[发明专利]基于裂纹褶皱结构的非晶碳基柔性传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于裂纹褶皱结构的非晶碳基柔性传感器，包括：柔性衬底，非晶碳膜，以及导电电极，其中非晶碳膜沉积在柔性衬底表面，导电电极位于非晶碳膜两端，所述非晶碳膜为裂纹褶皱结构。该非晶碳基柔性传感器在较大拉伸测范围内，具有较高的灵敏度。本发明还提供了基于裂纹褶皱结构的非晶碳基柔性传感器的制备方法，包括预拉伸柔性衬底进行非晶碳膜表面沉积，释放预拉伸柔性衬底，使得回弹后的预拉伸柔性衬底表面的非晶碳薄膜具有裂纹褶皱结构，以得到基于裂纹褶皱结构的非晶碳基柔性传感器。该方法制备简单、高效，易于大规模生产。

技术领域

本发明属于传感器制造技术领域，具体涉及基于裂纹褶皱结构的非晶碳基柔性传感器及其制备方法。

背景技术

随着电子科学技术的发展，以及人们生活水平的不断提高，柔性可穿戴电子设备吸引了越来越多的关注。相比传统电子设备，柔性可穿戴电子设备具有更大灵活性，可满足人们对设备各种形变要求。例如，可应用于日常生活的各个方面，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。

目前，由于人造机器人皮肤、先进假肢和持续健康监测的潜在应用，高度灵活、可伸展的可穿戴传感器已受到相当大的关注。尤其是，柔性应变传感器可响应外力(包括脉动血流、呼吸和人类触摸/运动)提供电反馈，可用于持续健康监测，从而提供真实和实时的医疗解决方案。这些应用要求器件必须与曲面形成共形接触且在大形变条件下能够保持电学稳定性，因此需要设计具有电学稳定性能的可拉伸电极。

为了开发可拉伸电极，除了选用本征可拉伸的导电聚合物作为导电基质以外，人们还利用结构设计开发可拉伸电极，包括褶皱、波浪形、网格状、蛇形纹、剪纸状、裂纹等。这些结构可实现硬质金属基电极的高可拉伸性，及在可拉伸和软体电子中的应用。其中，褶皱结构作为最常用的设计结构之一，可赋予可穿戴设备高可拉伸性、高机械稳定性和人机交互之间的舒适性。

目前，褶皱结构主要是通过导电材料与预拉伸或存在预应力的基底复合，随着弹性基底预拉伸或预应力释放后，导电材料发生面外或面内的形变形成。基底收缩方式有热诱导(加热或冷却)聚合物收缩、溶剂膨胀和去膨胀或直接通过机械预拉伸和释放。热诱导法一般是在形状记忆材料(PS、PVP等)表面沉积导电层，通过加热或冷却使基底层收缩，促使导电层形成褶皱结构，因为形状记忆材料多为非弹性材料，此时往往需要将褶皱结构的导电层转移到弹性基底表面，最后得到可拉伸电极。溶剂膨胀/去膨胀法是将热固性弹性基体(如PDMS)浸泡在溶剂(氯仿)中，弹性基体体积变大，此时在其表面沉积导电层，当膨胀的热固性弹性基体中溶剂挥时基体发生收缩，从而得到褶皱结构导电层。热诱导收缩和溶剂膨胀均能得到均匀收缩的褶皱结构，但均存在聚合物收缩率有限导致复合电极可拉伸性有限以及材料浪费，甚至环境污染的问题。

机械预拉伸方法应用广泛，是在单轴或双轴体系中对弹性基底进行预拉伸，随后与导电材料复合，释放预拉伸弹性基底后，得到具有褶皱结构的可拉伸电极。预拉伸方法具有简单易行，基底收缩率可控的优点，但不能得到均匀收缩的褶皱结构，且弹性基底和导电层之间容易发生裂纹和分层。此外，单轴或双轴拉伸工艺制备得到的可拉伸电子器件一般具有方向性，导致电学稳定性具有取向性，而实际应用中施加在可拉伸电子材料上的外力是随机的，因此不能保证多角度拉伸的电学可靠性。

综上，受到材料和结构设计限制，现有柔性传感器难以兼具高灵敏度(GF100)与大拉伸测量范围(ε50％)，同时新型柔性传感器制备涉及到敏感材料转移复杂工艺，难以满足柔性传感的广泛需求，因此，迫切需要开发新型柔性传感器。

发明内容

本发明提供一种基于裂纹褶皱结构的非晶碳基柔性传感器，该传感器在较大拉伸测范围内具有高灵敏度，本发明还提供了该传感器的制备方法，该制备方法能够根据对灵敏度的实际需要灵活调控柔性传感器裂纹褶皱结构，且制备方法简单、高效。

一种基于裂纹褶皱结构的非晶碳基柔性传感器，包括：柔性衬底，非晶碳膜，以及导电电极，其中非晶碳膜沉积在柔性衬底表面，导电电极位于非晶碳膜两端，所述非晶碳膜为裂纹褶皱结构。