[發明專利]一種彎折狀態下具有電阻補償功能的電阻式柔性氣體傳感器及其制備方法

在審

• 申請號: 201910730078.1
• 申請日: 2019-08-08
• 公開（公告）號: CN110806429A
• 公開（公告）日: 2020-02-18
• 發明（設計）人: 胡軍;謝波;王一濤;韓芳
• 申請（專利權）人: 杭州市富陽區浙工大銀湖創新創業研究院;浙江固微科技有限公司
• 主分類號: G01N27/12
• 分類號: G01N27/12;G01N27/04
• 代理公司: 杭州杭誠專利事務所有限公司 33109
• 代理人: 尉偉敏;何俊

本發明涉及傳感器領域，公開了一種彎折狀態下具有電阻補償功能的電阻式柔性氣體傳感器及其制備方法，該傳感器包括絕緣柔性襯底，絕緣柔性襯底的上表面和下表面上分別設有至少一個傳感單元；每個所述傳感單元包括一對電極以及設于電極之間的氣體敏感材料薄膜，所述電極和氣體敏感材料薄膜均設于絕緣柔性襯底表面。本發明在柔性材料上下兩個表面設置電極與氣體敏感材料薄膜(即傳感單元)，彎折形變時，這兩個傳感單元受到相反的應變作用，產生相反的電阻值變化，從而起到補償應變引起的電阻變化的作用。相對于目前基于材料或器件結構設計而獲得的應變“免疫”，這種彎折應變導致電阻變化的補償方法能在更具有普適性，更加簡便易行，成本更低。

技術領域

本發明涉及傳感器領域，尤其涉及一種彎折狀態下具有電阻補償功能的電阻式柔性氣體傳感器及其制備方法。

背景技術

柔性電子器件是近年來興起的熱點研究領域。電阻式柔性器件，特別是柔性傳感器，可大量應用于智能機器人、可穿戴及無人設備等。柔性電子器件一般是構筑在柔性/可延性基板上的。相對于傳統電子，柔性電子具有更大的靈活性，能夠在一定程度上適應不同的工作環境，滿足設備的形變要求。但是相應的技術要求同樣制約了柔性電子的發展。其中很重要的一點是，柔性電子在不損壞本身電子性能的基礎上的伸展性和彎曲性，對電路的制作材料提出了新的挑戰和要求。

具體地講，以電阻式柔性傳感器為例，敏感材料以薄膜形式附著于柔性基材表面，當器件受外力而彎曲時，敏感材料的電阻值難免會隨之發生變化，這種變化無疑會對處于工作狀態的傳感器造成干擾。解決這一問題的方法之一是開發具備一定應變“免疫”功能的敏感材料。例如，Takao Someya研究團隊制備了一種超薄的電阻型壓力傳感器，其對器件的彎曲形變幾乎“免疫”不會產生明顯的響應，而對正壓力卻又極為敏感(DOI: 10.1038/nnano.2015.324)；Steve Park團隊發明了一種以多壁碳納米管為敏感材料的觸覺傳感器，該器件實現了拉應力與壓應力的解耦，能對拉伸應力實現高靈敏度響應，而對正壓力則不敏感(DOI: 10.1021/acsnano.8b03488)。

但是，只有極少數敏感材料具備這種“免疫”功能，大多數敏感材料因外力彎曲受到形變時電阻都會產生明顯變化，要普遍性地在柔性電子器件上實現彎折應變“免疫”仍然具有很大的挑戰性。在柔性氣體傳感器領域，大多數情況下，器件的彎折無疑會導致電阻值發生相應變化，這將使得器件的響應信號受到嚴重干擾。對彎折導致的電阻變化進行補償顯得尤為必要。

因此，在該技術領域中需要一種能夠簡易可行且通用的方法來消除或補償因外力彎曲導致的柔性電子器件電阻的變化。

發明內容

為了解決上述技術問題，本發明提供了一種彎折狀態下具有電阻補償功能的電阻式柔性氣體傳感器，本發明采用在柔性襯底上下兩個表面設置電極與氣體敏感材料薄膜(即傳感單元)的方案，彎折形變時，兩個傳感單元受到相反的應變作用，產生相反的電阻值變化，從而起到補償應變引起的電阻變化的作用。

本發明的具體技術方案為：一種彎折狀態下具有電阻補償功能的電阻式柔性氣體傳感器，包括絕緣柔性襯底。所述絕緣柔性襯底的上表面和下表面上分別設有至少一個傳感單元；每個所述傳感單元包括一對電極以及設于電極之間的氣體敏感材料薄膜，所述電極和氣體敏感材料薄膜均設于絕緣柔性襯底表面。

在本發明的方案中，在絕緣柔性襯底的上下表面分別設有傳感單元，兩個傳感單元在器件彎折的情況下，所受應變相反，電阻變化趨勢相反。假定上下表面的氣體敏感材料薄膜的初始阻值分別為R1和R2，其串聯阻值為R1+R2。當器件受到如圖2所示的彎曲形變時，由材料力學知識可知，上下表面的氣體敏感材料薄膜分別受到拉伸和擠壓應變，從而導致R1和R2發生相反的變化。此時，假定電阻值分別變化為R1+ΔR1和R2?ΔR2，由彎折導致的器件電阻變化為ΔR1?ΔR2。通常，相比于襯底上只有上表面設有氣體敏感材料薄膜的情況，本發明在彎折時提供了?ΔR2的電阻變化補償。