阅读说明：本技术 一种柔性传感器及其制备方法 (Flexible sensor and preparation method thereof ) 是由 唐思琪 张青竹 张兆浩 张楠 魏千惠 张静 闫江 王文武 于 2020-05-13 设计创作，主要内容包括：本发明公开一种柔性传感器及其制备方法,涉及柔性传感器领域,以解决柔性传感器形变不够、灵敏度低和一致性低的问题。所述柔性传感器包括：柔性基底以及形成在所述柔性基底上的纳米线阵列；所述纳米线阵列为聚二甲基硅氧烷转移法转移的纳米线阵列。所述柔性传感器制备方法包括上述技术方案所提的。本发明提供的柔性传感器用于检测信号。(The invention discloses a flexible sensor and a preparation method thereof, relates to the field of flexible sensors, and aims to solve the problems of insufficient deformation, low sensitivity and low consistency of the flexible sensor. The flexible sensor includes: a flexible substrate and an array of nanowires formed on the flexible substrate; the nanowire array is a nanowire array transferred by a polydimethylsiloxane transfer method. The preparation method of the flexible sensor comprises the technical scheme. The flexible sensor provided by the invention is used for detecting signals.)

一种柔性传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及柔性传感器领域，尤其涉及一种柔性传感器及其制备方法。

背景技术

柔性传感器结构形式灵活多样，可根据测量条件的要求任意布置，相对于传统传感器，解决了小型化、集成化、智能化发展问题。柔性传感器可以应用于人工智能穿戴、医疗监测设备上，连续监测人体脉搏、心电图、呼吸、温度等生理信息，进而调整用户的运动方式，或者指导用户对疾病的防治。

在使用过程中，柔性传感器还存在如下的问题：形变不够，灵敏度低不能够区分多种环境刺激以及各种机械部件，一致性也比较差。现有解决这些问题的技术方法是选择延展性好的材料，例如：石墨烯、碳纳米管和硅纳米线等。但是，只通过将如上材料应用于柔性传感器来提高形变度、灵敏度和一致性，效果非常有限。

发明内容

本发明的目的在于提供一种柔性传感器及其制备方法，用于提高柔性传感器的形变度、灵敏度和一致性。

第一方面，本发明提供一种柔性传感器。所述柔性传感器包括：

柔性基底以及形成在所述柔性基底上的纳米线阵列；

所述纳米线阵列为聚二甲基硅氧烷转移法转移的纳米线阵列。

与现有技术相比，本发明提供的柔性传感器包括形成在柔性基底上的纳米线阵列。该纳米线阵列含有排列整齐有序的多个纳米线，使在制备包含纳米线阵列的柔性传感器或进行信号采集时，所采集的信号具有较高的一致性，从而提高柔性传感器的性能。并且，由于纳米线阵列的尺寸小，具有较大的比表面积，因此，本发明提供的柔性传感器不仅具有较高的灵敏度，其中的纳米线阵列对柔性基底的柔性影响程度比较低，使得柔性传感器具有较高的形变度，可以满足多种柔性应用场景的数据采集功能。

另外，本发明提供的柔性传感器中，该纳米线阵列为聚二甲基硅氧烷转移法转移的纳米线阵列。根据聚二甲基硅氧烷与纳米线阵列之间黏粘性和高温下易脱落特性，可使转移在柔性衬底上的纳米线阵列保持更加良好的形貌，进而柔性传感器采用规整的纳米线阵列所采集到的信号更加精准。

