石墨烯压力传感器、智能鞋底及智能鞋的制作方法

本实用新型属于石墨烯传感器技术领域，尤其涉及一种石墨烯压力传感器、智能鞋底及智能鞋。

背景技术：

智能可穿戴设备作为一种新型可穿戴产品其研究热度不断提升，应用领域也越来越广泛。各式各样智能可穿戴设备的出现丰富了人们的生活，也让人们有了舒适的体验。例如，可自热的手套，可加热的鞋垫等。

石墨烯传感器作为一种包含石墨烯的传感器，广泛用于智能鞋垫中。例如，中国专利205456466U公开了一种石墨烯智能鞋垫，包括鞋垫本体，设置在鞋垫本体上的控制电路FPC和传感器组以及智能主控设备，其中，传感器组为至少一个石墨烯传感器，用于采集鞋垫本体所受压力，并将采集的信息传输给控制电路FPC，控制电路FPC将传感器获得的信息进行转化和计算后，将结果传输给智能主控设备。该智能鞋垫能够获得使用者运动时的次数、力的大小、方向等数据，但是该智能鞋垫的灵敏度较低。

技术实现要素：

有鉴于此，本实用新型的目的在于提供一种石墨烯压力传感器、智能鞋底及智能鞋，本实用新型提供的智能鞋底具有较好的灵敏度、响应速度和恢复速度。

本实用新型提供了一种石墨烯压力传感器，包括：

下柔性基材；

设置在所述下柔性基材上的第一功能化石墨烯微结构电极阵列；

设置在所述第一功能化石墨烯微结构电极阵列上的石墨烯掺杂弹性体微结构阵列；

设置在所述石墨烯掺杂弹性体微结构阵列上的第二功能化石墨烯微结构电极阵列；

设置在所述第二功能化石墨烯微结构电极阵列上的上柔性基材；

和封装层。

参见图1，图1为本实用新型实施例提供的石墨烯压力传感器的结构示意图，其中，1为下柔性基材；2为第一功能化石墨烯微结构电极阵列；3为石墨烯掺杂弹性体微结构阵列；4为第二功能化石墨烯微结构电极阵列；5为上柔性基材；6为封装层。

本实用新型提供的石墨烯压力传感器包括下柔性基材1，所述下柔性基材1选自聚二甲基硅氧烷PDMS、硅橡胶ECOFLEX、天然橡胶、聚氨酯橡胶和丙烯酸橡胶的一种或几种。在一个实施例中，所述下柔性基材选自PDMS和ECOFLEX按质量比1：1的混合物。

本实用新型提供的石墨烯压力传感器包括第一功能化石墨烯微结构电极阵列2，第一功能化石墨烯微结构电极阵列2设置在下柔性基材1上。

在一个实施例中，第一功能化石墨烯微结构电极阵列2为3D打印功能化石墨烯微结构阵列电极，即其由功能化石墨烯涂料经3D打印形成。

在一个实施例中，所述功能化石墨烯涂料包括：功能化石墨烯、预聚物、单体、光引发剂和溶剂；所述功能化石墨烯、预聚物、单体、光引发剂的质量比为50:25～35:10～20:1～5；所述功能化石墨烯涂料的固含量为20％～50％。其中，所述功能化石墨烯选自羧基化石墨烯、氨基化石墨烯、羟基化石墨烯、巯基化石墨烯和磺基化石墨烯的一种或几种；所述预聚物选自丙烯酸树脂(940)，单体选自乙氧基丙烯酸酯(EOEOEA)，光引发剂选自1-羟基环己基苯基甲酮(184)。

在一个实施例中，预聚物、单体、光引发剂和功能化石墨烯的质量比为32：15：3：50。

在一个实施例中，所述功能化石墨烯粒径为0.1～5μm；所述功能化石墨烯涂料的固含量为20％～50％，粘度200～3000cp，表面张力10～50dyn/cm。

在一个实施例中，所述功能化石墨烯涂料可购买得到，例如美国西北大学的可3D打印石墨烯油墨。

第一功能化石墨烯微结构电极阵列2中，微结构的形状选自正方体、长方体、棱锥、棱台、圆柱的一种或几种，优选为棱锥。

本实用新型提供的石墨烯压力传感器包括石墨烯掺杂弹性体微结构阵列3，石墨烯掺杂弹性体微结构阵列3设置在第一功能化石墨烯微结构电极阵2上。

在一个实施例中，石墨烯掺杂弹性体微结构阵列3为3D打印石墨烯掺杂弹性体微结构阵列，即由石墨烯掺杂弹性体涂料经3D打印形成。

本申请对所述石墨烯掺杂弹性体涂料没有特殊限制，市场购买的石墨烯弹性体涂料即可。

在一个实施例中，所述石墨烯掺杂弹性体涂料包括橡胶液和固化剂，其中，橡胶液包括功能化石墨烯、橡胶和溶剂。橡胶液和固化剂的质量比为5～15:1。本实用新型对橡胶、溶剂和固化剂没有特殊限制，市场上可购买得到的配套产品即可。

