[发明专利]柔性基底表面兼具压阻性能与韧性的非晶碳膜的制备方法及其应用

说明书

本发明提供了柔性基底表面兼具压阻性能与韧性的非晶碳膜的制备方法。该方法采用高功率脉冲磁控溅射技术，选择石墨靶，在惰性气体氛围中在柔性基底表面溅射沉积非晶碳膜，脉冲电源电压为800～1000V，脉冲占空比为1％～5％。与现有技术相比，该方法还避免了制备过程中温度过高而导致柔性基底材料遭破坏的问题，从而可应用于柔性压阻传感元件中，实现压阻传感元件的柔性化。

技术领域

本发明属于压阻式传感器技术领域，尤其涉及柔性基底表面兼具压阻性能与韧性的非晶碳膜的制备方法及其应用。

背景技术

近年来，柔性应变传感器件在可穿戴设备、机器人、生物监测等方面的应用越来越广泛。传感器的性能主要由敏感材料决定，压阻式敏感材料是一种应用较广的敏感材料。表征压阻式敏感材料性能的重要参数是压阻系数，其反映了压阻材料的灵敏程度。

压阻式敏感材料中最具代表性的是单晶硅，但是由于制备工艺的原因，其在柔性传感器领域中的应用很少。近年来，以石墨烯、碳纳米管为代表的新型敏感材料在柔性应变传感器中的应用越来越多，但是由于其制备后仍然需要转移工序，导致了其生产难以批量化，并且成本较高。

非晶碳膜，英文名称为AmorphousCarbon，缩写为a-C，是一类非晶态碳材料的统称。一般，非晶碳膜中碳原子之间主要通过sp²共价键和sp³形成不规则的空间网状结构，呈非晶态，因此不同于晶态材料的各向异性，其外在表现为各向同性。近年来，非晶碳膜被发现具有优秀的压阻性能，同时还具有良好的机械性能、光学性能，以及化学性能等，例如，高硬度和弹性模量、低摩擦系数、透光性、电导率的可调控性、化学惰性以及生物兼容性等，因此可用于压阻传感元件。但是，将非晶碳膜作为压阻式敏感材料的传感元件制备为柔性元件对于本领域技术人员却是技术难题，因为一方面要求具有柔性基底，另一方面要求非晶碳膜在柔性基底表面具有良好的韧性，可随柔性基底一起发生同步变形。然而，在柔性基底表面制备具有良好韧性的非晶碳膜并非易事，因为在制备过程中柔性基底很容易变形变质，并且实现非晶碳膜具有良好的韧性也是本领域技术人员的研究课题之一。

发明内容

针对上述技术现状，本发明旨在实现在柔性基底表面制备兼具良好压阻性能与韧性的非晶碳膜，同时柔性基底材料在制备过程中不被破坏。

为了实现上述技术目的，本发明人尝试采用高功率脉冲磁控溅射技术在柔性基底表面制备非晶碳膜，发现与传统的磁控溅射技术相比，该技术中脉冲电源电压较高，一方面能够使制得的非晶碳膜中sp³含量提高，从而能够提高非晶碳膜的压阻系数；但是另一方面，由于功率较高会使制备过程中温度升高，导致柔性基底材料在制备过程中很容易遭到破坏，从而影响其材质与柔韧性；此外，还需要探索实现非晶碳膜具有良好韧性的工艺，从而能够随柔性基底的变形而发生同步变形。

经过长期大量实验探索后，本发明人发现当选择高功率脉冲电源电压为800～1000V时，获得的非晶碳膜在具有高压阻系数的同时能够兼具良好的韧性，在此基础上，当选择脉冲占空比为1％～5％时，发现能够避免制备过程中温度过高而导致柔性基底材料被破坏的问题。

即，本发明的技术方案为：一种在柔性基底表面兼具压阻性能与韧性的非晶碳膜的制备方法，其特征是：采用高功率脉冲磁控溅射技术，选择石墨靶，在惰性气体氛围中在柔性基底表面溅射沉积非晶碳膜，脉冲电源电压为800～1000V，脉冲占空比为1％～5％。

作为优选，所述惰性气体为氩气。作为进一步优选，真空沉积腔室中氩气压强为0.1Pa-0.2Pa。

作为优选，柔性基底的直流脉冲负电压为-10V～-50V。

柔性基底是指基底材料具有柔性，可发生弯曲、拉伸等形变。所述柔性基底材料不限，包括柔性高分子材料，例如PI、PET、PDMS、PMMA等中的一种或者几种。

作为优选，所述非晶碳膜的厚度为100-500nm。