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1、(19)中华人民共和国国家知识产权局 (12)发明专利申请 (10)申请公布号 (43)申请公布日 (21)申请号 201910011530.9 (22)申请日 2019.01.07 (71)申请人 四川理工学院 地址 644000 四川省宜宾市临港经济技术 开发区大学城188号 (72)发明人 郑富中 吴晨光 杨兴 周兆英 吴英 蒲杰 张杰 (74)专利代理机构 北京金宏来专利代理事务所 (特殊普通合伙) 11641 代理人 杜正国 陆华 (51)Int.Cl. B81B 3/00(2006.01) B81C 1/00(2006.01) B82Y 30/00(2011.01) B82Y 40。
2、/00(2011.01) C01B 32/159(2017.01) G01B 7/16(2006.01) (54)发明名称 基于单壁碳纳米管悬空结构的柔性传感器 及其制作方法 (57)摘要 本发明提供基于单壁碳纳米管悬空结构的 柔性传感器及其制作方法， 利用硅微加工技术， 在柔性基底上设置电极对； 然后通过交流耦合介 电电泳的方法， 使单壁碳纳米管在悬浮液中的电 场力作用下定向沉积在柔性基底上的电极对间； 接着配比饱和的Au电镀液， 实施区域选择性电沉 积Au技术， 实现Au电极上的定域沉积Au压覆单壁 碳纳米管。 本发明实现了单根或单束单壁碳纳米 管的一维定向排布， 提高器件的灵敏性和稳定 。
3、性， 易于工业化生产。 权利要求书2页 说明书5页 附图1页 CN 109607469 A 2019.04.12 CN 109607469 A 1.单壁碳纳米管悬空结构， 其特征在于， 包括由多个平行电极对有序排列组成的电极 对阵列、 基底(1)和单壁碳纳米管(7)， 所述电极对阵列一极为设在基底(1)一侧的独立电极 阵列(5)， 另一极为设在基底(1)另一侧的非独立电极阵列(6)， 所述非独立电极阵列(6)与 信号源的输入端(2)与连接， 信号源的输出端(3)悬空放置在独立电极阵列(5)的顶部； 所述独立电极阵列(5)由若干个独立电极组成， 所述非独立电极阵列(6)由若干个相互 之间电连接的。
4、非独立电极组成， 所述单壁碳纳米管(7)定向悬空放置在独立电极和非独立 电极间。 2.根据权利要求1所述的单壁碳纳米管悬空结构， 其特征在于， 所述基底(1)为柔性基 底或硬基底。 3.根据权利要求1所述的单壁碳纳米管悬空结构， 其特征在于， 所述电极对之间的间距 小于5 m， 所述独立电极与非独立电极之间间隔为510 m， 所述独立电极与非独立电极均 为微电极， 所述微电极为金微电极或铂微电极。 4.根据权利要求1所述的单壁碳纳米管悬空结构， 其特征在于， 信号源的输出端(3)与 独立电极阵列(5)的距离为0.40.6mm。 5.根据权利要求1所述的单壁碳纳米管悬空结构， 其特征在于， 所述。
5、基底(1)表面铺设 有分散液层。 6.基于权利要求1所述的柔性传感器， 其特征在于， 包括柔性基底、 多个平行电极对有 序排列组成的电极对阵列、 单壁碳纳米管(7)， 所述电极对阵列一极为设在柔性基底一侧的 独立电极阵列， 另一极为设在柔性基底另一侧的非独立电极阵列(6)， 所述非独立电极阵列 (6)与信号源的输入端(2)与连接， 信号源的输出端(3)悬空放置在独立电极阵列(5)的顶 部； 所述独立电极阵列(5)由若干个独立电极组成， 所述非独立电极阵列(6)由若干个相互 之间电连接的非独立电极组成， 所述单壁碳纳米管(7)的两端分别与独立电极和非独立电 极固定连接。 7.根据权利要求6所述的。