在一个实施例中，所述石墨烯掺杂弹性体涂料中，所述橡胶选自聚二甲基硅氧烷、硅橡胶、天然橡胶、聚氨酯橡胶和丙烯酸橡胶的一种或几种。

在一个实施例中，所述石墨烯掺杂弹性体涂料中，所述功能化石墨烯选自羧基化石墨烯、氨基化石墨烯、羟基化石墨烯、巯基化石墨烯和磺基化石墨烯的一种或几种。

在一个实施例中，所述石墨烯掺杂弹性体涂料中，所述功能化石墨烯占橡胶液的1wt％～10wt％，优选为3wt％～5wt％。

在一个实施例中，所述石墨烯掺杂弹性体涂料中，所述橡胶选自聚二甲基硅氧烷，所述功能化石墨烯占橡胶液的3％，所述固化剂为正硅酸乙酯和二月桂酸二丁基锡。

石墨烯掺杂弹性体微结构阵列3中，微结构的形状选自正方体、长方体、棱锥、棱台、圆柱的一种或几种，优选为棱锥。

本实用新型提供的石墨烯压力传感器包括第二功能化石墨烯微结构电极阵列4，第二功能化石墨烯微结构电极阵列4设置在石墨烯掺杂弹性体3上。在一个实施例中，第二功能化石墨烯微结构电极阵列4为3D打印功能化石墨烯微结构阵列电极，即其由功能化石墨烯涂料经3D打印形成。

在一个实施例中，所述功能化石墨烯涂料包括：功能化石墨烯、预聚物、单体、光引发剂和溶剂；所述功能化石墨烯、预聚物、单体、光引发剂的质量比为50:25～35:10～20:1～5；所述功能化石墨烯涂料的固含量为20％～50％。其中，所述功能化石墨烯选自羧基化石墨烯、氨基化石墨烯、羟基化石墨烯、巯基化石墨烯和磺基化石墨烯的一种或几种；所述预聚物选自丙烯酸树脂(940)，单体选自乙氧基丙烯酸酯(EOEOEA)，光引发剂选自1-羟基环己基苯基甲酮(184)。

在一个实施例中，预聚物、单体、光引发剂和功能化石墨烯的质量比为32：15：3：50。

在一个实施例中，所述功能化石墨烯粒径为0.1～5μm；所述功能化石墨烯涂料的固含量为20％～50％，粘度200～3000cp，表面张力10～50dyn/cm。

在一个实施例中，所述功能化石墨烯涂料可购买得到，例如美国西北大学的可3D打印石墨烯油墨。

第二功能化石墨烯微结构电极阵列2中，微结构的形状选自正方体、长方体、棱锥、棱台、圆柱的一种或几种，优选为棱锥。

在本实用新型中，第一功能化石墨烯微结构电极阵列2、石墨烯掺杂弹性体微结构阵列和第二功能化石墨烯微结构电极阵列4的微结构一致，阵列结构一致，即第一功能化石墨烯微结构电极阵列2、石墨烯掺杂弹性体微结构阵列和第二功能化石墨烯微结构电极阵列4的微结构和阵列结构一一对应。

本实用新型提供的石墨烯压力传感器包括上柔性基材5，所述上柔性基材5设置在第二功能化石墨烯微结构电极阵列上，所述上柔性基材5选自聚二甲基硅氧烷PDMS、硅橡胶ECOFLEX、天然橡胶、聚氨酯橡胶和丙烯酸橡胶中的一种或几种。所述上柔性基材选自PDMS和ECOFLEX按质量比1：1的混合物。

本实用新型提供的石墨烯压力传感器包括封装层6，封装层6将上述结构封装成电容器。在本实用新型中，所述封装层可以为PDMS硅橡胶。

本实用新型提供的石墨烯压力传感器主要由微结构化的功能化石墨烯微结构电极阵列和石墨烯掺杂弹性体阵列组成，具有良好的压力传感响应速度和缓冲性能，适于用作鞋类压力传感器。

