一种柔性应力传感器的制作方法

本实用新型涉及柔性应力传感器领域，具体涉及一种基于包芯纱-石墨烯网膜的应力传感器的制备方法。

背景技术：

随着人工智能的高速发展和智能终端的普及，可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景。柔性应力传感器作为人造柔性电子器件的核心部分，在人体临床诊断、健康评估、健康监控、虚拟电子、柔性触摸屏、柔性电子皮肤,甚至工业机器人等领域拥有很大的应用潜力。

目前，制造应变传感器的主流方式是将传感器的形变转变为电阻值的变化，即压电阻型应力传感器。其中一种较为常用的制备方法是在柔性基底表面嵌入或覆盖一层导电材料，得到多层结构的应变传感器。导电材料可以是金属膜或导电纳米材料通过各种工艺组装得到导电薄膜。石墨烯是目前世界上最薄且最硬的纳米材料，其电阻率极低，电子迁移速度极快。独特的二维结构和优异的导电性使石墨烯在应力传感领域表现出极大的应用前景。

传统的基底材料为表面平整的弹性薄膜，如聚甲基乙烯基硅氧烷(PDMS)、Ecoflex、Dragon skin、橡胶等，其表面嵌入或覆盖的导电层也为平面结构。这种平面结构的传感器普遍存在灵敏度不够高，难以检测微小形变的缺点，限制了其发展和应用。因此，迫切需要一种高灵敏度，同时制备工艺简便的新型应力传感器。

技术实现要素：

本实用新型的目的为针对当前技术存在的不足，提供一种新型高性能柔性应力传感器。该传感器使用复合网膜来替代传统的平面结构材料作为导电层，通过将二维层状还原石墨烯(RGO)包覆于包芯纱表面，得到导电的复合网膜。本实用新型极大提升了传感器的灵敏度，降低了检测限。

本实用新型的技术方案为：

一种柔性应力传感器，包括两个传感组件；每个传感组件包括PDMS粘性基底层和包芯纱-石墨烯复合网膜导电层，所述的基底层是由PDMS预聚物旋涂或滴涂，固化后成膜而得；所述的包芯纱-石墨烯复合网膜导电层是由石墨烯分散液组装于所述包芯纱骨架而得；两个传感组件贴合，其中，包芯纱-石墨烯复合网膜导电层一侧贴合，位于中间，柔性应力传感器形成“三明治”结构；每个传感器组件的包芯纱-石墨烯复合网膜导电层均连接一根导线。

所述的包芯纱骨架为直径为10μm-30μm的纱线，纱线为氨纶或锦纶中的一种或两种。

所述的PDMS粘性基底层的厚度为200μm-500μm。

所述的导线为铜线或铜箔，所述的导线通过导电胶与石墨烯导电层连接。

所述的导电胶采用导电银浆或导电碳浆。

所述的导线连接电化学测试设备，电化学测试设备包括电化学分析仪和数字万用表。

所述的PDMS预聚物为市售牌号为道康宁Sylgard 184双组分套件硅橡胶的组分A和组分B，质量比组分A：组分B＝10-15:1。

本实用新型的实质性特点为：

本实用新型通过采用类弹簧结构的柔性包芯纱作为柔性骨架，表面包裹二维片层结构的石墨烯，得到包芯纱-石墨烯复合网膜作为应变传感器的导电层，来替代表面平整的平面导电层。由于得到的复合网膜特殊的类弹簧网状结构对外界微弱的应力极为敏感，使传感器在灵敏度和检测限等方面的性能都有很大的提高。

本实用新型的有益效果为：

(1)利用柔性包芯纱作为骨架、纳米结构石墨烯片层作为敏感材料，包芯纱表面为类弹簧的纤维缠绕结构，外界微弱的震动可引起纤维间接触面积发生明显变化，形变传递到表面的石墨烯，使二维层状石墨烯发生接触-分离或相对滑移，有利于对微小应力的探测。与传统平面结构传感器相比，显著提高了检测分辨率。可用于检测压缩、弯曲、震动等不同种类的应力。本应力传感器的压缩检测限可达1.38pa，压缩灵敏度可达77.1kPa^-1(如图4)，与平面结构的应力传感器相比灵敏度提高至少20倍。弯曲灵敏度为1.25cm^-1(如图6)。可检测振幅为10μm的微弱震动(如图7)。

