具有高透明度和可拉伸性电容的触觉传感器及其制备方法与流程

1.本发明属于传感器制备技术领域，特别是涉及具有高透明度和可拉伸性电容的触觉传感器及其制备方法。


背景技术：

2.随着科技的发展、社会的进步，触觉传感器在人机交互、虚拟现实及便携式电子设备等领域起到决定性的作用。对于柔性智能屏幕、弯曲光学投影和医疗皮肤设备，触觉传感器阵列的透明度、鲁棒性、准确性以及抗变形干扰能力极其重要。对于高透明度，透射率特性赋予了许多光学应用，包括高效太阳能电池、植入式电子设备，以及视觉感知能力和作为生物相容性传感器和显示器等。对于的拉伸性，可以通过采用多层薄膜、金属网格、波纹结构等先进的策略进行构建，拉伸电子器件的设计和制造已经取得了重大进展。但目前触觉传感器不能同时满足高透明度和可拉伸性的功能，研究能够同时满足高透明度和可拉伸性的功能触觉传感器具有十分重要的意义。


技术实现要素：

3.针对现有技术的不足，为解决上述问题，本发明提供一种具有高透明度和可拉伸性电容的触觉传感器，采用基于蛇形银纳米纤维网络的触觉传感器，使用银纳米纤维网络和图案化蛇形制造技术制造用于检测表面敏感信号的核心交互元件，保证传感器具有高透明性及可拉伸性。
4.本发明的技术方案是：
5.一种具有高透明度和可拉伸性电容的触觉传感器，从底部向上每层依次为底部pdms衬底层、底部pi增强层、中间pdms隔离层、顶部pi增强层和顶部pdms衬底层；其中，底部pi增强层和顶部pi增强层中分别嵌入纳米纤维导电层以作为相应的底部纳米纤维导电层和顶部纳米纤维导电层。
6.所述的底部纳米纤维导电层和顶部纳米纤维导电层在水平层面上分别沿x轴和y轴布置；纳米纤维导电层的材质为银纳米纤维，由多条平行的连续等间距拱形组成，呈蛇形布置，形成图案化蛇形电极结构。
7.工作原理如下：
8.底部纳米纤维导电层和顶部纳米纤维导电层构成小型集成电容单元，互相垂直放置的导电层交叉区域作为触觉界面。在对两个纳米纤维导电层进行终端扫描时，当手指触摸电容像素时，将改变电容之间的距离，从而调整纳米纤维电极之间的电容，形成了新的功能电容器，实现了从低电平到高电平的电容转换。
9.一种具有高透明度和可拉伸性电容的触觉传感器的制备方法，包括以下步骤：
10.步骤(1)制备银纳米纤维网络结构：
11.在接地绝缘环境下，采用聚乙烯醇(pva)溶液，在工作电压10kv-20kv下进行纺丝，并90
°
调整基板方向再次纺丝，得到纳米纤维网络；对获得的纳米纤维网络进行蒸汽处理，
并在80-120w功率下使用磁控溅射对纳米纤维网络沉积银，获得银纳米纤维网络。
12.步骤(2)将银纳米纤维网络转移到聚合物基板上：
13.在硅片上以2500-3500r/min的速度旋转涂覆聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)20-40s获得pmma层，然后在160-200℃的热板上烘烤100-140s；然后再在pmma层上以3500-4500r/min的速度旋转涂覆聚酰胺酸(pi)溶液50-70s，形成pi层，硅片、pmma层和pi层三层结构整体作为晶片。
14.将步骤(1)获得的银纳米纤维网络放置在晶片的pi层上，并使用氮气轻吹晶片；然后将晶片放在热板以140-160℃烘烤8-12min，再在真空炉中以240-260℃烘烤100-140min，固化嵌入银纳米纤维网络的pi层；在pi层上覆盖中空掩膜钢，通过热蒸镀技术，在气压4
×
10-4
pa以下，以2-4埃/s的蒸发速率在pi层的掩膜钢空心部分沉积280-320nm的ag，作为电极输出端部分；然后在pi层上表面继续制备pi层以完全包覆银纳米纤维网络及电极输出端。
15.步骤(3)蚀刻蛇形痕迹：