本实用新型还提供了一种石墨烯压力传感器的制备方法，包括：

在下柔性基材上3D打印形成第一功能化石墨烯微结构电极阵列；

在第一功能化石墨烯微结构电极阵列上3D打印形成石墨烯掺杂弹性体微结构阵列；

在石墨烯掺杂弹性体微结构阵列上3D打印形成第二功能化石墨烯微结构电极阵列；

在第二功能化石墨烯微结构电极阵列上3D打印形成上柔性基材；

封装。

本实用新型以3D打印的方式依次层层在下柔性基材上打印第一功能化石墨烯微结构电极阵列、石墨烯掺杂弹性体微结构阵列、第二功能化石墨烯微结构电极阵列和上柔性基材，然后将其封装即可获得石墨烯压力传感器。为使传感器封装密实、牢固，本实用新型选用PDMS硅橡胶，以喷涂方式在层层打印结构的两端设计一封装层，50℃固化后即得石墨烯压力传感阵列。

在本实用新型中，柔性基材、功能化石墨烯微结构电极阵列、石墨烯掺杂弹性体微结构阵列、封装层与上文所述相同。

3D打印形成功能化石墨烯微结构电极阵列的过程中，3D打印的参数为：打印速度为30～80mm/s，填充为10～30，喷嘴温度设置150～250℃，流速90～100％，回抽速度60～90mm/s，固化速度30～70m/min，液滴收缩率3～6％。

3D打印形成石墨烯掺杂弹性体微结构阵列的过程中，3D打印的参数为：打印速度为30～80mm/s，填充为10～30，喷嘴温度设置150～250℃，流速90～100％，回抽速度60～90mm/s，固化速度30～70m/min，液滴收缩率3～6％。

本实用新型还提供了一种智能鞋底，包括上述技术方案所述的石墨烯压力传感器。

参见图2，图2为本实用新型实施例提供的智能鞋底的结构示意图，包括鞋底本体21，所述石墨烯压力传感器22设置在鞋底本体21上；设置在鞋底本体上的控制电路23，所述控制电路接收石墨烯压力传感器采集的信息并将所述信息进行转换和计算；和智能主控设备(未在图中示出)，所述智能主控设备用于接收并显示控制电路转换和计算后的信息。

在本申请中，所述石墨烯压力传感器设置在鞋底本体的足跟、足侧和/或足尖部分。

在一个实施例中，所述石墨烯压力传感器呈环形设置在鞋底本体的足跟、足侧、足尖部分，用于检测整个脚掌的压力。

在一个实施例中，所述智能鞋底还包括设置在所述石墨烯压力传感器上的防水层，所述防水层为聚四氟乙烯，由聚四氟乙烯分散液通过浸渍、喷涂等方式形成。

控制电路与石墨烯压力传感器的电极相连，接收石墨烯压力传感器采集的信息并将所述信息进行转换和计算，并将计算后的信息传递给智能主控设备。

在一个实施例中，控制电路上也设置有防水层。

智能主控设备用于接收并显示控制电路转换和计算后的信息，其可以为手机、手环等移动设备。

本实用新型对智能鞋底的鞋底本体并无特殊限制，目前常用的鞋底材料，如聚氨酯、橡胶、乙酸乙烯共聚物EVA、热塑性橡胶TPR均可。

将石墨烯压力传感器和控制电路固定在鞋底本体对应位置，将石墨烯压力传感器与控制电路相连，并在石墨烯压力传感器和控制电路上形成防水层，即可得到智能鞋底。

本实用新型还提供了一种智能鞋，包括上述技术方案所述的智能鞋底。

本实用新型提供的智能鞋底以主要由微结构化的功能化石墨烯微结构电极阵列和石墨烯掺杂弹性体阵列组成的石墨烯压力传感器作为传感器，具有较好的灵敏度、响应速度和恢复速度。

本实用新型提供的石墨烯压力传感器是一种阵列传感器，基于平行板电容器原理，通过改变电极间距响应外界应力；微结构的设计，使点接触和线接触代替了面接触，在一定压力作用下，引起更大的极板间距变化，从而有效提高传感阵列的响应能力。而石墨烯掺杂弹性体阵列提高了原弹性体的应变参数，扩大了承受力范围，不仅保证对较小压力的响应，更能监测较大压力且能保持微结构不被破坏，而且具有良好的应变能力，提高了应变后弹性体的恢复速度，为下次外力响应做准备。

