包括混合电子片的压力传感器及可穿戴装置的制造方法

文档序号:10684690阅读:320来源:国知局
包括混合电子片的压力传感器及可穿戴装置的制造方法
【专利摘要】提供一种包括混合电子片的压力传感器及可穿戴装置。所述压力传感器具有良好的可控电性能和良好的机械柔韧性和稳定性,并以简单且高度可复制的方式测量例如压力,其中,传感器中组件的电阻根据施加的压力改变。
【专利说明】
包括混合电子片的压力传感器及可穿戴装置
[0001 ] 本申请要求于2015年4月2日在韩国知识产权局提交的第10-2015-0046751号韩国 专利申请的权益,该申请的公开内容出于所有目的通过引用包含于此。
技术领域
[0002] -个或更多个示例性实施例涉及一种包括混合电子片的压力传感器以及一种包 括压力传感器的可穿戴装置。
【背景技术】
[0003] 由于引入了触摸输入方式的移动终端或显示器的流行和商业可用性,使压力传感 器得以广泛使用。触摸式压力传感器正引起用于机器人(测量并响应外部环境或刺激)以及 用于电子装置的关注。由于对普适环境的越来越多的认识以及人形机器人的技术发展,除 了接收一维指令并重复执行对应操作的处理机器人之外,独立地响应并处理复杂且多变的 环境或外部刺激的机器人正变得倍受关注。为了主动地响应外部刺激和环境变化,这样的 机器人通过安装在他们的表面上的触摸压力传感器系统将外部刺激和环境变化转换为电 子信号,并且主动灵活地响应用户的指令。
[0004] 除了情感电子装置和人形机器人之外,基于柔性器件的压力传感器还可用于管理 身体活动和常规体育活动的传感器系统。基于柔性器件的超灵敏压力传感器可用于可穿戴 传感器系统,所述可穿戴传感器系统通过人体皮肤测量心脏脉搏波或通过将压力传感器附 着到鞋底来收集关于人体行走和习惯的数据。为了实施这种可穿戴系统,需要开发包括具 有良好弯曲和恢复性能以及良好机械柔韧性和稳定性的传感器基本单元的传感器。
[0005] 基于硅基固态MEMS的压力装置具有高水平的精确度,但由于他们的易碎性,他们 缺乏柔韧性且容易裂缝,导致他们在包括柔性表面的各种表面上应用的高难度。为了开发 具有高机械柔韧性的新颖柔性电子装置,诸如聚吡咯、PED0T:PSS或聚苯胺的导电聚合物、 石墨稀或诸如碳纳米管(CNT)、金属纳米颗粒或金属纳米线的纳米结构材料正作为娃的替 代选择而获得关注。具体地,由于其高的光传播性和导电性,CNT是常规使用的IT0的替代选 择。CNT还具有良好的化学稳定性和机械特性。此外,合成工艺中的新进展使CNT的批量生产 成为可能,降低其制造成本。然而,在基于导电聚合物的压力传感器的情况下,他们的长期 稳定性以及当接触水分时他们的导电性会显著改变。因此,该材料不适合压力传感器。在基 于纳米材料的装置的情况下,考虑到纳米材料的性能,难以获得再现性。
[0006] 因此,需要开发具有良好可控电性能的压力传感器及具有良好的机械柔韧性和可 靠性的压力传感器,以便可使用/应用于包括人形机器人、智能车辆、航空应用、仿真、处理 控制、人类友好IT、指纹识别系统或生物监测智能传感器等的各个领域。

【发明内容】

[0007] 一个或更多个示例性实施例包括一种压力传感器,所述压力传感器包括:底部基 片;顶部基片,位于底部基片上并与底部基片的至少一部分分开;电子片,形成在底部基片 的至少一部分或顶部基片的面对底部基片的表面的至少一部分上,或者,第一电子片和第 二电子片,所述第一电子片形成在底部基片的至少一部分上,所述第二电子片形成在顶部 基片的面对底部基片的表面的至少一部上;其中,电子片包括石墨材料和结合到石墨材料 的噬菌体,所述结合在噬菌体的展示在外壳蛋白或其片段上的肽与石墨材料之间进行。
[0008] -个或更多个示例性实施例包括用于测量生物信息的可穿戴装置,所述可穿戴装 置包括压力传感器。
【附图说明】
[0009] 通过下面结合附图对实施例的描述,这些和/或其它方面将变得明显且更容易理 解,在附图中:
[0010] 图1A至图1C示出了根据示例性实施例的压力传感器的图案化底部基片的示例;
[0011] 图2A至图2C示出了根据示例性实施例的压力传感器的底部基片的示例;
[0012] 图3A至图3C示出了根据示例性实施例的压力传感器的图案化顶部基片的示例; [0013]图4示出了根据示例性实施例的压力传感器;
[0014]图5A至图f5D示出了根据另一示例性实施例的压力传感器的示例;
[0015]图6A至图6D示出了根据另一示例性实施例的压力传感器的示例;
[0016]图7A和图7B示出了包括中间绝缘结构或中间绝缘层的根据示例性实施例的压力 传感器;
[0017]图8示出了根据示例性实施例的压力传感器的混合电子片;
[0018] 图9示出了如何制造根据示例性实施例的混合电子片;
[0019] 图10示出了根据示例性实施例的压力传感器的顶部基片的微观结构的图像;
[0020] 图11示出了根据示例性实施例的压力传感器的图像;
[0021] 图12是当不同水平的压力施加到根据示例性实施例的压力传感器时的电流图;
[0022] 图13是当按压或释放根据示例性实施例的压力传感器时的电流图;
[0023]图14示出了在通过使用手指将瞬时压力施加到根据示例性实施例的压力传感器 的实验的图像,并示出了由通过手指轻敲产生的力导致的压力传感器的电流随着时间变化 图;
[0024] 图15示出了根据通过使用根据示例性实施例的压力传感器测量桡动脉处流动的 血液的脉动转换的电流图;
[0025] 图16示出了示出如何执行使根据示例性实施例的压力传感器与市场上可买到的 具有10mm直径的Phidgets FSR传感器进行比较的实验的示意图,以及两个传感器对于由手 指在桌上轻敲导致的振动的响应性能的曲线图;
[0026] 图17示出了用于实验的小型压力传感器的图像,执行所述实验是为了确定根据示 例性实施例的压力传感器的敏感性与压力传感器的混合电子片的组成之间的关系;
[0027] 图18示出了当从0奸&开始以11^&的增量压力速率按压由石墨材料和口868#1以8 :2 的比例制成并转移在根据示例性实施例的压力传感器的顶部基片上的混合电子片和由石 墨材料和p8GB#l以8:2的比例制成并转移在压力传感器的底部基片上的混合电子片时的与 压力有关的电流图;
[0028] 图19示出了当从0奸&开始以11^&的增量压力速率按压由石墨材料和口868#1以2 :2 的比例制成并转移在根据示例性实施例的压力传感器的顶部基片上的混合电子片以及由 石墨材料和p8GB#l以8:2的比例制成并转移在压力传感器的底部基片上的混合电子片时的 与压力有关的电流图;
[0029] 图20示出了当从OkPa开始以lkPa的增量压力速率按压由石墨材料和p8GB#l以2:2 的比例制成并转移在根据示例性实施例的压力传感器的顶部基片上的混合电子片以及由 石墨材料和p8GB#l以2:2的比例制成并转移在压力传感器的底部基片上的混合电子片时的 与压力有关的电流图;
[0030] 图21示出了当从0奸&开始以11^&的增量压力速率按压由石墨材料和口868#1以8 :2 的比例制成并转移在根据示例性实施例的压力传感器的顶部基片上的混合电子片以及由 石墨材料和p8GB#l以2:2的比例制成并转移在压力传感器的底部基片上的混合电子片时的 与压力有关的电流图;
