一种纸基电容型柔性传感器的制备方法与流程

本发明属于柔性传感器技术领域，特别涉及一种纸基电容型柔性传感器的制备方法。

背景技术：

可穿戴传感器由于在个人健康、人体活动监测、人工智能机器人等领域的广阔应用前景，已引起学术界和工业界的广泛关注。可穿戴传感器由于模量低、重量轻、灵活性强、和可拉伸等性能，可以很好的贴合在皮肤或是器官上，可以记录从微小的生理信号(例如脉搏、心跳率、呼吸、发声)到高强度的动作信号(例如肌肉运动)，为健身信息跟踪、疾病诊断和风险监测提供了一种新的途径。目前已经开发出基于压电、压阻、电阻和电容检测原理的柔性传感器。然而，大多数方法依赖于微电子制造工艺，涉及复杂的制造工艺，如紫外线照射、等离子体处理、薄膜真空沉积、自旋涂层、光刻、干湿蚀刻、转移印刷等。尽管这些方法已被证明是有效的，但昂贵的仪器和材料所带来的高昂费用限制了它们的应用。通过简单的制作工艺，开发出一种高灵敏度、高性价比的新型柔性传感器仍是一个亟待解决的问题。

技术实现要素：

本发明所要解决的技术问题是提供一种低成本、高灵敏度的纸基电容型柔性传感器的制备方法。

本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：

一种纸基电容型柔性传感器的制备方法，包括：

通过对纸基进行处理，使所述纸基表面形成亲疏水图案；

将导电材料填充到所述亲疏水图案上的亲水区域内，使所述导电材料在所述纸基表面形成导电层，并在所述导电层边缘连接外部引线形成外部接口；

用第一封装层将所述纸基、导电层及部分外部引线进行封装，形成单片电极板；

将两个所述单片电极板的靠近导电层的一面进行相向贴合，形成双片电极板，再通过第二封装层将所述双片电极板的表面进行封装，得到电容型柔性传感器。

进一步的，在通过对所述纸基进行处理时，所述采用的处理方法包括旋涂法、层压法、光刻法、印章法、凹版印刷、凸版印刷、蜡印法、喷墨打印法、丝网印刷法、磁控溅射、热蒸镀、印染法、化学转化膜处理法、折叠纸模板法、胶带转移法、物理气相沉积法和等离子蚀刻法中的一种或几种。

进一步的，所述折叠纸模板法包括：

在纸模板切割成折叠的镂空的图案后，在所述纸模板上涂抹阻隔材料；

将可制备纸基的材料放入所述折叠纸模板的中间，形成三明治结构，所述折叠纸模板上的阻隔材料通过接触纸基的制备材料后，所述阻隔材料渗透到纸基的制备材料上，进而在制备出的所述纸基上形成亲疏水图案。

进一步的，所述将导电材料加到纸基的亲水区域的方法为移液器滴加、3d打印法、印章法和喷墨打印中的一种或几种。

进一步的，所述纸基上形成导电层的图案为椭圆形、圆形、矩形、星形、三角形、五边形、六边形、箭头形或半月形的基础图形，或为贝塞尔曲线、peano、hilbert、moore和greekcross曲线的分形曲线中的一种或几种。

进一步的，所述第一封装层和第二封装层均为柔性材料制备而成，所述柔性材料包括聚萘二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨基甲酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯腈、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚偏氟乙酸、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯中的一种或几种。

进一步的，所述纸基为纸张类材料或/和含有微结构的生物材料制备而成，所述纸基的纸张类材料包括面巾纸、硝基纤维素膜、定性滤纸、层析纸、打印纸、吸水纸、牛皮纸、纤维素-碳纳米管复合纸、纤维-银油墨复合纸、绘图纸中的一种或几种，所述纸基的含有微结构的生物材料包括pet膜、纳米纤维基、棉布、丝巾、天然橡胶薄膜中的一种或几种。

