Пьезорезистивный композит и способ его изготовления

Изобретение относится к области электротехники и предназначено для получения пьезорезистивного композита, используемого в устройствах, преобразующих механическую деформацию в электрический сигнал. Техническим результатом изобретения является упрощение способа и повышение его экономичности, расширение функциональных возможностей используемых на основе изготовленного композита датчиков за счет возможности измерений разнонаправленных деформаций и повышения чувствительности. Для этого предложен пьезорезистивный композит, состоящий из полимерного эластичного непроводящего слоя и проводящего материала, выполненного в виде нанесенного на полимерный непроводящий слой наноструктурированного слоя толщиной 10-20 нм. Пьезорезистивный композит изготавливают путем формировании полимерного эластичного непроводящего слоя, на который наносят слой проводящего материала толщиной 10-20 нм, а затем оба слоя подвергают одноосной деформации растяжения на величину относительной деформации 50-100% для получения проводящего наноструктурированного слоя. 2 н.п. ф-лы, 1 ил.

 

Изобретение относится к электронике и предназначено для получения пьезорезистивного композита, используемого в устройствах, преобразующих механическую деформацию в электрический сигнал. Может быть использовано в различных областях науки и техники для регистрации деформации материалов, в частности в акустических устройствах, для разработки высокочувствительных датчиков давления и механических параметров, например для измерений толщин, перемещений, расстояний с субмикронной степенью точности. Оно также может быть использовано в промышленности и строительстве для постоянного мониторинга деформации зданий, сооружений и других конструкций.

Известны материалы на основе полупроводниковых монокристаллов, которые используются для изготовления пьезодатчиков. Широко распространены пьезодатчики на монокристаллах кремния (см., например, Пасынков В.В., Чиркин Л.К., Шинков А.Д. "Полупроводниковые приборы." -М.: Высшая школа, стр.371-380, 1973 год). При приложении давления вдоль одной из кристаллографических осей монокристалла кремния происходит анизотропное изменение его электрической проводимости. Пьезоэффект в кремнии обусловлен сложной структурой энергетических зон носителей тока и анизотропией эффективных масс по разным направлениям в образце. При относительной деформации пьезодатчика на основе монокристалла кремния ˜10^-2 его сопротивление изменяется на ˜100%.

Недостатками при использовании полупроводниковых материалов для изготовления пьезодатчиков являются малая величина пьезочувствительности датчиков, а также малый диапазон измеряемых с их помощью деформаций вследствие большой хрупкости полупроводниковых монокристаллов. Даже очень тонкие пластины кремния при не очень больших деформациях изгиба или кручения разрушаются.

Известен способ получения пьезорезистивного композита, при котором смешивают силоксановый эластомер и ферромагнитный электропроводящий наполнитель, после чего под действием магнитного поля упорядочивают частицы наполнителя в эластомере (патент РФ №2071708, Н01В 1/06). Недостатком этого способа является сложность и длительность способа изготовления композита.

Ближайшим техническим решением является пьезорезистивный композит и способ его изготовления, заключающийся в том, что в непроводящий эластичный полимер - силикон вводят проводящий наполнитель (частицы металла, графита) с концентрацией, близкой к пороговой [WO 98/33193, Н01В 1/22, оп. 30.07.98]. При этом используют грубодисперсные от нескольких десятых мкм до нескольких мкм частицы проводящего наполнителя. Электрическое сопротивление пьезоэлектрического композита с наполнителем зависит от приложенного к нему механического напряжения, которое приводит к сближению внедренных в силикон частиц проводящего материала. Для повышения пьезочувствительности объем эластичного полимера заполняют проводящим наполнителем, металлические частицы которого имеют форму с вытянутыми острыми краями (дендриты, шипы). При деформации полученного таким образом композита края частиц сближаются до расстояний несколько нанометров, и в результате этого возникает квантовое туннелирование электронов. Причем проводимость композита возникает до момента соприкосновения металлических частиц друг с другом, что позволяет значительно повысить пьезочувствительность композита к деформациям, поскольку вероятность туннелирования электронов экспоненциально зависит от величины растяжения/сжатия полимера. Вблизи перколяционного перехода, когда объемное содержание проводящего материала в композите составляет ˜20%, электрическое сопротивление такого композита изменяется на несколько порядков по величине при относительной деформации 1-10%.

Недостатком упомянутого композита являются технологические трудности при изготовлении полимерной матрицы с металлическим наполнителем, частицы которого должны иметь заданные размеры и форму. Кроме того, пьезодатчик, изготовленный на основе упомянутого композита, функционирует таким образом, что его сопротивление всегда уменьшается как при одноосном сжатии, так и при растяжении. То есть по сигналу датчика нельзя определить, какой вид деформации вызывает изменение сопротивления полимерной матрицы с наполнителем.

Техническим результатом изобретения является

- упрощение способа и повышение его экономичности,

- расширение функциональных возможностей используемых на основе изготовленного композита датчиков - за счет возможности измерений разнонаправленных деформаций и повышения чувствительности.

