的组合；优选的，所述热塑性弹性体包括TPU、SBCS、POE中的任意一种。5.根据权利要求1所述的超高灵敏非晶碳基柔性传感器，其特征在于：所述电极的材质包括液态金属和/或导电银胶。6.权利要求1
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5中任一项所述的基于应力调制的超高灵敏非晶碳基柔性传感器的制备方法，其特征在于包括：提供柔性衬底；采用磁控溅射技术，以石墨靶为靶材，在所述柔性衬底表面沉积形成非晶碳膜；以及，在所述...

【专利技术属性】
技术研发人员：汪爱英，周靖远，郭鹏，崔丽，徐丹，李法利，李润伟，
申请(专利权)人：中国科学院宁波材料技术与工程研究所，
类型：发明
国别省市：