第二方面，本发明还提供一种柔性传感器的制备方法，所述柔性传感器的制备方法包括：

提供包含纳米线阵列的第一基底；

利用聚二甲基硅氧烷转移法转移所述第一基底包含的纳米线阵列到第二基底上，所述第二基底为柔性基底。

与现有技术相比，本发明提供的柔性传感器的制备方法的有益效果与上述技术方案所述柔性传感器的有益效果相同，此处不做赘述。

附图说明

此处所说明的附图用来提供对本发明的进一步理解，构成本发明的一部分，本发明的示意性实施例及其说明用于解释本发明，并不构成对本发明的不当限定。在附图中：

图1为本发明实施例提供的柔性传感器的简化结构示意图；

图2为图1中A-A’的剖面图；

图3为本发明实施例提供的柔性传感器的具体结构示意图；

图4为本发明实施例提供的柔性传感器的制备方法的流程示意图；

图5为本发明实施例中包含纳米线阵列的第一基底的结构示意图；

图6为本发明实施例中制作包含纳米线阵列的第一基底的过程状态图一；

图7为本发明实施例中制作包含纳米线阵列的第一基底的过程状态图二；

图8为本发明实施例中制作包含纳米线阵列的第一基底的过程状态图三；

图9为本发明实施例中制作包含纳米线阵列的第一基底的过程状态图四；

图10为本发明实施例中制作包含纳米线阵列的第一基底的过程状态图五；

图11为本发明实施例中制作包含纳米线阵列的第一基底的过程状态图六；

图12为本发明实施例中制作包含纳米线阵列的第一基底的过程状态图七；

图13为本发明实施例提供的聚二甲基硅氧烷转移法转移纳米线阵列的流程示意图；

图14为本发明实施例中利用匀胶机在第一基底的纳米线阵列旋涂聚二甲基硅氧烷固化液的过程状态图；

图15为本发明实施例中在第一基底的纳米线阵列形成聚二甲基硅氧烷固化层的过程状态图；

图16为本发明实施例中通过从第一基底表面揭取聚二甲基硅氧烷固化层带离纳米线阵列的过程状态图；

图17为本发明实施例中聚二甲基硅氧烷固化层将纳米线转移至柔性基底的过程状态图；

图18为本发明实施例中柔性基底表面覆盖带有纳米线阵列的聚二甲基硅氧烷固化层的结构示意图；

图19为本发明实施例中聚二甲基硅氧烷固化层从柔性基底脱离的过程状态图；

图20为本发明实施例中氢氟酸浸泡包含粘纳米线阵列的第一基底形貌电镜图。

具体实施方式

为了使本发明所要解决的技术问题、技术方案及有益效果更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，当元件被称为“固定于”或“设置于”另一个元件，它可以直接在另一个元件上或者间接在该另一个元件上。当一个元件被称为是“连接于”另一个元件，它可以是直接连接到另一个元件或间接连接至该另一个元件上。

此外，术语“第一”、“第二”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性或者隐含指明所指示的技术特征的数量。由此，限定有“第一”、“第二”的特征可以明示或者隐含地包括一个或者更多个该特征。在本发明的描述中，“多个”的含义是两个或两个以上，除非另有明确具体的限定。“若干”的含义是一个或一个以上，除非另有明确具体的限定。

在本发明的描述中，需要理解的是，术语“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。

在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通或两个元件的相互作用关系。对于本领域的普通技术人员而言，可以根据具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。

柔性传感器具有良好的柔韧性、延展性，结构形式多样，可根据测量条件的要求任意布置，能够非常方便地对特殊环境与特殊信号进行精确快捷测量，可以适用于人工智能穿戴、医疗监测设备、智能机器人和3D打印机领域。相关技术中，柔性传感器不仅形变度不够，难以区分多种环境刺激，而且所采集的信号一致性比较差。应理解，多种环境刺激可以为横向应变、剪切、扭转、震动、压力、温度以及湿度等。

针对上述问题，本发明实施例提供一种柔性传感器。图1示例出本发明实施例提供的柔性传感器1的简化结构示意图。如图1所示，本发明实施例提供的柔性传感器1包括：柔性基底11和纳米线阵列12。

如图1所示，上述纳米线阵列12在柔性基底11上。该纳米线阵列12为聚二甲基硅氧烷转移法转移到柔性基底11上的纳米线阵列12。

具体实施时，如图1所示，可以提前在一基底上形成纳米线阵列12，使得基底包含纳米线阵列12。该纳米线阵列12所含有的纳米线排列规整，一致性比较好。接着采用聚二甲基硅氧烷法将基底所具有的纳米线阵列12转移至柔性基底11，使得纳米线阵列12形成在柔性基底11上。此时，以形成纳米线阵列12的柔性基底11为柔性传感器的柔性基底11时，由于纳米线阵列12的尺寸小，具有较大的比表面积，柔性传感器不仅具有较高的灵敏度，其中的纳米线阵列12对柔性基底11的柔性影响程度比较低，使得柔性传感器具有较高的形变度，可以满足多种柔性应用场景的数据采集功能。

图2为图1中A-A’的剖面图，如图2所示，柔性基底11可以由塑料基底111和树脂粘结层112组成，纳米线阵列形成在柔性基底11上。

举例说明：当本发明实施例提供的柔性传感器应用于血压仪时，将该柔性传感器内置于血压仪的袖带中，将血压仪的袖带紧紧包裹在手臂处。此时，袖带弯曲，该柔性传感器处在受压状态，但是因为包含纳米线阵列的柔性传感器的灵敏度，形变高和一致性较高，因此柔性传感器所采集的血压信号仍然具有比较好的稳定性和一致性。