进一步的，所述导电层材料包括金属材料、金属氧化物、液态金属合金、无机半导体、有机导电高分子材料和碳素材料中的一种或几种；所述碳素材料包括且不限于石墨烯薄膜、石墨烯墙、石墨烯微片、氧化石墨烯、石墨烷、石墨、炭黑、碳纳米管、碳纳米线；所述金属材料包括且不限于银纳米线、铂纳米线、金纳米线、氧化锌纳米线、银纳米粒子、铜纳米线、单原子层锗烯、双原子层锗烯；所述金属氧化物包括且不限于氧化铟锡、氧化氟锡、氧化铝锌；无机半导体包括且不限于硅、锗、碲化镉；所述液态金属合金包括且不限于镓铟锡合金；所述有机导电高分子材料包括且不限于聚噻吩、聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯。

进一步的，所述外部引线为cu，au，pt，al，ag，ni，pd，ru中的纯金属或合金制成的导线或导带。

进一步的，所述纸基、第一封装层及第二封装层厚度为0.001-5mm，面积为0.1-100cm²，所述导电层厚度为0.001-5mm，面积为0.1-100cm²，所述外部引线直径为0.1-5mm。

本发明提供的一种纸基电容型柔性传感器的制备方法，通过在纸基表面的亲疏水图案上的亲水区域内填充导电材料，使导电材料在纸基形成与亲疏水图案形状一致的导电层，用第一封装层将纸基、导电层及部分外部引线从两面进行封装，形成单片电极板；将两个单片电极板通过在其靠近导电层一面进行相向贴合，形成双片电极板，再将双片电极板通过第二封装层的表面进行封装，得到电容型柔性传感器；因此，本发明提供的纸基电容型柔性传感器的制备方法不但制作工艺简单，成品杨氏模量低，重量轻，并且具有低成本，高柔韧性，高灵敏度，使用寿命长，生物相容性好，可穿戴等优点。能对按压，弯曲、拉伸等应变有较好的检测性能，无论是对瞬间的触碰还是对持续受力的挤压，均能良好地获取触觉信息。可用于各种生理信号如呼吸信号，脉搏信号，声音信号，身体运动信号等信号的实时采集。

附图说明

图1为本发明实施性实施例的一种纸基电容型柔性传感器的制备方法的流程示意图；

图2为本发明实施性实施例制备出的纸基电容型柔性传感器的结构示意图；

图3为本发明实施性实施例提供的纸基电容型柔性传感器在不同压力作用下的测试结果图；

图4为本发明实施性实施例提供的纸基电容型柔性传感器放置在测试者腕部桡动脉处记录的脉搏波波形图。

具体实施方式

为克服现有技术中的不足，本发明提供一种纸基电容型柔性传感器的制备方法。为使本发明的目的、技术方案和优点更加清晰，下面将结合本发明的优选实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行更加详细的描述。所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本发明，而不能理解为对本发明的限制。基于本发明中的实施例，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，都属于本发明保护的范围。下面结合附图对本发明的实施例进行详细说明。

如图1所示，一种纸基电容型柔性传感器的制备方法，包括：

s100、通过对纸基进行处理，使纸基表面形成亲疏水图案；

s200、将导电材料填充到亲疏水图案上的亲水区域内，使导电材料在纸基表面形成导电层，并在导电层边缘连接外部引线形成外部接口；

s300、通过第一封装层将带有导电层和外部引线的纸基进行两面封装，使纸基、导电层及部分外部引线封装在第一封装层内，形成单片电极板；

s400、将两个单片电极板的靠近导电层的一面进行相向贴合，形成双片电极板，再通过第二封装层将双片电极板的表面进行封装，得到电容型柔性传感器。

如图2所示，本发明实施例制备出的一种纸基电容型柔性传感器，包括第一单片电极板10和第二单片电极板20，第一单片电极板10和第二单片电极板20包括纸基30、设置在纸基30之上并由纸基30上的亲疏水结构限制的导电层40、与导电层40连接形成外部接口的外部引线50、以及面向导电层40贴合将纸基30、导电层40及部分外部引线50封装在内的第一封装层60；第一单片电极板10和第二单片电极板20背面设置第二封装层(图中未画出)将第一单片电极板10和第二单片电极板20以第一封装层60为正面相向贴合在一起。