6、柔性传感器， 其特征在于， 所述柔性基底为PI薄膜(8)， 柔性基 底的厚度为1030 m。 8.一种如权利要求6的柔性传感器的制作方法， 其特征在于， 包括以下步骤： S1： 利用硅微加工方法， 在柔性基底上设置排列有序的电极对阵列， 电极对阵列一极为 独立电极阵列(5)， 另一极为非独立电极阵列(6)， 其中独立电极阵列(5)包括大量以阵列形 式存在的独立电极， 非独立电极阵列(6)中所有电极均相互有电连接； S2： 先将信号源的输出端(3)悬空放置在独立电极阵列(5)上， 信号器源的输入端(2)与 非电极电极阵列(6)相连， 再将单壁碳纳米管分散剂滴加至设有电极对阵列的柔性基底表 面,使。
7、电极对阵列与信号源的输出端(3)同时处于分散剂内， 然后打开电源， 通过交流耦合 介电电泳， 使得单壁碳纳米管(7)定向悬空组装在电极对间； S3： 配比饱和的Au电镀液， 利用区域选择性电沉积， 定域沉积压覆单壁碳纳米管(7)， 使 单壁碳纳米管(7)的两端分别与独立电极阵列(5)和电极阵列(6)固定连接。 9.根据权利要求8所述的柔性传感器制作方法， 其特征在于， 所述硅微加工方法包括甩 胶、 溅射、 涂光刻胶、 光刻胶曝光并显影、 离子束刻蚀、 反应离子刻蚀、 去胶， 所述溅射厚度为 300nm500nm。 权 利 要 求 书 1/2 页 2 CN 109607469 A 2 10.根据。
8、权利要求8所述的柔性传感器制作方法， 其特征在于， 所述交流耦合介电电泳 的电泳时间47min。 权 利 要 求 书 2/2 页 3 CN 109607469 A 3 基于单壁碳纳米管悬空结构的柔性传感器及其制作方法 技术领域 0001 本发明涉及传感器技术领域， 具体涉及基于单壁碳纳米管悬空结构的柔性传感器 及其制作方法。 背景技术 0002 一维纳米材料与微结构结合的纳器件制造过程， 实现了微纳加工工艺上的创新升 级， 有可能突破微米级器件的性能极限， 并将为实现超微型化和高功能密度化的柔性器件 铺平道路。 单壁碳纳米管(Single-walled carbon nanotubes,SWN。
9、Ts)作为典型的一维纳米 材料， 由于其独特的结构而具有许多突出的物理及化学性质， 在力学、 电学、 光学及材料学 等方面有着潜在的应用， 尤其是SWNTs优异的力电特性， 使它有望成为高效能应变传感器件 的理想备选材料。 目前商用传感设备一般可分为光学传感器、 压电传感器和压阻式应变传 感器。 其中,压阻式应变传感器由于其在技术应用方面的广泛与便利， 而成为最重要的传感 设备之一。 0003 现有技术中的基于单壁碳纳米管的柔性传感器， 不易实现大规独立器件制作； 柔 性基底上的电极对距离在5微米以下， 就很难实现在一个电极对上实现单壁碳纳米管的单 根或单束的沉积； 器件稳定性不高。 发明内容。
10、 0004 本发明的目的在于提供了基于单壁碳纳米管悬空结构的柔性传感器及其制作方 法， 以解决上述背景技术中提出的问题。 0005 为实现以上目的， 本发明采用的技术方案是： 0006 单壁碳纳米管悬空结构， 包括由多个平行电极对有序排列组成的电极对阵列、 基 底和单壁碳纳米管， 所述电极对阵列一极为设在基底一侧的独立电极阵列， 另一极为设在 基底另一侧的非独立电极阵列， 所述非独立电极阵列与信号源的输入端与连接， 信号源的 输出端悬空放置在独立电极阵列的顶部； 所述独立电极阵列由若干个独立电极组成， 所述 非独立电极阵列由若干个相互之间电连接的非独立电极组成， 所述单壁碳纳米管通过交流 耦合。
