一種壓阻型線狀柔性應(yīng)力傳感器的制備方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于傳感器制備技術(shù)領(lǐng)域，涉及一種應(yīng)力傳感器的制備方法，更具體的說本發(fā)明涉及一種壓阻型線狀柔性應(yīng)力傳感器的制備方法。
【背景技術(shù)】
[0002]柔性傳感器是一種用于實(shí)現(xiàn)人類觸覺、嗅覺、味覺、聽覺、視覺等感知功能的人造柔性電子器件。近年來，新型可貼附、可穿戴、便攜式、可折疊的柔性電子器件發(fā)展迅速，以智能手環(huán)為代表的可穿戴設(shè)備不斷涌現(xiàn)。良好的柔軟性和彈性是下一代可穿戴電子設(shè)備所必備的特征。該類器件在消費(fèi)電子、軍事、醫(yī)療健康等產(chǎn)業(yè)領(lǐng)域具有極大的應(yīng)用潛力。
[0003]柔性應(yīng)力傳感器可實(shí)現(xiàn)對(duì)微小作用力的高靈敏度快速檢測(cè)，對(duì)呼吸、脈搏、心跳、喉部震動(dòng)等人體健康相關(guān)生理信號(hào)可以實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)，在醫(yī)療領(lǐng)域有廣泛應(yīng)用前景。早期的柔性傳感器多由金屬納米膜、柔性基底材料加金屬膜、金屬/高分子復(fù)合材料等結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)，但是這些器件中普遍需要半導(dǎo)體材料，由于半導(dǎo)體材料性脆，只適用于小變形領(lǐng)域。近期人們傾向于利用碳納米材料，如碳納米管或石墨稀，來替代脆性的娃基半導(dǎo)體材料。但這些碳基柔性應(yīng)力傳感器普遍存在制備工藝復(fù)雜、造價(jià)高昂等問題。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的在于提供一種高靈敏度、線狀、柔性、應(yīng)力傳感器的制備方法，該傳感器屬于壓阻型，可用于人體呼吸、脈搏、心跳、喉部震動(dòng)等數(shù)據(jù)的采集，有效監(jiān)測(cè)人體健康相關(guān)生理信號(hào)。
[0005]本發(fā)明所提供的線狀柔性應(yīng)力傳感器的制備方法分為如下兩步:
[0006]I)線狀應(yīng)力敏感材料的制備
[0007]將直徑為0.2-5mm粗的線狀生物質(zhì)材料，在真空或惰性氣氛保護(hù)下，在700?10001的高溫下進(jìn)行裂解處理0.5-5小時(shí)，即可得到線狀應(yīng)力敏感材料。
[0008]所述線狀生物質(zhì)材料為由棉纖維、麻纖維、蠶絲等生物質(zhì)纖維紡織而成的線狀物。[0009 ]所述惰性氣體為氮?dú)狻鍤?、氦氣中的一種。
[0010]2)線狀柔性應(yīng)力傳感器的制備
[0011]將上述線狀應(yīng)力敏感材料截成0.5-lOcm長(zhǎng)的線段，線段兩端分別用導(dǎo)電銀膠與直徑為0.03-0.5mm的導(dǎo)電電極相連接;在連接有電極的應(yīng)力敏感材料線段的表面浸漬涂覆聚甲基硅氧烷樹脂(PDMS)，真空脫泡;樹脂固化后，即制得具有高靈敏度的線狀柔性應(yīng)力傳感器。
[0012]所述導(dǎo)電電極為銅、金、銀等導(dǎo)電金屬絲。
[0013]本發(fā)明所制備的柔性應(yīng)力傳感器的工作原理:本發(fā)明所采用線狀生物質(zhì)材料由大量纖維紡織而成，經(jīng)高溫處理后，生物質(zhì)轉(zhuǎn)變?yōu)樘疾牧希@些線狀碳材料具有良好的導(dǎo)電性。而PDMS樹脂具有良好的柔韌性和絕緣性，線狀碳材料與PDMS復(fù)合后，所制備線狀復(fù)合材料兼具良好的柔韌性和適宜的導(dǎo)電性。當(dāng)有外界應(yīng)力作用于線狀傳感器時(shí)，傳感器發(fā)生變形，同時(shí)傳感器內(nèi)部的碳纖維的接觸點(diǎn)減少，傳感器電阻增加;外力撤銷后，碳纖維恢復(fù)接觸，電阻也恢復(fù)初始值，因此通過傳感器電阻變化可實(shí)現(xiàn)對(duì)應(yīng)力的監(jiān)測(cè)。
[0014]本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn):