需要说明的是，上述柔性传感器还包括电极。该电极的作用是传导电信号。图3示例出本发明实施例提供的柔性传感器的具体结构示意图。如图3所示，电极13形成于包括纳米线阵列12的柔性基底11之上。一般可以采用光刻或金属刻蚀形成电极13。电极13与纳米线阵列12的端部接触，使得纳米线阵列12所采集的感应信号可以通过电极13传导。

如图1至图3所示，在实际应用中，可以在包含纳米线阵列12的柔性基底11制备完成后，在其柔性基底11上形成金属层，然后利用刻蚀工艺等图案化工艺在柔性基底11上制作电极13。电极13所使用的材料可以为铜、铝、铬等金属。

如图2所示，树脂粘结层112形成在所述塑料基底111上。上述塑料基底111需要应对例如弯曲、塑形、拉伸等形变，各种性能优良的聚合材料都可以用来作为上述塑料基底111。塑料基底111可以含有聚对苯二甲酸乙二酯、聚酰亚胺、聚氨酯、聚乙烯中的至少一种，但不仅限于此。

如图2所示，上述树脂粘结层112的可以是环氧树脂层、导热硅胶层、聚酰亚胺层中至少一种，但不仅限于此。上述树脂粘结层112可以将塑料基底111与纳米线阵列12紧密的粘结在一起。该树脂粘结层112的厚度为2mm-5mm。树脂粘结层112在厚度为2mm-5mm的范围内，不会脱胶或者翘起。

上述纳米线阵列包括：半导体纳米线阵列和/或石墨烯纳米线阵列。纳米线阵列所含有的各个纳米线的材质可以相同，也可以不同。

当纳米线阵列可以是半导体纳米线阵列时，该半导体纳米线阵列包括：氧化锌纳米线阵列和/或硅纳米线阵列。例如：当半导体纳米线阵列包括氧化锌纳米线阵列，纳米线阵列所含有的各个纳米线的材质均为氧化锌。又例如：当半导体纳米线阵列为硅纳米线阵列，纳米线阵列所含有的各个纳米线的材质均为硅。当半导体纳米线阵列包括：氧化锌纳米线阵列和硅纳米线阵列，该纳米线阵列所含有的纳米线既可以是氧化锌，也可以为硅。

当纳米线阵列包括石墨烯纳米线阵列，纳米线阵列所含有的各个纳米线的材质均为石墨烯。

当纳米线阵列包括石墨烯纳米线阵列和半导体纳米线阵列时，若半导体阵列包括氧化锌纳米线阵列时，纳米线阵列所含有的纳米线既可以是石墨烯，也可以为氧化锌；若半导体阵列包括硅纳米线阵列时，纳米线阵列所含有的纳米线既可以是石墨烯，也可以为硅。

由上可知，本发明实施例提供的柔性传感器包括形成在柔性基底上的纳米线阵列。该纳米线阵列含有排列整齐有序的多个纳米线，使在制备包含纳米线阵列的柔性传感器或进行信号采集时，所采集的信号具有较高的一致性，从而提高柔性传感器的性能。并且，由于纳米线阵列的尺寸小，具有较大的比表面积，因此，本发明提供的柔性传感器不仅具有较高的灵敏度，其中的纳米线阵列对柔性基底的柔性影响程度比较低，使得柔性传感器具有较高的形变度，可以满足多种柔性应用场景的数据采集功能。

另外，本发明提供的柔性传感器中，该纳米线阵列为聚二甲基硅氧烷转移法转移的纳米线阵列。根据聚二甲基硅氧烷与纳米线阵列之间黏粘性和高温下易脱落特性，可使转移在柔性衬底上的纳米线阵列保持更加良好的形貌，进而柔性传感器采用规整的纳米线阵列所采集到的信号更加精准。

本发明实施例还提供一种柔性传感器的制备方法，如图4为柔性传感器的制备方法流程示意图，如图4所示，该柔性传感器的制备方法包括以下步骤：

步骤101：提供图5所示的包含纳米线阵列的第一基底2。图5为包含纳米线阵列的第一基底2的结构示意图，氧化硅22形成在硅基底21上，纳米线阵列23形成在氧化硅22上。在实际应用中，可以采用干法刻蚀技术、无电极金属催化化学腐蚀法或者侧墙转移等方法制备纳米线阵列，纳米线阵列制备形成在第一基底上。