11、介电电泳的方法被定向放置在独立电极和非独立电极间。 0007 优选的是： 所述基底为柔性基底或硬基底。 0008 优选的是： 所述电极对之间的间距小于5 m， 所述独立电极与非独立电极之间间隔 为510 m， 所述独立电极与非独立电极均为微电极， 所述微电极为金微电极或铂微电极。 0009 优选的是： 信号源的输出端与独立电极阵列的距离为0.40.6mm。 0010 优选的是： 所述基底表面铺设有分散液层。 0011 基于单壁碳纳米管悬空结构的柔性传感器， 包括柔性基底、 多个平行电极对有序 排列组成的电极对阵列、 单壁碳纳米管， 所述电极对阵列一极为设在柔性基底一侧的独立 电极阵列， 另一极。
12、为设在柔性基底另一侧的非独立电极阵列， 所述非独立电极阵列与信号 源的输入端与连接， 信号源的输出端悬空放置在独立电极阵列的顶部； 所述独立电极阵列 说 明 书 1/5 页 4 CN 109607469 A 4 由若干个独立电极组成， 所述非独立电极阵列由若干个相互之间电连接的非独立电极组 成， 所述单壁碳纳米管的两端分别与独立电极和非独立电极固定连接。 0012 优选的是： 所述柔性基底为PI薄膜， 柔性基底的厚度为1030 m。 0013 柔性传感器的制作方法， 包括以下步骤： 0014 S1： 利用硅微加工方法， 在柔性基底上设置排列有序的电极对阵列， 电极对阵列一 极为独立电极阵列， 。
13、另一极为非独立电极阵列， 其中独立阵列电极包括大量以阵列形式存 在的独立电极， 非独立电极阵列中所有电极均相互有电连接； 0015 S2： 先将信号源的输出端悬空放置在独立电极阵列上方， 信号源的输入端与非独 立电极阵列相连， 再将单壁碳纳米管分散剂滴加至设有电极对阵列的柔性基底中， 然后打 开信号源， 通过交流耦合介电电泳， 使得单壁碳纳米管定向悬空组装在电极对间； 0016 S3： 配比饱和的Au电镀液， 利用区域选择性电沉积， 定域沉积Au压覆单壁碳纳米 管， 使单壁碳纳米管的两端分别与独立电极阵列和非独立电极阵列固定连接。 0017 优选的是： 所述硅微加工方法包括甩胶、 溅射、 涂光。
14、刻胶、 光刻胶曝光并显影、 离子 束刻蚀、 反应离子刻蚀、 去胶， 所述溅射厚度为300nm500nm。 0018 优选的是： 所述交流耦合介电电泳的电泳时间47min。 0019 本发明实现了单根或单束单壁碳纳米管的一维定向排布， 可提高器件的灵敏性和 稳定性， 易于工业化生产， 节约生产成本； 对基底的要求低， 基底的预处理和后处理能较好 结合； 纳米尺度的材料具有尺度效应、 界面效应和体积效应， 此悬空结构器件工作时不易受 基底的影响， 最大限度避免以上效应的负面作用， 另外该器件对某些力学、 流场传感器易形 成有效传感作用结构， 增加灵敏度； 易进行后处理， 增加单壁碳纳米管器件应用的。
15、可拓展 性。 将柔性基底与硅微电子工艺相结合， 实现了在柔性基底上制作出排列有序的电极对， 电 极对间距35 m， 小间距易使单壁碳纳米管处于悬空状态， 即使是硬基底也能使单壁碳纳 米管脱离基底， 减小基底对单壁碳纳米管的性能干扰； 通过交流耦合介电电泳， 实现电极对 间单根单束单壁碳纳米管的定向排布， 可减小单壁碳纳米管混乱搭接对相互之间的干扰， 提高器件的稳定性， 耦合作用使大量独立电极能同时进行介电电泳作用， 可实现单壁碳纳 米管传感器件的大规模制备； 区域选择性电沉积Au技术和退火工艺可提高单壁碳纳米管与 电极的稳定性和接触特性， 缩小接触电阻近一个量级。 附图说明 0020 构成本发。