(2)包裹于柔性纤维表面的导电层间接触面积为有效检测应力的面积，因此，该柔性应力传感器的尺寸可以做得非常小(长度和宽度均可做到小于1cm，厚度最薄可达500μm)，解决了现有传感器小型化困难的问题。适合应用于小型化和集成化设备，可检测人体心跳、呼吸等生理信号，用于制作检测人体健康的穿戴式设备。

(3)制备工艺相对简单，制备条件容易实现。包芯纱-石墨烯导电网膜通过浸泡自组装等方法即可制备完成，且组装方便；该柔性应力传感器可在空气、常压环境下进行器件封装，能有效降低成本，适于大规模制备。

附图说明

图1为本实用新型的柔性应力传感器的结构示意图；

图2为石墨烯包裹于包芯纱骨架表面的微观结构图像；

图3为本实用新型的柔性应力传感器的压缩响应曲线图；

图4为本实用新型的柔性应力传感器的电导变化率随压强变化的曲线图；

图5为本实用新型的柔性应力传感器的弯曲响应曲线图；

图6为本实用新型的柔性应力传感器的电导变化率随曲率半径变化的曲线图；

图7为本实用新型的柔性应力传感器的震动响应曲线图；

具体实施方式

下面结合附图和具体实施例对本实用新型进行详细说明。

本实用新型涉及的石墨烯分散液为公知材料，是以氧化石墨烯为原料，通过化学还原法制备得到，石墨烯浓度为0.01mg/mL-0.4mg/mL，溶剂为水。

如图1所示，根据本实用新型的一种柔性应力传感器，包括：上基底，上层包芯纱-石墨烯复合网膜，下层包芯纱-石墨烯复合网膜，下基底，导线。

本实用新型提供所述的柔性应力传感器的制备方法，包括以下步骤：

实施例1：

(1)制备RGO分散液：在氧化石墨烯(GO)水分散液(0.01mg/mL，100mL)中加入水合肼(375μL)92℃还原1h，多余沉淀用纱布滤除，得到RGO分散液(0.01mg/mL)。

(2)制备包芯纱-RGO复合网膜：将包芯纱(混纺聚酰胺纤维85％，氨纶15％；直径15μm)放入紫外-臭氧清洗仪中利用紫外光照和臭氧处理2min，使其表面亲水，然后再完全浸润在RGO分散液中5min，然后铺平放置在培养皿中，60℃烘干2h，制得包芯纱-RGO复合网膜，如图2所示，将制好的网膜剪成1cm×3cm的矩形备用。

(3)制备PDMS薄膜：取市售牌号为道康宁Sylgard 184双组分套件硅橡胶的组分A与组分B按质量比10:1比例置于培养皿中搅拌20min，真空脱泡至表面无气泡，60℃预固化16min。(所述的组分A为主剂聚甲基乙烯基硅氧烷预聚物，组分B为带乙烯基侧链的预聚物及交联剂-以下实施例同)。将上述溶液旋涂于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底表面，将旋涂好的PDMS薄膜放入60℃鼓风干燥箱中固化20min，将薄膜从PET基底表面剥离，得到厚度为200μm的PDMS薄膜作为传感器的上基底和下基底(此时PDMS薄膜仍有一定粘性)。

(4)组装传感器：将包芯纱-RGO复合网粘附于PDMS薄膜表面。把宽度为1cm，厚度0.02mm的铜片，用导电银胶固定在包芯纱-RGO复合网膜的两端(如图1所示)，中间留出1.5cm的距离作为传感响应区，制备得到一个传感组件。将两个传感组件面对面组装，压挤出多余的空气，把组装好的器件放入60℃鼓风干燥箱中3h，使PDMS薄膜固化完全，即得到三明治结构的柔性应力传感器。

实施例2：

(1)制备RGO分散液：在氧化石墨烯(GO)水分散液(0.05mg/mL，100mL)(中加入水合肼(375μL)92℃还原1h，多余沉淀用纱布滤除，得到RGO分散液(0.05mg/mL)。

