三维碳纳米材料场效应柔性力敏传感元件及制备方法技术

本发明专利技术涉及一类基于连续三维石墨烯或碳纳米管场效应结构的柔性力敏传感元件的设计和制备方法。该传感元件利用覆盖在弹性体棱锥条带表面石墨烯或碳纳米管在恒定栅压下的场效应电导变化，设计栅极为覆盖在石墨烯或碳纳米管棱锥条带或阵列顶端的平面柔性电极，栅极对棱锥压缩形变下使得源漏沟道面积增加，且场效应电导增加，元件呈现很高的形变或载荷灵敏度。通过设计条带宽度、阵列密度、基体弹性体材料弹性模量，可以获得载荷测量范围0到3MPa范围内不同灵敏度的力敏传感元件，并可设计制备成透明度高于80％、弯曲曲率小于3毫米的力敏传感薄膜。

【技术实现步骤摘要】
三维碳纳米材料场效应柔性力敏传感元件及制备方法
本专利技术属于电子信息领域，尤其涉及一类碳纳米材料柔性力敏传感元件及制备方法。
技术介绍
柔性力敏传感元件在众多领域有广泛应用，例如在机器人领域用于复杂曲面表面接触载荷感知的触觉传感器，生物医学领域体表张力或血管张力传感器,以及信息显示领域力敏触摸屏等，通过利用聚合物材料为基体，以不同传感原理得到载荷与传感物理量的对应关系。目前实用的柔性力敏传感元件基本上为压电聚合物材料聚偏氟乙烯(PVDF)薄膜，此类力敏元件由于信号微弱，需要对信号进行前置放大，因此信噪比较小，对环境噪声抑制有一定要求，且由于压电效应具有较大弛豫性，对载荷的定量测量有较大不确定性。近年来，许多学者研究了利用各种纳米材料制备柔性力敏传感元件，例如利用碳纳米管制备电阻式拉、压力敏传感元件、氧化锌纳米线制备压电式纳米力敏传感元件、微米结构表面电容式或场效应管式力敏传感元件等。石墨烯作为一种二维材料，具有许多卓越的电学性质，其高载流子迁移率和低温度敏感性使得石墨烯被用于多种场效应器件，并且由于石墨烯具有出色的弯曲柔性和可见光透明性，因此利用石墨烯的柔性和场效应特性，设计力敏传感元件，具有比利用其他原理更高的灵敏度和信噪比，并可以得到较高的透明性，具备应用于多种柔性力敏元件的条件。以石墨烯为场效应敏感材料的柔性结构，近年来有人试图采用有机离子胶体介电材料作为介质层，由于这类有机离子胶体介电材料具有很大的介电常数，可以使得石墨烯场效应元件在较低的栅压下工作，较好地避免由于高栅压和形变造成的介质层击穿或漏电，保证场效应晶体管器件能在多次形变下工作。半导体型的碳纳米管在场效应开关比、形变稳定性、化学稳定性方面与石墨烯相比有一定优越性。采用半导体型碳纳米管制备场效应力敏传感器，具有比石墨烯更高的灵敏度和形变稳定性，保证场效应晶体管器件在多次形变下具有高重复性。半导体型碳纳米管的分离制备技术有物理法和化学法，可以从批量化学气相沉积制备的金属和半导体型混合物中分离出半导体型碳纳米管。本专利技术通过设计在三维铜基体上棱锥条带负型结构，在其上用化学气相沉积方法制备厚度可控的石墨烯单层或多层膜，再用转移法将石墨烯转移到弹性体正型表面，或直接在弹性体正型表面涂覆半导体型碳纳米管，用银或铜纳米线作为源、漏导电电极，以覆盖在石墨烯或碳纳米管表面的离子胶体为介电层，以覆盖在聚合物薄膜表面的碳纳米管、银纳米线或铜纳米线为导电栅极，将栅极导电层与棱锥顶端接触，形成平行的可移动栅极场效应晶体管结构，当栅压和源漏间偏压固定时，该结构的源漏电流与施加在栅极对棱锥的压缩形变呈正比，通过设计不同的棱锥条带和栅极与棱锥条带之间的支撑结构，可以设计不同载荷敏感范围的力敏传感元件。由于上述结构棱锥尺寸可以达到20微米，具有可集成性，单个棱锥肉眼不易分辨，石墨烯和纳米线电极具有高透明性，因此上述结构适合还用于对透明度要求较高的柔性力敏触摸屏及其他力敏元件。在对透明性要求不高的应用场合，采用较宽的棱锥尺寸可以得到更高应变灵敏度和更高动态范围，因此通过上述基本结构可以设计出多种不同载荷测量范围的力敏元件，具有广泛的应用。
技术实现思路