16.在pi层上，通过80-120w功率、0.3-0.5pa条件下磁控溅射沉积二氧化硅(sio2)牺牲层，厚度80-120nm，并采用光刻法形成蛇形光刻胶图案作为保护层；依次使用六氟化硫(sf6)和氧气(o2)通过反应离子蚀刻(rie)方法去除并清洁晶片未被保护的区域；采用湿法蚀刻工艺，分别使用氢氧化铵、双氧水、水混合刻蚀晶片未被保护的银纳米纤维网络；随后采用氧气(o2)通过反应离子蚀刻(rie)方法去除晶片结构最上面未被保护的pi层；最后采用缓冲氧化物蚀刻剂(boe)去除保护层顶端二氧化硅(sio2)牺牲层。
17.步骤(4)转移与粘结图形化纳米纤维网络电极：
18.利用水溶性胶带(3m胶带)将整个结构与硅片脱离，然后浸泡在40-60℃的丙酮中去除晶片中的pmma层；随后用磁控溅射法蒸镀cr和sio2做保护；在新的硅片上依次制备一层pmma和一层pdms，并用臭氧等离子体处理pdms层表面，以增强与pi的粘附力；将电极结构转移到所制备的pdms表面上；利用水溶性胶带(3m胶带)置于水中溶解8-12h，将整个结构与硅片脱离获得上层电极阵列；
19.然后以同样的方法制备下层电极阵列；
20.在其中一个电极阵列的表面旋涂一层pdms，并在50-70℃的温度下固化8-12分钟；
21.将两个电极阵列进行垂直和面对面的粘接固化，并去除结构外层pmma，得到具有透明和可拉伸电容矩阵的触觉电子器件；
22.步骤(5)将组合结构与柔性扁平电缆(ffc)互连：
23.在170-190℃回流炉中，将电极输出端与柔性扁平电缆粘结焊接并注胶加固以完成触觉传感器阵列的制备。
24.本发明的有益效果：
25.1.本发明使用静电纺丝法制备银纳米纤维网络，由于沉积方向性和纳米纤维接头的影响，金属银可以优先沉积在聚合物纤维的两侧，形成具有两个凹形横截面的中空纳米纤维，并构成稳定接头。制造的中空纳米纤维可以形成大尺寸(高达20
×
20cm)和相当均匀(《5％差异)的薄膜，具有高导电性薄膜沉积方法的高质量和高纯度特点。
26.2.所制备的连续蛇形银纳米纤维网络电极阵列能够承受包括弯曲、扭转和拉伸在内的任意变形。
27.3.本发明制备的触觉传感器具有皮肤般的一致性和可牵引性，可实现皮肤般的透
明度和可拉伸性。
28.4.本发明所制备的纳米纤维网络电极分别在3000次横向和垂直拉伸变形(应变为50％)后具有显著稳定的导电性(电阻变化《5％)，具有非常规可拉伸性(高达60％应变)和可弯曲性(低至r＝1mm曲率)，并且即使在压力和双轴拉伸下也显示出稳定的电容特性，为该触觉传感器在复杂的机械变形下提供了相当可靠的性能。
29.5.本发明可应用在电子皮肤、柔性智能屏幕、弯曲光学投影领域，且制备工艺简单，成本低廉，具有良好应用前景。
附图说明
30.图1是本发明的制造工艺流程图。
31.图中：1pva溶液，2磁控溅射，3银纳米纤维网络，4pi，5pmma，6硅片，7磁控溅射sio2牺牲层，8rie，9蚀刻，10水溶性胶带，11丙酮，12磁控溅射cr、sio2，13臭氧等离子体，14pdms，15pmma，16水，17稀硝酸。
32.图2是本发明的分解示意图。
33.图中：18底层pdms衬底，19底层pi增强层，20底部纳米纤维导电层，21中间pdms隔离层，22顶部纳米纤维导电层，23顶部pi增强层，24顶部pdms衬底层。
34.图3是本发明中由纳米纤维网络组成的多个平行蛇形电极的结构示意图。
35.图4(a)和图4(b)分别是本发明由纳米纤维网络组成的多个平行蛇形电极及俯视图的扫描电镜图像。
36.图5、图6和图7分别是实施例1、2、3中本发明制备的纳米纤维网络的扫描电镜图像。
37.图8(a)和图8(b)为所制备的触觉传感器阵列和其中一个电容单元的示意图。
38.图9为弯曲、扭转和拉伸变形下力学的三维有限元结果，以及使用该传感器阵列手写“s”、“o”和“e”信号图。弯曲、扭转和拉伸变形的曲率半径为5cm，旋转角度为45