16、明的一部分附图用来提供对本发明的进一步理解。 在附图中： 0021 图1为单壁碳纳米管耦合介电电泳结构示意图。 0022 图2为本发明结构示意图。 0023 图中： 1为基底， 2为信号源的输入端， 3为信号源的输出端， 4为分散剂层， 5为独立 电极阵列， 6为非独立电极阵列， 7为单壁碳纳米管， 8为PI 薄膜， 9为RIE PI， 10为IBE Au， 11 为Deposited Au。 具体实施方式 0024 下面将结合本发明实施例中的附图， 对本发明实施例中的技术方案进行清楚、 完 整地描述， 显然， 所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例， 而不是全部的实施例。 基于 说 明 书 。
17、2/5 页 5 CN 109607469 A 5 本发明中的实施例， 本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他 实施例， 都属于本发明保护的范围。 0025 实施例1： 如图1所示， 单壁碳纳米管悬空结构， 包括由多个电极对有序排列组成的 电极对阵列、 基底1、 单壁碳纳米管7、 信号源的输入端2和信号源的输出端3， 电极对阵列一 极为设在基底1一侧的独立电极阵列5， 独立电极阵列5是没有电连接的， 可实现大规模独立 器件的制作， 另一极为设在基底1另一侧的非独立电极阵列6， 在传感器实现过程中， 非独立 电极阵列6与信号源的输入端2与连接， 信号源的输出端2悬空放置在独立。
18、电极阵列5的顶 部； 独立电极阵列5由若干个独立电极组成， 非独立电极阵列6由若干个相互之间电连接的 非独立电极组成， 单壁碳纳米管通过交流耦合介电电泳的方法被定向放置在独立电极和非 独立电极间。 0026 进一步的是： 基底1为柔性基底或硬基底； 电极对之间的间距小于5 m， 小间距易使 单壁碳纳米管7处于悬空状态， 即使是硬基底也能使单壁碳纳米管7脱离基底， 减小基底对 单壁碳纳米管7的性能干扰； 电极对由两个一一对应的微电极组成， 电极宽度约为3 m， 长度 约为15 m， 微电极为金微电极或铂微电极， 电极之间间隔510 m， 信号源的输出端3与独立 电极阵列 5的距离为0.40.6m。
19、m， 基底上表面铺设有分散液层4。 0027 实施例2： 基于单壁碳纳米管悬空结构的柔性传感器， 包括柔性基底、 多个电极对 有序排列组成的电极对阵列和单壁碳纳米管7， 电极对阵列一极为设在柔性基底一侧的独 立电极阵列， 另一极为设在柔性基底另一侧的非独立电极阵列6， 非独立电极阵列6与信号 源的输入端2与连接， 信号源的输出端3 悬空放置在独立电极阵列5的顶部； 独立电极阵列5 由若干个独立电极组成， 非独立电极阵列6由若干个相互之间电连接的电极组成， 单壁碳纳 米管7的两端分别与独立电极和非独立电极固定连接。 0028 进一步的是： 柔性基底为PI薄膜8， 柔性基底的厚度为1030 m。 。
20、0029 实施例3： 柔性传感器制作方法， 包括以下步骤： 0030 S1： 利用硅微加工技术， 在柔性基底上设置排列有序的平行电极对， 电极对阵列中 一极为独立电极阵列5， 另一极为非独立电极阵列6， 其中独立阵列电极5包括大量以阵列形 式存在的独立电极， 非独立电极电极阵列6中所有电极均相互有电连接， 将柔性基底与硅微 电子工艺相结合， 实现了在柔性基底上制作出排列整齐的电极对； 0031 S2： 先将信号源的输出端3悬空放置在独立电极阵列5的分散剂内， 信号源的输入 端2与电极阵列6相连； 再将单壁碳纳米管7分散于分散剂中， 滴加分散剂至设有电极对的柔 性基底上， 在一般的水中， 单壁碳。
