[发明专利]一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器及其制备方法

说明书

技术领域

本发明涉及一种应力传感器，特别涉及一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器及其制备方法，属于柔性材料制备及应用技术领域。

背景技术

随着电子科学技术的发展，以及人们对生活要求水平的不断提高，柔性可穿戴电子设备吸引了越来越多人的关注。柔性可穿戴电子设备比传统的电子设备更大的灵活性，可满足人们对设备的各种形变要求。目前，对柔性可穿戴应力敏感设备的应用体现在人类生活的很多方面，如可弯曲触摸显示屏、电子皮肤、可穿戴电脑、柔性机器人、柔性压力监测鞋垫计步器等，其工作原理主要包括:压电式、电容式以及压阻式。由于压阻式柔性设备测量方式简单，方便使用，具有商业化的潜力。但是，压阻式的敏感设备存在着灵敏度低，且由于大部分柔性材料性质不稳定，制成柔性电子设备后结构复杂，抗疲劳性能较差等方面的不足，在一定程度上制约了柔性可穿戴设备的发展。

发明内容

本发明针对现有压阻式柔性应力敏感电子设备存在的不足，提供一种灵敏度高、柔韧性好、抗疲劳性强，且结构简单、重量轻、成本低廉，使用轻便、安全可靠的柔性可穿戴非晶碳基应力传感器及其制备方法。

实现本发明目的的技术方案是提供一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器的制备方法，包括如下步骤：

1．以硅片为衬底，在衬底上生长氧化层为牺牲层；采用化学或物理的方法，在氧化层表面生长非晶碳a-C薄膜；

2．将柔性衬底粘贴于a-C薄膜表面，再采用酸腐蚀方法将牺牲层腐蚀后，得到一种a-C薄膜/柔性衬底结构的柔性电子材料；

3．采用蒸发镀银方法在a-C薄膜两端制备银电极，再将电极用导电胶带粘贴引出，得到一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器。

本发明技术方案还包括一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器，其结构为：在柔性衬底上以非晶碳a-C薄膜为压阻材料, a-C薄膜的两端设置银电极，并由导电胶引出。

本发明技术方案中，所述的柔性衬底的材料为聚乙烯或胶带中的一种。所述的牺牲层为SiO₂或MgO中的一种。

本发明技术方案的一个具体的优化措施是：在衬底硅片表面自然生长氧化层SiO₂为牺牲层，采用磁控溅射或脉冲激光沉积方法，将非晶碳a-C薄膜生长于氧化层表面；以聚乙烯PE膜为柔性衬底，将聚乙烯膜加热至190～210℃，粘贴于非晶碳a- C薄膜表面，得到Si/SiO₂/a-C/PE结构的样品；将样品置于质量浓度为5%的氟化氢溶液中，腐蚀处理2～5分钟，得到一种a-C/PE柔性电子材料。

本发明技术方案的另一个具体的优化措施是：在衬底硅片表面生长氧化层MgO为牺牲层，采用磁控溅射或脉冲激光沉积方法，将非晶碳a-C薄膜生长于氧化层表面；以聚乙烯PE膜为柔性衬底，将聚乙烯膜加热至190～210℃，粘贴于a-C薄膜表面，得到Si/MgO/a-C/PE结构的样品；将样品置于质量浓度为36%的醋酸溶液中，腐蚀处理120～150分钟，得到一种a-C/PE柔性电子材料。

与现有的可穿戴应力传感器相比，本发明提供的有益效果在于：

1. 本发明提供的压阻材料为非晶碳a-C薄膜/柔性衬底结构,采用先在高温等苛刻条件下生长所需要的功能性薄膜，再利用腐蚀剥离法制备柔性功能材料的方法，克服了一般柔性材料高温变性不能直接作为基底的缺陷，具有优异的柔韧特性和应力敏感特性。

2.本发明采用的柔性功能材料是一种具有良好弯曲性能的压阻式传感器件，具有敏感、快速的应力响应特点，因此，提供的应力传感器具有结构简单，测试方便，敏感度高，抗疲劳特性好等优点。

3.本发明提供的柔性可穿戴非晶碳基应力传感器，以a-C薄膜为功能电子薄膜层，具有耐摩擦、化学惰性等与金刚石相似的优异性能，还具有优异的电学特性，因此，制备的产品价格低廉，性价比高。

4.本发明提供的柔性可穿戴非晶碳基应力传感器，以热塑性树脂为柔性衬底，具有稳定的化学性质，能耐大多数酸碱的腐蚀，电绝缘性能好，由于其优异的耐环境老化性能和柔韧特性，适用于可穿戴设备的衬底层。

附图说明

图1为本发明实施例提供的柔性可穿戴非晶碳基应力传感器的结构示意图；

图2 为本发明实施例提供的柔性可穿戴非晶碳基应力传感器使用状态图；

图3为本发明实施例提供的柔性可穿戴非晶碳基应力传感器在不同弯折角度下应力敏感测试曲线图；