用于指纹传感器的抗静电涂料及其制备方法、指纹传感器

技术领域

本发明涉及指纹传感器技术领域，尤其涉及一种用于指纹传感器的抗静电涂料。

背景技术

指纹模组需要与用户手指的指纹接触实现识别功能，而人体附带的静电却有可能使指纹模组功能失效。其中，半导体指纹传感器是目前应用率最高的指纹传感器，其采用半导体工艺制造。静电防护一直是半导体指纹传感器的薄弱点。现有的半导体指纹传感器通常在芯片本体4上的电容感测单元2的同一层上设置静电泄放金属网1，如图1所示，这样的做法通常抗静电能力较弱，所以需要增加表面防护层3的厚度来改良抗静电特性，例如将表面防护3层增加到150μm以上，甚至到300μm，但这样做的结果导致获取的指纹图像质量急剧下降。

现有的抗静电涂料，如中国专利CN 113337200公开的碳纳米管涂料，虽然能获得厚度＜10μm碳纳米管防静电涂层，但烘干后的碳纳米管防静电涂层还需要在相对湿度为60％～100％、温度为35℃～80℃的条件下处理一段时间，然后再进行UV光固化后才能获得方阻≤10

发明内容

本发明所要解决的技术问题在于，提供一种用于指纹传感器的抗静电涂料，静电防护能力强同时不影响指纹传感器的识别灵敏度高。

本发明还要解决的技术问题在于，提供一种用于指纹传感器的抗静电涂料的制备方法，成本低，工艺简单。

本发明还要解决的技术问题在于，提供一种指纹传感器，能够同时兼顾防静电和识别灵敏度。

为了解决上述问题，第一方面，本发明提供了一种用于指纹传感器的抗静电涂料，包括碳纳米管和溶剂，所述碳纳米管和溶剂的质量比为（1~5）:100；

所述碳纳米管包括单壁碳纳米管与多壁碳纳米管；所述单壁碳纳米管与所述多壁碳纳米管的质量比为（3~15）:1，所述单壁碳纳米管的外径为1~2nm，长度为0.5~30μm，所述多壁碳纳米管的外径为2~15nm，长度为5~50μm；

所述溶剂包括以下质量份的原料：1~5份聚乙烯吡咯烷酮、1~5份胆酸钠、5~10分散剂、150~250份去离子水和50~150份乙酸乙酯。

作为上述方案的改进，所述单壁碳纳米管与所述多壁碳纳米管的质量比为（10~15）:1，所述单壁碳纳米管的外径为1~2nm，长度为5~30μm，所述多壁碳纳米管的外径为8~15nm，长度为5~50μm。

作为上述方案的改进，所述单壁碳纳米管与所述多壁碳纳米管的质量比为（3~5）:1，所述单壁碳纳米管的外径为1~2nm，长度为0.5~2μm，所述多壁碳纳米管的外径为2~4nm，长度为5~15μm。

作为上述方案的改进，所述碳纳米管中金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管的质量比为（5~10）:1。

第二方面，本发明提供了一种抗静电涂料的制备方法，包括以下步骤：

按比例将碳纳米管和溶液放入容器中进行球磨，得到均匀分散的混合溶液，其中，球磨的速度为450~600rpm，时间为1~3h；

将所述混合溶液进行离心，取出上清液，得到所述抗静电涂料。

作为上述方案的改进，离心速度为5500~7000 r/min，时间为2~5min。

第三方面，本发明提供了一种指纹传感器，包括指纹芯片和设置在指纹芯片接触面上的导电层，所述导电层由上述抗静电涂料制成。

作为上述方案的改进，所述导电层的厚度≤500nm，方阻≤500 Ω/☐。

作为上述方案的改进，所述导电层的制作方法包括：

将所述静电涂料喷涂在接触面的非感应区上，然后烘干，烘干温度为70~90℃，烘干时间为90~150s。

作为上述方案的改进，所述指纹芯片为半导体指纹芯片或COG指纹芯片。

实施本发明，具有如下有益效果：

本发明的抗静电涂料首先通过控制单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的比例以及单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的外径和长度，以获得导电网络连续且均匀的防静电涂层。此外，通过控制碳纳米管中金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管的比例，以获得导电性能好的防静电涂层。最后，配合特制的溶剂来分散碳纳米管，避免碳纳米管在溶剂挥发过程中发生微观相分离，最终使得单壁碳纳米管和多壁碳纳米管形成连续、均匀的导电网络结构。