[0031] 图22示出了当从0奸&开始以11^&的增量压力速率按压由石墨材料和口868#1以5 :2 的比例制成并转移在根据示例性实施例的压力传感器的顶部基片上的混合电子片以及聚 (3,4_ 乙稀二氧噻吩(3,4-ethylenedioxythiophene))聚横苯乙稀(PED0T:PSS)转移在其上 的混合电子片时的与压力有关的电流图。
【具体实施方式】
[0032] 现在将详细参照在附图中示出的实施例,其中,相同的参考标号自始至终指示相 同的元件。就这一点而言,本实施例可具有不同的形式且不应当被理解为限于这里所阐述 的实施方式。因此,下面参照附图仅描述示例性实施例,以解释本实施方式的各个方面。当 在一列元件之后时,诸如"至少一个"的表述修饰整列元件,不修饰该列的个别元件。
[0033] -方面提供了一种压力传感器,所述传感器包括:底部基片;顶部基片,位于底部 基片上并与底部基片的至少一部分分开;电子片,形成在底部基片的至少一部分或顶部基 片的面对底部基片的表面的至少一部分上,或者形成在底部基片的至少一部分上的第一电 子片以及形成在顶部基片的面对底部基片的表面的至少一部分上的第二电子片;其中,所 述电子片包括石墨材料和结合到石墨材料的噬菌体,且所述结合在展示在噬菌体的外壳蛋 白或其片段上的肽与石墨材料之间进行。
[0034] 这里所使用的术语"压力传感器"可与"触摸传感器"或"触觉传感器"被可交换地 使用,指的是一种检测所受的力、接触、压力、触觉或触摸并将他们转换为信号(例如,电信 号)的装置、工具或器件。在一些实施例中,压力传感器可以是柔性压力传感器,并可具有小 于1_的厚度的集成化和小型化压力传感器。在一些实施例中,压力传感器可具有良好的可 控电性能、机械柔韧性和可靠性,且由于这些特性,压力传感器可用于人形机器人、触摸显 示器、生物信息测量可穿戴装置、智能车辆、航空应用、仿真、处理控制、人类友好IT、指纹识 别系统或生物监测智能传感器。
[0035] 这里所使用的术语"片"指的是具有特定宽度和特定厚度的材料,例如,可包括膜 (film)、网(web)、膜(membrane)或他们的复合结构。
[0036] 这里所使用的术语"石墨材料"指具有例如石墨表面的具有碳原子六角排布的表 面的材料,并且不管物理、化学或结构性能,可包括具有石墨表面的任何材料。其示例是石 墨稀片、高定向热解石墨(H0PG)片、氧化石墨稀、还原的氧化石墨稀、诸如单壁碳纳米管、双 壁碳纳米管和多壁碳纳米管的碳纳米管以及富勒烯。石墨材料可以是金属、半导体或其混 合。例如,石墨材料可以是石墨片与单壁碳纳米管的组合。
[0037] 参照图1至图3,具有第一电子片101的底部基片104或具有第二电子片102的顶部 基片105可具有图案,其中,第一电子片101已经转移到底部基片104,第二电子片102已经转 移到顶部基片105。例如,底部基片104或顶部基片105可具有呈凸出部分和凹入部分的图案 化表面,凸出部分可具有三角形、四边形或圆形的截面。此外,压力传感器还可包括电连接 到电子片101、102的电极103。在一些实施例中,电极103可电连接到第一电子片101和第二 电子片102中的至少一个,并可在底部基片104或顶部基片105上图案化。例如,第一电子片 101可在底部基片104上的电极103的图案之间图案化并转移。在一些实施例中,电极103在 底部基片104上转移,第一电子片101在电极13上图案化并转移。在一些实施例中,第一电子 片101在底部基片104上转移,电极103在第一电子片101上图案化并转移。第二电子片102和 电极103可如以上所述按照相同的方式设置在顶部基片105上。
[0038] 在一些实施例中,压力传感器可包括形成在底部基片104或者顶部基片105的面对 底部基片104的表面的至少一部分上的导电材料层。例如,当电子片形成顶部基片105的面 对底部基片104的表面的至少一部分上时,导电材料层可形成在底部基片104上,或者,当电 子片形成在底部基片104上时,导电材料层可形成在顶部基片105的面对底部基片104的表 面的至少一部分上。导电材料层可包括导电材料,下面将描述其示例。
[0039] 顶部基片105和底部基片104中的每个可以是例如透明柔性基片的柔性基片。顶部 基片105和底部基片104中的每个可以是使用例如聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚醚砜(PES)、聚 (3,4_乙烯二氧噻吩)、聚(磺化苯乙烯)、聚酰亚胺、聚氨酯、聚酯、全氟聚醚(PFPE)、聚碳酸 酯或上述聚合物的组合而制造的基片。
[0040]电极103的材料可包括导电材料,例如,银、含银环氧树脂(silver epoxy)、钯、铜、 铝、金、钛、铬、镍、铂、银/氯化银、银/银离子或汞/汞的氧化物。在一些实施例中,导电聚合 物由于它的柔韧性且容易涂覆而可用于形成电极103。这样的导电聚合物的示例是聚(3,4_ 乙烯二氧噻吩)聚磺苯乙烯(PED0T:PSS)。
[0041] 参照图4和图5,第一电子片101的至少一部分可接触第二电子片102的至少一部 分,或第二电子片102的至少一部分可接触第一电子片101的至少一部分。对于该接触,第一 电子片101转移在其上的底部基片104或第二电子片102转移在其上的顶部基片105可如上 所述图案化。在一些实施例中,压力传感器还可包括位于底部基片104或顶部基片105的表 面的盖106,所述表面与形成第一电子片101和第二电子片102的表面相对,盖106可保护或 覆盖压力传感器,并可与底部基片104或顶部基片105-体地形成。
[0042] 参照图6,形成在底部基片104的凸出部分上的第一电子片101的至少一部分可接 触形成在顶部基片105的凸出部分或凹入部分上的第二电子片102的至少一部分。在一些实 施例中,形成在顶部基片105的凸出部分上的第二电子片102的至少一部分可接触形成在底 部基片104的凸出部分或凹入部分上的第一电子片101的至少一部分。为了接触,底部基片 104或顶部基片105可根据以上描述图案化。该接触可出现在两个基片的最长凸出部分之 间、两个基片的凸出部分的侧表面之间或者一个基片的最长凸出部分与另一基片的凹入部 分之间。由于根据实施例的接触,压力传感器可具有高敏感性并可快速响应均匀(even)剪 切力。
[0043] 参照图7,压力传感器还可包括中间绝缘结构107或中间绝缘层108,以使底部基片 104与顶部基片105分开。例如,底部基片104和顶部基片105可利用在其之间的中间绝缘结 构107或中间绝缘层108而彼此分开特定距离。中间绝缘结构107或中间绝缘层108的高度可 被调整为大于形成在底部基片104上的第一电子片101或电极103的高度。
[0044] 施加到底部基片104、顶部基片105或盖106的压力可改变第一电子片101与第二电 子片102之间的接触面积、接触距离或导电网络密度。由于施加的压力,已经彼此分开的第 一电子片101与第二电子片102可发生彼此接触,或者在第一电子片101与第二电子片102已 经部分地接触彼此的情况下,其接触面积会增大。由于施加的压力,第一电子片101的导电 网络可更多地接触第二电子片102的导电网络。例如,当底部基片104或顶部基片105的凸出 部分具有四边形截面时,施加的压力不会导致第一电子片101与第二电子片102之间的接触 面积的增加,但他们的接触距离会减小,并且他们的导电网络可彼此接触更大程度,其结果 是更宽的驱动范围。例如,当底部基片104或顶部基片105的凸出部分具有金字塔形截面时, 施加的压力可导致第一电子片101与第二电子片102之间的接触面积和导电网络的增加,其 结果是更高的敏感性。当接触面积、接触距离或导电网络变化时,传感器的电阻或电流可改 变,允许施加到传感器的压力可被检测。
