[发明专利]碳纳米管/聚合物复合膜阵列式柔性力敏传感器及制法

说明书

技术领域

本发明属于纳米技术和传感技术领域，特别涉及一种碳纳米管/聚合物复合膜阵列式柔性力敏传感器及制法。

背景技术

柔性传感器因为具有良好的柔性，不受被测物体形状的限制，能够贴附于各种规则或不规则曲面实现传感功能。柔性力敏传感器主要应用于挤压力和剪切力的测量，可作为一种触觉传感器。碳纳米管的发现给功能材料的研究注入了新的活力。将极少量的碳纳米管分散到聚合物中就会使整个复合材料表现出一定的导电性，近期的研究表明，碳纳米管/聚合物复合材料的导电特性随所施加压力的变化而明显变化，可以用作力敏材料。

现有的柔性力敏传感器通常选用以炭黑/硅橡胶复合体系的压敏导电橡胶作为敏感材料(黄英，2008，专利号：200810023636.2)。虽然经过多年的改进，炭黑/硅橡胶复合体系的压阻系数已有明显提高，但是由于所需要的炭黑浓度高，造成基体材料柔韧性的降低，而且炭黑颗粒所形成的导电通路受压力作用时会表现出不稳定性和不可恢复性。另外，这种敏感材料制作的敏感元件经常会表现出柔韧性差，迟滞明显，稳定性不好等问题，这些缺点限制了压敏导电橡胶在高性能柔性力敏传感器中的应用。

发明内容

本发明是为了避免常规炭黑/硅橡胶压敏传感器所存在的不足，提供一种基于碳纳米管/聚合物复合材料的阵列式柔性力敏传感器及其制作方法，具有柔韧性优良、重复性好，性能稳定，一致性好等特点。

本发明的技术方案如下：

本发明提供的碳纳米管/聚合物复合膜阵列式柔性力敏传感器，其包括：

一碳纳米管/聚合物复合膜3；

一图形化于所述碳纳米管/聚合物复合膜3上表面上的平行金属行电极2；

一图形化于所述碳纳米管/聚合物复合膜3下表面上的平行金属列电极4；

一附着于所述平行金属行电极2上表面上的上绝缘保护层1；和

一附着于所述平行金属列电极4下表面上的下绝缘保护层5；

所述平行金属行电极2与所述平行金属列电极4呈空间相交状分布，其空间相交的相交部分与该相交部分内包含的碳纳米管/聚合物膜构成阵列式柔性力敏传感器的力敏单元；其特征在于：

所述的碳纳米管/聚合物复合薄膜3为聚合物基体材料中均匀分散有碳纳米管的复合材料制成的膜；所述碳纳米管与所述聚合物基体材料的质量比为(0.1-15)∶100；

所述聚合物基体材料为二甲基硅氧烷或苯乙烯-丁二烯-苯乙烯嵌段共聚物。

所述的碳纳米管为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。

本发明提供的碳纳米管/聚合物复合膜阵列式柔性力敏传感器的制备方法，其步骤如下：

1)采用柔性电路板制作工艺，制作图形化于上绝缘保护层1下表面上的平行金属行电极2，所述平行金属行电极2厚度为20-60μm；

2)采用柔性电路板制作工艺，制作图形化于下绝缘保护层5上表面上的平行金属列电极4，所述平行金属列电极4厚度为20-60μm；

3)在室温和常压下，将碳纳米管加入至挥发性溶剂中进行超声分散处理20-60分钟，超声分散处理的超声功率为300W；所述挥发性溶剂为体积比为1∶1的甲苯和丙酮组成的混合溶剂或为乙酸乙酯溶剂；所述碳纳米管与挥发性溶剂的比例为1mg∶(10-80)ml；

4)再加入聚合物基体材料，继续超声处理2-6小时，得到含碳纳米管和聚合物基体材料的碳纳米管/聚合物混合溶液；所述碳纳米管和聚合物基体材料的质量比为(1-15)∶100；

将得到的碳纳米管/聚合物混合溶液进行4000-6000转/分的高速离心30-60分钟；得到均匀分散的碳纳米管/聚合物清液和对所得沉淀称重，并计算出碳纳米管/聚合物清液中的碳纳米管的实际浓度；

5)向上述碳纳米管/聚合物清液中再加入聚合物基体材料，使碳纳米管与聚合物基体材料的质量比为(0.1-15)∶100；然后再超声分散2-4小时，得到碳纳米管/聚合物溶液；

6)将步骤2)制备的上表面图形化有平行金属列电极4的下绝缘保护层5放入一容器中，所述平行金属列电极4朝向容器开口；将得到的碳纳米管/聚合物溶液注入容器中，室温下蒸发溶剂；待溶剂完全挥发之后，在所述平行金属列电极4及下绝缘保护层5上表面上形成均匀的碳纳米管/聚合物复合膜3；所述碳纳米管/聚合物复合膜3厚度为50-150μm；

7)在一碳纳米管/聚合物复合膜3上表面上均匀涂覆微量溶剂，使碳纳米管/聚合物复合膜3的膜表面处于粘稠状；