本发明抗静电涂料的制备方法操作简单，成本低。

本发明的指纹传感器通过在接触面上设置厚度≤500nm，方阻≤500Ω/☐的导电层，可以同时兼顾指纹传感器的抗静电能力和识别能力。

附图说明

图1是现有半导体指纹传感器的结构示意图；

图2是由本发明抗静电涂料制成的导电层的透射电子显微镜图；

图3是由单壁碳纳米管形成的防静电结构的透射电子显微镜图。

图4是本发明指纹传感器的结构示意图。

实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图对本发明作进一步地详细描述。仅此声明，本发明在文中出现或即将出现的上、下、左、右、前、后、内、外等方位用词，仅以本发明的附图为基准，其并不是对本发明的具体限定。

本发明提供的一种用于指纹传感器的抗静电涂料，包括碳纳米管和溶剂，其中碳纳米管和溶剂的质量比为（1~5）:100。

碳纳米管的直径为纳米级别，长度可以从纳米级别延伸到微米级，其中碳纳米管分为多壁碳纳米管和单壁碳纳米管。单壁碳纳米管全部由碳原子构成，几何结构可以视为由单层石墨烯卷曲而成，结构决定性质，因此单壁碳纳米管具有优异的电子、机械、力学等性能。双壁碳纳米管是由两层石墨烯卷曲形成，具有较好的金属及半导体性质。

研究发现，单壁碳纳米管与多壁碳纳米管的数量比例达到某一范围值时，由碳纳米管导电涂料制成的导电层的防静电效果明显提高，其中单壁碳纳米管和多壁碳纳米管形成的导电网络连接且均匀，如图2所示。

但在实际制作本发明导电层的时候难以直接控制单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的数量，申请人发现通过控制单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的质量比以及单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的外径和长度，同样能够获得导电网络连续且均匀的导电层。具体的，单壁碳纳米管与多壁碳纳米管的质量比为（3~15）:1，单壁碳纳米管的外径为1~2nm，长度为0.5~30μm，多壁碳纳米管的外径为2~15nm，长度为5~50μm。

为了能够更精准地控制单壁碳纳米管和多壁碳纳米管的数量比，优选地，单壁碳纳米管与多壁碳纳米管的质量比为（10~15）:1，单壁碳纳米管的外径为1~2nm，长度为5~30μm，壁碳纳米管的外径为8~15nm，长度为5~50μm。

优选地，单壁碳纳米管与多壁碳纳米管的质量比为（3~5）:1，单壁碳纳米管的外径为1~2nm，长度为0.5~2μm，多壁碳纳米管的外径为2~4nm，长度为5~15μm。

根据导电性的不同，碳纳米管又可分为金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管。金属性碳纳米管具有优异的导电性能，可用于制备导线和导电薄膜；半导体性碳纳米管则可用于制备场效应晶体管等半导体器件。

金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管的介电常数具有显著差异，金属性碳纳米管的介电常数远远大于半导体性碳纳米管，申请人研究发现，金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管的质量比为（5~10）:1时，由碳纳米管导电涂料制成的导电层的防静电效果明显提高，且导电层与基板的附着力大。

更重要的是，现有碳纳米管的制备方法难以制备高纯度的金属性碳纳米管或半导体性碳纳米管，需要通过分离提纯的方法才能将金属性碳纳米管或半导体性碳纳米管分离提纯。

为了降低本发明抗静电涂料的成本，本发明将金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管的质量比控制在（5~10）:1的范围，可以将碳纳米管原料的成本降低50%。优选地，金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管的质量比为（6~8）:1。

现有碳纳米管防静电涂料一般是通过将碳纳米管分散在溶液中，再与树脂、溶剂混合后形成的。但在实际应用过程中，由于碳纳米管分散液与树脂或溶剂的相容性存在问题，在溶剂快速挥发过程中容易发生微观相分离，无法形成连续均匀的导电网络，导致碳纳米管薄膜电阻较高，一般在10

