[发明专利]有机共轭高分子材料压力传感器

说明书

技术领域

本发明属于一种压力传感器及其使用方法，是一种利用具有共轭主链或共轭侧链的有机高分子半导体材料作为敏感材料，利用其压阻特性制备的有机共轭高分子材料压力传感器，及其该压力传感器阵列和使用方法。

背景技术

目前比较常用的压力传感器有金属应变片压力传感器、陶瓷压力传感器、扩散硅压力传感器、压电压力传感器，以及半导体(主要是硅)压力传感器等，也有掺碳颗粒的导电橡胶或导电塑料压力传感器元件。这些元件大多数有体积比较大，重量大，压力传感元件难以小型化，不易形成微元件组成的大阵列等缺点，其刚性的器件结构也使器件难以弯曲。不易形成“触觉”的测量条件。

有机高分子材料是具有链状架构的大分子，分子内链状架构可以有主链和侧链。主链和侧链可以是共轭的，也可以是非共轭的。电子在共轭链内可以相对比较自由地运动。有机大分子之间通常是以范德华力结合在一起的，大多是疏松的无定形结构，材料的密度比较小，分子间的距离通常比较大，因此比较容易被压缩，压缩后其导电性质也因此而改变，并且在压力不是很大，温度不是很高的情况下撤去压力后可以恢复原来的电学特性。这一特性使有机共轭高分子材料具有优越的电阻随压力敏感的特性。

发明内容

本发明的目的在于提出一种新型的、高灵敏度的、体积小、重量轻、成本低、使用方便的有机共轭高分子材料压力传感器。

本发明的再一目的是提供上述压力传感器阵列。

本发明的又一目的是提供所述有机共轭高分子材料压力传感器及其阵列的使用方法。

本发明提供一种有机共轭高分子材料压力传感器，包括被测压力方向与电场方向平行的传感器，如图1所示，和被测压力方向与电场方向垂直的传感器，如图2所示，传感器的基本结构为：电极/有机材料/电极，其中，所述的有机材料作为压力传感器的压敏材料为一层或一层以上以含有共轭主链和/或含有共轭侧链的有机高分子半导体材料、或者含有这种有机高分子材料的掺杂材料。

其原理主要是通过测量有机材料在纵向或者横向的(即外加压强平行或垂直于外加电场方向)压力下，导电性能随压力大小变化的关系。

所述电极为金属Al，Au，Cu或Ag等金属薄膜或金属细丝，或者，导电性能良好的有机或无机半导体材料，如铟锡氧化物(ITO)等。

其中，电极之间有机材料的厚度，对于被测压力方向与电场方向平行的传感器为纵向尺寸0.05～50微米范围，图1中压敏材料层3’；对于被测压力方向与电场方向垂直的传感器，压敏材料为一沟道，沟道宽度为0.05～50微米范围，是为电极之间有机材料的厚度，沟道的长度为0.1～10毫米范围，图2中压敏材料层3’。

所述压敏材料为：聚2-甲氧基-5-(2′-乙基-己氧基)-1，4-亚苯基亚乙烯基，(poly[2-methoxy，5-(2′-ethyl-hexyloxy)-1，4-phenylenevinylene]，MEH-PPV)的分子结构为：

式(1)

或者，聚乙烯基咔唑，(poly(N-vinylcarbazole，PVK)的分子结构为：

式(2)

或者，含有共轭侧链，其主链为聚乙烯或聚苯乙烯或硅橡胶的高分子材料。

或者，所述的压敏材料为含有这种有机高分子材料的掺杂物，包括共轭有机小分子与高分子材料的掺杂物。

本发明以上述有机高分子半导体材料作为工作物质，通过压缩该物质后测量其电学特性的变化，即可感知在该物质上所加的压强，从而使器件对外界压力敏感。

本发明所述的有机共轭高分子材料压力传感器的制造方法，采用下述三种方法中的任一种：

第一种方法：采用溶液旋涂或浸没涂布的方法，首先，配制含有压敏材料的溶液，溶液浓度在1～10mg/ml的任意浓度范围，旋转速率在1000～6000rpm之间，然后把溶液旋涂或浸没涂布在电极上，制成传感器元器件；

第二种方法：采用喷墨打印的方法，首先配制含有压敏材料的溶液，溶液的浓度在1～10mg/ml范围的合适浓度，利用现有喷墨打印技术，把压敏材料均匀打印在电极上，制成传感器元器件；

第三种方法：采用挤压的方法，把有机高分子半导体材料置于两个电极之间，通过适当加压，使有机材料的厚度在纵向尺寸0.05～50微米范围；在横向尺寸0.1～10毫米范围，制成传感器元器件。