Для этого предложен пьезорезистивный композит, состоящий из полимерного эластичного непроводящего слоя и проводящего материала, причем проводящий материал представляет собой нанесенный на полимерный непроводящий слой наноструктурированный слой толщиной 10-20 нм.

Предложен также способ изготовления пьезорезистивного композита, заключающийся в формировании полимерного эластичного непроводящего слоя, на который наносят слой проводящего материала толщиной 10-20 нм, а затем оба слоя подвергают одноосной деформации растяжения на величину относительной деформации 50-100% для получения проводящего наноструктурированного слоя.

В результате в проводящем слое, нанесенном, например, напылением, формируется множество регулярных разрывов сплошности, что приводит к образованию в этом слое островков проводящего материала. Расстояние между островками определяется размерами возникших трещин и при реализованной деформации составляет несколько нанометров. В таком наноструктурированном проводящем слое с нанометровыми расстояниями между островками механизм проводимости определяется квантовым туннелированием электронов. Необходимые для туннелирования размеры трещин определяют толщину проводящего слоя 10-20 нм и величину относительной деформации 50-100%. Очевидно, что расстояние между островками проводящего слоя можно целенаправленно изменять, варьируя элементный состав и толщину проводящего покрытия и материала непроводящего полимерного слоя. Покрытие полимера тонким проводящим наноструктурированным слоем с помощью напыления проводящего слоя и деформирование композита при его растяжении до величины относительной деформации 50-100% является сравнительно простой технологической операцией и осуществляется с использованием стандартной напылительной установки и простого устройства для растяжения образцов. Этот способ изготовления требует меньше материала по сравнению со способом-прототипом.

В дальнейшем при использовании такого композита в датчиках различного типа при его деформации расстояние между островками проводящего слоя изменяется, при подключении электродов к внешнему источнику электрического напряжения через проводящий слой вследствие квантового туннелирования электронов течет ток, вероятность туннелирования электронов зависит от величины проложенной к композиту силы, вызывающей его сжатие или растяжение. Поэтому сопротивление проводящего слоя изменяется при приложении механического напряжения к указанному слоистому пьезорезистивному композиту. Этот композит может использоваться для изготовления пьезодатчиков. По значению сопротивления проводящего слоя композита с помощью предварительной калибровки определяют величину и вид (сжатие или растяжение) испытываемой пьезодатчиком деформации.

На чертеже дана зависимость сопротивления наноструктурированного проводящего слоя из золота толщиной 20 нм на полимерной каучуковой пленке R от величины относительной деформации ΔL/L при растяжении.

Способ осуществляют следующим образом. На эластичную полимерную пленку, например, из каучука, с помощью напыления наносят тонкий 10-20 нм слой проводящего материала, например золота. Очевидно, что можно использовать и другие проводящие материалы (медь, алюминий, углерод и др.), выбор золота связан с его инертностью в атмосфере. Затем пленку с нанесенным проводящим слоем подвергают одноосной деформации растяжения на величину относительной деформации 50-100% для формирования в проводящем напыленном слое множества регулярных разрывов сплошности, что приводит к образованию в напыленном слое островков проводящего материала. Растягивающее усилие лежит в плоскости соединения слоев. Расстояние между островками определяется размерами возникших трещин и при реализованной деформации составляет несколько нанометров.

Этим способом был изготовлен образец размером 20×4×0,1 мм из каучуковой пленки с нанесенным на нее слоем золота толщиной 20 нм. Для проведения измерений на противоположные концы изготовленного образца были нанесены проводящей пастой контактные площадки. Одноосное сжатие и растяжение образца осуществляют с помощью специального устройства, позволяющего измерять изменение длины образца. При каждой операции сжатия или растяжения проводят измерение сопротивления проводящего слоя (см. чертеж), которое ставят в соответствие с величиной относительной деформации образца. При растяжении на 10%, как видно из графика, сопротивление проводящего слоя возрастает на два порядка. При одноосном сжатии образца сопротивление проводящего слоя уменьшается. Это связано с тем, что одноосное сжатие образца приводит к сближению островков проводящего слоя, вероятность туннелирования электронов при этом возрастает, увеличивается протекающий ток, сопротивление проводящего слоя уменьшается. При растяжении образца ситуация обратная, что приводит к росту сопротивления проводящего слоя. Таким образом, по характеру изменения сопротивления проводящего слоя определяют величину и вид испытываемой композитом деформации, используя данные калибровочных измерений.

1. Пьезорезистивный композит, состоящий из полимерного эластичного непроводящего слоя и проводящего материала, отличающийся тем, что проводящий материал представляет собой нанесенный на непроводящий полимерный эластичный слой наноструктурированный слой толщиной 10-20 нм.

2. Способ изготовления пьезорезистивного композита, заключающийся в формировании полимерного эластичного непроводящего слоя, отличающийся тем, что на полимерный эластичный непроводящий слой наносят слой проводящего материала толщиной 10-20 нм, а затем оба слоя подвергают одноосной деформации растяжения на величину относительной деформации 50-100% для получения проводящего наноструктурированного слоя.