[发明专利]基于垂直排列的碳纳米管的应变传感器

说明书

提供了一种制造应变传感器的方法。该方法包括：在形成在硅晶片的顶表面上的氧化硅隔离层的顶表面上生长具有图案的铁(Fe)薄催化层；在铁(Fe)薄催化层的顶表面上合成多个垂直排列的碳纳米管(VACNT)，以形成应变传感器的电极；形成设置在多个VACNT中的相邻VACNT上并且在该相邻VACNT之间的第一聚二甲基硅氧烷(PDMS)层；将第一PDMS层和嵌于第一PDMS层中的多个VACNT从氧化硅隔离层的顶表面剥离；以及在嵌入第一PDMS层中的多个VACNT的底表面上形成第二PDMS层。

相关申请的交叉引用

本申请要求于2021年10月19日提交的美国临时申请序列号63/257,128的权益，其全部内容(包括任何表格、图或附图)通过引用结合于此。

背景技术

近年来，针对各种潜在应用(包括人的运动检测、软机器人、电子皮肤和人机接口)，可穿戴电子设备的快速发展已经吸引了极大兴趣。可拉伸且柔性的应变传感器可将机械变形转换成电信号，从而使得可检测由人类活动引起的应变。为了满足这些潜在应用的要求，期望开发具有快速响应、低滞后、迅速响应、高拉伸性和鲁棒的长期可靠性的应变传感器。

此外，还期望将透明而不挡光传输的应变传感器与需要清晰光路的多感测部件集成在一起。不同类型的材料可用于制造应变传感器的柔性基板和可拉伸电极。例如，柔软、可变形和透光率性能好的聚二甲基硅氧烷(PDMS)可用于制造柔性基板。此外，拉伸性优异的脂肪族芳香族无规共聚酯(ecoflex)和水凝胶也可用于制造大的可拉伸应变传感器(ε100％)。另外，包括可拉伸弹性体的可拉伸材料，例如环氧脂族丙烯酸酯(epoxy aliphaticacrylate)和脂族氨基甲酸酯二丙烯酸二乙二醇酯(aliphatic urethane diacrylate)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、热塑性聚氨酯(TPU)、硅橡胶、苯乙烯-(乙烯-丁烯)-苯乙烯(SEBS)(styrene-(ethylene-butylene)-styrene(SEBS))、聚酰亚胺，也可以用于制造可拉伸基板。为了制造电极，碳材料(如，炭黑、石墨烯纳米片、碳纳米管和石墨烯)由于其导电性良好、成本低和制造工艺简单，是优选的。为了制造导电电极，已经研究了银纳米颗粒、液体金属、Au、Cu导线。

基于不同的感测机制，应变传感器可以被分成若干类别，包括光学应变传感器、电容应变传感器、压电应变传感器和电阻应变传感器。光学应变传感器依赖于感测材料在不同应变条件下的透光率变化来进行应变测量，从而需要与附加的光强度检测部件集成。压电应变传感器由于由弯曲变形或拉伸变形下两个电极之间的法向力而生成信号。因此，压电应变传感器在大测量范围上的应用上受到限制。电阻应变传感器由于其简单的结构和制造工艺也被普遍使用。然而，该传感器不仅可以由于几何结构变化而产生电阻变化，还可以由于在施加的变化应变下材料的电导率而产生电阻变化，这导致线性度较差和滞后行为较大。相比之下，电容应变传感器的电容变化主要依赖于介电材料和感测电极的几何形状变化，从而具有良好的线性度和低滞后。

发明内容

在本领域中仍然需要用于制造应变传感器的方法的改进的设计和技术。