[0015]1.該傳感器具有制備工藝簡(jiǎn)單、造價(jià)低廉的特點(diǎn)，同時(shí)傳感器的核心原材料為生物質(zhì)，來源廣泛、可再生。
[0016]2.傳感器為線狀，體積小，使用方便。即可單獨(dú)用做可穿戴設(shè)備，也可與衣物、床上用品等紡織物整合后使用。
【附圖說明】
[0017]圖1.本發(fā)明所制備線狀柔性應(yīng)力傳感器的示意圖:(A)碳化后的線狀生物質(zhì)；(B)傳感器。
[0018]圖2.本發(fā)明所制備線狀碳材料(A)和傳感器橫截面(B)的SEM圖片。
[0019]圖3.本發(fā)明所制備的線狀傳感器的照片:(A)測(cè)試脈搏時(shí)和(B)任意彎曲狀態(tài)。
[0020]圖4.本發(fā)明所制備傳感器的應(yīng)力-相對(duì)電阻變化曲線。
[0021 ]圖5.本發(fā)明所制備傳感器對(duì)脈搏的監(jiān)測(cè)曲線。
【具體實(shí)施方式】
[0022]下面結(jié)合附圖對(duì)本發(fā)明做進(jìn)一步詳細(xì)描述。
[0023]實(shí)施例1
[0024]①將直徑約為Imm粗的由棉纖維紡織而成的細(xì)線，在氮?dú)獗Ｗo(hù)下，在800°C的高溫下裂解I小時(shí)，制得線狀碳材料。
[0025]②將步驟①中所制備線狀碳材料截成3cm長(zhǎng)的線段，線段兩端分別用導(dǎo)電銀膠與直徑為0.1mm的金屬銅絲連接，作為電極。
[0026]③將步驟②中連接有銅絲電極的線段表面浸漬涂覆PDMS樹脂(Sylgard184,DowCorning)，真空脫泡，樹脂固化，即制得線狀柔性應(yīng)力傳感器。
[0027]圖1為本發(fā)明所制備線狀柔性應(yīng)力傳感器的示意圖，其中(A)表示碳化后的生物質(zhì)線由大量的細(xì)小纖維組成；(B)表示傳感器由應(yīng)力敏感材料-碳纖維、PDMS樹脂和電極三部分組成。圖2(A)為所制備線狀碳材料的SEM照片，從圖中可以看出線狀碳材料由大量細(xì)小的纖維組成，線的直徑約為0.5_。線狀碳材料的導(dǎo)電率為0.43S/m。圖2(B)為傳感器的橫截面圖，從圖中可以看出碳纖維被PDMS樹脂所包覆，從而提高了傳感器的柔軟性。從傳感器的照片(圖3)可以看出，傳感器具有良好的柔軟性，可進(jìn)行任意角度的彎曲。圖4為所制備線狀傳感器的應(yīng)力-相對(duì)電阻變化曲線，從中可以看出傳感器的電阻對(duì)應(yīng)力變化非常敏感，靈敏度高達(dá)AOMPa—1。所制備傳感器對(duì)周期性應(yīng)力也具有良好的響應(yīng)，使用壽命可達(dá)1000次循環(huán)以上。圖5為所制備傳感器對(duì)脈搏的監(jiān)測(cè)曲線，從圖中可以看出傳感器對(duì)人體血壓具有良好的響應(yīng)，從圖中可獲得心跳次數(shù)、血壓值等數(shù)據(jù)。
[0028]實(shí)施例2
[0029]①將直徑為0.2mm粗的由蠶絲紡織而成的細(xì)線，氬氣保護(hù)下，在700°C的高溫下裂解5小時(shí)，制得線狀碳材料。
[0030]②將步驟①中所制備線狀碳材料截成0.5cm長(zhǎng)的線段，線段兩端分別用導(dǎo)電銀膠與直徑為0.1mm的金屬銀絲連接，作為電極。
[0031]③將步驟②中連接有銀絲電極的線段表面浸漬涂覆PDMS樹脂，真空脫泡，樹脂固化，即制得線狀柔性應(yīng)力傳感器。
[0032]使用本發(fā)明提供的方法制備得到的線狀碳材料直徑約為0.1mm，導(dǎo)電率為0.09Sm一、所制備的線狀應(yīng)力傳感器具有良好的柔軟性，可進(jìn)行任意角度的彎曲。傳感器對(duì)應(yīng)力變化具有良好的響應(yīng)性，靈敏度為55MPa—S使用壽命可達(dá)1000次循環(huán)以上。傳感器可用于人體呼吸、脈搏、心跳、喉部震動(dòng)的監(jiān)測(cè)。
[0033]實(shí)施例3
[0034]①將直徑約為5mm粗的由麻纖維紡織而成的細(xì)線，氦氣保護(hù)下，在1000°C的高溫下裂解0.5小時(shí)，制得線狀碳材料。
[0035]②將步驟①中所制備線狀碳材料截成1cm長(zhǎng)的線段，線段兩端分別用導(dǎo)電銀膠與直徑為0.03mm的金屬金絲連接，作為電極。