本专利技术的目的为提供一种设计、制备高灵敏度、高稳定性柔性力敏传感器的方法，该传感器在0到3MPa范围内灵敏度可以通过结构调整进行设计，最高灵敏度可以达到3MPa-1，具有高温度、应变稳定性，最小尺寸可到20微米宽，可制成透明、弯曲曲率小于3毫米的薄膜力敏结构。本专利技术的技术方案为；一类基于三维碳纳米材料场效应结构的柔性力敏传感元件，由椎体层和覆盖在椎体层上的导电栅极层构成；所述的椎体层由中心向外依次为弹性体三维棱体锥膜层、碳纳米材料薄膜层、平行条状电极层、离子胶体介电材料层；所述的弹性体三维棱体锥膜层是若干三维棱体锥形成的平行一维棱锥条带或阵列，所述的三维棱体锥的底宽20-150微米；所述的导电栅极层的基体为弹性体材料，表面覆盖柔性导电材料，导电材料层与椎体层的三维棱体锥的顶端接触，形成可移动场效应晶体管栅极；所述的碳纳米材料薄膜层为连续石墨烯或分散碳纳米管。所述的弹性体三维棱体锥膜层材质是室温固化硅橡胶、热塑性聚氨酯、醚酯型热塑性弹性体中的任意一种。所述离子胶体介电材料层是1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲璜酰亚胺盐离子液体与偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的混合物，用溶液甩胶法沉积在碳纳米材料薄膜层表面，厚度不大于200纳米。所述的导电栅极层的基体为热塑性聚氨脂、醚酯型热塑弹性体中任意一种，覆盖的柔性导电材料为碳纳米管、银纳米线、铜纳米线中的任意一种，密度使得方块电阻不大于1000欧姆。所述的平行条状电极层用银或铜纳米线作为电极导电材料，采用喷墨打印方法制备在覆盖有碳纳米材料薄膜层的棱锥条带上，作为单个或平行棱锥条带阵列的场效应结构源、漏测量电极。制备所述的基于三维碳纳米材料场效应结构的柔性力敏传感元件的方法，先制备三维棱体锥层，再制备碳纳米材料薄膜层，然后，用光刻法在碳纳米材料薄膜层表面制备场效应测量区，先将棱锥条带部分用光刻法覆盖水性光刻胶，然后用氧等离子体去除暴露部分碳纳米材料薄膜层，再用喷墨打印法在棱锥条带或条带阵列上制备银或铜纳米线电极，电极线宽为40至150微米，该纳米线电极的密度保持为方块电阻不高于200欧姆，得到附着在碳纳米材料薄膜层表面的源、漏电极；在上述碳纳米材料薄膜层表面沉积一层离子胶体，再在上述结构表面覆盖一层导电栅极层，基体为弹性体材料，表面覆盖柔性导电材料，该导电层下表面与棱锥顶端接触，形成可移动场效应晶体管栅极；其中，当碳纳米材料薄膜层是连续石墨烯时，用模板法和电沉积法制备铜表面三维棱体锥层结构；用化学气相沉积法在上述铜结构表面沉积单层或多层石墨烯；用弹性体材料在上述铜结构表面负型中填充，形成连续基体厚膜；用水性溶液溶解铜膜，形成覆盖在三维弹性体棱锥结构表面的石墨烯连续薄膜；当碳纳米材料薄膜层是分散碳纳米管时，用模板法制备弹性体三维棱体锥层结构；用溶液甩胶法在上述弹性体表面沉积一层半导体型单臂碳纳米管，形成分散的碳纳米管薄膜层，厚度不大于10纳米；所述的碳纳米管用化学气相沉积方法制备，长度0.8到2.5微米，直径0.7到1.3纳米，电子迁移率不低于102/Vs，半导体型碳管含量大于95％，分散液为甲苯。用模板法和电沉积法制备铜表面三维棱体锥层结构是先用模板法制备弹性体胶膜三维结构，步骤为：(5)先在有氧化层的硅片表面光刻出单个或多个条带状窗口，然后用HF腐蚀去除氧化层，再用四甲基氢氧化胺水溶液加异丙醇，腐蚀出棱椎条带腐蚀坑负型；(6)用熔化的热塑性聚氨酯填充加热的上述棱锥状硅负型，在真空下固化后机械剥离，形成正型的聚氨酯胶膜；(7)在上述聚氨酯正型表面用甩胶法涂覆一层聚甲基丙烯酸甲酯，厚度小于1微米，充分干燥后，再用真空蒸发法在表面蒸发一层纯铜，将表面覆盖有铜膜的胶膜悬挂在硫酸铜电解液中，以纯铜为阳极，上述胶膜正型为阴极，在表面缓慢沉积一层纯铜；(8)将沉积完毕的铜膜清洗、干燥后浸入甲苯中1分钟，取出干燥，胶膜正型剥离，将铜膜继续用氯仿浸泡10小时后，取出干燥，在干燥纯氮气环境保存。用化学汽相沉积法在铜结构表面沉积单层或多层石墨烯，具体是：将上述铜结构在氢气中700℃退火1小时，然后排出氢气，升本文档来自技高网...