(2)制备包芯纱-RGO复合网膜：将包芯纱(混纺聚酰胺纤维85％，氨纶15％；直径20μm)在紫外-臭氧清洗仪中进行亲水化处理，完全浸润在RGO分散液中10min，然后铺平放置在培养皿中，60℃烘干2h，重复上述浸润步骤2次，制得包芯纱-RGO复合网膜，将制好的网膜剪成1cm×3cm的矩形备用。

(3)制备PDMS薄膜：取市售牌号为道康宁Sylgard 184双组分套件硅橡胶的组分A与组分B按质量比10:1比例置于培养皿中搅拌20min，真空脱泡至表面无气泡，60℃预固化16min。将上述溶液旋涂于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底表面，将旋涂好的PDMS薄膜放入60℃鼓风干燥箱中固化30min，将薄膜从PET基底表面剥离，得到厚度为300μm的PDMS薄膜作为传感器的上基底和下基底(此时PDMS薄膜仍有一定粘性)。

(4)组装传感器：将包芯纱-RGO复合网粘附于PDMS薄膜表面。把宽度为1cm，厚度0.02mm的铜片，用导电银胶固定在包芯纱-RGO复合网膜的两端(如图1所示)，中间留出1.5cm的距离作为传感响应区，制备得到一个传感组件。将两个传感组件面对面组装，压挤出多余的空气，把组装好的器件放入60℃鼓风干燥箱中3h，使PDMS薄膜固化完全，即得到三明治结构的柔性应力传感器。

实施例3：

(1)制备RGO分散液：在氧化石墨烯(GO)水分散液(0.1mg/mL，100mL)(中加入水合肼(375μL)92℃还原1h，多余沉淀用纱布滤除，得到RGO分散液(0.1mg/mL)。

(2)制备包芯纱-RGO复合网膜：将包芯纱(混纺聚酰胺纤维85％，氨纶15％；直径20μm)在紫外-臭氧清洗仪中进行亲水化处理，完全浸润在RGO分散液中15min，然后铺平放置在培养皿中，60℃烘干2h，重复上述浸润步骤4次，制得包芯纱-RGO复合网膜，将制好的网膜剪成1cm×3cm的矩形备用。

(3)制备PDMS薄膜：取市售牌号为道康宁Sylgard 184双组分套件硅橡胶的组分A与组分B按质量比10:1比例置于培养皿中搅拌20min，真空脱泡至表面无气泡，60℃预固化16min。将上述溶液旋涂于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底表面，将旋涂好的PDMS薄膜放入60℃鼓风干燥箱中固化35min，将薄膜从PET基底表面剥离，得到厚度为400μm的PDMS薄膜作为传感器的上基底和下基底(此时PDMS薄膜仍有一定粘性)。

(4)组装传感器：将包芯纱-RGO复合网粘附于PDMS薄膜表面。把宽度为1cm，厚度0.02mm的铜片，用导电银胶固定在包芯纱-RGO复合网膜的两端(如图1所示)，中间留出1.5cm的距离作为传感响应区，制备得到一个传感组件。将两个传感组件面对面组装，压挤出多余的空气，把组装好的器件放入60℃鼓风干燥箱中3h，使PDMS薄膜固化完全，即得到三明治结构的柔性应力传感器。

实施例4：

(1)制备RGO分散液：在氧化石墨烯(GO)水分散液(0.2mg/mL，100mL)(中加入水合肼(375μL)92℃还原1h，多余沉淀用纱布滤除，得到RGO分散液(0.2mg/mL)。

(2)制备包芯纱-RGO复合网膜：将包芯纱(混纺聚酰胺纤维85％，氨纶15％；直径30μm)在紫外-臭氧清洗仪中进行亲水化处理，完全浸润在RGO分散液中20min，然后铺平放置在培养皿中，60℃烘干2h，重复上述浸润步骤6次，制得包芯纱-RGO复合网膜，将制好的网膜剪成1cm×3cm的矩形备用。

(3)制备PDMS薄膜：取市售牌号为道康宁Sylgard 184双组分套件硅橡胶的组分A与组分B按质量比10:1比例置于培养皿中搅拌20min，真空脱泡至表面无气泡，60℃预固化16min。将上述溶液旋涂于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底表面，将旋涂好的PDMS薄膜放入60℃鼓风干燥箱中固化35min，将薄膜从PET基底表面剥离，得到厚度为400μm的PDMS薄膜作为传感器的上基底和下基底(此时PDMS薄膜仍有一定粘性)。