为了降低本发明导电层的方阻，本发明除了选择了一定比例的单壁碳纳米管和多壁碳纳米管、以及一定比例金属性碳纳米管和半导体性碳纳米管进行混合，还配合特制的溶剂来分散碳纳米管，避免碳纳米管在溶剂挥发过程中发生微观相分离，最终使得单壁碳纳米管和多壁碳纳米管形成连续、均匀的导电网络结构。

具体的，本发明的溶剂包括以下质量份的原料：1~5份聚乙烯吡咯烷酮、1~5份胆酸钠、5~10分散剂、150~250份去离子水和50~150份乙酸乙酯。

优选地，碳纳米管和溶剂的质量比为（1~5）:100。

具体的，本发明抗静电涂料的制备方法，包括以下步骤：

按比例将碳纳米管和溶液放入容器中进行球磨，得到均匀分散的混合溶液；

将混合溶液进行离心，取出上清液，得到抗静电涂料。

球磨的速度和时间对单壁碳纳米管和多壁碳纳米管能否形成均匀、连续的导电网络结构起着重要的作用。

优选地，球磨的速度为450-600rpm，时间为1~3h。更优地，球磨的速度为500-550rpm，时间为1.5~2.5h。另外，离心速度为5500~7000 r/min，时间为2~5min。

本发明的分散剂为市售或自研，可以选用Tween 60、PEG1000、PEG4000、PVP、油酸、Triton X-100中的一种或几种。

图2是由本发明抗静电涂料制成的导电层的透射电子显微镜图，本发明由单壁碳纳米管和多壁碳纳米管形成的导电层，管与管之间的距离大，能够形成连续均匀的导电网络结构。图3是由单壁碳纳米管形成的导电层的透射电子显微镜图，从图中可以看出单壁碳纳米管之间的缠绕十分严重，这是因为单壁碳纳米管具有很大的长径比，管与管之间的范德华力比较强，缠绕十分严重，由此可知，由单壁碳纳米管形成的防静电结构分布不均匀，会严重影响防静电结构的抗静电效果。

参见图4，本发明还提供了一种指纹传感器，包括指纹芯片1和设置在指纹芯片1接触面上的导电层2，所述导电层2由本发明的抗静电涂料制成。

研究发现，导电层2的厚度≤500nm，方阻≤500Ω/☐时，指纹传感器能够通过抗静电测试，且指纹传感器的识别灵敏度不受影响。优选地，导电层2的厚度为50~300nm，方阻为100~300 Ω/☐。

具体的，导电层的制作方法包括：将本发明的抗静电涂料喷涂在接触面的非感应区上，然后烘干。

需要说明的是，将抗静电涂料喷涂在接触面上后，烘干的温度和时间对最终形成的导电层的厚度具有重要的影响。具体的，烘干温度为70~90℃，烘干时间为90~150s。

本发明的导电层若采用单一的单壁碳纳米管或多壁碳纳米管制成的抗静电涂料，导电层的方阻过大无法满足本发明的抗静电要求。

本发明的指纹芯片可以是半导体指纹芯片、也可以是COG指纹芯片。下面将以具体实施例来进一步阐述本发明

实施例1

一种用于指纹传感器的抗静电涂料的制备方法，包括：

将14g单壁碳纳米管、1g多壁碳纳米管、1g乙烯吡咯烷酮、5g胆酸钠、5g分散剂、150ml去离子水和150ml乙酸乙酯放入球釜中进行球磨，球磨速度为550rpm，时间为2h，得到均匀分散的混合溶液；将混合溶液离心，离心速度为6000r/min，时间为3min，取出上清液，得到抗静电涂料；其中，

单壁碳纳米管的外径为1~2nm，长度为5~30μm，多壁碳纳米管的外径为8~15nm，长度为5~50μm，其中，单壁碳纳米管与多壁碳纳米管的质量比为14:1，金属性碳纳米管与半导体性碳纳米管的质量比为9.4:1，碳纳米管的总质量与溶剂的质量比为4.8:100。