【技术保护点】
一类基于三维碳纳米材料场效应结构的柔性力敏传感元件，其特征是：由椎体层和覆盖在椎体层上的导电栅极层构成；所述的椎体层由中心向外依次为弹性体三维棱体锥膜层、碳纳米材料薄膜层、平行条状电极层、离子胶体介电材料层；所述的弹性体三维棱体锥膜层是若干三维棱体锥形成的平行一维棱锥条带或阵列，所述的三维棱体锥的底宽20‑150微米；所述的导电栅极层的基体为弹性体材料，表面覆盖柔性导电材料，导电材料层与椎体层的三维棱体锥的顶端接触，形成可移动场效应晶体管栅极；所述的碳纳米材料薄膜层为连续石墨烯或分散碳纳米管。

【技术特征摘要】
1.一类基于三维碳纳米材料场效应结构的柔性力敏传感元件，其特征是：由椎体层和覆盖在椎体层上的导电栅极层构成；所述的椎体层由中心向外依次为弹性体三维棱体锥膜层、碳纳米材料薄膜层、平行条状电极层、离子胶体介电材料层；所述的弹性体三维棱体锥膜层是若干三维棱体锥形成的平行一维棱锥条带或阵列，所述的三维棱体锥的底宽20-150微米；所述的导电栅极层的基体为弹性体材料，表面覆盖柔性导电材料，导电材料层与椎体层的三维棱体锥的顶端接触，形成可移动场效应晶体管栅极；所述的碳纳米材料薄膜层为连续石墨烯或分散碳纳米管。2.如权利要求1所述的基于三维碳纳米材料场效应结构的柔性力敏传感元件，其特征是：所述的弹性体三维棱体锥膜层材质是室温固化硅橡胶、热塑性聚氨酯、醚酯型热塑性弹性体中的任意一种。3.如权利要求1所述的基于三维碳纳米材料场效应结构的柔性力敏传感元件，其特征是：所述离子胶体介电材料层是1-乙基-3-甲基咪唑双三氟甲璜酰亚胺盐离子液体与偏氟乙烯-六氟丙烯共聚物的混合物，用溶液甩胶法沉积在碳纳米材料薄膜层表面，厚度不大于200纳米。4.如权利要求1所述的基于三维碳纳米材料场效应结构的柔性力敏传感元件，其特征是：所述的导电栅极层的基体为热塑性聚氨脂、醚酯型热塑弹性体中任意一种，覆盖的柔性导电材料为碳纳米管、银纳米线、铜纳米线中的任意一种，密度使得方块电阻不大于1000欧姆。5.如权利要求1所述的基于三维碳纳米材料场效应结构的柔性力敏传感元件，其特征是：所述的平行条状电极层用银或铜纳米线作为电极导电材料，采用喷墨打印方法制备在覆盖有碳纳米材料薄膜层的棱锥条带上，作为单个或平行棱锥条带阵列的场效应结构源、漏测量电极。6.制备权利要求1-5任一所述的基于三维碳纳米材料场效应结构的柔性力敏传感元件的方法，其特征是：先制备三维棱体锥层，再制备碳纳米材料薄膜层，然后，用光刻法在碳纳米材料薄膜层表面制备场效应测量区，先将棱锥条带部分用光刻法覆盖水性光刻胶，然后用氧等离子体去除暴露部分碳纳米材料薄膜层，再用喷墨打印法在棱锥条带或条带阵列上制备银或铜纳米线电极，电极线宽为40至150微米，该纳米线电极的密度保持为方块电阻不高于200欧姆，得到附着在碳纳米材料薄膜层表面的源、漏电极；在上述碳纳米材料薄膜层表面沉积一层离子胶体，再在上述结构表面覆盖一层导电栅极层，基体为弹性体材料，表面覆盖柔性导电材料，该导电层下表面与棱锥顶端接触，形成可移动场效应晶体管栅极；其中，当碳纳米材料薄膜层是连续石墨烯时，用模板法和电沉积法制备铜表面三维棱体锥层结构；用化学气相沉积法在上述铜...

【专利技术属性】
技术研发人员：巴龙，刘杰，陈超，宋航，胡松涛，吴云，
申请(专利权)人：东南大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32