一种柔性薄膜及其制备方法与基于柔性薄膜的传感器

技术特征：
1.一种表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜，其特征在于，柔性薄膜的正面具有均匀分布的多个微米级正四棱锥台结构(1)，正四棱锥台结构(1)的表面辅以多个随机、紧密排列的纳米级凸起结构(2)，柔性薄膜的材料为硅橡胶或水凝胶中的一种。2.根据权利要求1所述的一种表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜，其特征在于，正四棱锥台结构(1)的底面边长为3~50μm，每个正四棱锥台结构(1)之间间距与正四棱锥台结构(1)底面边长相等，凸起结构(2)近似为直径为5~500nm的半球形。3.表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜作为基底材料在电阻式、电容式或摩擦起电式柔性力学传感器中的应用。4.一种电阻式柔性力学传感器，其特征在于，由上至下包括第一封装层(3)、电极层(4)、电阻层(5)和第二封装层(6)，电阻层(5)由表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜制成，柔性薄膜正面朝上，柔性薄膜的正面涂覆有导电溶液层(7)，导电溶液层(7)主要材料为含有碳纳米管、石墨烯、炭黑、金属纳米颗粒或pedot:pss其中一种的溶液；第一封装层(3)和第二封装层(6)材料相同且均为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或表面无结构的硅橡胶中的一种。5.一种电容式柔性力学传感器，其特征在于，由上至下包括第一封装层(3)、第一电极层(8)、介电层(9)、第二电极层(10)、基底层(11)和第二封装层(6)；基底层(11)由表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜制成，介电层(9)为含有高介电常数材料的柔性薄膜；第一电极层(8)和第二电极层(10)材料相同且均由金属导电材料或者离子导电材料制成，第一电极层(8)附着至第一封装层(3)的下表面，第二电极层(10)附着至基底层(11)柔性薄膜的正面，基底层(11)柔性薄膜的正面朝上；第一封装层(3)和第二封装层(6)材料相同且均为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或表面无结构的硅橡胶中的一种。6.一种摩擦起电式柔性力学传感器，其特征在于，由上至下包括第一封装层(3)、第一电极层(8)、第一薄膜层(12)、间隔层(13)、第二电极层(10)、第二薄膜层(14)、第二封装层(6)；第一薄膜层(12)和第二薄膜层(14)材料相同且均由表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜制成，第一薄膜层(12)和第二薄膜层(14)的正面朝内相对设置；第一封装层(3)和第二封装层(6)材料相同且均为聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚酰亚胺或表面无结构的硅橡胶中的一种；第一电极层(8)和第二电极层(10)材料相同且均由金属导电材料或者离子导电材料制成，第一电极层(8)附着至第一薄膜层(12)的背面，第二电极层(10)附着至第二薄膜层(14)的正面；间隔层(13)的材料与第一封装层(3)或第二封装层(6)一致。7.一种柔性薄膜的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤一、制备硅片模板：将表面具有氧化层的单抛硅片通过光刻、显影以及经缓冲氧化物刻蚀液刻蚀后，在其抛光表面腐蚀掉规则的方形氧化硅层；接着利用四甲基氢氧化铵溶液生成的雾气对硅片进行各项异性刻蚀，制备得到低粗糙度高表面质量的微米级内凹正四棱锥台结构(1)，将硅片放入缓冲氧化物刻蚀液中去除硅片表面剩余二氧化硅层；然后利用等离子体增强化学的气相沉积或原子层沉积工艺在硅片表面沉积一层几纳米至几十纳米厚度的氧化硅层，然后将硅片放入四甲基氢氧化铵溶液中进行湿法刻蚀，以在现有结构表面形成纳米级凹陷结构，最后，将处理后的硅片放入缓冲氧化物刻蚀液中去除硅片表面剩余的二氧化硅层，制备得到表面具有经过修饰后的内凹微锥台阵列结构的硅片模板；步骤二、在步骤一中制备好的硅片模板上喷涂脱模剂，然后将按照比例配置好的柔性
聚合物材料预聚物旋涂至硅片表面并在一定温度环境中固化，最后，将固化后的柔性聚合物薄膜从硅片模板表面剥离，从而得到表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构柔性薄膜。8.根据权利要求7所述的一种柔性薄膜的制备方法，其特征在于，柔性聚合物材料为硅橡胶或水凝胶中的一种。9.根据权利要求8所述的一种柔性薄膜的制备方法，其特征在于，步骤二中，可用可腐蚀金属替代脱模剂，利用溅射工艺在硅片模板表面沉积铝薄膜，然后将附有固化后柔性薄膜的硅片放入盐酸中，便可剥离出表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构柔性薄膜。10.根据权利要求7~9任一项所述的一种柔性薄膜的制备方法，其特征在于，步骤一中，雾化处理时，将硅片固定在晶圆夹持器上并放入内有四甲基氢氧化铵溶液的雾化装置中，随后，利用雾化装置中的超声换能器将四甲基氢氧化铵溶液雾化，并且利用风动装置将雾化气体均匀分散至装置容器内，使硅片表面发生各项异性刻蚀。

技术总结
本发明属于柔性力学传感器以及微机电技术领域，具体为一种表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜及其制备方法，及基于此柔性薄膜制备的传感器，解决了背景技术中的技术问题，柔性薄膜的正面具有均匀分布的多个微米级正四棱锥台结构，正四棱锥台结构的表面辅以多个随机、紧密排列的纳米级凸起结构。本发明的表面具有经过修饰后的微锥台阵列结构的柔性薄膜表面具有微纳米级别结构，可有效提升薄膜表面比表面积，利用本发明的三种柔性力学传感器的灵敏度高、微弱压力感知能力强和测量范围广；本发明所述的方法操作步骤简单，而且实施条件要求低，满足生产成本等要求，可利用硅片模板批量制备柔性薄膜。硅片模板批量制备柔性薄膜。硅片模板批量制备柔性薄膜。


技术研发人员：余俊斌 丑修建 何剑 侯晓娟 穆继亮 耿文平 崔浩然 崔建峰
受保护的技术使用者：中北大学
技术研发日：2022.01.11
技术公布日：2022/4/8