一种基于喷墨打印技术的柔性无线压力检测系统的制备方法与流程

本发明涉及人体健康监测技术领域，尤其是基于喷墨打印技术的需要用到微型的柔性压力传感器的可穿戴设备的制备方法，具体是一种柔性无线压力检测系统的制备方法。

背景技术：

可穿戴设备正如雨后春笋一般迅速发展，但是其中大多数元件，甚至包括传感器、通讯天线都不是柔性的，因此可穿戴设备的体积和功耗都受到了很大限制。如果实现真正的柔性，必然能让可穿戴设备能更贴合人体，体积更小，应用领域更广阔。虽然已有技术文章以及专利报道实现柔性传感器的方法，如《基于柔性基板的具有自封装功能的无源无线压力传感器》报道了一种组装无线压力传感器的方法，但其本质金属电感线圈与柔性衬底是分离的。其他可穿戴领域的设备也存在同样的问题，他们只是把传感器和信号传输部分做得足够小巧，而不是足够柔软。

技术实现要素：

本发明的目的是针对现有可穿戴设备的“假柔性”提出了一种基于喷墨打印技术的柔性无线压力检测系统的制备方法，该方法在一块柔性衬底上集成传感器、天线等，从而实现一体化的可穿戴设备。

实现本发明目的的具体技术方案是：

一种基于喷墨打印技术的柔性无线压力检测系统的制备方法，特点是该方法包括以下具体步骤：

步骤1：制备柔性压力传感器

s1：将工业级石墨烯粉末和氧化石墨烯粉末分散在无水乙醇溶液中，保持浓度为0.01-2mg/ml，以300w超声剥离0.5-1小时，再以3500-4000转/分钟的转速离心8-10分钟，提取上清液，使之均匀分散，得到石墨烯—氧化石墨烯混合溶液；

s2：经混合纤维滤膜将制得的石墨烯—氧化石墨烯混合溶液倒入抽滤装置中，通过混合纤维滤膜将乙醇溶剂过滤掉，在混合纤维滤膜上得到石墨烯—氧化石墨烯混合薄膜，将混合纤维滤膜与石墨烯—氧化石墨烯混合薄膜取出，烘干，再用丙酮溶剂将混合纤维滤膜溶解，得到石墨烯—氧化石墨烯混合薄膜，60℃将该混合薄膜烘干，得到混合压敏薄膜即柔性压力传感器；

步骤2：制备银质电路及柔性天线

s1：表面改性

将洁净、干燥的聚酰亚胺薄膜放入碱溶液中，25℃恒温下浸泡2.5-3小时，用去离子水清洗，去除聚酰亚胺薄膜表面残留碱金属离子，得到洁净的、表面为聚酰胺酸盐的薄膜；其中，碱溶液浓度为4mol/l；

s2：离子交换

将聚酰胺酸盐的薄膜放入银氨溶液中，使之与银氨溶液充分接触并浸泡10-40分钟，用去离子水清洗，去除聚酰亚胺表面残留的溶液，得到表面为银离子—聚酰亚胺络合物的薄膜；其中，银氨溶液浓度为0.01-0.04mol/l；

s3：掩模打印

将银离子—聚酰亚胺络合物的薄膜平整得贴在a4纸上，通过喷墨打印机将设计好的电路及天线掩模图案打印在该薄膜表面；

s4：还原

将打印有图案的薄膜平整放置，在200毫升去离子水中加入浓度为30%的双氧水1毫升，配置成溶液滴于打印有图案的薄膜上，还原、生成银质电路及柔性天线；

步骤3：制备柔性无线压力检测系统

s1：将柔性压力传感器与银质电路及柔性天线连接，将处理电路连接铜质线圈及显示终端，柔性天线及银质电路通过电磁感应与铜质线圈耦合，在5～30cm无线连接；得到柔性无线压力检测系统。