°
，拉伸应变为20％。
具体实施方式
39.以下结合附图、技术方案以及实施例，进一步对本发明的加以说明。
40.一种具有高透明度和可拉伸性电容的触觉传感器阵列，如图2所示，包括底层pdms衬底18(90-110μm)、底层pi增强层19(180-220nm)、底部纳米纤维导电层20(180-220nm)、中间pdms隔离层21(8-12μm)、顶部纳米纤维导电层22(180-220nm)、顶部pi增强层23(180-220nm)、顶部pdms衬底层24(90-110μm)。
41.其中，底部纳米纤维导电层和顶部纳米纤维导电层在水平层面上分别沿x轴和y轴布置；纳米纤维导电层为由银纳米纤维网络构成的图案化蛇形电极结构。银纳米纤维网络具有透明性、导电性和可拉伸性。
42.图案化蛇形电极结构如图3所示，关键参数为：电极的主要形状由七条连续拱形的平行线组成。外半径和内半径分别对应于700μm和400μm。每条线和间隙的宽度均匀分布，间距为25μm，一个周期结构长度设计为2500μm。
43.制备该高透明度和可拉伸性电容的触觉传感器阵列，具体如下：
44.实施例1：
45.步骤(1)制备银纳米纤维网络结构：
46.在接地绝缘环境下，采用聚乙烯醇(pva)溶液，在工作电压在10kv下进行纺丝，并90
°
调整基板方向再次纺丝，得到纳米纤维网络。对获得的纳米纤维网络进行蒸汽处理，并在120w功率下使用磁控溅射对纳米纤维网络沉积银，获得银纳米纤维网络。
47.步骤(2)将银纳米纤维网络转移到聚合物基板上：
48.在硅片上以3500r/min的速度旋转涂覆聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)20s获得pmma层，然后在200℃的热板上烘烤100s；然后再在pmma层上以4500r/min的速度旋转涂覆聚酰胺酸(pi)溶液50s，形成pi层，硅片、pmma层和pi层三层结构整体作为晶片。
49.将步骤(1)获得的银纳米纤维网络放置在晶片的pi层上，并使用氮气轻吹晶片；然后将晶片放在热板以140℃烘烤8min，再在真空炉中以240℃烘烤100min，固化嵌入银纳米纤维网络的pi层；在pi层上覆盖中空掩膜钢，通过热蒸镀技术，在气压4
×
10-4
pa以下，以2埃/s的蒸发速率在pi层的掩膜钢空心部分沉积280nm的ag，作为电极输出端部分；然后在pi层上表面继续制备pi层以完全包覆银纳米纤维网络及电极输出端。
50.步骤(3)蚀刻蛇形痕迹：
51.在pi层上，通过80w功率、0.3pa条件下磁控溅射沉积二氧化硅(sio2)牺牲层，厚度80nm，并采用光刻法形成蛇形光刻胶图案作为保护层；依次使用六氟化硫(sf6)和氧气(o2)通过反应离子蚀刻(rie)方法去除并清洁晶片未被保护的区域；采用湿法蚀刻工艺，分别使用氢氧化铵、双氧水、水混合刻蚀晶片未被保护的银纳米纤维网络；随后采用氧气(o2)通过反应离子蚀刻(rie)方法去除晶片结构最上面未被保护的pi层；最后采用缓冲氧化物蚀刻剂(boe)去除保护层顶端二氧化硅(sio2)牺牲层。
52.步骤(4)转移与粘结图形化纳米纤维网络电极：
53.利用水溶性胶带(3m胶带)将整个结构与硅片脱离，然后浸泡在40℃的丙酮中去除晶片中的pmma层；随后用磁控溅射法蒸镀cr和sio2做保护；在新的硅片上依次制备一层pmma和一层pdms，并用臭氧等离子体处理pdms层表面，以增强与pi的粘附力；将电极结构转移到所制备的pdms表面上；利用水溶性胶带(3m胶带)置于水中溶解8h，将整个结构与硅片脱离获得上层电极阵列；
54.然后以同样的方法制备下层电极阵列；
55.在其中一个电极阵列的表面旋涂一层pdms，并在50℃的温度下固化8分钟；
56.将两个电极阵列进行垂直和面对面的粘接固化，并去除结构外层pmma，得到具有透明和可拉伸电容矩阵的触觉电子器件；