[0045]在一些实施例中,压力传感器可通过测量电容来测量施加的压力。例如,在压力传 感器包括通过中间绝缘结构或中间绝缘层彼此分开而不电接触的底部基片和顶部基片的 情况下,当施加压力时,压力传感器的电容改变,并通过测量电容的变化,测量了施加的压 力。
[0046]在一些实施例中,压力传感器可包括测量与施加的压力对应的信号(例如,电子信 号)或者获得例如关于施加的压力的信息的处理器(未示出)。处理器可通过测量变化的电 阻或电流获得关于力或压力的信息(例如,力的强度、力的方向或力被施加多少次)。信息可 被转换为随后显示的特定信号(例如,电信号),或可被提供至连接到压力传感器的单独的 装置以便允许单独的装置执行目标操作。因此,处理器可包括将测量值转换为显示值的电 子装置、显示结果的显示器或者一个或跟多个控制界面。在一些实施例中,通过经由电极连 接的外部测量装置(未示出),压力传感器可执行上述与处理器有关的相同的操作。
[0047] 参照图8,第一电子片101和第二电子片102中的每个可具有例如0.0001至 1000〇112、0.0001至100〇112或1至20〇112的面积以及例如20至200011111、40至150011111、40至 1000nm、60至500nm或80至200nm的厚度。在一些实施例中,包括石墨材料110和噬菌体120的 第一电子片101和第二电子片102中的每个的内部结构可具有渗透网络结构,这里所使用的 "渗透网络"指的是由随机的导电或非导电的联接组成的晶格结构。
[0048] 另一方面提供了一种制备电子片的方法,所述方法包括:制备包括石墨材料的胶 体材料;将噬菌体添加到溶液以制备噬菌体溶液,所述噬菌体在他的外壳蛋白或其片段上 展示了具有与石墨材料的结合性能的肽;使胶体材料与噬菌体溶液混合以制备混合物;使 用膜透析混合物以在溶液中形成电子片。
[0049] 在制备胶体材料时,胶体材料可以是使石墨材料散布或溶解在其中的水溶液。可 通过使包含表面活性剂的溶液中的石墨材料稳定化来制备胶体材料。
[0050] 表面活性剂可包括与诸如肽或噬菌体的生物材料生物相容的表面活性剂。其示例 是十二烷基磺酸钠(SDS)、脱氧胆酸钠(D0C)、乙基苯基聚乙二醇(Nonidet P-40)、聚乙二醇 辛基苯基醚(Triton X-100 )和吐温20 (Tween 20?)。
[0051 ]在制备噬菌体溶液时,制备噬菌体的方法与上述相同。在一些实施例中,可将制备 的噬菌体添加到合适的溶液,例如,蒸馏水、磷酸盐缓冲溶液(PBS)或缓血酸胺盐(TBS)溶 液,且该溶液可具有5至8的pH。
[0052]在示例性实施例中,当石墨烯片用作石墨材料时,与一维结构的材料相比,石墨烯 片的二维结构可提供组成材料的大的接触面积。因此,可实现大的混合电子片。
[0053]在示例性实施例中,当石墨烯片与单壁碳纳米管的组合用作石墨材料时,石墨烯 片浓度不要求像当只使用石墨烯片时所必需的那样高,同时保留了石墨烯片的二维结构的 优点。
[0054] 在示例性实施例中,当石墨烯片与单壁碳纳米管组合时,合成片的尺寸和厚度增 大且每单位面积的纳米电极的有效面积增大。
[0055] 在透析来形成电子片时,包含混合物的膜管可对透析溶液进行透析,或者可通过 使用自身的膜对混合物进行透析。膜可包括半渗透膜或允许诸如材料的混合物通过其渗透 的任何结构。例如,可在添加了离子的溶液中透析来形成电子片。包括在透析溶液中的离子 浓度可在大于等于〇小于10mM的范围。可通过向透析溶液中添加单价电解质来控制例子浓 度,例如,向用于透析的三重蒸馏水添加〇. ImM NaCl。
[0056]在一些实施例中,根据与噬菌体的稳定性,透析溶液可以是蒸馏水、三重蒸馏水 (电阻>18Mohm cm)、PBS或TBS〇
[OO57] 在通过透析形成电子片时,透析可执行大约5至60小时,大约10至50小时或15至40 小时。在透析之后,可沿着膜管的表面形成纤薄的电子片。
[0058]在一些实施例中,制备电子片的方法还可包括在通过透析形成电子片之后在水溶 液中使形成的电子片与膜分离。例如,通过扭转用于透析的膜管使沿着膜形成的电子片分 离,可完成分离。可在水溶液中通过控制膜夹获得独立式的电子片。
[0059] 在一些实施例中,根据其目的,制备电子片的方法还可包括利用相配的基片或掩 膜使形成在水溶液中的电子片转移。基片或掩膜可由金属、半导体、绝缘体、聚合物、弹性体 等制成。例如,可通过利用柔性聚合物基片转移电子片来制备柔性电子器件。在一些实施例 中,该工艺是为了通过利用图案化的基片或掩膜转移分离的电子片而在电子片上形成图 案。例如,当使用图案化的镂空掩膜时,当在电子片完全干燥之后再分离掩膜时,在电子片 上形成了图案。通过该工艺,无额外的物理或化学蚀刻,器件可被实现在柔性电子片上。
[0060] 在制备混合物时,根据电子片的使用,本领域技术人员可控制胶体石墨材料和噬 菌体溶液的混合比例。也就是说,可根据电子片的期望性能(例如,导电率、导电性能、电化 学充电电流、亲水性等)来控制混合比例。例如,可依据电子片的结构稳定性、具有大面积的 电子片的形成以及电子片的电阻来控制胶体石墨材料和噬菌体溶液的摩尔比例。胶体石墨 材料和噬菌体溶液的摩尔比例可在30:1至1:30的范围、在20:1至1:20的范围、在15:1至1: 15的范围、在10:1至1:10的范围或在8:1至1:8的范围,例如20:1、10:1、4:1、1:4或1:8。
[0061] 在一些实施例中,电子片的电阻值依赖于胶体石墨材料和噬菌体溶液的摩尔比 例。因此,通过控制摩尔比例,控制包括在电子片中的石墨材料和噬菌体的数量,因此,控制 了电子片的电阻值。例如,在第一电子片或第二电子片中,包括在电子片中的石墨材料数量 和噬菌体数量的比例可在1:10至10:1、1:8至8:1、1:4至4:1或1:2至2:1的范围。
[0062] 在一些实施例中,通过控制摩尔比例或数量比例,第一电子片的电阻值可等于或 大于第二电子片的电阻值。与当第一电子片的电阻值小于第二电子片的电阻值时相比,当 第一电子片的电阻值等于或大于第二电子片的电阻值时,压力传感器的驱动范围可变宽。 在一些实施例中,第一电子片的电阻值可小于第二电子片的电阻值。当第一电子片的电阻 值小于第二电子片的电阻值时,压力传感器的敏感性可高于当第一电子片的电阻值等于或 大于第二电子片的电阻值时的敏感性。压力传感器的敏感性指通过传感器可检测到的压力 的最低水平。敏感性增大意味着可检测到的压力的水平降低,或者,敏感性高意味着可检测 到的压力的水平低。压力传感器的驱动范围可指通过传感器可检测的压力的范围,压力传 感器的驱动范围增大指可检测到的压力的范围增大,或者,压力传感器的驱动范围宽指可 检测的压力的范围变宽。当压力传感器的敏感性高时,由于施加到传感器的高的压力,传感 器可具有饱和响应程度,从而具有窄的压力驱动范围。当压力传感器的驱动范围宽时,传感 器对于施加的力的响应程度可变化更小。因此,即使在高水平的压力下,传感器也可不饱和 地测量压力的改变。