实施例2

一种用于指纹传感器的抗静电涂料的制备方法，包括：

将6g单壁碳纳米管、2g多壁碳纳米管、2g乙烯吡咯烷酮、4g胆酸钠、6g分散剂、200ml去离子水和100ml乙酸乙酯放入球釜中进行球磨，球磨速度为450rpm，时间为1h，得到均匀分散的混合溶液；将混合溶液离心，离心速度为6000r/min，时间为3min，取出上清液，得到抗静电涂料；其中，

单壁碳纳米管的外径为1~2nm，长度为0.5~2μm，多壁碳纳米管的外径为2~4nm，长度为5~15μm，单壁碳纳米管与多壁碳纳米管的质量比为3:1，金属性碳纳米管与半导体性碳纳米管的质量比为5.7:1，碳纳米管的总质量与分散液的质量比为2.6:100。

实施例3

一种用于指纹传感器的抗静电涂料的制备方法，包括：

将5g单壁碳纳米管、0.5g多壁碳纳米管、3g乙烯吡咯烷酮、3g胆酸钠、7g分散剂、235ml去离子水和70ml乙酸乙酯放入球釜中进行球磨，球磨速度为600rpm，时间为3h，得到均匀分散的混合溶液；将混合溶液离心，离心速度为6000r/min，时间为3min，取出上清液，得到抗静电涂料；其中，

单壁碳纳米管的外径为1~2nm，长度为5~30μm，多壁碳纳米管的外径为8~15nm，长度为5~50μm，单壁碳纳米管与多壁碳纳米管的质量比为10:1，金属性碳纳米管与半导体性碳纳米管的质量比为7.5:1，碳纳米管的总质量与分散液的质量比为1.7:100。

实施例4

一种用于指纹传感器的抗静电涂料的制备方法，包括：

将10g单壁碳纳米管、3g多壁碳纳米管、4g乙烯吡咯烷酮、2g胆酸钠、8g分散剂、250ml去离子水和50ml乙酸乙酯放入球釜中进行球磨，球磨速度为500rpm，时间为1.5h，得到均匀分散的混合溶液；将混合溶液离心，离心速度为6000r/min，时间为3min，取出上清液，得到抗静电涂料；其中，

单壁碳纳米管的外径为1~2nm，长度为0.5~2μm，多壁碳纳米管的外径为2~4nm，长度为5~15μm，单壁碳纳米管与多壁碳纳米管的质量比为3.3:1，金属性碳纳米管与半导体性碳纳米管的质量比为6.6:1，碳纳米管的总质量与分散液的质量比为4.1:100。

实施例5

一种用于指纹传感器的抗静电涂料的制备方法，包括：

将4g单壁碳纳米管、1g多壁碳纳米管、5g乙烯吡咯烷酮、1g胆酸钠、9g分散剂、250ml去离子水和100ml乙酸乙酯放入球釜中进行球磨，球磨速度为480rpm，时间为1h，得到均匀分散的混合溶液；将混合溶液离心，离心速度为6000r/min，时间为3min，取出上清液，得到抗静电涂料；其中，

单壁碳纳米管的外径为1~2nm，长度为0.5~2μm，多壁碳纳米管的外径为2~4nm，长度为5~15μm，单壁碳纳米管与多壁碳纳米管的质量比为4:1，金属性碳纳米管与半导体性碳纳米管的质量比为7.3:1，碳纳米管的总质量与分散液的质量比为1.6:100。

实施例6

一种用于指纹传感器的抗静电涂料的制备方法，包括：

将3g单壁碳纳米管、1g多壁碳纳米管、2g乙烯吡咯烷酮、4g胆酸钠、6g分散剂、200ml去离子水和100ml乙酸乙酯放入球釜中进行球磨，球磨速度为450rpm，时间为1h，得到均匀分散的混合溶液；将混合溶液离心，离心速度为6000r/min，时间为3min，取出上清液，得到抗静电涂料；其中，

单壁碳纳米管的外径为1~2nm，长度为5~30μm，多壁碳纳米管的外径为8~15nm，长度为5~50μm，单壁碳纳米管与多壁碳纳米管的质量比为3:1，金属性碳纳米管与半导体性碳纳米管的质量比为3.4:1，碳纳米管的总质量与分散液的质量比为1.3:100。