57.步骤(5)将组合结构与柔性扁平电缆(ffc)互连：
58.在170℃回流炉中，将电极输出端与柔性扁平电缆粘结焊接并注胶加固以完成触觉传感器阵列的制备。
59.实施例2：
60.步骤(1)制备银纳米纤维网络结构：
61.在接地绝缘环境下，采用聚乙烯醇(pva)溶液，在工作电压在15kv下进行纺丝，并90
°
调整基板方向再次纺丝，得到纳米纤维网络。对获得的纳米纤维网络进行蒸汽处理，并在100w功率下使用磁控溅射对纳米纤维网络沉积银，获得银纳米纤维网络。
62.步骤(2)将银纳米纤维网络转移到聚合物基板上：
63.在硅片上以3000r/min的速度旋转涂覆聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)30s获得pmma层，然后在180℃的热板上烘烤120s；然后再在pmma层上以4000r/min的速度旋转涂覆聚酰胺酸(pi)溶液60s，形成pi层，硅片、pmma层和pi层三层结构整体作为晶片。
64.将步骤(1)获得的银纳米纤维网络放置在晶片的pi层上，并使用氮气轻吹晶片；然后将晶片放在热板以150℃烘烤10min，再在真空炉中以250℃烘烤120min，固化嵌入银纳米纤维网络的pi层；在pi层上覆盖中空掩膜钢，通过热蒸镀技术，在气压4
×
10-4
pa以下，以3埃/s的蒸发速率在pi层的掩膜钢空心部分沉积300nm的ag，作为电极输出端部分；然后在pi层上表面继续制备pi层以完全包覆银纳米纤维网络及电极输出端。
65.步骤(3)蚀刻蛇形痕迹：
66.在pi层上，通过100w功率、0.4pa条件下磁控溅射沉积二氧化硅(sio2)牺牲层，厚度100nm，并采用光刻法形成蛇形光刻胶图案作为保护层；依次使用六氟化硫(sf6)和氧气(o2)通过反应离子蚀刻(rie)方法去除并清洁晶片未被保护的区域；采用湿法蚀刻工艺，分别使用氢氧化铵、双氧水、水混合刻蚀晶片未被保护的银纳米纤维网络；随后采用氧气(o2)通过反应离子蚀刻(rie)方法去除晶片结构最上面未被保护的pi层；最后采用缓冲氧化物蚀刻剂(boe)去除保护层顶端二氧化硅(sio2)牺牲层。
67.步骤(4)转移与粘结图形化纳米纤维网络电极：
68.利用水溶性胶带(3m胶带)将整个结构与硅片脱离，然后浸泡在50℃的丙酮中去除晶片中的pmma层；随后用磁控溅射法蒸镀cr和sio2做保护；在新的硅片上依次制备一层pmma和一层pdms，并用臭氧等离子体处理pdms层表面，以增强与pi的粘附力；将电极结构转移到所制备的pdms表面上；利用水溶性胶带(3m胶带)置于水中溶解10h，将整个结构与硅片脱离获得上层电极阵列；
69.然后以同样的方法制备下层电极阵列；
70.在其中一个电极阵列的表面旋涂一层pdms，并在60℃的温度下固化10分钟；
71.将两个电极阵列进行垂直和面对面的粘接固化，并去除结构外层pmma，得到具有透明和可拉伸电容矩阵的触觉电子器件；
72.步骤(5)将组合结构与柔性扁平电缆(ffc)互连：
73.在180℃回流炉中，将电极输出端与柔性扁平电缆粘结焊接并注胶加固以完成触觉传感器阵列的制备。
74.实施例3：
75.步骤(1)制备银纳米纤维网络结构：
76.在接地绝缘环境下，采用聚乙烯醇(pva)溶液，在工作电压在20kv下进行纺丝，并90
°
调整基板方向再次纺丝，得到纳米纤维网络。对获得的纳米纤维网络进行蒸汽处理，并在80w功率下使用磁控溅射对纳米纤维网络沉积银，获得银纳米纤维网络。
77.步骤(2)将银纳米纤维网络转移到聚合物基板上：
78.在硅片上以2500r/min的速度旋转涂覆聚甲基丙烯酸甲酯(pmma)40s获得pmma层，然后在160℃的热板上烘烤140s；然后再在pmma层上以3500r/min的速度旋转涂覆聚酰胺酸(pi)溶液70s，形成pi层，硅片、pmma层和pi层三层结构整体作为晶片。
