[發(fā)明專利]碳納米管/聚合物復(fù)合膜陣列式柔性力敏傳感器及制法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201010260505.3
• 申請(qǐng)日: 2010-08-23
• 公開（公告）號(hào): CN102374910A
• 公開（公告）日: 2012-03-14
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 葉雄英;王志峰;楊繼敏;樓思遠(yuǎn);謝續(xù)明
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L1/18
• 分類號(hào): G01L1/18;B81C1/00
• 代理公司: 北京法思騰知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11318
• 代理人: 楊小蓉;高宇

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明屬于納米技術(shù)和傳感技術(shù)領(lǐng)域，特別涉及一種碳納米管/聚合物復(fù)合膜陣列式柔性力敏傳感器及制法。

背景技術(shù)

柔性傳感器因?yàn)榫哂辛己玫娜嵝裕皇鼙粶y物體形狀的限制，能夠貼附于各種規(guī)則或不規(guī)則曲面實(shí)現(xiàn)傳感功能。柔性力敏傳感器主要應(yīng)用于擠壓力和剪切力的測量，可作為一種觸覺傳感器。碳納米管的發(fā)現(xiàn)給功能材料的研究注入了新的活力。將極少量的碳納米管分散到聚合物中就會(huì)使整個(gè)復(fù)合材料表現(xiàn)出一定的導(dǎo)電性，近期的研究表明，碳納米管/聚合物復(fù)合材料的導(dǎo)電特性隨所施加壓力的變化而明顯變化，可以用作力敏材料。

現(xiàn)有的柔性力敏傳感器通常選用以炭黑/硅橡膠復(fù)合體系的壓敏導(dǎo)電橡膠作為敏感材料(黃英，2008，專利號(hào)：200810023636.2)。雖然經(jīng)過多年的改進(jìn)，炭黑/硅橡膠復(fù)合體系的壓阻系數(shù)已有明顯提高，但是由于所需要的炭黑濃度高，造成基體材料柔韌性的降低，而且炭黑顆粒所形成的導(dǎo)電通路受壓力作用時(shí)會(huì)表現(xiàn)出不穩(wěn)定性和不可恢復(fù)性。另外，這種敏感材料制作的敏感元件經(jīng)常會(huì)表現(xiàn)出柔韌性差，遲滯明顯，穩(wěn)定性不好等問題，這些缺點(diǎn)限制了壓敏導(dǎo)電橡膠在高性能柔性力敏傳感器中的應(yīng)用。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明是為了避免常規(guī)炭黑/硅橡膠壓敏傳感器所存在的不足，提供一種基于碳納米管/聚合物復(fù)合材料的陣列式柔性力敏傳感器及其制作方法，具有柔韌性優(yōu)良、重復(fù)性好，性能穩(wěn)定，一致性好等特點(diǎn)。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

本發(fā)明提供的碳納米管/聚合物復(fù)合膜陣列式柔性力敏傳感器，其包括：

一碳納米管/聚合物復(fù)合膜3；

一圖形化于所述碳納米管/聚合物復(fù)合膜3上表面上的平行金屬行電極2；

一圖形化于所述碳納米管/聚合物復(fù)合膜3下表面上的平行金屬列電極4；

一附著于所述平行金屬行電極2上表面上的上絕緣保護(hù)層1；和

一附著于所述平行金屬列電極4下表面上的下絕緣保護(hù)層5；

所述平行金屬行電極2與所述平行金屬列電極4呈空間相交狀分布，其空間相交的相交部分與該相交部分內(nèi)包含的碳納米管/聚合物膜構(gòu)成陣列式柔性力敏傳感器的力敏單元；其特征在于：

所述的碳納米管/聚合物復(fù)合薄膜3為聚合物基體材料中均勻分散有碳納米管的復(fù)合材料制成的膜；所述碳納米管與所述聚合物基體材料的質(zhì)量比為(0.1-15)∶100；

所述聚合物基體材料為二甲基硅氧烷或苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。

所述的碳納米管為單壁碳納米管或多壁碳納米管。

本發(fā)明提供的碳納米管/聚合物復(fù)合膜陣列式柔性力敏傳感器的制備方法，其步驟如下：

1)采用柔性電路板制作工藝，制作圖形化于上絕緣保護(hù)層1下表面上的平行金屬行電極2，所述平行金屬行電極2厚度為20-60μm；

2)采用柔性電路板制作工藝，制作圖形化于下絕緣保護(hù)層5上表面上的平行金屬列電極4，所述平行金屬列電極4厚度為20-60μm；

3)在室溫和常壓下，將碳納米管加入至揮發(fā)性溶劑中進(jìn)行超聲分散處理20-60分鐘，超聲分散處理的超聲功率為300W；所述揮發(fā)性溶劑為體積比為1∶1的甲苯和丙酮組成的混合溶劑或?yàn)橐宜嵋阴ト軇凰鎏技{米管與揮發(fā)性溶劑的比例為1mg∶(10-80)ml；

4)再加入聚合物基體材料，繼續(xù)超聲處理2-6小時(shí)，得到含碳納米管和聚合物基體材料的碳納米管/聚合物混合溶液；所述碳納米管和聚合物基體材料的質(zhì)量比為(1-15)∶100；

將得到的碳納米管/聚合物混合溶液進(jìn)行4000-6000轉(zhuǎn)/分的高速離心30-60分鐘；得到均勻分散的碳納米管/聚合物清液和對(duì)所得沉淀稱重，并計(jì)算出碳納米管/聚合物清液中的碳納米管的實(shí)際濃度；

5)向上述碳納米管/聚合物清液中再加入聚合物基體材料，使碳納米管與聚合物基體材料的質(zhì)量比為(0.1-15)∶100；然后再超聲分散2-4小時(shí)，得到碳納米管/聚合物溶液；

6)將步驟2)制備的上表面圖形化有平行金屬列電極4的下絕緣保護(hù)層5放入一容器中，所述平行金屬列電極4朝向容器開口；將得到的碳納米管/聚合物溶液注入容器中，室溫下蒸發(fā)溶劑；待溶劑完全揮發(fā)之后，在所述平行金屬列電極4及下絕緣保護(hù)層5上表面上形成均勻的碳納米管/聚合物復(fù)合膜3；所述碳納米管/聚合物復(fù)合膜3厚度為50-150μm；

7)在一碳納米管/聚合物復(fù)合膜3上表面上均勻涂覆微量溶劑，使碳納米管/聚合物復(fù)合膜3的膜表面處于粘稠狀；