本發(fā)明涉及應(yīng)變傳感技術(shù)領(lǐng)域，尤其涉及一種高靈敏柔性可穿戴應(yīng)變傳感器及其低成本制作方法。

背景技術(shù)：

傳感器是一種感受規(guī)定的被測量，把被測的量按一定規(guī)律將其轉(zhuǎn)換為有用信號的器件或裝置。在外界因素的作用下，所有材料都會做出相應(yīng)的、具有特征性的反應(yīng)。其中對外界作用最敏感的材料，即具有功能特性的材料，被用來制作傳感器的敏感元件。傳感器按照用途可分為位置傳感器、液面?zhèn)鞲衅?、能耗傳感器、速度傳感器、熱敏傳感器、加速度傳感器和射線輻射傳感器等。傳感器按傳感原理可分為壓電式傳感器、壓阻式傳感器、電容式傳感器、光電式傳感器等。

具體地，應(yīng)變傳感器屬于物理傳感器，是檢測物理量的傳感器。它是利用某些物理效應(yīng)，把被測的物理量轉(zhuǎn)化為便于處理的能量形式的信號裝置。

應(yīng)變傳感器可用于檢測被測物體的形變，傳統(tǒng)的電子應(yīng)變傳感器大多基于金屬和半導(dǎo)體材料，其便攜性、柔韌性和可穿戴性差。隨著柔性電子材料和傳感技術(shù)的快速發(fā)展，柔性應(yīng)變傳感器在電子皮膚和機(jī)器人等領(lǐng)域的應(yīng)用引起人們越來越廣泛的關(guān)注。由于生物相容性好，同時(shí)兼具可穿戴性、實(shí)時(shí)監(jiān)測、非侵入式等一系列優(yōu)點(diǎn)，高彈性和可拉伸應(yīng)變傳感器的開發(fā)逐漸成為研究熱點(diǎn)。

然而，一方面，現(xiàn)有技術(shù)中的柔性應(yīng)變傳感器的靈敏度不高，靈敏因子(GF)不到1000；另一方面，現(xiàn)有技術(shù)的器件結(jié)構(gòu)和制備復(fù)雜，敏感物質(zhì)通常用石墨烯、碳納米管等材料，而石墨烯和碳納米管等材料制備復(fù)雜、成本較高。因此，高靈敏度柔性可穿戴應(yīng)變傳感器的低成本制備技術(shù)是實(shí)現(xiàn)應(yīng)變傳感器推廣應(yīng)用的關(guān)鍵。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

針對上述問題，本發(fā)明的目的在于提供一種高靈敏柔性可穿戴的應(yīng)變傳感器及其低成本的制作方法，能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏的應(yīng)變探測，且響應(yīng)時(shí)間短、響應(yīng)度高、能夠?qū)σ欢ǚ秶膽?yīng)變進(jìn)行探測。

為達(dá)到上述目的，本發(fā)明采用如下技術(shù)方案：

一種高靈敏柔性可穿戴應(yīng)變傳感器，包括柔性基底、位于所述柔性基底上的敏感層和位于所述敏感層兩端的電極，所述敏感層為石墨納米顆粒膜。

進(jìn)一步地，所述石墨納米顆粒膜的厚度為30～120nm，所述石墨納米顆粒膜由直徑為30～60nm的石墨納米顆粒組成。

進(jìn)一步地，所述電極包括銀膠層和銅線，所述銀膠層連接所述敏感層和所述銅線。

進(jìn)一步地，所述柔性基底為PET。

進(jìn)一步地，一種低成本制備所述應(yīng)變傳感器的方法，其特征在于，包括以下步驟：

(1)清洗：將所述柔性基底分別用乙醇和去離子水在300w各超聲10-20min，得到超凈柔性基底；

(2)掩膜：在所述超凈柔性基底兩端粘貼3M膠帶，得到掩膜柔性基底；

(3)沉積：用真空蒸鍍機(jī)，在真空下，通過向與所述真空蒸鍍機(jī)的兩蒸鍍電極相連的石墨源施加電流，使所述石墨源蒸發(fā)，進(jìn)而使所述石墨納米顆粒沉積在位于樣品臺上的所述掩膜柔性基底上，得到帶有敏感層的柔性基底；所述石墨源與樣品臺的距離可調(diào)節(jié)，可通過調(diào)節(jié)所述施加電流的大小、所述石墨源與樣品臺的距離來調(diào)節(jié)沉積速率；通過調(diào)節(jié)施加電流的時(shí)間來調(diào)節(jié)沉積厚度；

(4)去掩膜：將所述帶有敏感層的柔性基底上的3M膠撕去，得到缺電極應(yīng)變傳感器；

(5)涂電極：將銅線置于所述缺電極應(yīng)變傳感器上，用刮涂方法在所述缺電極應(yīng)變傳感器上刮涂銀膠，隨后室溫放置5-10min，制備得到所述應(yīng)變傳感器。