79.将步骤(1)获得的银纳米纤维网络放置在晶片的pi层上，并使用氮气轻吹晶片；然
后将晶片放在热板以160℃烘烤12min，再在真空炉中以260℃烘烤140min，固化嵌入银纳米纤维网络的pi层；在pi层上覆盖中空掩膜钢，通过热蒸镀技术，在气压4
×
10-4
pa以下，以4埃/s的蒸发速率在pi层的掩膜钢空心部分沉积320nm的ag，作为电极输出端部分；然后在pi层上表面继续制备pi层以完全包覆银纳米纤维网络及电极输出端。
80.步骤(3)蚀刻蛇形痕迹：
81.在pi层上，通过120w功率、0.5pa条件下磁控溅射沉积二氧化硅(sio2)牺牲层，厚度120nm，并采用光刻法形成蛇形光刻胶图案作为保护层；依次使用六氟化硫(sf6)和氧气(o2)通过反应离子蚀刻(rie)方法去除并清洁晶片未被保护的区域；采用湿法蚀刻工艺，分别使用氢氧化铵、双氧水、水混合刻蚀晶片未被保护的银纳米纤维网络；随后采用氧气(o2)通过反应离子蚀刻(rie)方法去除晶片结构最上面未被保护的pi层；最后采用缓冲氧化物蚀刻剂(boe)去除保护层顶端二氧化硅(sio2)牺牲层。
82.步骤(4)转移与粘结图形化纳米纤维网络电极：
83.利用水溶性胶带(3m胶带)将整个结构与硅片脱离，然后浸泡在60℃的丙酮中去除晶片中的pmma层；随后用磁控溅射法蒸镀cr和sio2做保护；在新的硅片上依次制备一层pmma和一层pdms，并用臭氧等离子体处理pdms层表面，以增强与pi的粘附力；将电极结构转移到所制备的pdms表面上；利用水溶性胶带(3m胶带)置于水中溶解12h，将整个结构与硅片脱离获得上层电极阵列；
84.然后以同样的方法制备下层电极阵列；
85.在其中一个电极阵列的表面旋涂一层pdms，并在70℃的温度下固化12分钟；
86.将两个电极阵列进行垂直和面对面的粘接固化，并去除结构外层pmma，得到具有透明和可拉伸电容矩阵的触觉电子器件；
87.步骤(5)将组合结构与柔性扁平电缆(ffc)互连：
88.在190℃回流炉中，将电极输出端与柔性扁平电缆粘结焊接并注胶加固以完成触觉传感器阵列的制备。
89.结果对比分析
90.图4(a)和图4(b)为该触觉传感器多个平行蛇形电极及俯视图的扫描电镜图像，形成的纳米纤维网络均匀，纺丝效果较好,蛇形电极平行排列，能够获得高透明度和可拉伸性。
91.图5为通过对装有pva溶液的纺织针头加压10kv进行纺丝形成的纳米纤维扫描电镜图，从图5可以看出，纺丝过程不稳定，常出现珠粒或无法成丝。
92.图6为通过对装有pva溶液的纺织针头加压15kv进行纺丝形成的纳米纤维扫描电镜图，从图6可以看出，纤维直径不匀，分布不均。
93.图7为通过对装有pva溶液的纺织针头加压20kv进行纺丝形成的纳米纤维扫描电镜图，从图7可以看出，纤维直径较小，均匀完整。
94.图8(a)和图8(b)为所制备的触觉传感器阵列和其中一个电容单元的示意图。底部纳米纤维导电层和顶部纳米纤维导电层在水平层面上分别沿x轴和y轴布置，形成触觉传感器阵列。纳米纤维网络电极的交叉区域构成用于触摸传感的电容单元，在无/有接触的情况下，每个电容单元电容为5pf和40pf值，实现了从低电平到高电平的明显电容转换。
95.图9为弯曲、扭转和拉伸变形下力学的三维有限元结果，以及使用该传感器阵列手
写“s”、“o”和“e”信号图。弯曲、扭转和拉伸变形的曲率半径为5cm，旋转角度为45
°
，拉伸应变为20％。在三种受力状态下，由于该触觉传感器的高透明度、可拉伸性，可以清晰地观察屏幕上显示的内容，显示内容正确，没有明显的偏移。
96.由以上技术方案可以看出，本发明的一种触觉传感器阵列，可以得到高透明度、可拉伸性的触觉传感器，可广泛应用于显示器触摸屏等领域。