本发明提供的一种纸基电容型柔性传感器的工作原理为：当外界对传感器施加力使其发生压缩，弯折形变时，上下两层导电层之间的距离将发生改变，进而使得所述纸基电容型柔性传感器的电容大小发生变化。传感器在当前外力下的形态变化便可通过电容的变化数字化地体现出来。

作为一优选实施方式，在通过对纸基进行处理时，采用的处理方法包括旋涂法、层压法、光刻法、印章法、凹版印刷、凸版印刷、蜡印法、喷墨打印法、丝网印刷法、磁控溅射、热蒸镀、印染法、化学转化膜处理法、折叠纸模板法、胶带转移法、物理气相沉积法和等离子蚀刻法中的一种或几种。

作为一优选实施方式，折叠纸模板法包括：

在纸模板切割成折叠的镂空的图案后，在所述纸模板上涂抹阻隔材料；

将可制备纸基的材料放入折叠纸模板的中间，形成三明治结构，折叠纸模板上的阻隔材料通过接触纸基的制备材料后，阻隔材料渗透到纸基的制备材料上，进而在制备出的纸基上形成亲疏水图案。

作为一优选实施方式，将导电材料加到纸基的亲水区域的方法为移液器滴加、3d打印法、印章法和喷墨打印中的一种或几种。

作为一优选实施方式，纸基上形成导电层的图案为椭圆形、圆形、矩形、星形、三角形、五边形、六边形、箭头形或半月形的基础图形，或为贝塞尔曲线、peano、hilbert、moore和greekcross曲线的分形曲线中的一种或几种。

作为一优选实施方式，第一封装层和第二封装层均为柔性材料制备而成，柔性材料包括聚萘二甲酸乙二醇酯、聚甲基丙烯酸甲酯、聚氨基甲酸酯、聚氨酯丙烯酸酯、聚二甲基硅氧烷、聚丙烯腈、聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯、聚丙烯、聚酰胺、聚偏氟乙酸、聚四氟乙烯、聚乙烯醇、聚乳酸、聚醚酰亚胺、聚碳酸酯、聚酰亚胺、聚氯乙烯中的一种或几种。

作为一优选实施方式，纸基为纸张类材料或/和含有微结构的生物材料制备而成，所述纸基的纸张类材料包括面巾纸、硝基纤维素膜、定性滤纸、层析纸、打印纸、吸水纸、牛皮纸、纤维素-碳纳米管复合纸、纤维-银油墨复合纸、绘图纸中的一种或几种，所述纸基的含有微结构的生物材料包括pet膜、纳米纤维基、棉布、丝巾、天然橡胶薄膜中的一种或几种。

作为一优选实施方式，导电层材料包括金属材料、金属氧化物、液态金属合金、无机半导体、有机导电高分子材料和碳素材料中的一种或几种；碳素材料包括且不限于石墨烯薄膜、石墨烯墙、石墨烯微片、氧化石墨烯、石墨烷、石墨、炭黑、碳纳米管、碳纳米线；金属材料包括且不限于银纳米线、铂纳米线、金纳米线、氧化锌纳米线、银纳米粒子、铜纳米线、单原子层锗烯、双原子层锗烯；金属氧化物包括且不限于氧化铟锡、氧化氟锡、氧化铝锌；无机半导体包括且不限于硅、锗、碲化镉；所述液态金属合金包括且不限于镓铟锡合金；所述有机导电高分子材料包括且不限于聚噻吩、聚乙炔、聚苯胺、聚吡咯。

作为一优选实施方式，外部引线为cu，au，pt，al，ag，ni，pd，ru中的纯金属或合金制成的导线或导带。

作为一优选实施方式，纸基、第一封装层及第二封装层厚度为0.001-5mm，面积为0.1-100cm²，所述导电层厚度为0.001-5mm，面积为0.1-100cm²，所述外部引线直径为0.1-5mm。