图6～图12为制作包含纳米线阵列的第一基底的过程状态图，如图6～图12所示，上述第一基底2为：采用侧墙转移方法制备包含纳米线阵列的第一基底2，具体包括如下步骤：

第一步，如图6所示，提供一硅基底21，在硅基底21上沉积氧化层a，在氧化层a上沉积多晶硅层b，在多晶硅层b沉积氮化硅层c。各层的厚度可以为：氧化层a的厚度为5nm-100nm，多晶硅层b的厚度为10nm-1000nm，氮化硅层c的厚度为5nm-1000nm。

第二步，如图7所示，光刻和刻蚀多晶硅层b和氮化硅层c，使得多晶硅层b和氮化硅层c形成多个牺牲结构。

第三步，如图8所示，在每个牺牲结构的两侧形成侧墙结构，并去除多晶硅层b顶部覆盖的氮化硅c。

在实际应用中，如图8所示，在每个牺牲结构的两侧形成氮化硅侧墙d，并刻蚀牺牲结构顶部的氮化硅侧墙d。在此基础上，如图9所示，刻蚀牺牲结构和没有被氮化硅侧墙d覆盖的氧化层，形成氮化硅侧墙d和残余的氧化层a构成侧墙结构。

第四步，如图10所示，在侧墙结构的保护下，采用各向同性、各向异性刻蚀工艺对硅基底21进行刻蚀，使得硅基底21形成多个鳍状结构。每个鳍状结构的顶部覆盖有侧墙结构。

第五步，如图11所示，去除每个鳍状结构顶部的侧墙结构，对鳍状结构进行部分氧化，使得鳍状结构的根部完全氧化。在此基础上，如图11和图12所示，在硅基底21上沉积氧化硅22，并去除鳍状结构表层的氧化物e，使得鳍状结构形成纳米线阵列23。

步骤103：如图13～图20所示，利用聚二甲基硅氧烷转移法转移第一基底包含的纳米线阵列23到第二基底11上。该第二基底11为柔性基底。该柔性基底11可以包括：塑料基底111和树脂粘结层112；树脂粘结层112在塑料基底111上。

在实际应用中，将第一基底上的纳米线阵列与第一基底进行分离，然后根据聚二甲基硅氧烷与纳米线阵列之间黏粘性，将分离后的纳米线阵列与柔性基底紧密的结合起来，形成具有纳米线阵列的柔性传感器。

作为一种可实现的方式，如图13～图20所示，利用聚二甲基硅氧烷转移法转移纳米线阵列到柔性基底上，图13为聚二甲基硅氧烷转移法转移纳米线阵列的流程示意图，如图13所示，包括：

步骤1021：如图14和图15所示，采用聚二甲基硅氧烷转移法在第一基底包含的纳米线阵列23的表面形成聚二甲基硅氧烷固化层14。该聚二甲基硅氧烷固化层的厚度为3mm-6mm，具体以实际应用为准。

具体来说，采用聚二甲基硅氧烷在所述第一基底包含的纳米线阵列的表面形成聚二甲基硅氧烷固化层包括：

图14为利用匀胶机在第一基底的纳米线阵列旋涂聚二甲基硅氧烷固化液的过程状态图，如图14所示，在第一基底2包含的纳米线阵列的表面旋涂聚二甲基硅氧烷固化液4，使得纳米线阵列和聚二甲基硅氧烷固化液形成聚二甲基硅氧烷固化层。

如图14所示，在实际应用中，可以采用均胶机3将聚二甲基硅氧烷固化液4旋涂在纳米线阵列上，当然，也可以采用其它均胶设备将聚二甲基硅氧烷固化液4形成在纳米线阵列上。

上述聚二甲基硅氧烷固化液包括：聚二甲基硅氧烷和固化剂；其中，聚二甲基硅氧烷和固化剂的质量配比为(8～12):1。当聚二甲基硅氧烷与固化剂的质量配比为10：1，将配比好的聚二甲基硅氧烷固化液旋涂在纳米线阵列上，配比好的聚二甲基硅氧烷固化液粘性很大，与纳米线阵列接触非常紧密，当质量配比为8:1或者12：1时，也能将聚二甲基硅氧烷固化液与纳米线阵列粘在一起。