進(jìn)一步地，所述的沉積速率為1nm/s。

進(jìn)一步地，所述石墨源為碳棒，所述碳棒的一端削成尖狀。

進(jìn)一步地，所述真空為1×10^-2～1×10^-3torr。

進(jìn)一步地，所述施加電流的大小為30～50A的電流，所述施加電流的時(shí)間為40-150s。電流的大小影響碳棒的蒸發(fā)速率及蒸發(fā)出的石墨納米顆粒的大小，電流越大，碳棒的蒸發(fā)速度越快，石墨納米顆粒的直徑也越大。

進(jìn)一步地，所述石墨源與樣品臺的距離為8-12cm。石墨源與樣品臺的距離影響沉積速率及沉積均勻性，距離越小，沉積速率高。

本發(fā)明的有益效果：

(1)本申請敏感層為石墨納米顆粒膜，敏感層和銀電極之間為歐姆接觸。

(2)敏感層是納米級別的連續(xù)石墨顆粒膜，當(dāng)傳感器受到外界的應(yīng)變的時(shí)候，納米顆粒之間接觸發(fā)生迅速響應(yīng)，改變導(dǎo)電路徑和接觸面積，從而自身電阻發(fā)生明顯變化，將輸入的應(yīng)變轉(zhuǎn)變?yōu)殡娦盘栞敵?，能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏的應(yīng)變探測，且響應(yīng)時(shí)間短、響應(yīng)度高、能夠?qū)σ欢ǚ秶膽?yīng)變進(jìn)行探測。

(3)本發(fā)明中制備方法簡單，成本低。

附圖說明

圖1為本發(fā)明實(shí)施例一和實(shí)施例二中高靈敏柔性可穿戴應(yīng)變傳感器的結(jié)構(gòu)圖；

圖2為本發(fā)明實(shí)施例一和實(shí)施例二中高靈敏柔性可穿戴應(yīng)變傳感器的截面結(jié)構(gòu)圖；

圖3為本發(fā)明實(shí)施例一和實(shí)施例二中石墨納米顆粒膜在10μm范圍的原子力顯微鏡圖；

圖4為本發(fā)明實(shí)施例二中器件△R/R₀(％)～t圖；

圖5為本發(fā)明實(shí)施例二中器件△R/R₀(％)～ε圖；

圖6為本發(fā)明實(shí)施例二中器件△R/R₀(％)～strain(％)圖；

圖中：1、柔性基底，2、銀膠，3、敏感層，4、銅線。

具體實(shí)施方式

下面將結(jié)合本發(fā)明實(shí)施例中的附圖，對本發(fā)明實(shí)施例中的技術(shù)方案進(jìn)行清楚、完整地描述，顯然，所描述的實(shí)施例是本發(fā)明一部分實(shí)施例，而不是全部的實(shí)施例?；诒景l(fā)明的實(shí)施例，本領(lǐng)域普通技術(shù)人員在沒有做出創(chuàng)造性勞動前提下所獲得的所有其他實(shí)施例，都屬于本發(fā)明的保護(hù)范圍。

實(shí)施例一

一種高靈敏柔性可穿戴應(yīng)變傳感器，所述高靈敏柔性可穿戴應(yīng)變傳感器包括柔性基底1，敏感層石墨納米顆粒膜3，位于基底1上與敏感物質(zhì)石墨膜兩端連接的銀電極2，以及被銀電極包裹的銅線4。

柔性基底為100微米后的PET，石墨納米顆粒膜厚度為30～120nm，由直徑為30～60nm的石墨納米顆粒組成。

應(yīng)變傳感器的制備方法如下：

(1)清洗：將柔性基底分別用乙醇和去離子水在300w各超聲10-20min，得到超凈柔性基底；所用超聲設(shè)備型號為KQ-300DE

(2)掩膜：在所述超凈柔性基底兩端粘貼3M膠帶，得到掩膜柔性基底；

(3)沉積：用真空蒸鍍機(jī)，在1×10^-2～1×10^-3torr真空下，以一端削成尖狀的碳棒為石墨源，通過向與所述真空蒸鍍機(jī)的兩蒸鍍電極相連的石墨源施加30～50A電流，使所述石墨源蒸發(fā)，進(jìn)而使所述石墨納米顆粒沉積在位于樣品臺上的所述掩膜柔性基底上，得到帶有敏感層的柔性基底；所述石墨源與樣品臺的距離可調(diào)節(jié)，可通過調(diào)節(jié)所述施加電流的大小、所述石墨源與樣品臺的距離來調(diào)節(jié)沉積速率；通過調(diào)節(jié)施加電流的時(shí)間來調(diào)節(jié)沉積厚度；沉積速率為1nm/s；施加電流的時(shí)間為40-150s；石墨源與樣品臺的距離為8-12cm；