实施例7

一种用于指纹传感器的抗静电涂料的制备方法，包括：

将5g单壁碳纳米管、0.5g多壁碳纳米管、2g乙烯吡咯烷酮、4g胆酸钠、6g分散剂、200ml去离子水和100ml乙酸乙酯放入球釜中进行球磨，球磨速度为450rpm，时间为1h，得到均匀分散的混合溶液；将混合溶液离心，离心速度为6000r/min，时间为3min，取出上清液，得到抗静电涂料；其中，

单壁碳纳米管的外径为1~2nm，长度为0.5~2μm，多壁碳纳米管的外径为2~4nm，长度为5~15μm，单壁碳纳米管与多壁碳纳米管的质量比为10:1，金属性碳纳米管与半导体性碳纳米管的质量比为15.3:1，碳纳米管的总质量与分散液的质量比为1.8:100。

对比例1

一种用于指纹传感器的抗静电涂料的制备方法，包括：

将9g单壁碳纳米管、4g乙烯吡咯烷酮、1g胆酸钠、5g分散剂、200ml去离子水和100ml乙酸乙酯放入球釜中进行球磨，球磨速度为450rpm，时间为1h，得到均匀分散的混合溶液；将混合溶液离心，离心速度为6000r/min，时间为3min，取出上清液，得到抗静电涂料；其中，

单壁碳纳米管的外径为1~2nm，长度为0.5~2μm，单壁碳纳米管与分散液的质量比为2.9:100。

对比例2

一种用于指纹传感器的抗静电涂料的制备方法，包括：

将9g多壁碳纳米管、4g乙烯吡咯烷酮、1g胆酸钠、5g分散剂、200ml去离子水和100ml乙酸乙酯放入球釜中进行球磨，球磨速度为450rpm，时间为1h，得到均匀分散的混合溶液；将混合溶液离心，离心速度为6000r/min，时间为3min，取出上清液，得到抗静电涂料；其中，

多壁碳纳米管的外径为2~4nm，长度为5~15μm，单壁碳纳米管与分散液的质量比为2.9:100。

性能测试

将实施例1~7和对比例1~2所制得的抗静电涂料分别喷涂在指纹传感器的接触面上分别形成厚度为50nm、100nm、300nm的保护层，每组制作3个样品进行方阻测试和静电测试。

具体的，在静电测试之前，每组指纹传感器录入十只手指的指纹，每个手指分别进行10次解锁，然后统计解锁通过率。

静电测试完成后，进行外观检测，无击穿、无裂痕、触摸唤醒、指纹解锁功能正常、指纹图像正常，无坏点、坏线则为合格，否则为不合格。静电测试按照IEC61000-4-2要求，接触±8kv，每个极性10枪；空气±15kv，每个极性10枪。测试结果如表1所示。

表1 各实施例和对比例的测试结果

从表1中的结果可知，实施例1~7的导电层的抗静电效果明显优于对比例1~2的导电层的抗静电效果。由此可知，本发明在指纹芯片的接触面上设置导电层可以有效提高指纹芯片的抗静电能力。本发明由单壁碳纳米管和多壁碳纳米管组成的抗静电涂料所制成的导电层，在同样厚度的情况下，与由单壁碳纳米管或多壁碳纳米管组成的抗静电涂料所制成的导电层相比，本发明实施例1~7的导电层的方阻明显低于对比例1~2的导电层的方阻。由此可知，本发明的抗静电涂料应用在指纹芯片上具有优秀的抗静电效果。

从表1中实施例1~5和实施例6~7的结果可知，本发明实施例1~5的导电层的抗静电效果优于实施例6~7的导电层的抗静电效果。具体的，实施例1~5的抗静电涂料中的单壁碳纳米管与多壁碳纳米管的质量比、以及金属性碳纳米管与半导体性碳纳米管的质量比在本发明的要求范围内容，而实施例6~7的抗静电涂料中金属性碳纳米管与半导体性碳纳米管的质量比超出本发明的要求范围，因此影响了导电层中的导电网络结构的连续性，不仅提高的导电层的方阻，并影响了导电层的抗静电效果。

以上是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也视为本发明的保护范围。