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)信號的柔性電子器件。一般來說，柔性壓力傳感器主要是通過電容效應(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。因為柔性壓力傳感器能將環(huán)境中的力學(xué)量轉(zhuǎn)化為容易處理的電學(xué)信號，使其在柔性觸摸屏、智能機器人、移動醫(yī)療和機械結(jié)構(gòu)損傷檢測等領(lǐng)域得到了廣泛的運用。
[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)簡單，簡易的后期數(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。其中對電極式柔性電阻式壓力傳感器由于簡易的結(jié)構(gòu)和極高的靈敏度而具有極大研究和運用潛力。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)化為電阻變化實現(xiàn)壓力傳感。這個壓力傳感器可以檢測最小為5Pa的壓強，在8000次重復(fù)測試中器件性能穩(wěn)定。同樣中國蘇州納米所的張挺研究小組利用同樣的對電極式結(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)。該傳感器可檢測最小為0.6Pa的壓強，同時在67500次疲勞測試后性能依舊穩(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。其他研究者也發(fā)現(xiàn)相同的問題并在相應(yīng)研究文獻(xiàn)中提到。例如中國蘇州納米所的張挺研究小組在實驗中，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薄膜的粘連性會導(dǎo)致壓阻傳感器在施加壓強為600Pa，施加頻率為IHZ測試條件下，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PMMA薄膜旋涂制備，并運用在對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，對電極式壓力傳感器的結(jié)構(gòu)設(shè)計主要采用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的不易塌陷和不易發(fā)生塑形形變的優(yōu)點提高器件的穩(wěn)定性和性會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氣吹干;再將吹干的PMMA顆粒使用無水乙醇浸泡后，使用超聲機超聲清洗，然后使用N2氣吹干待用；將上述PMMA顆粒再用去離子水浸泡，使用超聲清洗機超聲清洗，清洗完后使用他氣吹干待用；
[0009]步驟2:對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上，將旋涂機轉(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，使用了更為廉價的PMMA薄膜作為對電極式壓力傳感器襯底降低對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，價格為1000RMB/kg。而制備的PMMA薄膜原料是PMMA和CHCl3，其中PMMA顆粒價格50RMB/kg，而作為溶劑使用CHCl3的價格為25RMB/500ml。
[0019]本專利另一個有益的效果，使用韌性較強、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，提高使用TOMS制備的對電極式壓力傳感器穩(wěn)定性，從而拓寬PDMS對電極式柔性壓力傳感器的使用領(lǐng)域。
【附圖說明】
[0020]圖1為傳統(tǒng)PDMS薄膜的對電極式柔性壓力傳感器結(jié)構(gòu)
[0021 ]說明: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Ag電極引出的Cu導(dǎo)線。
[0022]圖2為使用PMMA薄膜的PDMS對電極式壓力傳感器結(jié)構(gòu)圖；
[0023]說明: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Ag電極引出的Cu導(dǎo)線。
[0024]圖3為使用PMMA薄膜的PDMS對電極式壓力傳感器側(cè)視圖
[0025]說明: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壓力測試結(jié)果圖。
[0028]圖6為采用PDMS薄膜作為上電極絕緣襯底時壓力測試結(jié)果圖。
【具體實施方式】
[0029]采用200Pa測試壓強，對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)行對比測試。
[0030]采用PMMA薄膜作為上電極絕緣襯底時，測試數(shù)據(jù)顯示壓力傳感器在恢復(fù)過程中，數(shù)據(jù)毛刺尖峰更小。在不受力時，壓力傳感器的電阻值為270 Ω，受到200Pa壓強時電阻數(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，測試數(shù)據(jù)顯示壓力傳感器在恢復(fù)過程中，數(shù)據(jù)毛刺尖峰更大更明顯。在不受力時，壓力傳感器的電阻值為300 Ω，受到200Pa壓強時電阻數(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)過程中毛刺更小，器件性能更穩(wěn)定。同時在200Pa壓強下，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氣吹干。再將吹干的PMMA顆粒使用無水乙醇浸泡后，使用超聲機超聲清洗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。<