本发明涉及生理、移动监测领域，具体涉及一种柔性可穿戴电阻式应变传感器及其制备方法。
背景技术：
随着社会经济的发展，人民生活水平的提高，健康问题越来越受到人们的重视。传统的医疗监护设备结构复杂、成本高、检测时间长，还可能给病人带来许多痛苦并给医生诊断带来不便，已不能满足人们对于医疗保健的要求。实时、准确的检测人体各向健康指标，并对各项指标进行数据分析及时做出最佳的医疗保健方案是未来发展的趋势。
可穿戴应变传感器在人体健康指标的实时监测中发挥着非常重要的作用，例如，在没有健身教练陪同下进行户外运动时，运动量过大可能会造成运动者的肌肉拉伤、关节磨损、消化系统运行不正常等，从而对健康产生极为不利的影响；而运动量过小则又达不到锻炼的效果，所以运动过程中通过可穿戴传感器实时监测并根据监测结果调整运动时间、强度及频率才能达到健康锻炼的目的。心率和脉搏频率是人体的重要生理体征参数之一，对其进行实时监测为使用者提供有用的生理健康信息，将对使用者的健康评估和疾病(如心血管系统疾病)前期预防具有重要价值；此外对人体声音、呼吸，及各部位因病变而引起的神经性跳动的实时监测在医疗中也具有极为重大的意义。综上所述，可穿戴应变传感器在医疗健康领域，表现出了极大的应用潜力。
具有微纳尺寸裂纹结构的柔性应变传器，因其结构简单信号采集容易近年来受到人们的广泛关注，其组成包括：柔性基底和设置于所述柔性基底上的柔性应变感应薄膜以及设置于柔性应变感应薄膜两端的导线。其工作原理为：在柔性应变感应导电膜上加工具有特定微纳尺寸的裂纹，当进行检测时，外部机械信号诱导感应薄膜上裂纹结构的几何参数发生变化从而引起电阻的变化，并通过两端的导线输出为相应的电信号。
2014年Kahp-Yang Suh等(Ultrasensitive mechanical crack-based sensor inspired by the spider sensory system.2014，516:222-226)；2015年Yue.Zhang等(Flexible and Highly Sensitive Strain Sensors Fabricated by Pencil Drawn for Wearable Monitor.2015，25：2395–2401)；2015年Morteza Amjadi等(Parallel Microcracks-based Ultrasensitive and Highly Stretchable Strain Sensors.2015，8:5168-5626)；2016年Taeil Kim等(Dramatically Enhanced Mechanosensitivity and Signal-to-Noise Ratio of Nanoscale Crack-Based Sensors:Effect of Crack Depth.2016，28：8130-8137)等科研小组相继研发出来多款基于纳米级裂纹结构具有超高灵敏度的柔性应变传器，能够很好的实现语音识别、脉搏检测等特征。然而上述应变传感器虽然拥有微纳尺度的裂纹结构，但是裂纹的几何参数(长度、深度、宽度)不能进行可控加工，而裂纹的几何参数最终决定着传感器的灵敏性和稳定性，这就必然导致不同传感器个体的灵敏度不同。此外，在使用过程中由于微米级裂纹结构尺寸的不同和排布的杂乱无章使得该类型传器的稳定性、使用寿命大大降低。采取新的加工工艺，将自发、无规律的裂纹结构转变为精确可控的裂纹结构，从而在保证传感器灵敏性的同时提高其稳定性，是实现该类型传感器能够推广应用的必然途径