当采用图6～图12所示的制作过程制作包含纳米线阵列的第一基底时，图15为在第一基底的纳米线阵列形成聚二甲基硅氧烷固化层的过程状态图，如图15所示，第一基底实质包括硅基底21以及形成在硅基底上的氧化硅22。纳米线阵列23形成在氧化硅22上。此时，当第一基底包含的纳米线阵列23的表面旋涂聚二甲基硅氧烷固化液后，一段时间后，聚二甲基硅氧烷固化液凝固成聚二甲基硅氧烷固化层14，覆盖在纳米线阵列23上，并与纳米线阵列23结合在一起。

步骤1022：如图16～图19所示，利用聚二甲基硅氧烷固化层将纳米线阵列转移至柔性基底上。

图16为通过从第一基底表面揭取聚二甲基硅氧烷固化层带离纳米线阵列的过程状态图。如图16所示，当聚二甲基硅氧烷固化液固化成与聚二甲基硅氧烷固化层14，从第一基底表面揭取聚二甲基硅氧烷固化层14。在这个过程中，聚二甲基硅氧烷固化层14可以将第一基底表面的纳米线阵列23带离。应理解，图17所示的箭头只是示例性的表示从第一基底表面揭取聚二甲基硅氧烷固化层14，并不代表实际方向。

图17为聚二甲基硅氧烷固化层将纳米线转移至柔性基底的过程状态图，如图17所示。当聚二甲基硅氧烷固化层14将第一基底表面的纳米线阵列23带离第一基底后，将带有纳米线阵列23的聚二甲基硅氧烷固化层14移至柔性基底11上方。应理解，图17所示的箭头只是示例性的表示带有纳米线阵列23的聚二甲基硅氧烷固化层14移至柔性基底11，并不代表实际方向。

图18为柔性基底表面覆盖带有纳米线阵列的聚二甲基硅氧烷固化层的结构示意图。如图18所示，当带有纳米线阵列23的聚二甲基硅氧烷固化层12放至在柔性基底11上时，由于柔性基底11包括塑料基底111和树脂粘结层112，可以利用树脂粘结层112将塑料基底111和聚二甲基硅氧烷固化层14粘结在一起。

图19为聚二甲基硅氧烷固化层从柔性基底脱离的过程状态图。如图19所示，当带有纳米线阵列23的聚二甲基硅氧烷固化层14与柔性基底11的树脂粘结层112粘结在一起后，将粘结聚二甲基硅氧烷固化层14的柔性基底11烘烤一定时间。烘烤温度可以为70℃～90℃，时间为15min～45min。例如：在80℃烘烤30min，聚二甲基硅氧烷固化层14中聚二甲基硅氧烷因为高温失去粘性，使得聚二甲基硅氧烷固化层14与纳米线阵列23的粘结力变小，甚至消失，将聚二甲基硅氧烷固化层14与纳米线阵列23分离，此时，纳米线阵列23可以在没有任何损伤的情况下，被树脂粘结层112粘结至塑料基底111上。应理解，图19所示的箭头只是示例性的表示聚二甲基硅氧烷固化层14脱离纳米线阵列23，并不代表实际方向。

作为一种可实现的方式，如图为了保持纳米线阵列形貌完整性，利用聚二甲基硅氧烷转移法转移第一基底包含的纳米线阵列到第二基底前，柔性传感器的制备方法还包括：

步骤102：采用酸性溶液浸泡第一基底，获得与第一基底处于离型状态的纳米线阵列。

在实际应用中，利用聚二甲基硅氧烷转移法转移第一基底包含的纳米线阵列到第二基底上前，采用酸性溶液浸泡包含纳米线阵列的第一基底，根据实测数据得到最佳浸泡时间，使纳米线阵列处于和第一基底即将掉落的情况，即纳米线阵列与第一基底处于离型状态。

上述酸性溶液可以包括：氢氟酸、磷酸、盐酸中的一种或多种。例如：采用氢氟酸浸泡包含纳米线阵列的第一基底，图20为氢氟酸浸泡包含粘纳米线阵列的第一基底形貌电镜图，如图20所示，如果未浸泡时该第一基底的氧化硅的厚度为95nm，浸泡1分钟至3分钟后，氧化硅由于氢氟酸的处理逐渐变薄，纳米线根部逐渐显出，浸泡至4分钟后，纳米线不会因为氢氟酸改变，其根部与氧化硅连接处会变得很细，处于一个即将掉落的状态，根据实测得到结论，浸泡4分钟，氧化硅的厚度76.4nm时浸泡时间最佳。

在上述实施方式的描述中，具体特征、结构、材料或者特点可以在任何的一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。

以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。