[0063] 在示例性实施例中,制备电子片的方法使将石墨材料和噬菌体均匀散布在其中的 纳米结构的制造成为可能,此外,使具有400nm或更小的厚度并具有10平方厘米的面积的大 面积柔性电子片的制造成为可能。
[0064] 在示例性实施例中,制备电子片的方法可使电子片转移在各个基片上,而无需化 学蚀刻或使用额外的载体材料层。
[0065] 在示例性实施例中,制备电子片的方法可使用基片或掩膜来使图案化容易。
[0066] 结合到石墨材料的肽可以是能够以非破坏性的方式结合到石墨材料的材料。肽可 通过例如噬菌体展示技术选自于肽库。通过噬菌体展示技术,肽可基因地连接到、插入到或 取代噬菌体的外壳蛋白,其结果是蛋白展示在噬菌体的外部,其中,可通过病毒体中的遗传 信息对肽进行编码。蛋白质的变体可通过展示的蛋白质以及对展示的蛋白质进行编码的 DNA来选择和筛选,该方法被称为"生物淘洗"。简言之,通过利用已经固定的目标(例如,石 墨材料)培育大量展示的噬菌体变体、冲走未结合噬菌体、以及通过使噬菌体与目标之间的 结合作用破裂而特定地洗脱结合噬菌体来实施生物淘洗。筛选的噬菌体中的一部分被留下 来,用于DNA测序和肽识别,剩余的进行在体扩增,以制备下一环节的子库。然后重复该程 序。
[0067] 术语"噬菌体"或"细菌噬菌体"被可交换地使用,并且指的是感染细菌并在细菌内 部进行复制的病毒。噬菌体或细菌噬菌体可用于展示肽,所述肽选择性地或特定地结合到 石墨材料或挥发性有机复合物。噬菌体可通过基因工程在噬菌体的外壳蛋白或其片段上展 示能够结合到石墨材料的肽。如这里所使用的,术语"基因工程"或"基因工程地"的含义是 将一个或更多个基因改造引入噬菌体,以在噬菌体的外壳蛋白或其片段上展示能够结合到 石墨材料的肽,或者是因此而制备的噬菌体。基因改造包括对肽进行编码的外源基因的引 入。噬菌体可是丝状噬菌体,例如,M13噬菌体,F1噬菌体、Fd噬菌体、Ifl噬菌体、Ike噬菌体、 Z j /Z噬菌体、Ff?噬菌体、Xf?噬菌体、Pfl噬菌体或Pf3噬菌体。
[0068] 这里所使用的术语"噬菌体展示"或"展示有肽的噬菌体"指的是将功能外源肽或 者蛋白展示在噬菌体或噬菌粒颗粒的表面上。噬菌体的表面可指噬菌体的外壳蛋白或其片 段。
[0069] 功能性外源肽可呈现为结合到噬菌体的外壳蛋白的N-端,或呈现为插入到外壳蛋 白。噬菌体可以是功能性外源肽结合到噬菌体的外壳蛋白的C-端的噬菌体,或者肽插入在 噬菌体的外壳蛋白的连续的氨基酸序列之间,或替换外壳蛋白的连续的氨基酸序列的一部 分。外壳蛋白的氨基酸序列的插入肽或被肽替换的位置可以是自外壳蛋白的N-端的位置1 至5、位置1至40、位置1至30、位置1至20、位置1至10、位置2至8、位置2至4、位置2至3、位置3 至4或位置2。在一些实施例中,外壳蛋白可以是p3、p6、p8或p9。
[0070] 特别对石墨材料具有亲和性的肽可以是肽或肽组(包括从由XAXiAAXAsPUEQ ID N0.1)、X2X2PX3X2AX3P(SEQ ID N0.2)、SXiAAX2X3P(SEQ ID N0.3)和X2PX3X2AX3P(SEQ ID NO.4)的氨基酸序列组成的组中选择的一个或更多个)。在一些实施例中,肽或肽组可包括 从由SEQ ID N0S.5至SEQ ID N0S.8的氨基酸序列组成的组中选择的一个或多个。噬菌体的 外壳蛋白的连续氨基酸序列可结合到肽或肽组的氨基酸序列的N-端或C-端。因此,例如,肽 或肽组可具有呈5至60、7至55、7至40、7至30、7至20或7至10氨基酸的长度的氨基酸序列。 [0071]肽可具有已知肽的保守取代。肽可具有已知肽的保守取代物,这里所使用的术语 "保守取代"指利用不同的第二氨基酸残基替代第一氨基酸残基,而不改变蛋白质或肽的生 物物理特性。这里,第一氨基酸残基和第二氨基酸残基意味着那些具有侧链的氨基酸残基, 所述侧链具有相似的生物物理特性。相似的生物物理特性可包括提供或接受疏水性的能 力、电荷、极性或氢键结合。保守取代物的示例在碱性氨基酸(精氨酸、赖氨酸和组氨酸)、酸 性氨基酸(谷氨酸和天冬氨酸)、极性氨基酸(谷氨酸盐和天冬酰胺)、疏水性氨基酸(亮氨 酸、异亮氨酸、缬氨酸和甲硫氨酸)、亲水性氨基酸(天冬氨酸、谷氨酸、天冬酰胺和谷氨酸 盐)、芳香族氨基酸(苯基丙氨酸、色氨酸、酪氨酸和组氨酸)以及小型氨基酸(甘氨酸、丙氨 酸、丝氨酸和苏氨酸)的组之内。通常不改变特定活性的氨基酸替换是本领域知晓的。例如, 在肽中,Xi可是W、Y、F或H,X 2可是D、E、N或Q,X3可是I、L或V。
[0072] 例如,SEQ ID N0.1至SEQ ID如.8的任意一个肽的(:-端可结合到1113噬菌体的主 体,也就是说,不是噬菌体的尖端,而是沿长度方向呈现在主体上的具有长度50的氨基酸的 p8(SEQ ID N0.19)的N-端,在一些实施例中,例如,对于Ml3噬菌体的外壳蛋白p8的氨基酸 序列中的位置2至4(例如,EGD)、位置2和3或者3和4、或者位置2,可替换SEQ ID N0.1至SEQ ID N0.8的任意一个肽。
[0073] 在示例性实施例中,展示与石墨材料具有亲和性的肽的噬菌体特异性地结合到石 墨材料,因此,可通过不对石墨材料的性能造成损坏的无损方法提供附加功能。在肽被展示 在丝状噬菌体的外壳蛋白上的情况下,与石墨材料的接触面积足够大,从而提供了更强的 亲和性。
[0074] 在示例性实施例中,使用噬菌体本身的纤维结构,可将噬菌体定向地布置在石墨 表面上。例如,噬菌体可沿特定的方向布置为一行。在这种情况下,呈现在噬菌体的外壳蛋 白上的肽对于石墨表面的亲和力增强,且噬菌体布置成一行。布置成一行的噬菌体可为石 墨表面提供各向异性功能,所述各向异性功能与当单独使用肽时可用的各向同性或随机功 能不同。除了布置成一排之外,噬菌体还可被布置为形成具有特定方向性的结构,诸如,分 层结构(例如,近晶的(smectic))、向列结构、螺旋结构或晶格结构。因此,可使用噬菌体的 布置结构针对石墨表面提供各种功能。
[0075] 在一些实施例中,压力传感器可以是用于测量血压和心率的压力传感器。
[0076] 血压可是动脉血压、毛细血管血压和静脉血压,一般,血压可指动脉血压。动脉血 压对应于心脏搏动而改变。可以以侵入方式或非侵入方式来测量血压。在实施例中,压力传 感器可连接到导管来测量血压。在侵入式方式的示例中,导管通过包含例如肝素等压氯化 钠溶液的连接器插入到血管中来测量血压。在一些实施例中,压力传感器连接到导管的前 端来测量血压。在非入侵方式中,在一些实施例中,压力传感器可位于可测量脉搏波的位置 上,例如,桡动脉、臂动脉、颈动脉、股动脉、胭动脉、胫动脉或足背动脉运行的柔软的皮肤 处。在一些实施例中,当心脏搏动且血管收缩或舒张时,压力传感器可通过检测传递到位于 血管上面的皮肤处的压力(例如,血压)来测量血压。
[0077] 在一些实施例中,压力传感器可通过检测当心脏搏动时出现在血管或静脉中的脉 搏并将脉搏转换为电子信号来测量心脏搏动或心率。
[0078]另一方面提供了一种包括压力传感器的可穿戴装置,所述压力传感器包括:底部 基片;顶部基片,位于底部基片上并与底部基片的至少一部分分开;电子片,形成在底部基 片的至少一部分或顶部基片的面对底部基片的的表面的至少一部分上,或者,形成在底部 基片的至少一部分上的第一电子片,形成在顶部基片的面对底部基片的表面的至少一部分 上;其中,电子片包括石墨材料和结合到石墨材料的噬菌体,所述结合在展示在噬菌体的外 壳蛋白或蛋白片段上的肽与石墨材料之间进行。
