一种压阻型线状柔性应力传感器的制备方法
【技术领域】
[0001]本发明属于传感器制备技术领域，涉及一种应力传感器的制备方法，更具体的说本发明涉及一种压阻型线状柔性应力传感器的制备方法。
【背景技术】
[0002]柔性传感器是一种用于实现人类触觉、嗅觉、味觉、听觉、视觉等感知功能的人造柔性电子器件。近年来，新型可贴附、可穿戴、便携式、可折叠的柔性电子器件发展迅速，以智能手环为代表的可穿戴设备不断涌现。良好的柔软性和弹性是下一代可穿戴电子设备所必备的特征。该类器件在消费电子、军事、医疗健康等产业领域具有极大的应用潜力。
[0003]柔性应力传感器可实现对微小作用力的高灵敏度快速检测，对呼吸、脉搏、心跳、喉部震动等人体健康相关生理信号可以实时监测，在医疗领域有广泛应用前景。早期的柔性传感器多由金属纳米膜、柔性基底材料加金属膜、金属/高分子复合材料等结构来实现，但是这些器件中普遍需要半导体材料，由于半导体材料性脆，只适用于小变形领域。近期人们倾向于利用碳纳米材料，如碳纳米管或石墨稀，来替代脆性的娃基半导体材料。但这些碳基柔性应力传感器普遍存在制备工艺复杂、造价高昂等问题。
【发明内容】
[0004]本发明的目的在于提供一种高灵敏度、线状、柔性、应力传感器的制备方法，该传感器属于压阻型，可用于人体呼吸、脉搏、心跳、喉部震动等数据的采集，有效监测人体健康相关生理信号。
[0005]本发明所提供的线状柔性应力传感器的制备方法分为如下两步:
[0006]I)线状应力敏感材料的制备
[0007]将直径为0.2-5mm粗的线状生物质材料，在真空或惰性气氛保护下，在700?10001的高温下进行裂解处理0.5-5小时，即可得到线状应力敏感材料。
[0008]所述线状生物质材料为由棉纤维、麻纤维、蚕丝等生物质纤维纺织而成的线状物。[0009 ]所述惰性气体为氮气、氩气、氦气中的一种。
[0010]2)线状柔性应力传感器的制备
[0011]将上述线状应力敏感材料截成0.5-lOcm长的线段，线段两端分别用导电银胶与直径为0.03-0.5mm的导电电极相连接;在连接有电极的应力敏感材料线段的表面浸渍涂覆聚甲基硅氧烷树脂(PDMS)，真空脱泡;树脂固化后，即制得具有高灵敏度的线状柔性应力传感器。
[0012]所述导电电极为铜、金、银等导电金属丝。
[0013]本发明所制备的柔性应力传感器的工作原理:本发明所采用线状生物质材料由大量纤维纺织而成，经高温处理后，生物质转变为碳材料，这些线状碳材料具有良好的导电性。而PDMS树脂具有良好的柔韧性和绝缘性，线状碳材料与PDMS复合后，所制备线状复合材料兼具良好的柔韧性和适宜的导电性。当有外界应力作用于线状传感器时，传感器发生变形，同时传感器内部的碳纤维的接触点减少，传感器电阻增加;外力撤销后，碳纤维恢复接触，电阻也恢复初始值，因此通过传感器电阻变化可实现对应力的监测。
[0014]本发明的优点:
[0015]1.该传感器具有制备工艺简单、造价低廉的特点，同时传感器的核心原材料为生物质，来源广泛、可再生。
[0016]2.传感器为线状，体积小，使用方便。即可单独用做可穿戴设备，也可与衣物、床上用品等纺织物整合后使用。
【附图说明】
[0017]图1.本发明所制备线状柔性应力传感器的示意图:(A)碳化后的线状生物质；(B)传感器。
[0018]图2.本发明所制备线状碳材料(A)和传感器横截面(B)的SEM图片。
[0019]图3.本发明所制备的线状传感器的照片:(A)测试脉搏时和(B)任意弯曲状态。
[0020]图4.本发明所制备传感器的应力-相对电阻变化曲线。
[0021 ]图5.本发明所制备传感器对脉搏的监测曲线。
【具体实施方式】
[0022]下面结合附图对本发明做进一步详细描述。
[0023]实施例1
[0024]①将直径约为Imm粗的由棉纤维纺织而成的细线，在氮气保护下，在800°C的高温下裂解I小时，制得线状碳材料。
[0025]②将步骤①中所制备线状碳材料截成3cm长的线段，线段两端分别用导电银胶与直径为0.1mm的金属铜丝连接，作为电极。
[0026]③将步骤②中连接有铜丝电极的线段表面浸渍涂覆PDMS树脂(Sylgard184,DowCorning)，真空脱泡，树脂固化，即制得线状柔性应力传感器。
[0027]图1为本发明所制备线状柔性应力传感器的示意图，其中(A)表示碳化后的生物质线由大量的细小纤维组成；(B)表示传感器由应力敏感材料-碳纤维、PDMS树脂和电极三部分组成。图2(A)为所制备线状碳材料的SEM照片，从图中可以看出线状碳材料由大量细小的纤维组成，线的直径约为0.5_。线状碳材料的导电率为0.43S/m。图2(B)为传感器的横截面图，从图中可以看出碳纤维被PDMS树脂所包覆，从而提高了传感器的柔软性。从传感器的照片(图3)可以看出，传感器具有良好的柔软性，可进行任意角度的弯曲。图4为所制备线状传感器的应力-相对电阻变化曲线，从中可以看出传感器的电阻对应力变化非常敏感，灵敏度高达AOMPa—1。所制备传感器对周期性应力也具有良好的响应，使用寿命可达1000次循环以上。图5为所制备传感器对脉搏的监测曲线，从图中可以看出传感器对人体血压具有良好的响应，从图中可获得心跳次数、血压值等数据。