(4)组装传感器：将包芯纱-RGO复合网粘附于PDMS薄膜表面。把宽度为1cm，厚度0.02mm的铜片，用导电银胶固定在包芯纱-RGO复合网膜的两端(如图1所示)，中间留出1.5cm的距离作为传感响应区，制备得到一个传感组件。将两个传感组件面对面组装，压挤出多余的空气，把组装好的器件放入60℃鼓风干燥箱中3h，使PDMS薄膜固化完全，即得到三明治结构的柔性应力传感器。

实施例5：

(1)制备RGO分散液：在氧化石墨烯(GO)水分散液(0.4mg/mL，100mL)(中加入水合肼(375μL)92℃还原1h，多余沉淀用纱布滤除，得到RGO分散液(0.4mg/mL)。

(2)制备包芯纱-RGO复合网膜：将包芯纱(混纺聚酰胺纤维85％，氨纶15％；直径30μm)在紫外-臭氧清洗仪中进行亲水化处理，完全浸润在RGO分散液中30min，然后铺平放置在培养皿中，60℃烘干2h，重复上述浸润步骤8次，制得包芯纱-RGO复合网膜，将制好的网膜剪成1cm×3cm的矩形备用。

(3)制备PDMS薄膜：取市售牌号为道康宁Sylgard 184双组分套件硅橡胶的组分A与组分B按质量比10:1比例置于培养皿中搅拌20min，真空脱泡至表面无气泡，60℃预固化16min。将上述溶液旋涂于聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)基底表面，将旋涂好的PDMS薄膜放入60℃鼓风干燥箱中固化45min，将薄膜从PET基底表面剥离，得到厚度为500μm的PDMS薄膜作为传感器的上基底和下基底(此时PDMS薄膜仍有一定粘性)。

(4)组装传感器：将包芯纱-RGO复合网粘附于PDMS薄膜表面。把宽度为1cm，厚度0.02mm的铜片，用导电银胶固定在包芯纱-RGO复合网膜的两端(如图1所示)，中间留出1.5cm的距离作为传感响应区，制备得到一个传感组件。将两个传感组件面对面组装，压挤出多余的空气，把组装好的器件放入60℃鼓风干燥箱中3h，使PDMS薄膜固化完全，即得到三明治结构的柔性应力传感器。

图3为实例1中的传感器对压缩形变的循环响应曲线。在1kPa压力，传感器表现出良好的循环响应性能。图4为实例1中的传感器电导变化率随压强变化的曲线，斜率可反应传感器的压缩灵敏度。压强<0.3kPa，灵敏度高达77.1kPa^-1。同时，传感器具有很宽的检测范围，最低可用于检测1.38pa的微小压力，最高可检测80kPa的压力。图5为实例1中的传感器对弯曲形变的响应曲线图。在曲率半径为1.5cm，传感器表现出稳定且灵敏的循环响应性能。图6为实例1中的传感器电导变化率随曲率半径变化的曲线，弯曲灵敏度为1.25cm^-1。图7为实例1中的传感器对微弱正旋震动的循环响应曲线。振幅为10μm，频率为1HZ，传感器表现出明显的响应信号。以上电化学数据通过上海辰华电化学工作站CHI-760E测试，采用恒电位模式，电压为1V。各种形变通过动态机械分析仪DMA(Q800,TAInstruments)提供。

本应力传感器通过使用复合网膜来替代传统的平面结构材料作为导电层，极大提升了传感器的灵敏度，降低了检测限，适用于多种形变的高效检测。

本实用新型的柔性应力传感器的工作原理为：所述柔性应力传感器初始状态，上下两部分传感组件部分接触，形成导通结构。在外界应力作用下，基底发生形变并传导至包芯纱骨架及骨架表面的导电层，骨架的形变使表面导电层的接触面积发生变化，引起石墨烯片层之间发生接触-分离和相对滑移，从而导致传感器电导率发生变化。

以上所述仅为本实用新型的较佳实施例，并不用以限制本实用新型，凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。

本实用新型未尽事宜为公知技术。