[0079]压力传感器与以上所述相同。
[0080]可穿戴装置用于测量生物信息,生物信息可包括血压或心率。在示例性实施例中, 生物信息可以是通过步行产生的力或压力,一个或更多个压力传感器可安装在人的脚或鞋 的底部来测量通过步行产生的力的强度或分布程度。此外,一个或更多个压力传感器可安 装在人的牙齿或口腔来测量由于牙齿咬合导致的力的程度或分布。因此,在一些实施例中, 可穿戴装置可以是眼罩、环带、手表、鞋类、附着到牙齿的装置。
[0081] 在一些实施例中,可穿戴装置还可包括控制器,所述控制器与压力传感器进行逻 辑通信并接收和处理通过压力传感器产生的信号数据从而输出与控制压力传感器有关的 数据。
[0082] 可穿戴装置的压力传感器可通过控制器控制,所述控制器以特定的时间间隔进行 响应或响应具体事件(例如,开关操作)并接收和处理通过压力传感器检测的生物信息。 [0083] 在一些实施例中,可穿戴装置还可包括存储器,所述存储器存储控制器的处理操 作,并暂时储存输入/输出数据(例如,生物信息)。存储器可存储与通过压力传感器发送的 电信号有关的信息(例如,血压或心率)。
[0084] 在一些实施例中,可穿戴装置还可包括显示单元,所述显示单元显示通过控制器 处理的信息或通过存储器存储的信息。在一些实施例中,可穿戴装置还可包括无线通信单 元,所述无线通信单元将通过控制器处理的信息或通过存储器存储的信息发送到穿着可穿 戴装置的人或全部具有无线通信系统的其他用户(例如,位于穿着可穿戴装置的人附近的 人、运动员的训练员、医生、医院或穿着可穿戴装置的人的家人)。例如,无线通信单元可包 括:广播接收模块、移动通信模块、无线互连网模块或近距离通信模块。通过压力传感器检 测的信息可通过无线通信单元发送至穿着包括压力传感器的可穿戴装置的人或其他用户。 [0085] 压力传感器具有良好的可控电性能以及机械柔韧性和稳定性,因此,压力传感器 被有效地用于被构造为测量生物信息(例如,血压或心率)的可穿戴装置。
[0086]在下文中,将描述发明构思的实施例。然而,实施例仅仅出于说明性目的而在这里 提出,并不限制发明构思的范围。
[0087]示例:压力传感器的制造及其特性分析 [0088] 1 ?压力传感器1的制造
[0089] (1)混合电子片1的制备
[0090] (1.1)胶体溶液的制备
[0091]首先,通过将作为表面活性剂的2%w/v胆酸钠添加到蒸馏水来制备水溶液,利用 胆酸钠通过将碳纳米管(制造商:Nanointegris,超纯单壁碳纳米管(SuperPure SWNT),溶 液类型,浓度:250mg/ml)透析48小时使单壁碳纳米管稳定来制备胶体溶液。
[0092]就这一点而言,假如碳纳米管(CNT)的平均长度和平均直径分别是lwii和1.4nm,根 据下面的等式计算包括在胶体溶液中的单壁碳纳米管的数量。
[0093][等式 1]
[0094] 单壁碳纳米管的数量(数量/mL)=浓度(yg/mL) X 3 X 10nCNT
[0095] 根据该等式,包括在胶体溶液中的单壁碳纳米管的数量是7.5X 1013/mL。
[0096] (1.2)展不具有与石墨材料的未和性的妝的菌体的制备
[0097] 作为具有与石墨表面的强亲和性的M13噬菌体,通过下面的方法制备展示具有与 石墨表面的强亲和性的肽DSWAADIP(SEQ ID N0.5)的M13噬菌体(p8GB#l)以及展示肽 DNPIQAVP(SEQ ID N0.6)的M13噬菌体(p8GB#5)。
[0098] 首先,将3£〇10^)3.10和3£〇10勵3.11的寡核苷酸用于姐31^载体(陬8,产品# N0316S)(SEQ ID如.9)的第1381个碱基对(:到6的定点突变来制备組3冊载体。使用限制性 内切酶、BspHI(NEB,产品#R0517S)和BamHI(NEB,产品#R3136T)来双酶切(double-digested)制备的M13HK载体,并使用磷酸酶脱去磷酸。通过在16°C培养一夜使脱去磷酸的 载体连接到双酶切的DNA双链。然后纯化并浓缩产品。通过在18kV/cml进行电穿孔,使电感 受细胞(XL-1蓝,Stratagene)与2ul的浓缩的结扎载体溶液。对库结构执行全部的五个转 化。然后,将转化的细胞培养60分钟,多个转化株的片段被涂覆到包含半乳糖/异丙基-0-D-1-硫代半乳糖苷(IPTG)/四环素(Tet)的琼脂平板上,以确定库的多样性。剩余细胞在温控 摇床中扩增8个小时。SEQ ID N0.12和SEQ ID N0S. 13的寡核苷酸用于噬菌体展示p8肽库的 构建。
[0099]根据示例性实施例构建的噬菌体展示p8肽库的基本序列具有4.8 X 107个pfu(空 斑形成单位)的多样性,并包括每个序列的大约1.3 X 105个拷贝数。
[0100] 然后,制备具有1 cm直径的高度有序的热解石墨(H0PG)基片(制造商:SPI产品# 439HP-AB)。就这一点而言,H0PG基片是具有lOOwii或更小的相对大晶粒尺寸的H0PG基片。以 前,在生产过程中损坏的碳纳米管膜表面已常用作石墨表面,因此,难以识别具有高的亲和 性的肽。为了解决该问题,通过在使用之前立即使用胶带使作为具有石墨表面的H0PG与基 片分离,从而获得新表面,以便使通过例如氧化导致的缺陷的出现最小化。其后,如以上所 述制备的噬菌体展示4.8 X 101()pfu(4.8 X 107个多样性,每个序列1000个拷贝数)的p8肽库 在100yL的缓血酸胺盐(TBS)中进行制备,并在振动培养器中以lOOrprn与H0PG表面结合1个 小时。1个小时之后,移除溶液并在TBS中清洗表面10次。清洗后的H0PG表面与作为酸性缓冲 液的pH值2.2的Tris-HCl反应8分钟,以洗脱非选择性反应的肽,利用XL-1蓝E(XL-lblue E) 洗脱剩余的噬菌体。在对数中期阶段培养大肠杆菌30分钟。将洗脱的培养物的部分预留用 于DNA测序和肽识别,剩余的进行扩增以制备下一循环的子库。利用制备的子库重复上述程 序。同时,对左空斑进行DNA测序,以获得p8多肽序列,分析所述序列以获得DSWAADIP(SEQ ID NO:5)展示在其上的噬菌体(P8GB#1)以及DNPIQAVP(SEQ ID NO:6)展示在其上的噬菌体 (p8GB#5)。在这里,DSWAADIP(SEQ ID NO:5和DNPIQAVP(SEQ ID NO:6)是具有与石墨材料的 强亲和性的肽序列。
[0101] 此外,关于噬菌体与石墨材料之间的结合,认为自SEQ ID N0S.5和SEQ ID N0S.6 的第一氨基酸序列的天冬氨酸(D)不影响结合,并且获得SWAADIP(SEQ ID N0.7)和NPIQAVP (SEQ ID NO.8)展示在其上的肽序列的噬菌体,以确定它与石墨材料的结合。
[0102] (1.3)结合菌体的混合电子片的制备
[0103] 以8:2的摩尔比例混合上面制备的胶体溶液和包含具有与石墨材料的强亲和性的 Ml 3噬菌体(p8GB# 1)的噬菌体溶液。
[0104] 接着,为了透析,将混合物添加到半渗透透析膜(SpectrumLab、MW⑶12,000至14, 000、产品#132700)管,且膜管靠三重蒸馏水进行透析。在透析开始之后大约16个小时,沿着 膜管的表面形成纤薄电子片。接着,将膜管转移到三重蒸馏水,通过扭转膜管的膜使电子片 分离然后进行干燥。