[0028]实施例2
[0029]①将直径为0.2mm粗的由蚕丝纺织而成的细线，氩气保护下，在700°C的高温下裂解5小时，制得线状碳材料。
[0030]②将步骤①中所制备线状碳材料截成0.5cm长的线段，线段两端分别用导电银胶与直径为0.1mm的金属银丝连接，作为电极。
[0031]③将步骤②中连接有银丝电极的线段表面浸渍涂覆PDMS树脂，真空脱泡，树脂固化，即制得线状柔性应力传感器。
[0032]使用本发明提供的方法制备得到的线状碳材料直径约为0.1mm，导电率为0.09Sm一、所制备的线状应力传感器具有良好的柔软性，可进行任意角度的弯曲。传感器对应力变化具有良好的响应性，灵敏度为55MPa—S使用寿命可达1000次循环以上。传感器可用于人体呼吸、脉搏、心跳、喉部震动的监测。
[0033]实施例3
[0034]①将直径约为5mm粗的由麻纤维纺织而成的细线，氦气保护下，在1000°C的高温下裂解0.5小时，制得线状碳材料。
[0035]②将步骤①中所制备线状碳材料截成1cm长的线段，线段两端分别用导电银胶与直径为0.03mm的金属金丝连接，作为电极。
[0036]③将步骤②中连接有金丝电极的线段表面浸渍涂覆PDMS树脂，真空脱泡，树脂固化，即制得线状柔性应力传感器。
[0037]使用本发明提供的方法制备得到的线状碳材料直径约为2.5mm，导电率为1.22Sm一、所制备的线状应力传感器具有良好的柔软性，可进行任意角度的弯曲。传感器对应力变化具有良好的响应性，灵敏度为2810?.1，使用寿命可达1000次循环以上。传感器可用于人体呼吸、脉搏、心跳、喉部震动的监测。
[0038]实施例4
[0039]①将直径约为2mm粗的由棉线纺织而成的细线，真空下，在750°C的高温下裂解4小时，制得线状碳材料。
[0040]②将步骤①中所制备线状碳材料截成5cm长的线段，线段两端分别用导电银胶与直径为0.5mm金属铜丝连接，作为电极。
[0041]③将步骤②中连接有铜丝电极的线段表面浸渍涂覆PDMS树脂，真空脱泡，树脂固化后即制得线状柔性应力传感器。
[0042]使用本发明提供的方法制备得到的线状碳材料直径约为1mm，导电率为0.llSnf1。所制备的线状应力传感器具有良好的柔软性，可进行任意角度的弯曲。传感器对应力变化具有良好的响应性，灵敏度为3610?.1，使用寿命可达1000次循环以上。传感器可用于人体呼吸、脉搏、心跳、喉部震动的监测。
【主权项】
1.一种压阻型线状柔性应力传感器的制备方法，其特征在于包括以下制备步骤: 1)将直径为0.2-5mm粗的线状生物质材料，在真空或惰性气氛保护下，在700?1000°C的高温下进行裂解处理0.5-5小时，即可得到线状应力敏感材料； 2)将上述线状应力敏感材料截成0.5-lOcm长的线段，线段两端分别用导电银胶与直径为0.03-0.5mm的导电电极相连接； 3)在连接有电极的应力敏感材料线段的表面浸渍涂覆聚甲基硅氧烷树脂，真空脱泡；树脂固化后，即制得具有高灵敏度的线状柔性应力传感器。2.根据权利要求1所述压阻型线状柔性应力传感器的制备方法，其特征在于:步骤I)中所述的线状生物质材料为由棉纤维、麻纤维、蚕丝所纺织而成的线状物中的一种。3.根据权利要求1所述压阻型线状柔性应力传感器的制备方法，其特征在于:步骤I)中所述的惰性气体为氮气、氩气、氦气中的一种。4.根据权利要求1所述压阻型线状柔性应力传感器的制备方法，其特征在于:步骤2)中所述导电电极为铜丝、金丝、银丝中的一种。
【专利摘要】本发明提供了一种高灵敏度、线状、柔性、应力传感器的制备方法，包括如下步骤：1)将直径为0.2-5mm粗的生物质线，在真空或惰性气氛保护下，在700～1000℃的高温下进行裂解处理0.5-5小时，制得线状应力敏感材料；2)将上述线状应力敏感材料截成0.5-10cm长的线段，线段两端分别用导电银胶与直径为0.03-0.5mm的导电电极相连接；3)在连接有电极的应力敏感材料线段的表面浸渍涂覆聚甲基硅氧烷树脂，真空脱泡，树脂固化，即制得线状柔性应力传感器。该传感器属于压阻型，具有体积小，使用方便的特点，即可单独使用，也可与纺织物整合后使用，可用于人体呼吸、脉搏、心跳、喉部震动等数据的采集，有效监测人体健康相关生理信号。
【IPC分类】G01L1/18
【公开号】CN105444928
【申请号】CN201510852706
【发明人】李元庆, 朱伟斌, 付绍云
【申请人】重庆大学
【公开日】2016年3月30日
【申请日】2015年11月30日