本实施例提供的一种纸基电容型柔性传感器的制备方法制备出的传感器由上下两个单片导电极组成，其中单片导电极板由导电层和封装层构成，并且，在单片导电极板中的导电层的图案可以根据需要设计成不同的形状，同时，由柔性材料制备的第一封装层和第二封装层将导电层封装形成单个电极板，使两个单片导电极板构成电容型柔性传感器，该传感器检测灵敏度高，可达到16kpa^-1。

下面通过具体实施例对本发明提供的一种纸基电容型柔性传感器的制备方法做具体说明。

实施例1：

(1)使用刀刻或激光雕刻或机械雕刻的方式在折叠模板纸上制作具有通道的纸模板，并使用玻璃棒将pdms混合液(10:1)均匀地涂抹到纸模板上。将单层面巾纸夹入折叠模板中，将折叠模板一面折叠盖上，静置1分钟，待到pdms溶液完全浸润面巾纸且无扩散后将内部的面巾纸取出。将纸基放到60℃加热板上加热2分钟，取出，获得有亲疏水图案的面巾纸，图案为15x15mm的正方形电极板。

(2)使用100ul移液枪吸取银纳米线溶液，滴加到面巾纸的亲水区域，待其自然干燥后得到纸上的银纳米线导电层。

(3)在电路的边缘位置引入引线，并滴加银浆使导电层与引线末端相连。

(4)通过pu膜将带有银纳米线导电层和外部引线的面巾纸进行两面封装，使面巾纸、银纳米线导电层及部分外部引线封装在pu膜内，形成单片电极板。

(5)将通过步骤(1)-(4)获得的两枚的柔性单片导电极板的靠近导电层的一面进行相向贴合，形成双片电极板，再通过两张pu膜将双片电极板进行整体封装，得到电容型柔性传感器。

实施例2

参照实施例1，本实施例提供的一种纸基电容型柔性传感器制作方法与实施例1不同之处在于，步骤(1)中使用喷墨打印法进行纸基表面修饰，具体步骤替换为如下：将图案编辑好的导电层图案的反模输入电脑，通过佳能ip2780型喷墨打印机进行油性防水墨水的喷墨打印在餐巾纸上，得到具有亲疏水图案的打印纸纸基。

实施例3

参照实施例1，本实施例提供的一种纸基电容型柔性传感器制备方法与实施例1不同之处在于，步骤(1)中所述的纸模板上的通道图案由15x15mm的正方形改为大小为15x15mm，线条宽度为500μm的“f”型。

实施例4

参照实施例1，本实施例提供的一种纸基电容型柔性传感器制备方法与实施例1不同之处在于，步骤(2)中使用的导电层材料为碳纳米管溶液。

实施例5

参照实施例1，本实施例提供的一种纸基电容型柔性传感器制备方法与实施例1不同之处在于，步骤(4)与步骤(5)中使用的封装材料为pdms薄膜。

实施例6

采用实施例1方法所制备的纸基电容型柔性传感器贴附于被测者的手腕桡动脉处，采用lcr表读取本发明传感器的电容信号，波形记录如图4所示。

参见图3，本发明实施例制备的纸基电容型柔性传感器在不同压力的作用下呈现双线性变化，在0-1kpa压力范围内，所述柔性传感器灵敏度可达到7.492kpa^-1，在1-2.5ka压力范围内，所述柔性传感器灵敏度可达到0.896kpa^-1,可以满足人体生理信号测量的要求，如微小信号脉搏波的测量。所述纸基电容型柔性传感器具有灵敏度高，可穿戴性佳，稳定性好的特点。

参见图4，本发明实施例制备的纸基电容型柔性传感器测量的脉搏波，脉搏波波形清晰准确，含有标准脉搏波的特征峰，说明本发明具有较高的灵敏度，可以检测到微小变化的生理信号。具有高灵敏度，高信噪比，高重复性，低迟滞，低误差等优点。

最后所应说明的是，以上具体实施方式仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照实例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。