[0105] 图9示出了如何制造根据示例性实施的压力传感器的混合电子片。
[0106] 如图9所示,示出了碳纳米管散布或溶解在通过将其添加到包含表面活性剂的溶 液而稳定的胶体材料中。单壁碳纳米管与M13噬菌体结合,最终形成具有碳纳米管与M13噬 菌体的渗透网结构的片。
[0107] (2)压力传感器的底部基片的制造
[0108] PDMS聚合物基片用作底部基片。以10 : 1的比例混合Sylgard ? 184硅橡胶和 8>^^^$184硅橡胶固化剂,然后,通过培养皿旋转涂覆调整产品的厚度,并在处于70°(:的 温度烤箱中对其执行大约6个小时的固化。可通过使用手术刀将固化的TOMS膜切割为期望 的尺寸。在分开的柔性聚合物PDMS膜上,安装镂空掩膜,然后通过喷镀将金属电极(Pt)设置 在其上。在金属电极的图案之间,通过使用具有1.5 X 1.5cm尺寸的镂空掩膜将根据示例1.3 制备的混合电子片转移到其上,然后在空气中干燥大约1个小时。干燥的基片与电极转移到 其上的混合电子片的合成物被用作用于柔性压力装置的底部基片。
[0109] (3)压力传感器的顶部基片的制造
[0110] 制造用作顶部基片的图案化聚合物模具。首先,以3000rpm的旋转速率在硅片上旋 转涂覆SU-8100(Microchem公司制造),然后,在60°C的温度下固化30分钟,然后在90°C的温 度下固化60分钟,然后,通过具有目标图案的掩膜和掩膜调节器向其照射紫外(UV))光。通 过控制SU-8膜的厚度调整目标图案的厚度。线条图案的宽度被设计为在200至400mi的范 围。在紫外光的照射之后,将合成物在60°C的温度下固化大约1分钟,然后在90°C的温度下 固化大约20分钟,然后,通过使用仅SU-8(由Microchem制造)专用的显影剂使形成的图案显 影。其上具有图案的硅片被用作模具。在圆形模具的情况下,通过使用光刻胶形成如上所述 形成的线条图案或框图案,然后,通过使用聚合物回流法(polymer reflow method)恪化聚 合物的外壁,从而完成圆形硅模具的制造。在金字塔形模具的情况下,通过使用光刻胶在硅 片上形成四角形凹入图案,通过使用硅蚀刻溶液(HF)来蚀刻与不受光刻胶保护的四角形凹 入图案对应的硅片的部分,从而完成金字塔形凹入图案的制造。
[0111] 与用于制备PDMS底部基片的情况类似,以10:1的比例混合Sylgarcl ? 184硅橡胶和 Sylgard?l84硅橡胶固化剂,在调整形成的膜的厚度时在其上具有图案的硅片上旋转涂覆 混合物,并在处于7〇°C的温度烤箱中对其执行固化大约6个小时。通过使用手术刀仔细地将 固化的PDMS膜与硅片模具分离,从而完成图案化的顶部基片的制造。通过使用镂空掩膜将 混合电子片转移到图案化的顶部基片上,然后在空气中干燥大约1小时。在移除掩膜之后, 利用蒸馏水清洗转移到图案化的顶部基片上的混合电子片,然后通过使用氮气进行干燥。 图10示出了混合电子片转移到其上的顶部基片的微观结构的图像。
[0112] 图10示出了组成根据示例性实施例的压力传感器的顶部基片的微观结构的图像。
[0113] 如图10所示,示出了混合电子片共形均匀地形成在基片上,呈台阶状。
[0114] (4)压力传感器的制造
[0115] 使其上分别涂覆干燥的混合电子片的顶部基片和底部基片彼此堆叠,然后,通过 使用粘性聚物合材料封装得到的结构,从而完成柔性压力装置的制造。为了封装,将适量的 已经以10:1的比例制备的PDMS溶液(与用于制造底部基片的条件类似)用于涂覆顶部/底部 PDMS基片的堆叠结构的外部,然后,在80 °C的温度下进行大约一个小时的固化,然而在30 °C 的温度下进行大约30分钟的固化。此外,除了 PDMS溶液之外,环氧固化剂和聚丙烯酸酯聚合 物粘合剂也用于使两个PDMS聚合物基片接触。
[0116]图11示出了根据示例性实施例的压力传感器的图像。
[0117] 如图11所示,示出了根据示例性实施例的压力传感器是具有1mm或更小的厚度的 大面积柔性压力传感器。
[0118] 2、压力传感器的性能分析
[0119] (1)基本性能分析
[0120]通过使用由HP公司制造的4156A精密半导体参数分析仪来测量所制造的压力传感 器的性能。将不同的压力施加到制造的压力传感器,-IV至+1V的电压被施加到两个电极以 根据压力测量I-V(电流vs电压)信号,其结果示出在图12和图13中。
[0121] 此外,柔性压力传感器是否立即响应压力上的突变确认如下:将2V的电压施加到 两个电极并将大约2至4kPa的压力通过轻敲施加到制造的压力传感器以通过轻敲测量电流 的实时变化,其结果示出在图14中。
[0122] 图12是当不同水平的电压被施加到根据示例性实施例的压力传感器时的电流图。
[0123] 参照图12,示出了更高的压力导致流过压力传感器电流更高。该结果示出当压力 传感器被压下更多时电子片分别转移到其上的顶部基片与底部基片之间的接触面积变宽, 因此,出现在两个电极之间的电阻减小,在其之间流动的电流增大。
[0124] 图13是当按压或释放根据示例性实施例的压力传感器时的电流图。
[0125] 参照图13,当按压压力传感器时,电阻低,因此,有高电流流过,当释放压力传感器 时,释放的压力传感器的电流降至20-30iiA的范围。此外,鉴于在压力传感器中流动的恒定 电流,可以看出根据施加到压力传感器的压力混合电子片的电阻值变化迅速且平稳。
[0126] 图14示出了通过使用手指将突然的压力施加到根据示例性实施例的压力传感器 的实验的图像。并示出了由通过手指轻敲产生的力导致的压力传感器的电流随时间的变 化。
[0127] 参照图14,当发生瞬间手指轻敲时,电流迅速地增大和减小,且柔性压力传感器的 对于手指轻敲的响应速度是50ms或更小。
[0128] (2)可穿戴装置的特性分析
[0129] 执行该实验来确定所制造的压力装置是否能作为可穿戴装置。将2V的电压施加到 两个电极之间,柔性压力装置附着在桡动脉流过的手腕以及颈动脉流过的颈部来测量血压 的变化,其结果示出在表15中。
[0130] 图15示出了根据通过使用根据示例性实施例的压力传感器测量在桡动脉处流动 的血液脉搏转换的电流图。
[0131] 参照图15,在手腕的桡动脉的情况下,在大约17秒内测量了 20下脉搏,每下脉搏具 有大约0.83s的周期。通常,人普通具有每分钟65至75的血压脉搏。该图示出了通过使用根 据示例性实施例的血液传感器一分钟测量大约72下脉搏。该结果示出了,根据示例性实施 例的压力传感器可用在穿戴在弯曲手腕上的测量血压的可穿戴装置。
[0132] (3)响应性能的分析
[0133] 将制造的压力装置与市场上可买到的基于力敏电阻(FSR)的压力传感器的进行比 较来分析其响应性能。
[0134] 参照图16,基于混合电子片的柔性压力装置堆叠在具有10mm直径的Philgets FSR 传感器上,然后将lkg(大约lOOkPa)的砝码设置在这两个传感器上。然后,通过使用手指轻 敲其周围区域,且在此时,测量传感器的电阻。其结果示出在图16中。
[0135] 图16示出了示出如何执行使根据示例性实施例的压力传感器与市场上可买到的 具有10mm直径的Phidgets FSR传感器进行比较的实验的示意图,以及两个传感器对于由在 桌上轻敲手指导致的振动的响应性能的曲线图。