[0036]③將步驟②中連接有金絲電極的線段表面浸漬涂覆PDMS樹脂，真空脫泡，樹脂固化，即制得線狀柔性應(yīng)力傳感器。
[0037]使用本發(fā)明提供的方法制備得到的線狀碳材料直徑約為2.5mm，導(dǎo)電率為1.22Sm一、所制備的線狀應(yīng)力傳感器具有良好的柔軟性，可進(jìn)行任意角度的彎曲。傳感器對(duì)應(yīng)力變化具有良好的響應(yīng)性，靈敏度為2810?.1，使用壽命可達(dá)1000次循環(huán)以上。傳感器可用于人體呼吸、脈搏、心跳、喉部震動(dòng)的監(jiān)測(cè)。
[0038]實(shí)施例4
[0039]①將直徑約為2mm粗的由棉線紡織而成的細(xì)線，真空下，在750°C的高溫下裂解4小時(shí)，制得線狀碳材料。
[0040]②將步驟①中所制備線狀碳材料截成5cm長(zhǎng)的線段，線段兩端分別用導(dǎo)電銀膠與直徑為0.5mm金屬銅絲連接，作為電極。
[0041]③將步驟②中連接有銅絲電極的線段表面浸漬涂覆PDMS樹脂，真空脫泡，樹脂固化后即制得線狀柔性應(yīng)力傳感器。
[0042]使用本發(fā)明提供的方法制備得到的線狀碳材料直徑約為1mm，導(dǎo)電率為0.llSnf1。所制備的線狀應(yīng)力傳感器具有良好的柔軟性，可進(jìn)行任意角度的彎曲。傳感器對(duì)應(yīng)力變化具有良好的響應(yīng)性，靈敏度為3610?.1，使用壽命可達(dá)1000次循環(huán)以上。傳感器可用于人體呼吸、脈搏、心跳、喉部震動(dòng)的監(jiān)測(cè)。
【主權(quán)項(xiàng)】
1.一種壓阻型線狀柔性應(yīng)力傳感器的制備方法，其特征在于包括以下制備步驟: 1)將直徑為0.2-5mm粗的線狀生物質(zhì)材料，在真空或惰性氣氛保護(hù)下，在700?1000°C的高溫下進(jìn)行裂解處理0.5-5小時(shí)，即可得到線狀應(yīng)力敏感材料； 2)將上述線狀應(yīng)力敏感材料截成0.5-lOcm長(zhǎng)的線段，線段兩端分別用導(dǎo)電銀膠與直徑為0.03-0.5mm的導(dǎo)電電極相連接； 3)在連接有電極的應(yīng)力敏感材料線段的表面浸漬涂覆聚甲基硅氧烷樹脂，真空脫泡；樹脂固化后，即制得具有高靈敏度的線狀柔性應(yīng)力傳感器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述壓阻型線狀柔性應(yīng)力傳感器的制備方法，其特征在于:步驟I)中所述的線狀生物質(zhì)材料為由棉纖維、麻纖維、蠶絲所紡織而成的線狀物中的一種。3.根據(jù)權(quán)利要求1所述壓阻型線狀柔性應(yīng)力傳感器的制備方法，其特征在于:步驟I)中所述的惰性氣體為氮?dú)狻鍤?、氦氣中的一種。4.根據(jù)權(quán)利要求1所述壓阻型線狀柔性應(yīng)力傳感器的制備方法，其特征在于:步驟2)中所述導(dǎo)電電極為銅絲、金絲、銀絲中的一種。
【專利摘要】本發(fā)明提供了一種高靈敏度、線狀、柔性、應(yīng)力傳感器的制備方法，包括如下步驟：1)將直徑為0.2-5mm粗的生物質(zhì)線，在真空或惰性氣氛保護(hù)下，在700～1000℃的高溫下進(jìn)行裂解處理0.5-5小時(shí)，制得線狀應(yīng)力敏感材料；2)將上述線狀應(yīng)力敏感材料截成0.5-10cm長(zhǎng)的線段，線段兩端分別用導(dǎo)電銀膠與直徑為0.03-0.5mm的導(dǎo)電電極相連接；3)在連接有電極的應(yīng)力敏感材料線段的表面浸漬涂覆聚甲基硅氧烷樹脂，真空脫泡，樹脂固化，即制得線狀柔性應(yīng)力傳感器。該傳感器屬于壓阻型，具有體積小，使用方便的特點(diǎn)，即可單獨(dú)使用，也可與紡織物整合后使用，可用于人體呼吸、脈搏、心跳、喉部震動(dòng)等數(shù)據(jù)的采集，有效監(jiān)測(cè)人體健康相關(guān)生理信號(hào)。
【IPC分類】G01L1/18
【公開號(hào)】CN105444928
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201510852706
【發(fā)明人】李元慶, 朱偉斌, 付紹云
【申請(qǐng)人】重慶大學(xué)
【公開日】2016年3月30日
【申請(qǐng)日】2015年11月30日