[發(fā)明專利]一種高機(jī)械強(qiáng)度的陣列式柔性壓力傳感器及其制備方法

有效

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 202010855375.1
• 申請(qǐng)日: 2020-08-24
• 公開（公告）號(hào): CN112014007B
• 公開（公告）日: 2022-03-25
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 高成臣;王捷;劉云飛;常文涵;孟凡瑞
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 北京大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L1/20
• 分類號(hào): G01L1/20;G01L1/22;G01L9/00;G01L9/04
• 代理公司: 北京萬(wàn)象新悅知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11360
• 代理人: 王巖

1.一種基于聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜的敏感層，其特征在于，所述基于聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜的敏感層包括：聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜、上黏附層、下黏附層、上金屬層和下金屬層；其中，聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜包括聚酰亞胺PI和碳黑CB，將CB顆粒添加到聚酰胺酸PAA溶液中，攪拌溶液均勻得到CB/PAA混合溶液；對(duì)CB/PAA混合溶液進(jìn)行超聲振動(dòng)，真空抽氣；CB/PAA混合溶液涂覆在基板上，對(duì)基板逐級(jí)升溫固化，使CB/PAA混合溶液發(fā)生熱亞胺化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜，將聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜從基板上剝離下來(lái)，從而獲得聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜；在聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜的上表面和下表面分別淀積上黏附層和下黏附層；在上黏附層和下黏附層的表面分別淀積上金屬層和下金屬層，形成復(fù)合結(jié)構(gòu)；對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行裁剪，形成多個(gè)小尺寸的聚酰亞胺摻雜碳黑單元，從而作為敏感層；在聚酰亞胺中摻入適量濃度的碳黑，聚酰亞胺內(nèi)部形成碳黑顆粒組成的導(dǎo)電通道，聚酰亞胺呈現(xiàn)導(dǎo)體狀態(tài)，碳黑顆粒的摻雜濃度越高，形成的導(dǎo)電通道的數(shù)量也越多；增加碳黑顆粒的摻雜濃度，從而減小聚酰亞胺的電阻，提高其導(dǎo)電特性；當(dāng)聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜受到壓力作用時(shí)，由于受到壓應(yīng)力而產(chǎn)生形變，形變量為負(fù)值，聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜被壓縮，內(nèi)部的碳黑顆粒，跟隨聚酰亞胺的鏈狀結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，因此碳黑顆粒間距也減小，碳黑顆粒間的電阻下降，聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜在宏觀層面表現(xiàn)為總電阻減小；根據(jù)壓力會(huì)影響薄膜內(nèi)部的碳黑顆粒間距，從而影響聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜的導(dǎo)電特性，測(cè)量基于聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜的敏感層的導(dǎo)電特性，從而得到敏感層所受壓力的大小。

2.如權(quán)利要求1所述的基于聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜的敏感層，其特征在于，CB顆粒的單個(gè)顆粒直徑小于300nm；CB顆粒的質(zhì)量與PAA溶液的溶質(zhì)質(zhì)量的比例為8wt％～20wt％；涂覆的CB/PAA混合溶液的厚度為0.5～2mm；聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜的厚度為50～150μm。