本实用新型以传感阵列作为传感器，能够实时分析整个足底受力部位及强度，减少复杂的电路控制；且可根据不同年龄段、不同胖瘦的人群，涉及不同形状、尺寸的微结构，可动态调整传感阵列的灵敏度、响应速度等参数，从而更有效地检测穿戴者的运动种类及强度，以便于数据系统给予相关的健康指导参数。

附图说明

为了更清楚地说明本实用新型实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本实用新型的实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据提供的附图获得其他的附图。

图1为本实用新型实施例提供的石墨烯压力传感器的结构示意图；

图2为本实用新型实施例提供的智能鞋底的结构示意图；

图3为本实用新型实施例及比较例提供的石墨烯压力传感器的测试曲线；

图4为本实用新型实施例提供的不同微结构的石墨烯压力传感器的测试曲线；

图5为本实用新型实施例提供的智能鞋垫足跟处的受力分布云图。

具体实施方式

下面将对本实用新型实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本实用新型一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本实用新型中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本实用新型保护的范围。

实施例1

提供柔性基材，为PDMS和ECOFLEX按质量比1：1的混合物；提供功能化石墨烯涂料，其组成如下：丙烯酸树脂(940)、乙氧基丙烯酸酯(EOEOEA)、1-羟基环己基苯基甲酮(184)、氨基化石墨烯和溶剂，其中，丙烯酸树脂(940)、乙氧基丙烯酸酯(EOEOEA)、1-羟基环己基苯基甲酮(184)、氨基化石墨烯的质量比为32:15:3:20，固含量为25％；

提供石墨烯掺杂弹性体涂料，该涂料是由橡胶液和固化剂共同组成，其比例为10：1。橡胶液包括质量比为3：95：2的氨基化石墨烯、聚二甲基硅氧烷和溶剂；固化剂为正硅酸乙酯和二月桂酸二丁基锡的混合物。

在柔性基材上3D打印形成第一功能化石墨烯微结构电极阵列，微结构为棱锥，棱锥底边边长50μm，高120μm，棱锥间距80μm；3D打印参数为：打印速度为60mm/s，填充为20，喷嘴温度设置195℃，流速100％，回抽速度80，固化速度54m/min，液滴收缩率4.76％；

在第一功能化石墨烯微结构电极阵列上3D打印形成石墨烯掺杂弹性体微结构阵列，石墨烯掺杂弹性体微结构阵列的微结构与功能化石墨烯微结构电极阵列的微结构一致；3D打印参数为：打印速度为60mm/s，填充为20，喷嘴温度设置195℃，流速100％，回抽速度80，固化速度54m/min，液滴收缩率4.76％；

在石墨烯掺杂弹性体微结构阵列上3D打印形成第二功能化石墨烯微结构电极阵列，微结构为棱锥，棱锥底边边长50μm，高120μm，棱锥间距80μm；3D打印参数为：打印速度为60mm/s，填充为20，喷嘴温度设置195℃，流速100％，回抽速度80，固化速度54m/min，液滴收缩率4.76％；

在第二功能化石墨烯微结构电极阵列上3D打印柔性基材，3D打印参数为：打印速度为60mm/s，填充为20，喷嘴温度设置195℃，流速100％，回抽速度80，固化速度54m/min，液滴收缩率4.76％；

选用PDMS硅橡胶，其包括10份PDMS单体和1份PDMS固化剂，以喷涂方式在上述结构两端形成封装层，50℃条件下固化，即得石墨烯压力传感器。

对实施例1制备的石墨烯压力传感器阵列进行性能测试，选取不同性能弹性体组成的传感器阵列，分别将电容测量仪TH2617测试线连接器件上下两电极，当多次连续施加不同外力F，实时记录电容测量仪数据，测试结果参见图3，图3为本实用新型实施例及比较例提供的石墨烯压力传感器的测试曲线，其中，曲线a为本实用新型实施例提供的石墨烯压力传感器的测试曲线，曲线b为未掺杂石墨烯的弹性体制备的石墨烯压力传感器的测试曲线。由图3可知，本实用新型实施例制备的石墨烯压力传感器灵敏度较高，且高灵敏度受力范围明显扩大，由2600Pa提高至6700Pa。