(4)去掩膜：將所述帶有敏感層的柔性基底上的3M膠撕去，得到缺電極應(yīng)變傳感器；

(5)涂電極：將銅線置于所述缺電極應(yīng)變傳感器上，用刮涂方法在所述缺電極應(yīng)變傳感器上刮涂銀膠，隨后室溫放置5-10min，制備得到所述應(yīng)變傳感器。

石墨納米顆粒膜的厚度不同時(shí)，在相同的應(yīng)變條件下，標(biāo)準(zhǔn)電阻變化率也不一樣，進(jìn)而使得該高靈敏柔性可穿戴應(yīng)變傳感器的靈敏程度也不一樣。石墨納米顆粒膜的厚度可由碳蒸發(fā)時(shí)間來控制。

具體地，當(dāng)石墨納米顆粒膜的厚度為30nm時(shí)，敏感層電阻為1543.9kΩ，標(biāo)準(zhǔn)電阻變化率為11％(拉伸)和-65％(壓縮)；當(dāng)石墨納米顆粒膜的厚度為50nm時(shí)，敏感層電阻為375.4kΩ，標(biāo)準(zhǔn)電阻變化率為521％(拉伸)和-50％(壓縮)；當(dāng)石墨納米顆粒膜的厚度為80nm時(shí)，敏感層電阻為59.4kΩ，標(biāo)準(zhǔn)電阻變化率為597％(拉伸)和-67％(壓縮)；當(dāng)石墨納米顆粒膜的厚度為100nm時(shí)，敏感層電阻為33.6kΩ，標(biāo)準(zhǔn)電阻變化率為537％(拉伸)和-8％(壓縮)；當(dāng)石墨納米顆粒膜的厚度為120nm時(shí)，敏感物質(zhì)層電阻為22.7kΩ，標(biāo)準(zhǔn)電阻變化率為153％(拉伸)和-11％(壓縮)。

實(shí)施例二

一種高靈敏柔性可穿戴應(yīng)變傳感器，所述高靈敏柔性可穿戴應(yīng)變傳感器包括柔性基底1，敏感層石墨納米顆粒膜3，位于基底1上與敏感物質(zhì)石墨膜兩端連接的銀電極2，以及被銀電極包裹的銅線4。

柔性基底為100微米后的PET，石墨納米顆粒膜厚度為80nm，由直徑為30～60nm的石墨納米顆粒組成。

應(yīng)變傳感器的制備方法如下：

(1)清洗：將柔性基底分別用乙醇和去離子水在300w各超聲15min，得到超凈柔性基底；所用超聲設(shè)備型號為KQ-300DE

(2)掩膜：在所述超凈柔性基底兩端粘貼3M膠帶，得到掩膜柔性基底；

(3)沉積：用真空蒸鍍機(jī)，在1×10^-2～1×10^-3torr真空下，以一端削成尖狀的碳棒為石墨源，通過向與所述真空蒸鍍機(jī)的兩蒸鍍電極相連的石墨源施加30～50A電流，使所述石墨源蒸發(fā)，進(jìn)而使所述石墨納米顆粒沉積在位于樣品臺上的所述掩膜柔性基底上，得到帶有敏感層的柔性基底；所述石墨源與樣品臺的距離可調(diào)節(jié)，可通過調(diào)節(jié)所述施加電流的大小、所述石墨源與樣品臺的距離來調(diào)節(jié)沉積速率；通過調(diào)節(jié)施加電流的時(shí)間來調(diào)節(jié)沉積厚度；沉積速率為1nm/s；施加電流的時(shí)間為80s；石墨源與樣品臺的距離為10cm；

(4)去掩膜：將所述帶有敏感層的柔性基底上的3M膠撕去，得到缺電極應(yīng)變傳感器；

(5)涂電極：將銅線置于所述缺電極應(yīng)變傳感器上，用刮涂方法在所述缺電極應(yīng)變傳感器上刮涂銀膠，隨后室溫放置5-10min，制備得到所述應(yīng)變傳感器。

測量多得傳感器的靈敏度：

當(dāng)施加拉伸應(yīng)變時(shí)(0.37％，0.52％，0.61％)，電阻增加(電阻變化率分別為150％，420％，680％，825％)；施加壓縮應(yīng)變時(shí)(-0.37％，-0.52％，-0.61％)，電阻減小(電阻變化率分別為-45％，-67％，-90％)。其中電阻變化率△R/R₀＝(R-R₀)/R₀，R是樣品在受應(yīng)變時(shí)的電阻，R₀為樣品在不受應(yīng)變時(shí)的電阻。

為了檢測樣品的靈敏度，給樣品施加特定值的應(yīng)變。在(-0.63％～-0.26％)的應(yīng)變范圍內(nèi)，GF＝149.38。在(-0.18％～0.18％)的應(yīng)變范圍內(nèi)，GF＝172.22。在(0.26％～0.63％)的應(yīng)變范圍內(nèi)，GF＝1813.45。其中，ε為應(yīng)變。

電阻測量設(shè)備型號為Keithly DMM 7510。