[0136] 参照图16,两个传感器共同地示出电阻因由通过以相同的周期轻敲导致的振动而 减小。由与手指轻敲根据示例性实施例的压力传感器导致的微振动有关的电阻减小大约是 FSR传感器的电阻减小的7倍高,因此,可以看出根据示例性实施例的压力传感器比FSR传感 器对振动更敏感。也就是说,可以看出,与基于金属/聚合物的市场可买到的FSR传感器相 比,使用包括高传导性/功能性碳纳米管的混合电子片制造的压力传感器是响应压力微小 变化的高敏感柔性压力传感器。
[0137] 3.通过控制成分来控制压力传感器的敏感性
[0138] (1)压力传感器2至4的制造
[0139] 电阻变化的压力传感器基于其根据当按压压力传感器时出现的顶部基片与底部 基片之间的接触面积的变化的电阻上的变化进行操作。因此,通过改变顶部基片和底部基 片的电特性,可控制压力传感器的敏感性。为了做到这点,制备了具有不同电特性的混合电 子片并将其设置在压力传感器的顶部基片或底部基片上。
[0140] 详细地,除了当制备顶部基片和底部基片的混合电子片时按照表1中示出的摩尔 比例制备包括胶体溶液和M13噬菌体(p8GB#l)的噬菌体溶液之外,按照与示例1中相同的方 式制造压力传感器。如下所述测量与电极有关电极的混合电子片的电阻:通过使用具有2X 2mm尺寸的镂空掩膜将混合电子片转移在压力传感器的顶部基片上的两个电极之间,并且, 通过使用Fluke万用表测量混合电子片的电阻。当SWNT与p8GB#l的摩尔比例是8:2时,混合 电子片的电阻是大约300 Q,当SWNT与p8GB# 1的比例是2 : 2时,混合电子片的电阻是大约 4300 Q。换句话说,可以看出可通过改变SWNT与p8GB# 1的摩尔比例来控制制造的混合电子 片的电特性。
[0141]【表1】
[0143] 为了预估可集成化并小型化压力传感器1至4,将他们制造为2_X2mm的尺寸。
[0144] 图17示出了用于实验的小型压力传感器的图像,执行所述实验是为了确定根据示 例性实施例的压力传感器的敏感性与压力传感器的混合电子片的组成之间的关系。
[0145] 如图17所示,根据示例性实施例的小型压力传感器是根据示例1.3制造的压力传 感器的55分之一那么小。该结果示出根据示例性实施例的混合电子片能使集成化且小型化 的压力传感器的制造成为可能。
[0146] (2)压力传感器的敏感性分析
[0147] 为了分析压力传感器1至4的敏感性,如下所述测量根据压力的电流变化:将0至 20V的电压施加到两个电极之间,且施加的压力在0至5kPa的范围之内以lkPa的增量速率增 加。其结果示出在图18至图21。
[0148] 图18示出了当从OkPa开始以lkPa的增量压力速率按压由石墨材料和p8GB#l以8:2 的比例制成并转移在根据示例性实施例的压力传感器的顶部基片上的混合电子片以及由 石墨材料和p8GB#l以8:2的比例制成并转移在压力传感器的底部基片上的混合电子片时的 与压力有关的电流图。
[0149] 图19示出了当从OkPa开始以lkPa的增量压力速率按压在根据示例性实施例的压 力传感器的顶部基片上的混合电子片以及由石墨材料和p8GB#l以2:2的比例制成并转移在 压力传感器的底部基片上的混合电子片时的与压力有关的电流图。
[0150] 参照图18,在压力传感器包括由石墨材料和p8GB#l以8: 2的比例制成的底部基片 和由石墨材料和p8GB#l以8:2的比例制成的底部基片的情况下,当将lkPa的压力施加到压 力传感器时,电流增加了大约15%。
[0151] 参照图19,在柔性压力传感器包括具有使用石墨材料和p8GB#l以2:2的比例形成 并在其上转移的混合电子片的顶部基片和具有使用石墨材料和p8GB#l以8:2的比例形成并 在其上转移的底部基片的情况下,当将lkPa的压力施加到压力传感器时,电流增加了大约 1%〇
[0152] 这些结果表明,在顶部基片的电阻高的情况下,即使当顶部基片与底部基片之间 的接触面积增大时,由于该尚电阻,电流的增加是相对低的。也就是说,在底部基片具有尚 电导率的情况下,顶部基片具有更小的电阻,压力传感器具有更高的敏感性。此外,当顶部 基片具有高电阻时,具有顶部基片的压力传感器具有高压力驱动范围。
[0153] 图20示出了当从OkPa开始以lkPa的增量压力速率按压由石墨材料和p8GB#l以2:2 的比例制成并转移在根据示例性实施例的压力传感器的顶部基片上的混合电子片以及由 石墨材料和p8GB#l以2:2的比例制成并转移在压力传感器的底部基片上的混合电子片时的 与压力有关的电流图;
[0154] 图21示出了当从0奸&开始以11^&的增量压力速率按压由石墨材料和口868#1以8 :2 的比例制成并转移在根据示例性实施例的在压力传感器的顶部基片上的混合电子片以及 由石墨材料和p8GB#l以2:2的比例制成并转移在压力传感器的底部基片上的混合电子片时 的与压力有关的电流图;
[0155] 参照图20,在压力传感器包括具有使用石墨材料和p8GB#l以2:2的比例形成并在 其上转移的混合电子片的顶部基片以及具有使用石墨材料和p8GB#l以2:2的比例形成并在 其上转移的混合电子片的底部基片的情况下,当将lkPa的压力施加到压力传感器时,电流 增加了大约4%。该结果表明,当底部基片和顶部基片具有高电阻时,压力传感器的敏感性 低于当底部基片和顶部基片具有低电阻时的敏感性。
[0156] 参照图21,在压力传感器包括具有使用石墨材料和p8GB#l以8:2的比例形成并在 其上转移的混合电子片的顶部基片以及具有使用石墨材料和p8GB#l以2:2的比例形成并在 其上转移的混合电子片的底部基片的情况下,当将lkPa的压力施加到压力传感器时,电流 增加了大约40%。此外,可以看出,当底部基片的电阻高时,接触底部基片的顶部基片具有 的电阻越低,压力传感器在低驱动电压具有的敏感性越高。
[0157] 根据图18至图21示出的结果,可以看出,柔性压力传感器的敏感性和驱动范围是 通过调整混合电子片的组成而可控制的。该结果还示出,在根据示例性实施例的压力传感 器中,当按压顶部基片时,顶部基片与底部基片接触,导致压力传感器中的低电阻和高电 流。这意味着柔性压力传感器的驱动范围是通过改变顶部基片的强度或图案结构而可控制 的。
[0158] 4、包括形成在顶部基片或底部基片上的电子片的压力传感器的制造以及压力传 感器的特性分析
[0159] (1)压力传感器5的制造
[0160] 为了制造包括只转移在顶部基片上的混合电子片的压力传感器,除了将导电聚合 物涂覆在底部基片上之外,按照与用于制造压力传感器1的相同的方式制造压力传感器。
[0161] 详细地,为了制造涂覆有导电聚合物PED0T: PSS(聚(3,4-乙烯二氧噻吩)聚磺苯乙 烯)的底部基片,将roMS聚合物基片用作底部基片。以1〇: 1的比例混合Sylgard? 184硅橡胶 与Sylgardi; 184硅橡胶固化剂,然后,通过培养皿旋转涂覆来调整合成物的厚度,在烤箱中 以70°C的温度对其执行固化大约6小时。通过手术刀将固化的PDMS膜切割为期望的尺寸。在 分开的柔性聚合物PDMS膜上,安装镂空掩膜,然后,通过喷镀使金属电极(Pt)设置在其上。 分批将PED0T:PSS溶液滴在所放置的两个电极之间,然后,以3000rpm对其执行旋转涂覆来 完成具有导电性的底部基片的制造。为了底部基片的稳定性,在烤箱中以80°C的温度下对 底部基片进行大约10分钟的热处理。