3.一種基于聚酰亞胺摻雜碳黑的陣列式柔性壓力傳感器，其特征在于，所述陣列式柔性壓力傳感器包括：基于聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜的敏感層、上層襯底、下層襯底、行導(dǎo)線、列導(dǎo)線、上接觸電極、下接觸電極、行引出電極、列引出電極以及信號(hào)調(diào)理電路；其中，所述基于聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜的敏感層包括聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜、上黏附層、下黏附層、上金屬層和下金屬層；聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜包括聚酰亞胺PI和碳黑CB，將CB顆粒添加到聚酰胺酸PAA溶液中，攪拌溶液均勻得到CB/PAA混合溶液；對(duì)CB/PAA混合溶液進(jìn)行超聲振動(dòng)，真空抽氣；CB/PAA混合溶液涂覆在基板上，對(duì)基板逐級(jí)升溫固化，使CB/PAA混合溶液發(fā)生熱亞胺化反應(yīng)，轉(zhuǎn)化為聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜，將聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜從基板上剝離下來(lái)，從而獲得聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜；在聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜的上表面和下表面分別淀積上黏附層和下黏附層；在上黏附層和下黏附層的表面分別淀積上金屬層和下金屬層，形成復(fù)合結(jié)構(gòu)；對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行裁剪，形成多個(gè)小尺寸的聚酰亞胺摻雜碳黑單元，從而作為敏感層；在聚酰亞胺中摻入適量濃度的碳黑，聚酰亞胺內(nèi)部形成碳黑顆粒組成的導(dǎo)電通道，聚酰亞胺呈現(xiàn)導(dǎo)體狀態(tài)，碳黑顆粒的摻雜濃度越高，形成的導(dǎo)電通道的數(shù)量也越多；增加碳黑顆粒的摻雜濃度，從而減小聚酰亞胺的電阻，提高其導(dǎo)電特性；當(dāng)聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜受到壓力作用時(shí)，由于受到壓應(yīng)力而產(chǎn)生形變，形變量為負(fù)值，聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜被壓縮，內(nèi)部的碳黑顆粒，跟隨聚酰亞胺的鏈狀結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)，因此碳黑顆粒間距也減小，碳黑顆粒間的電阻下降，聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜在宏觀層面表現(xiàn)為總電阻減??；根據(jù)壓力影響薄膜內(nèi)部的碳黑顆粒間距，從而影響聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜的導(dǎo)電特性，測(cè)量基于聚酰亞胺摻雜碳黑復(fù)合薄膜的敏感層的導(dǎo)電特性，從而得到敏感層所受壓力的大小；對(duì)復(fù)合結(jié)構(gòu)進(jìn)行裁剪，得到多個(gè)小尺寸的聚酰亞胺摻雜碳黑單元；多個(gè)聚酰亞胺摻雜碳黑單元排列成周期性的CB/PI二維陣列；分別在上層襯底和下層襯底的表面形成嵌入至內(nèi)部的多條行導(dǎo)線和列導(dǎo)線，每一條行導(dǎo)線對(duì)應(yīng)于CB/PI二維陣列的一行，每一條列導(dǎo)線對(duì)應(yīng)于CB/PI二維陣列的一列；分別在上層襯底和下層襯底的表面形成暴露在表面且位于行導(dǎo)線和列導(dǎo)線上的多個(gè)上接觸電極和下接觸電極，每一個(gè)上接觸電極和下接觸電極分別對(duì)應(yīng)CB/PI二維陣列的一個(gè)聚酰亞胺摻雜碳黑單元；每一條行導(dǎo)線和每一條列導(dǎo)線分別連接至相應(yīng)的行引出電極和列引出電極；上層襯底、行導(dǎo)線、上接觸電極和行引出電極構(gòu)成上襯底層，下層襯底、列導(dǎo)線、下接觸電極和列引出電極構(gòu)成下襯底層；上襯底層和下襯底層分別對(duì)準(zhǔn)粘接CB/PI二維陣列上下表面，每一個(gè)上接觸電極和下接觸電極分別粘接在一個(gè)聚酰亞胺摻雜碳黑單元的上表面和下表面，每一條行導(dǎo)線連接CB/PI二維陣列一行上的聚酰亞胺摻雜碳黑單元，每一條列導(dǎo)線連接CB/PI二維陣列一列上的聚酰亞胺摻雜碳黑單元；每一個(gè)行引出電極和列引出電極分別連接到信號(hào)調(diào)理電路相應(yīng)的行選通電路的端口和列選通電路的端口；通過(guò)行掃描以及列掃描的方式，利用信號(hào)調(diào)理電路，依次對(duì)每一條行導(dǎo)線和列導(dǎo)線通電，位于行列交叉點(diǎn)的每一個(gè)聚酰亞胺摻雜碳黑單元被依次選通，從而檢測(cè)出CB/PI二維陣列中每一個(gè)聚酰亞胺摻雜碳黑單元的電學(xué)特性及其所在的位置，獲得外界施加的壓力大小及壓力分布情況。