技术实现要素：
本发明提供一种基于传统光刻工艺制造的具有微纳尺寸裂纹结构的柔性可穿戴应变传感器及其制备方法，制备工艺简单，能够形成排列有序，且尺寸可控的裂纹阵列。
本发明之一种柔性可穿戴电阻式应变传感器，包括：
阻隔层，其形成于皮肤上接触到测量的区域内；
传感层，包括结构层和敏感层，结构层形成于阻隔层的上表面，敏感层形成于结构层的上表面；
电极层，包括两条从敏感层的表面引出的电极；
保护层，保护层位于电极层的上方。
其中，所述结构层的制备过程除需要较长的显影时间外，其他步骤和标准的光刻工艺相似，其原理为：由于曝光的不均匀使得光刻胶在厚度方向上出现薄而硬的弹性层和位于弹性层下方的粘弹性层，当粘弹性层在显影液中出现各向同性膨胀时，将会使得弹性层的应力强度因子极易超过其断裂韧性，从而导致弹性层产生裂纹。在光刻过程中，紫外曝光使得光刻胶在厚度方向上接近硅基底的位置形成粘弹性层，而在远离硅基底的上表面形成薄而硬的弹性层；掩模板使得光刻胶一侧形成特定的应力集中结构(尖锐的缺口状)，另一侧形成应力释放结构(圆弧状)；在显影过程中，粘弹性层因吸收溶液中的溶质分子而出现各向同性性膨胀，使得弹性层产生大于自身结构强度的各向同向性拉伸应力，并最终导致裂纹从应力集中处(尖锐缺口侧)向应力释放处(圆弧侧)扩散。通过合理控制试验过程中的相关参数可以控制裂纹的萌生、扩展、终止和几何尺寸(长、宽、深等)。
所述的阻隔层材质为聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)薄膜或二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜，厚度为15-20μm。
所述的结构层为通过模板法得到的具有裂纹结构的二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜结构，厚度为11-18μm，在自由状态下其表面裂纹的宽度为0.5μm-3μm，裂纹深度为50nm-300nm，裂纹之间的距离为70μm-80μm，裂纹长度为1-2mm。
所述的敏感层材质为Pt，敏感层厚度为20nm-100nm，在无检测状态下其表面裂纹尺寸参数与结构层的尺寸参数基本相同。Pt是是铂金纳米颗粒，通过物理沉积的方法均匀沉积在柔性层表面作为导电层。
所述电极为铜箔或漆包线。
所述保护层为固化的PET薄膜或PDMS薄膜。
本发明的另一目的是提供一种柔性可穿戴电阻式应变传感器的制备方法，其包括：柔性传感器结构层的制备和柔性可穿戴电阻式传感器的制备：
柔性可穿戴电阻式传感器的制备包括以下步骤：
S1、将PDMS旋涂在硅基底上，得到厚度为15-20μm的阻隔层；
S2、制备结构层，并将结构层放置在步骤S1所述的阻隔层上，待固化后随阻隔层一同从基底上剥离下来；
S3、用溅射沉积的方法在结构层上沉积一层Pt作为敏感材料层，以较小的弧度弯曲结构层，从而诱导敏感材料层产生与结构层具有相同宽度和长度的裂纹；
S4、引出至少两条电极，电极的一端接触所述敏感材料层，另一端探出所述敏感材料层；
S5、在所述敏感材料层表面涂一层柔性高分子聚合物作为保护层，形成覆盖敏感材料层，并与所述阻隔层共同包裹所述传感器层和电极层；
柔性传感器结构层的制备包括下述步骤：
S2.1、SU-8负光刻胶通过旋涂法均匀的涂在硅基底上；
S2.2、将带有应力集中结构和应力释放结构的掩模板放置在SU-8光刻胶上并以一定能量进行曝光，曝光后烘箱上软烘焙；
S2.3、为获得具有特定尺寸的裂纹，将上述曝光后的样品在显影液中显影一段时间后，并重复步骤S2.2；