21、纳米管7会相互吸附在一起， 而在特殊的分散剂中， 它是可 以单根存在的， 然后打开信号源， 通过交流耦合介电电泳方法， 使得单壁碳纳米管7定向悬 空在电极对间， 交流耦合介电电泳的信号源输出端不直接连在电极上， 而是通过某种介质 来感应产生耦合作用达到电泳的目的， 通过交流耦合介电电泳， 可获得电泳过程中的自限 性， 实现电极对间单根单束单壁碳纳米管7的定向排布， 可减小单壁碳纳米管7混乱搭接对 相互之间的干扰， 提高器件的稳定性。 此外， 耦合作用使大量独立电极能同时进行介电电泳 作用， 可实现单壁碳纳米管7 传感器件的大规模制备； 0032 S3： 配比饱和的Au电镀液， 利用区域选择性电。
22、沉积技术， 定域沉积Au 压覆单壁碳 纳米管7， 使单壁碳纳米管7的两端分别与独立电极阵列5和非独立电极阵列6固定连接， 区 域选择性电沉积Au技术和退火工艺可提高单壁碳纳米管7与Au电极的稳定性和接触特性， 说 明 书 3/5 页 6 CN 109607469 A 6 缩小接触电阻近一个量级， 为微纳连接的可靠性提供了一种简单、 快捷的方法。 0033 进一步的是： 硅微加工方法包括真空吸附、 溅射、 涂光刻胶、 光刻胶曝光并显影、 离 子束刻蚀、 反应离子刻蚀、 去胶， 所述溅射厚度为交流耦合介电电泳的电 泳时间47min。 0034 实施例4： 柔性传感器包括柔性基底、 多个电极对有序排。
23、列组成的电极对阵列、 单 壁碳纳米管7、 信号源的输入端2和信号源的输出端3， 电极对阵列中一极为设在柔性基底一 侧的独立电极阵列， 另一极为设在柔性基底另一侧的非独立电极阵列6， 非独立电极阵列6 与信号源的输入端2与连接， 信号源的输出端3悬空放置在独立电极阵列5的顶部； 将装置连 接完成后进行交流耦合介电电泳， 独立电极阵列与浸入分散剂层4的悬空信号源的输出端3 形成耦合作用， 分散剂层4内有分散剂， 分散剂会使单壁碳纳米管保持分散状态， 悬空信号 源的输出端3电极与独立电极阵列5的距离保持在0.5mm左右， 电泳时间约5min。 独立电极对 阵列5获得耦合作用后再与信号源的输入端2 相。
24、连的非独立电极阵列6形成非均匀电场， 对 分散剂中的单壁碳纳米管7产生定向吸引力， 对已经搭接有单壁碳纳米管7的对电极因周围 电场的改变， 会对分散剂中的单壁碳纳米管7产生相反的自限性排斥作用力， 在分散剂层4 介电常数短时间内没改变及温度稳定的情况下， 已形成单壁碳纳米管7电连接的对电极上 不会再排布其它的单壁碳纳米管7， 从而实现单壁碳纳米管7的单根单束定向有序排列； 独 立电极阵列5由若干个独立电极组成， 非独立电极阵列6由若干个相互之间电连接的电极组 成， 再通过区域选择性电沉积的方法将单壁碳纳米管7两端分别与独立电极阵列5和电极阵 列6固定。 0035 实施例5： 柔性传感器的制作步。
25、骤： 0036 1)柔性基底上制备Au电极 0037在25 m厚的PI薄膜8上溅射厚度为的Au， 可以获得电极间距为 3 m的Au电 极对阵列， 其主要工艺流程如下： 0038 a.备PI薄膜8膜片(2.5in， 厚25 m)， 清洗， 压平； b.真空吸附PI薄膜； c.溅射Au； d. 涂光刻胶； e.掩膜版正面光刻曝光并显影； f.离子束刻蚀(Ion Beam Etching,IBE)； g.反应 离子刻蚀(Reactive Ion Etching, RIE)； h.去胶。 光刻胶通过掩膜版曝光显影后用离子束 刻蚀(Ion Beam Etching,IBE)掉没有被光刻胶挡住的溅射形成的。