选取不同微结构的传感器阵列，分别将电容测量仪TH2617测试线连接传感器上下两电极，当多次连续施加不同外力F，实时记录电容测量仪数据，测试结果参见图4，图4为本实用新型实施例提供的不同微结构的石墨烯压力传感器的测试曲线，其中，曲线3a为棱锥微结构的石墨烯压力传感器的测试曲线，曲线3b为圆柱微结构的石墨烯压力传感器的测试曲线，曲线3c为无微结构的石墨烯压力传感器的测试曲线(即不对柔性基材中间的介电层做结构化处理，仅为具有一定厚度的弹性体)。由图4可知，棱锥微结构传感阵列灵敏度为19.67kPa^-1，圆柱微结构灵敏度为13.06kPa^-1，而无微结构的灵敏度仅为7.42kPa^-1。

实施例2智能鞋底

将实施例1制备的石墨烯压力传感器呈环形固化在EVA鞋底本体的足跟、足侧和足尖部分(如图2)，将控制电路固化在鞋底本体，并将石墨烯压力传感器与控制电路相连。将控制电路通过无线、蓝牙等方式与智能主控设备相连即可实现足底压力的实时监控和显示。

对得到的智能鞋垫足跟处接触面积为1cm²的地方施加100N外力，结果参见图5，图5为对本实用新型实施例提供的智能鞋垫足跟实时响应的受力分布云图，其中不同颜色代表鞋底不同接触部位的实际受力大小。由于施加物体面积限制，足跟处不同部位受力不同，由受力中心至外端边缘处，实际受力依次减小，图5即是对该实际受力分布的一个监测，通过图中颜色的分布，可以有效的实时分析智能鞋垫与施力物体的受力状态。这也证明了该案例可以应用至运动员体育训练中，比如舞蹈员，可实时分析运动员在做不同舞蹈动作时，脚部实际施力大小及部位，可以有效的从根本上解决动作是否规范或动作是否对足部有损伤等问题。

实施例3智能运动鞋

在实施例2制备的智能鞋底上形成鞋帮，获得智能运动鞋。

实施例4羟基化石墨烯涂料

与实施例1的区别在于，采用羟基化石墨烯代替氨基化石墨烯，结果表明，得到的柔性石墨烯压力传感阵列受力范围为5500Pa，灵敏度为16kPa^-1。

实施例5两种功能化石墨烯复配的涂料

与实施例1的区别在于，采用质量比1:1的羟基化石墨烯和羧基化石墨烯代替氨基化石墨烯，结果表明，得到的柔性石墨烯压力传感阵列受力范围为6000Pa，灵敏度为17.2kPa^-1。

实施案例6无功能化处理的石墨烯掺杂弹性体涂料

与实施例1的区别在于，采用无功能化的石墨烯代替石墨烯掺杂弹性体涂料，结果表明，得到的石墨烯压力传感阵列受力范围为4500Pa，灵敏度为14kPa^-1。

实施例7

提供PDMS柔性基材；

采用美国西北大学的可3D打印石墨烯油墨，在柔性基材上3D打印形成第一功能化石墨烯微结构电极阵列，微结构为棱锥，棱锥底边边长50μm，高120μm，棱锥间距80μm；3D打印参数为：打印速度为60mm/s，填充为20，喷嘴温度设置195℃，流速100％，回抽速度80，固化速度54m/min，液滴收缩率4.76％；

采用市售的石墨烯弹性体涂料，在第一功能化石墨烯微结构电极阵列上3D打印形成石墨烯掺杂弹性体微结构阵列，石墨烯掺杂弹性体微结构阵列的微结构与功能化石墨烯微结构电极阵列的微结构一致；3D打印参数为：打印速度为60mm/s，填充为20，喷嘴温度设置195℃，流速100％，回抽速度80，固化速度54m/min，液滴收缩率4.76％；

采用美国西北大学的可3D打印石墨烯油墨，在石墨烯掺杂弹性体微结构阵列上3D打印形成第二功能化石墨烯微结构电极阵列，微结构为棱锥，棱锥底边边长50μm，高120μm，棱锥间距80μm；3D打印参数为：打印速度为60mm/s，填充为20，喷嘴温度设置195℃，流速100％，回抽速度80，固化速度54m/min，液滴收缩率4.76％；

在第二功能化石墨烯微结构电极阵列上3D打印PDMS柔性基材，3D打印参数为：打印速度为60mm/s，填充为20，喷嘴温度设置195℃，流速100％，回抽速度80，固化速度54m/min，液滴收缩率4.76％；

选用PDMS硅橡胶，以喷涂方式在上述结构两端形成封装层，50℃条件下固化，得到图2所示结构的石墨烯压力传感器。

以上所述仅是本实用新型的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本实用新型原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本实用新型的保护范围。