[0162] 通过硅片蚀刻制造具有金字塔结构的顶部基片。详细地,通过使用曝光工艺使硅 基片图案化以具有四角形图案,并对其执行10分钟的缓冲氧化蚀刻(B0E)以去除氧化硅,然 后,对其执行30%K0H蚀刻来制造金字塔形结构。金字塔结构的高度为大约100um。以10:1的 比例混合Sylgard?l84硅橡胶和Sylgard?l84硅橡胶固化剂,然后,使用培养皿旋转涂覆 法来调整合成物的厚度。然后,在烤箱中以70°C的温度对其执行大约6小时的固化。通过使 用手术刀将硬化的PDMS膜切割为期望的尺寸。通过使用镂空掩膜将由石墨材料与p8GB#l以 5:2的比例制成的混合电子片转移到具有金字塔形结构的顶部基片上,然后在空气中干燥 约一个小时。在移除镂空掩膜之后利用蒸馏水清洗转移到顶部基片的聚合物膜上的混合电 子片,然后通过使用氮气进行干燥。然后,使PEDOT:PSS涂覆在其上的底部基片与混合电子 片涂覆在其上的顶部基片折叠,通过使用具有粘性性能的聚合物材料来封装生成物的结 构,从而完成柔性压力传感器的制造。对于装置封装,按照与用于制造底部基片相同的方 式,将TOMS溶液掺在顶部/底部基片(TOMS基片)的外部上,然后,在80 °C的温度下固化大约 30分钟。此外,替代PDMS溶液,环氧树脂固化剂/聚丙烯酸酯聚合物粘合剂被用于将两个 PDMS聚合物基片结合在一起。
[0163] (2)压力传感器的敏感性的分析
[0164] 电流相对于压力的变化按照以下方式测量:当以lkPa的增量比例将0至5kPa的压 力施加到压力传感器时,0-10V电压施加到压力传感器5的两个电极。其结果示出在图22中。
[0165] 图22示出了当将OkPa至5kPa的压力递增地施加到包括具有由石墨材料和p8GB#l 以5: 2的比例制成并在其上转移的混合电子片的顶部基片以及具有在其上转移的PED0T: PSS的底部基片的根据示例性实施例的压力传感器时的电流图
[0166] 参照图22,在由石墨材料和p8GB# 1以5:2的比例制成的混合电子片转移顶部基片 上且PED0T:PSS转移在底部基片的柔性压力装置的情况下,可以看出,当施加 lkPa的压力 时,电流增加了大约1%。该结果示出了即使当混合电子片在顶部基片和底部基片中的至少 一个上转移时,柔性压力装置仍然工作。
[0167] 根据实施例的压力传感器具有良好的可控电性能以及机械柔韧性和稳定性,并可 用于以容易且高度可复制的方式测量例如压力,在所述方式中,当将压力施加到其时压力 传感器的组件的电阻改变。
[0168] 应当理解的是,这里所描述的示例性实施例应当仅仅被理解为描述性的含义而非 限制的目的。在每个示例性实施例中的特征或方面的描述应当通常被理解为可用于其它示 例性实施例中的类似特征或方面。
[0169] 虽然已经参照附图描述了一个或更多个示例性实施例,本领域普通技术人员将理 解的是,在不脱离权利要求所限定的发明构思的精神和范围的情况下,可在这里做出形式 和细节上的各种改变。
【主权项】
1 · 一种压力传感器,包括: 底部基片; 顶部基片,位于底部基片上并与底部基片的至少一部分分开; 电子片,形成在底部基片的至少一部分上或与顶部基片的面对底部基片的表面的至少 一部分上,或者 第一电子片和第一电子片,所述第一电子片形成在底部基片的至少一部分上,所述第 二电子片形成在顶部基片的面对底部基片的表面的至少一部分上; 其中,电子片包括石墨材料和结合到石墨材料的噬菌体,且所述结合在展示在噬菌体 的外壳蛋白或外壳蛋白片段上的肽与石墨材料之间进行。2. 根据权利要求1所述的压力传感器,其中,所述第一电子片的至少一部分接触所述第 二电子片的至少一部分,或者,所述第二电子片的至少一部分接触所述第一电子片的至少 一部分。3. 根据权利要求1所述的压力传感器,其中,所述底部基片或顶部基片具有不平坦的表 面图案,所述表面图案具有凸出部分和凹入部分。4. 根据权利要求3所述的压力传感器,其中,所述凸出部分具有三角形、四边形或圆形 的截面。5. 根据权利要求3所述的压力传感器,其中,位于底部基片的凸出部分上的所述第一电 子片的至少一部分接触位于顶部基片的凸出部分或凹入部分上的所述第二电子片的至少 一部分,或者,位于顶部基片的凸出部分上的所述第二电子片的至少一部分接触位于底部 基片的凸出部分或凹入部分上的所述第一电子片的至少一部分。6. 根据权利要求1所述的压力传感器,其中,所述底部基片或顶部基片包括柔性基片。7. 根据权利要求1所述的压力传感器,其中,所述底部基片利用中间绝缘层或中间绝缘 结构与顶部基片分开,所述中间绝缘层或中间绝缘结构位于底部基片和顶部基片之间。8. 根据权利要求1所述的压力传感器,所述压力传感器还包括位于底部基片或顶部基 片的表面上的盖,所述表面与形成对应的电子片的表面相对。9. 根据权利要求1所述的压力传感器,其中,所述第一电子片和第二电子片的接触面 积、接触距离和导电网络密度依赖于分别施加到底部基片和顶部基片的压力。10. 根据权利要求1所述的压力传感器,其中,所述第一电子片或第二电子片中的石墨 材料与噬菌体的数量比例在1:10至10:1的范围。11. 根据权利要求1所述的压力传感器,其中,所述第一电子片的电阻值等于或大于第 二电子片的电阻值。12. 根据权利要求1所述的压力传感器,其中,所述第一电子片的电阻值小于第二电子 片的电阻值。13. 根据权利要求1所述的压力传感器,其中,所述第一电子片或第二电子片的内部结 构包括渗透网络结构。14. 根据权利要求1所述的压力传感器,其中,所述石墨材料包括从以下项中选择的至 少一种:石墨烯片、高定向热解石墨片、氧化石墨稀、还原的氧化石墨稀、单壁碳纳米管、双 壁碳纳米管、多壁碳纳米管和富勒烯。15. 根据权利要求1所述的压力传感器,其中,所述石墨材料包括石墨稀片与单壁碳纳 米管的组合。16. 根据权利要求1所述的压力传感器,其中,所述肽具有从在SEQ ID NO. 1至SEQ ID NO. 8中阐述的氨基酸序列中选择的至少一个序列。17. 根据权利要求1所述的压力传感器,其中,所述噬菌体通过基因工程而具有与石墨 材料的亲和性。18. 根据权利要求1所述的压力传感器,其中,所述噬菌体包括Ml 3噬菌体、F1噬菌体、Fd 噬菌体、IΠ 噬菌体、I ke噬菌体、Z j /Z噬菌体、Ff噬菌体、Xf噬菌体、ΡΠ 噬菌体或Pf3噬菌体。19. 根据权利要求1所述的压力传感器,其中,所述压力传感器用于测量血压或心率。20. -种可穿戴装置,包括如权利要求1所述的压力传感器。
【文档编号】A61B5/0245GK106052943SQ201610065711
【公开日】2016年10月26日
【申请日】2016年1月29日 公开号201610065711.6, CN 106052943 A, CN 106052943A, CN 201610065711, CN-A-106052943, CN106052943 A, CN106052943A, CN201610065711, CN201610065711.6
【发明人】李贤正, 李承禹, 李基荣
【申请人】韩国科学技术研究院
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