所述处理电路由阻抗匹配模块、wifi传输模块组成，铜质线圈通过导线直接与阻抗匹配模块相连，将结果通过wifi模块发送到显示设备接收。

所述柔性压力传感器电阻值随压力增大而减小。

所述碱溶液为氢氧化钠或氢氧化钾溶液。

所述柔性天线为平面矩形螺旋形状，线宽为0.4-.06mm，间距为0.2-0.4mm，整体尺寸从0.75cm*1.5cm到1.5cm*3cm，工作频率在100mhz-1ghz，优选尺寸为1.5cm*3cm，工作频率为170mhz，可以满足压力数值信号的实时、无线传输。

所述银质电路充当柔性导线的作用，将各个部件连接在一起，本身的形状、图案只要符合电路要求即可，没有特殊要求。

本发明通过柔性的碳基传感器感受压力，随压力增大而减小自身电阻，改变电路的电学性质，使柔性天线发射信号的电流大小发生改变，检测发射信号的变化可以推测压力值的大小。柔性压力传感器、天线及银质电路可以任意弯曲、折叠，甚至粘贴在皮肤表面而不影响工作性能与准确性。本发明可以采集、传输并处理机械电信号。金属图形化过程可用普通喷墨打印机打印，成本低，得到的银质电路连续、致密、电导率高；压力敏感单元与银质电路以及柔性衬底之间结合力强、压力响应频率达10000赫兹、压力响应范围从10帕斯卡到1兆帕斯卡；柔性天线信号采集、传输可在0.02秒内完成压力响应及传输；柔性设备稳定性强，弯曲疲劳测试表明，整个系统在重复测试10000次后，仍保持电路特性的稳定。因此可以整合至绝大多数可穿戴设备，进一步减小体积、降低功耗、增强可靠性、延长寿命。

附图说明

图1为本发明结构示意图；

图2为本发明柔性压力传感器制作流程图；

图3为本发明银质电路及柔性天线制备流程图；

图4为本发明柔性压力传感器电阻变化与压力关系曲线图；

图5为本发明柔性压力传感器的疲劳测试结果图。

具体实施方式

下面结合附图及实施例对本发明作详细描述。

实施例

参阅图1，本发明包括：柔性压力传感器1、柔性银质电路及天线2、铜质线圈3、由阻抗匹配模块及wifi芯片组成的处理电路4及显示终端5，柔性压力传感器1与柔性银质电路及天线2连接；处理电路4连接铜质线圈3及显示终端5，柔性银质电路及天线2通过电磁感应与铜质线圈3耦合，在5～30cm无线连接。铜质线圈3接收信号，由处理电路4进行模数转化，将数字信号通过wifi芯片处理输出至显示终端，通过铜质线圈感应到的信号变化由

计算柔性压力传感器1承受压力的变化。

在柔性压力传感器1端施加压力，柔性压力传感器1因压力产生形变，导致自身电阻变小，使柔性压力传感器-柔性银质电路及天线这部分总电阻减小，柔性天线所发射的无线信号发生改变，铜质线圈3对柔性电路发射电信号的耦合，得到一个随柔性电路中电阻变化而变化的电流信号，通过处理电路4，将连续的电流信号（模拟信号）转换为简短的数字信号并通过芯片发送至显示终端，对数据进行处理，计算出压力传感器承受压力的数值。

参阅图2，本实施例柔性的碳基压力传感器1的制备：将工业级石墨烯粉末和氧化石墨烯粉末分散在无水乙醇溶液中，保持浓度为2.0mg/ml，以300w超声剥离1小时，再以4000转/分钟的转速离心10分钟，提取上清液，使之均匀分散，得到石墨烯—氧化石墨烯混合溶液8。

经混合纤维滤膜7将制得的石墨烯—氧化石墨烯混合溶液8倒入抽滤装置6中，通过混合纤维滤膜7将乙醇溶剂过滤掉，在混合纤维滤膜7上得到石墨烯—氧化石墨烯混合薄膜9，将混合纤维滤膜7与石墨烯—氧化石墨烯混合薄膜取出，烘干，再用丙酮溶剂将混合纤维滤膜7溶解，得到石墨烯—氧化石墨烯混合薄膜9，60℃将该混合薄膜烘干，可加工成任意形状、任意大小的柔性压力传感器10。