26、Au膜， 形成中间层IBE Au。 再用反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching,RIE)继续刻蚀无Au膜覆盖的PI 膜， 形成最 下层的RIE PI凸起， 形状与电极图形一致。 在去完胶并实施交流耦合介电泳搭接上碳纳米 管之后， 再利用选择性电沉积Au， 形成第三层 Deposited Au 0039 2)单壁碳纳米管7的单根单束定向排列 0040 柔性基底上的电极对阵列的一组阵列由等间距的独立指形电极构成， 电极对阵列 的另一组则是由相互具有电连接的指形电极构成， 电极之间间隔8 m,在进行交流介电电 泳时， 独立电极阵列5与浸入分散剂的悬空信号源的输出端3形成耦合作用， 悬。
27、空信号源的 输出端3电极与独立电极阵列5的距离保持在0.5mm左右。 独立电极对阵列5获得耦合作用后 再与信号源的输入端2相连的电极阵列6形成非均匀电场， 对分散剂中的单壁碳纳米管7产 生定向吸引力， 对已经搭接有单壁碳纳米管7的对电极， 因其周围电场的改变， 对分散剂中 的单壁碳纳米管7则会产生相反的自限性排斥作用力， 从而实现单壁碳纳米管7的单根单束 说 明 书 4/5 页 7 CN 109607469 A 7 定向排列。 0041 3)区域选择性电沉积Au 0042 在半导体和金属的交界面， 由于其不同的功函数， 将导致半导体能带弯曲。 Au的功 函数为5.1eV， 而单壁碳纳米管7功函。
28、数约为4.5eV。 正是由于两者功函数的这一差异， 在单 壁碳纳米管7与电极的交界面将产生极化使单壁碳纳米管7价带与Au电极的费米能级相等， 而电极对之间的单壁碳纳米管7 能级将向低能级弯曲。 由于价带与金属能级相等， 与Au电 极接触的单壁碳纳米管7将体现半导体特性。 因此在电镀的过程中容易沉积金属Au， 选择适 当的电镀参数可以实现选择性电沉积。 通过静电力显微镜(Electrostatic Force Microscope,EFM)对器件进行静电势分析， 结果发现， 如果以基底为零电势点， 金属电极与 单壁碳纳米管7间会产生电势差(0.30.4V)的电势差， 利用此电势差， 可实现区域选。
29、择性 电沉积。 在实施过程中， 先用1.5g的碘和1.5g 的碘化钾溶于酒精后在80恒温状态下溶解 Au至饱和制成电镀液。 在定向沉积了单壁碳纳米管7的PI薄膜8上定量滴入电镀液后， 以Au 电极对为工作电极， Ag/AgCl电极作为参考电极， 接通电源进行电沉积， 同时观察电流， 若电 流小于2.4mA时， 继续滴加电镀液。 3分钟后， 断开电源， 将PI薄膜取出用无水乙醇清洗干净 后烘干退火。 0043 实施例6， 如图2所示， 在PI膜上溅射Au， 涂光刻胶， 通过掩膜版曝光显影后用离子 束刻蚀(Ion Beam Etching,IBE)掉没有被光刻胶挡住的溅射形成的Au膜， 形成中间层。
30、IBE Au10。 再用反应离子刻蚀(Reactive Ion Etching, RIE)继续刻蚀无Au膜覆盖的PI膜， 形成 最下层的RIE PI9凸起， 形状与电极图形一致。 在去完胶并实施交流耦合介电电泳搭接上碳 纳米管之后， 再利用选择性电沉积Au， 形成第三层Deposited Au11。 0044 尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明， 对于本领域的技术人员来说， 其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改， 或者对其中部分技术特征进行等 同替换,凡在本发明的精神和原则之内， 所作的任何修改、 等同替换、 改进等， 均应包含在本 发明的保护范围之内。 说 明 书 5/5 页 8 CN 109607469 A 8 图1 图2 说 明 书 附 图 1/1 页 9 CN 109607469 A 9 。