S2.4、将上述样品在显影液中显影，从显影溶液中取出后恒温晒干获得具有裂纹图案母板；
S2.5、将紫外固化材料聚氨酯丙烯酸酯(PUA)滴涂在上述母板上，利用一块干净的PET基底压印在材料上，然后放置在紫外光下以一定的能量进行固化，复制结构的压印胶固化后粘附在PET上，一起从母板上剥离下来；
S2.6、将聚二甲基硅氧烷(PDMS)滴涂在上述聚氨酯丙烯酸酯(PUA)上，待固化后剥离得到与母板具有相同裂纹结构的结构层。
本发明具有如下有益效果：
1、相对于其他电阻式应变传器而言，结构层及敏感层裂纹结构几何参数可控，从而保证了传感器的灵敏性和稳定性；
2、本发明传感器可根据不同的工况要求，加工具有特定长、宽、高的裂纹结构，从而使得传感器满足不同的检测范围；
3、本发明传感器具有大面积制备、操作简单等优点。
附图说明
图1为本发明柔性可穿戴电阻式应变传感器的结构示意图。
图2为本发明柔性可穿戴电阻式应变传感器传感层结构示意图。
图3为结构层制备过程中所用掩模板结构特征及光刻胶曝光后在厚度方向上材料力学性能分布示意图。
图4为显影过程中裂纹形成机理示意图。
图中：1—阻隔层，2—传感层，3—电极层，4—保护层，5—结构层，6—敏感层。
具体实施方式
如图1和图2所示，一种柔性可穿戴电阻式应变传感器，其包括
阻隔层1，
传感层2，传感层2包括微纳米结构层5和敏感层6，其中结构层5形成于阻隔层1的上表面，敏感层6形成于结构层5的上表面；
电极层3，包括两条从敏感层6的表面引出的电极；
保护层4，保护层位于电极层的上方。
首先是结构层5的制备，其所用模板结构，及裂纹形成原理如图3、图4所示：
(1)、SU-8负光刻胶通过旋涂法均匀的涂在硅基底上，厚度为15μm，并在90℃的烘箱上软烘焙3分钟；
(2)、将带有应力集中结构和应力释放结构的掩模板在SU-8光刻胶上并以约125mJ cm-2的曝光量进行曝光，曝光后在90℃的烘箱上软烘焙3分钟，此时由于厚度方向上光照不均匀，从而在光刻胶厚度方向上存在弹性梯度，即靠近上表面的为弹性层，弹性层下方为粘弹性层，如图3所示；所述的应力集中结构是等腰锐角三角形，所述的应力释放结构为半圆弧，掩模板的结构如图1所示。
(3)、将上述样品在显影液中显影50min，由于样品在显影夜中膨胀使得弹性层形成裂纹，如图4所示，从溶液中取出后恒温晒干获得具有裂纹图案的母板；
(4)、将紫外固化材料聚氨酯丙烯酸酯(PUA)滴涂在上述母板上，厚度为15μm，利用一块干净的PET基底压印在材料上，然后放置在紫外光下固化40min，光波长为365nm，功率为100mJ/cm2，复制结构的压印胶固化后粘附在PET上，一起从硅模板上剥离下来；
(5)、将聚二甲基硅氧烷(PDMS)滴涂在上述聚氨酯丙烯酸酯(PUA)上厚度为20μm，待固化后剥离得到与模板具有相同裂纹的结构层5。
在结构层5制备完成的基础上，进行柔性可穿戴电阻式传感器的制备：
S1、将二甲基硅氧烷(PDMS)旋涂在硅基底上，得到厚度为15μm的阻隔层1；
S2、将已经制备的结构层置与PDMS(阻隔层)上，待固化后随阻隔层1一同从基底上剥离下来；
S3、以10度的弧度弯曲结构层5，并在此弧度下用溅射沉积的方法在结构层上沉积20nm厚的Pt作为敏感材料层6，敏感材料层6产生与结构层5相同尺寸的裂纹结构，如图2所示；
S4、引出两条漆包线电极3，电极的一端接触所述敏感材料层6，另一端探出所述敏感材料层6；
S5、在所述敏感材料层6表面旋涂一层PDMS，形成覆盖所述敏感材料层6，并与所述阻隔层1共同包裹所述传感层2。