一种压阻式压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种压阻式压力传感器及其制备方法，该压力传感器包括LCP衬底、LCP薄膜层、金属电极、石墨烯薄膜层和石墨烯阵列层；LCP薄膜层固定连接在LCP衬底上，LCP薄膜层中设有阵列式结构的通孔，金属电极连接在LCP薄膜层两端的上方，石墨烯薄膜层连接在LCP薄膜层上，且石墨烯薄膜层填充金属电极之间的空隙和覆盖金属电极；石墨烯阵列层填充在LCP薄膜的通孔中，且石墨烯薄膜层和石墨烯阵列层连接。该压力传感器不仅具有了衬底可弯曲变形的优点，还具有良好的灵敏度，能够广泛使用于生物医学、可穿戴设备等领域。

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及一种压力传感器，具体来说，涉及。
技术介绍
传统的硅基压力传感器由于其衬底不可弯曲变形的特点，导致其在生物医学等众多领域的使用少之又少。同时，许多领域都急需可弯曲变形的柔性衬底压力传感器以供使用。现有的硅基压阻式压力传感器的结构是在一个方形或者圆形的硅应变薄膜上通过扩散或者离子注入的方式在应力集中区制作四个压力敏感电阻，四个电阻互联构成惠斯顿电桥。通过惠斯顿电桥将外界压力导致四个压力敏感电阻的电阻值变化转换为输出电压，通过对输出电压与压力值进行标定可以实现对压力的测量。但是这种结构的硅基压阻式压力传感器由于其是非柔性的，且生物兼容性不好，导致生物医学、可穿戴设备等很多领域都急需压力传感器的使用。
技术实现思路
技术问题:本专利技术所要解决的技术问题是:提供，该压力传感器不仅具有了衬底可弯曲变形的优点，还具有良好的灵敏度，能够广泛使用于生物医学、可穿戴设备等领域。技术方案:为解决上述技术问题，本专利技术实施例采用的技术方案是: 一种压阻式压力传感器，该压力传感器包括LCP衬底、LCP薄膜层、金属电极、石墨烯薄膜层和石墨烯阵列层；LCP薄膜层固定连接在LCP衬底上，LCP薄膜层中设有阵列式结构的通孔，金属电极连接在LCP薄膜层两端的上方，石墨烯薄膜层连接在LCP薄膜层上，且石墨烯薄膜层填充金属电极之间的空隙和覆盖金属电极；石墨烯阵列层填充在LCP薄膜的通孔中，且石墨烯薄膜层和石墨烯阵列层连接。作为优选方案，所述的LCP薄膜层通过激光打孔制成阵列式结构的通孔。作为优选方案，所述的金属电极为金、银、铜、铝、铂或者钛。作为优选方案，所述的LCP薄膜层中的通孔厚度为25?50微米。一种压阻式压力传感器的制备方法，该制备方法包括以下步骤: 第一步:对单面覆有金属薄层的LCP薄膜层进行激光打孔，构成阵列式结构的通孔； 第二步:利用迭片热压将LCP薄膜层与LCP衬底粘合； 第三步:在覆有金属薄层的LCP薄膜层的两端涂上光刻胶层； 第四步:对未被光刻胶层覆盖的金属薄层进行腐蚀； 第五步:去除光刻胶层，形成金属电极； 第六步:将石墨烯阵列层填充在LCP薄膜的通孔中，将石墨烯薄膜层连接在LCP薄膜层上，且石墨烯薄膜层填充金属电极之间的空隙和覆盖金属电极，从而制成压力传感器。作为优选方案，所述的第六步具体包括:对金属电极上表面粘贴胶布，然后对LCP薄膜层和金属电极及其表面粘贴的胶布旋涂上一氧化石墨烯层，氧化石墨烯层填充LCP薄膜层上的通孔和金属电极之间的空隙，且覆盖金属电极和胶布，接着撕掉金属电极上的胶布，最后进行加热，氧化石墨烯层还原成为位于在LCP薄膜通孔中的石墨烯阵列层和位于LCP薄膜上方的石墨稀薄膜层，从而制成压力传感器。作为优选方案，所述的氧化石墨烯层还原过程中，温度低于LCP薄膜层和LCP衬底的熔融温度。作为优选方案，所述的氧化石墨烯层还原过程中，以氮气作为保护气。作为优选方案，所述的LCP薄膜层中的通孔厚度为25?50微米。有益效果:与现有的硅基压阻式压力传感器相比，本专利技术具有以下有益效果:利用柔性材料LCP制成衬底，从而使得压力传感器衬底可弯曲变形。压力传感器的力敏电阻元件为石墨烯薄膜层和呈阵列结构的石墨烯阵列层。当压力传感器在外力的作用下弯曲变形的时候，石墨烯薄膜层会随之形变，使得石墨烯薄膜层电阻增大，同时位于LCP薄膜层中的石墨烯阵列层会在纵向厚度上发生一定的压缩，使石墨烯中碳原子的非对称性增大，进而导致石墨烯的禁带宽度增大，费米能级附近的能态密度降低、传输沟道减少，使得石墨烯的传输系数降低，电阻率增大，电阻也随之增大。通过设置石墨烯薄膜层和石墨烯阵列层大大提高了压力传感器的灵敏度。