一种阵列式柔性褶皱微传感器制造方法

本发明涉及微器件检测，具体地，涉及一种阵列式柔性褶皱微传感器制造方法。

背景技术：

1、近年来，人们越发注重生活质量及身体健康，在食品、农业、环境等领域中水果、蔬菜、生鲜等食材在存储、运输、交易等环节极可能受有毒化学试剂、生物病原体、环境污染物等侵害。对于有害物的检测方法已经有比较多的研究，如：液相色谱法、质谱法、分子印迹法、免疫分析法、射线检测法及光学检测法等。这些检测方法灵敏度及准确度高，选择性和特异性强，但其存在主要问题是操作步骤繁琐且复杂，实验过程耗时长，且需要的设备、仪器通常较为大型、昂贵且专业化，检测成本高，严重依赖于专业操作技术人员，对检测环境也有高要求，因此，这些检测方法或手段局限于实验室环境而难以在日常生活中普及利用，亦无法考虑原位检测这一快速检测方式。

2、柔性传感器通常由柔性基底和功能增强材料构成，基底结构及增强材料的形貌特征、尺度大小与传感器检测灵敏度极为相关。在柔性基底表面构建不同的阵列结构和形貌，并利用不同制备工艺(例如，喷涂、打印、溅射、自生长等)在阵列结构上增加一层增强介质用以提升信号强度。

3、阵列式柔性褶皱微传感器是一种微型化便携式传感器件，基于弹性体等柔性材料制备而成具有极强的可塑性。不仅具有在蔬菜、水果、肉制品等物体表面直接进行原位检测潜力，而且还能对环境中重金属离子等液体污染物含量是否超标进行快速判断。与传统的刚性传感器无法原位检测且传感元件容易老化从而对检测数据的准确性造成干扰等相比，阵列式柔性褶皱微传感器利用多样化阵列结构能够分别实现不同浓度、不同物质等检测，可达到快速多元高效检测目的。

4、因此，开发一种阵列式柔性褶皱微传感器有着极大的必要性和需求。

技术实现思路

1、为了克服现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种阵列式柔性褶皱微传感器制造方法，采用化学键交联及物理吸附等机制实现纳米线复合纳米颗粒和弹性体薄膜层的紧密结合，所制备的纳米线复合纳米颗粒弹性体薄膜同时具备优良的富集性、导电性和信号增强性能。

2、本发明的目的之二在于提供一种采用自主设计制造的自动化拉伸装置实现弹性体薄膜的褶皱成形，所制造的自动化拉伸装置具有微型化、自动化、便携化特点，多功能且可拆卸。

3、本发明的目的之三在于提供一种阵列式柔性褶皱微传感器，由纳米线复合纳米颗粒及阵列微结构式弹性薄膜材料制备而成，同时具有丰富的表面结构，优异的导电性、信号增强、便携性，可适用多场景对柔性微传感器的性能需求，实现对有害物的快速检测。

4、为了实现上述目的，本发明采用的技术方案如下：

5、一种纳米线复合纳米颗粒阵列式柔性褶皱微传感器制造方法，包括褶皱基底成形装置(自动化拉伸装置)的设计制造，弹性体薄膜基底阵列结构的设计制造，纳米线复合纳米颗粒复合材料与弹性体薄膜的微传感器复合成形。

6、一、一种用于柔性薄膜微传感器的自动化拉伸装置：

7、柔性褶皱基底成形装置(自动化拉伸装置)，至少包括拉伸机构、压紧机构、安装底座、驱动机构、齿轮齿条、下滑连接块、l形连接快、其它自主设计螺钉、螺母等零件；

8、所述拉伸机构主要由中心转轴、齿轮、齿条、l形连接块、下滑动连接块、螺母构成；两个电机同时运动时，带动两个中心转轴运动，中心转轴上的齿轮带动上下齿条向相反方向运动，以保证双向拉伸，此外，当一个电机运动时，可以实现单向拉伸；l形连接块设计含有凹槽，下滑动块含有凸起，二者过渡配合可安装与拆卸；

9、所述压紧机构主要由四个带刻度的压紧件、多个薄垫圈、滑动螺钉及螺母构成，薄膜通过薄垫圈、螺母以及螺钉相连接，每个压紧件的两端含有两个与螺钉相配合的内螺纹孔，压紧件的上表面设计含有标准刻度保证定位精准和可视化，中间镂空结构用于定位安装多个可拆卸的滑动螺钉、螺母及薄垫片，保证拉伸过程中薄膜产生相对均匀的形变；