由于团聚现象，真空抽滤法得到的石墨烯层表面较蓬松，受到压力时，蓬松的石墨烯变得致密，使得石墨烯层本身的电阻率减小，同时由于受到压力作用，石墨烯层与银电极的接触电阻也会减小，故该压力传感器在受到压力作用时电阻减小。释放压力后，紧密的石墨烯又恢复了原先蓬松的结构，电阻也随之增大，因此制成的压力传感器具有压敏效应。

所述压力传感器中氧化石墨烯的作用是帮助石墨烯分散成膜，并提高整体的机械强度、耐磨性。

本实施例的压力传感器具有以下特点：

1）完柔性，可任意弯曲、折叠而不影响其功能；

2）混合膜厚度仅200~500微米，极其轻薄，可集成在各种电路；

3）能制作成任意形状，方便整合到各类设备中；

4）电阻式压力传感器，能够响应静态、动态压力；

5）对动态压力响应快，能够达到10000的响应频率。

参阅图4，柔性压力传感器电阻变化与压力关系曲线图，为检测该压力传感器电阻变化与压力关系，在传感器两端施加最小值为0牛顿、最大值为10牛顿的理想方波（即上升时间和下降时间均为0），对输出电流进行检测。绘制曲线图如图4。从图中可以看出，该压力传感器能随压力变化而改变自身电阻，影响电路中电流变化。且电路中电流变化规律与施加压力变化规律相同，从一方面证实了传感器的可用性。另外，从实验结果可以看出电流变化响应时间短，施加压力改变后电流立刻变化，反应在图中为电流图形是与压力图形类似的方波。

参阅图5，柔性压力传感器疲劳测试结果图，为保障本实施例的可靠性以及实用性，进行疲劳测试。通过对柔性压力传感器施加一定的负荷，长时间连续运行系统，检测对系统性能造成的影响。测试中每隔0.5秒钟对柔性压力传感器施加1牛顿的垂直压力，持续时间为0.5秒，反复进行试验，发现经过10000次循环后依然具有良好的性能，转换能力接近实验前，结果见图5。

参阅图3，本实施例柔性银质电路及天线的制备：

ⅰ）表面改性

将洁净、干燥的聚酰亚胺薄膜放入氢氧化钠溶液中，25℃恒温下浸泡3小时，用去离子水清洗，去除聚酰亚胺薄膜表面残留碱金属离子，得到洁净的、表面为聚酰胺酸盐的薄膜；其中，氢氧化钠溶液浓度为4mol/l。

ⅱ）离子交换

将聚酰胺酸盐的薄膜放入银氨溶液中，使之与银氨溶液充分接触并室温下浸泡20分钟，用去离子水清洗，去除聚酰亚胺表面残留的溶液，得到表面为银离子—聚酰亚胺络合物的薄膜；其中，银氨溶液浓度为0.02mol/l；

ⅲ）掩模打印

将银离子—聚酰亚胺络合物的薄膜平整得贴在a4纸上，通过喷墨打印机将设计好的电路及天线掩模图案打印在该薄膜表面；暴露的表面将在还原过程中生长出银层，而喷墨打印的墨粉易溶于丙酮等有机溶剂，后续很容易去除。

ⅳ）还原

将打印有图案的薄膜平整放置，在200毫升去离子水中加入浓度为30%的双氧水1毫升，配置成溶液滴于打印有图案的薄膜上，还原、生成银质电路及柔性天线。其天线为平面矩形螺旋形状，线宽为0.4mm，间距为0.2mm，整体尺寸1.5cm*3cm，工作频率为170mhz；其银质电路起到的是导线作用，对于线宽、线间距无严格要求。

制备原理：先用氢氧化钠溶液对聚酰亚胺薄膜进行表面改性处理，聚酰胺环受到oh-的攻击而开环,形成聚酰胺酸盐(paa)的形式，碱性金属离子嵌入，随后使用银氨溶液处理,使得na+离子与目标银金属盐进行离子交换，最终获得带有金属盐的络合物；通过热处理或化学反应将银离子还原成金属银。

再采用双氧水作为还原剂进行一次氧化还原反应，这是一个固-液交界面处发生的反应。反应中，银离子将先被还原成银纳米颗粒,，在交界面上聚集，而后逐渐形成枝晶、花椰菜状和圆盘状的结构，最后成为紧密连续的银纳米层。