本实施例的压力传感器，由于压力传感器在衬底弯曲变形的情况下依然可以很好的工作，弥补了传统硅基压阻式压力传感器不可弯曲变形的缺陷，并且阵列式的压力传感器结构使得压力传感器的灵敏度得到极大地提高，可以广泛使用在生物医学和可穿戴设备等领域。【附图说明】图1为本专利技术实施例的结构剖视图。图2为本专利技术实施例中制备方法第一步的结构示意图。图3为本专利技术实施例中制备方法第二步的结构示意图。图4为本专利技术实施例中制备方法第三步的结构示意图。图5为本专利技术实施例中制备方法第四步的结构示意图。图6为本专利技术实施例中制备方法第五步的结构示意图。图7为本专利技术实施例中制备方法第六步中S601的结构示意图。图8为本专利技术实施例中制备方法第六步中S602的结构示意图。图9为本专利技术实施例中制备方法第六步中S603的结构示意图。图10为本专利技术实施例中制备方法第六步中S604的结构示意图。图中有:LCP衬底1、LCP薄膜层2、金属电极3、石墨烯薄膜层4、光刻胶层5、金属薄层6、石墨烯阵列层7、氧化石墨烯层8、胶布9。【具体实施方式】下面结合附图，对本专利技术实施例的技术方案进行详细的说明。如图1所示，本专利技术实施例的一种压阻式压力传感器，包括LCP衬底1、LCP薄膜层2、金属电极3、石墨烯薄膜层4和石墨烯阵列层7。LCP薄膜层2固定连接在LCP衬底I上，LCP薄膜层2中设有阵列式结构的通孔，金属电极3连接在LCP薄膜层2两端的上方。石墨烯薄膜层4连接在LCP薄膜层2上，且石墨烯薄膜层4填充金属电极3之间的空隙和覆盖金属电极3。石墨烯阵列层7填充在LCP薄膜2的通孔中，且石墨烯薄膜层4和石墨烯阵列层7连接。液晶高分子聚合物(文中简称LCP)是一种由刚性分子链构成的、在一定物理条件下既有液体的流动性又有晶体的物理性能各向异性(此状态称为液晶态)的高分子物质。液晶高分子聚合物具有许多独特的优点，例如损耗小、成本低、使用频率范围大、强度高、重量轻、耐热性和阻燃性强、线膨胀系数小、耐腐蚀性和耐辐射性能好、CP薄膜的成型温度低，具有可弯曲性和可折叠性的优良成型加工性能，可用于各种带弧形和弯曲等复杂形状的制品。这完全满足了衬底可弯曲变形的压力传感器对衬底的要求。由于LCP的柔韧性很好，杨氏模量在5~20Gpa之间，远远低于单晶硅和多晶硅。在相同压力的作用下，LCP衬底I的弯曲形变会更大，导致其上的石墨烯薄膜层4的形变也更大。所以采用LCP作为衬底也有增大灵敏度的作用。另外，采用了 LCP材料才使得可以做成衬底和力敏电阻元件两个阵列式结构，从而使得传感器的灵敏度得到极大地提高。上述结构的压阻式压力传感器的工作过程是:当压力传感器在外力的作用下弯曲变形的时候，石墨烯薄膜层4会随之形变，使得石墨烯薄膜层4的电阻增大，同时LCP薄膜层2中的石墨烯阵列层7会在纵向厚度上发生一定的压缩，使石墨烯中碳原子的非对称性增大，进而导致石墨烯的禁带宽度增大，费米能级附近的能态密度降低、传输沟道减少，使得石墨烯的传输系数降低，电阻率增大，电阻也随之增大。石墨烯薄膜层4和LCP薄膜层2中的石墨烯阵列层7的电阻变化会通过金属电极3测出来，继而达到测出外在压力的值的目的。该结构的压阻式压力传感器中，在LCP薄膜层2中设置了阵列式结构的通孔，是为了构成石墨烯阵列层7。传感器的力敏电阻元件由两部分构成，分别是石墨烯阵列层7和石墨烯薄膜层4。该结构中的力敏电阻元件可以提高传感器的灵敏度。当外界压力作用于压力传感器时，石墨烯薄膜层4发生弯曲形变，导致其电阻也随之增大。当外界压力作用于压力传感器本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种压阻式压力传感器，其特征在于，该压力传感器包括LCP衬底（1）、LCP薄膜层（2）、金属电极（3）、石墨烯薄膜层（4）和石墨烯阵列层（7）；LCP薄膜层（2）固定连接在LCP衬底（1）上，LCP薄膜层（2）中设有阵列式结构的通孔，金属电极（3）连接在LCP薄膜层（2）两端的上方，石墨烯薄膜层（4）连接在LCP薄膜层（2）上，且石墨烯薄膜层（4）填充金属电极（3）之间的空隙和覆盖金属电极（3）；石墨烯阵列层（7）填充在LCP薄膜（2）的通孔中，且石墨烯薄膜层（4）和石墨烯阵列层（7）连接。

【技术特征摘要】

【专利技术属性】
技术研发人员：聂萌，章丹，黄庆安，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32