10、所述安装底座包括底座和四个可拆卸的底部支架，底座腔体四周设计有四个刻度盘用于配合转轴转动时精准读数和间接计算拉伸长度，四个凹槽用来放置并固定拉伸机构使结构更为紧凑，底座中部腔体充当模具用于薄膜制备过程中盛放预混合液及加热处理，保证了腔体结构的合理利用，此外，这里的腔体底部设计含有不同形貌的图案；

11、所述驱动机构主要由电机、驱动器、连接线组成，通过可拆卸外箱体集成，电机转动实现自动化双向拉伸，保证同一方向上拉伸速率和受力一致。

12、二、一种阵列式柔性褶皱微传感器制造方法：

13、1)制备透明弹性体薄膜：将一定量聚二甲基硅氧烷主剂与固化剂按照20～25:1进行混合，加入至上述成形装置底座中部腔体中(腔体内部底面被设计成图案化阵列结构)，控制加入量，保证薄膜厚度在0.5mm～2mm，常温持续搅拌30min，以30～60w的超声波功率振动30min，而后抽真空40min，得到均匀混合液，再将盛有混合液的底座放置在加热台上，保持50～65℃温度下加热30min，得到弹性体生成物，室温冷却后脱模，即得透明弹性体薄膜；

14、2)制备不透明弹性体薄膜：将液体硅胶a胶与b胶按照1～3:1进行混合再逐滴加入颜色墨水，共混液加入至成形装置底座中部腔体中，其腔体内部底面被设计成图案化阵列结构，控制加入量，保证薄膜厚度在0.5mm～2mm，室温持续搅拌15min，抽真空30min，放置加热台上保持40～60℃加热20～30min，得到弹性体生成物，室温冷却后脱模，即得到不透明弹性体薄膜；

15、3)通过剪裁设备将所制备的弹性体薄膜剪至合适大小，将薄膜安装在自动化拉伸装置中，利用压紧结构进行压紧和固定；

16、4)在电机和驱动器作用下，中心转轴转动，带动与之同轴的齿轮随之转动，齿轮与上下齿条相啮合带动上下齿条转动，从而实现薄膜双向拉伸，调节中心转轴旋转角度及转动圈数，从而精准控制薄膜拉伸长度；

17、5)拉伸薄膜至一定长度时，将纳米线复合纳米颗粒高浓度复合材料涂覆在薄膜阵列化结构表面，等待其充分与薄膜表面接触，再逐步滴加高浓度不同尺度大小的纳米颗粒于薄膜表面并填充微结构间隙区域，待其干燥后，调节中心轴转动使薄膜从拉伸状态逐渐恢复至原始状态，重复上述所有步骤直至制备出所需要的不同形变量的含纳米料的功能化薄膜，此时，一系列薄膜表面的复合材料层则形成随机褶皱图案，则阵列式柔性褶皱微传感器形成；

18、6)透明弹性体薄膜与不透明弹性体薄膜采用相似的制备方法、相同的剪裁设备与自动化拉伸装置，获得阵列式柔性褶皱微传感器。

19、本发明的有益效果在于：

20、1、针对薄膜拉伸问题，本发明设计了一种自动化拉伸装置，实现了对不同尺度薄膜的自动化拉伸成形，通过自动化控制、机械结构取代人工拉伸，保证了薄膜制备均一性、批量化，提高了工作效率；

21、2、该拉伸装置底座内部腔体结构为图案化阵列设计，一方面装置底座可拆卸用作模具，极大提升了空间利用率和零件使用率；另一方面，阵列结构使得薄膜表面形貌更加丰富，阵列结构有利于多通量、多类别、多浓度快速检测，缩短了测试时间。

22、3、整个微传感器为柔性阵列式薄膜基底，取代了传统意义上的刚性传感器，且其薄膜颜色可通过添加不同色素或颜色试剂改变其透明度，环境可适应性强且潜在利用率增加，此外，薄膜基底的可控形变，使得微传感器与被测物能够充分接触，实现有害物分子的吸附富集；阵列化结构不仅可以实现在固体表面的原位检测，同时丰富的微结构也可用于液体检测。

23、4、中心转轴运动都是通过集成电路板、驱动器、电机为核心利用编程控制，通过将提前写好的程序导入进控制器中，从而可以按需控制电机的转动速率、方向及启停，控制电机、中心转轴转动速度、转动方向、角度，实现实时单向或双向自动化拉伸。