柔性应力传感器及其制备方法与流程

本发明涉及一种柔性应力传感器及其制备方法，属于传感器领域。

背景技术：

随着应力传感器的技术发展，人们对实时医疗监护、生物整合治疗、可穿戴显示器和轻量化移动电子设备的技术需求日益增长。相较于玻璃或硅晶片等刚性载体，柔性电子器件是构建在柔性聚合物(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯pet、聚乙烯亚胺pei或聚二甲基硅氧烷pdms)上的电子器件，由于此种柔性聚合物表现出弹性，所以柔性聚合物基材上的电子元件可以被弯曲和均匀拉伸，从而可以广泛应用于变形触摸屏、生物识别设备、可穿戴超级电容器或太阳能电池等各方面。

目前主要采用化学方法还原氧化石墨烯(rgo)作为应变感应材料制备柔性应力传感器，其线性度较差，激光还原的氧化石墨烯作为传感材料的柔性应力传感器，无论是刻蚀的膜还是带，在应变下易于断裂，故应变范围小，稳定性差。

有鉴于此，确有必要提出一种柔性应力传感器及其制备方法，以解决上述问题。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种柔性应力传感器及其制备方法，能够实现较大应变范围，高灵敏度和稳定的线性变化。

为实现上述目的，本发明提供了一种柔性应力传感器，包括应变感应层、电极和柔性封装层，其特征在于：所述应变感应层与所述电极电连接，所述柔性封装层包括上层pdms基底和下层pdms基底，并覆盖所述应变感应层和所述电极，所述电极包括银浆和导线，所述导线的一端通过银浆粘接在所述应变感应层上、另一端被引至所述柔性封装层的外部，所述应变感应层为激光还原后的具有棱形网状结构的氧化还原石墨烯。

可选的，所述应变感应层的长度为4mm-60mm，宽度为2mm-15mm，厚度为0.2mm-2mm。

可选的，所述棱形网状结构的锐角为45°-60°，棱长为100μm-700μm。

可选的，所述氧化还原石墨烯为激光还原两次后的材料。

可选的，所述氧化还原石墨烯的灵敏度系数为35，拉伸时应变范围最大为24％。

可选的，所述柔性封装层由热塑性高分子聚合物制成。

可选的，所述热塑性高分子聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚丙烯或聚四氟乙烯。

为实现上述目的，本发明还提供了一种柔性应力传感器的制备方法，其特征在于，主要包括以下步骤：

步骤s1、采用hummers方法制备go水溶液作为初始原材料；

步骤s2、将go水溶液涂覆至下层pdms基底上，待go水溶液自然风干成膜；

步骤s3、将涂有go薄膜的下层pdms基底置于激光器下，获得指定形状的氧化还原石墨烯；

步骤s4、在氧化还原石墨烯上设置电极，并采用上层pdms基底对氧化还原石墨烯和电极进行绝缘封装。

可选的，步骤s3具体为：

步骤s31、将涂有go薄膜的下层pdms基底置于激光器下，根据激光打印图形，打印5分钟；

步骤s32、改变激光扫描方向，再次进行激光第二次还原，待激光打印5分钟后获得还原后的具有棱形网状结构的氧化还原石墨烯。

可选的，步骤s4中的封装过程包括以下步骤：

步骤(a)、在氧化还原石墨烯的两端边缘处涂覆银浆并引出导线，干燥5min-10min后，置于圆形器皿中；

步骤(b)、分别量取聚二甲基硅氧烷pdms和固化剂进行混合，其中，聚二甲基硅氧烷pdms和固化剂的体积比为10:1；

步骤(c)、将步骤(b)配置的聚二甲基硅氧烷pdms溶液放置在甩胶台高速旋转5分钟，得到聚二甲基硅氧烷pdms的无气泡溶液；

步骤(d)、将步骤(c)中的聚二甲基硅氧烷pdms的无气泡溶液倒入圆形器皿中，放入烘箱在60℃下固化24h，同时，对氧化还原石墨烯、银浆和导线进行封装，固化后脱模即得到柔性应力传感器。

本发明具有如下有益效果：本发明采用低成本的氧化石墨烯，通过物理激光法还原氧化石墨烯，得到激光还原两次后的具有棱形网状结构的氧化还原石墨烯；同时采用柔性封装层对棱形网状的氧化还原石墨烯进行封装，耐用性好，拉伸时应变范围大，灵敏度高且呈线性稳定变化，可灵活、方便地贴附于各种形貌的表面，质量轻、具有较强的环境适应性。

附图说明

图1是本发明柔性应力传感器的结构示意图。

图2是去除图1中上层pdms基底后的平面示意图。

图3是本发明具有棱形网状结构的氧化还原石墨烯在不同应力下的相对电阻变化图。

图4是本发明柔性应力传感器用于检测信号的测试电路图。

图5是图4的测试电路所测得的脉搏振动信号图。

图6是图4的测试电路所测得的喉咙发声信号图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细描述。

如图1和图2所示，本发明提出了一种柔性应力传感器，所述柔性应力传感器包括应变感应层、电极和柔性封装层，所述应变感应层与所述电极电连接，所述柔性封装层包括上层pdms基底和下层pdms基底，并覆盖所述应变感应层和所述电极。

所述应变感应层为激光还原后的具有棱形网状结构的氧化还原石墨烯，且该氧化还原石墨烯为激光还原两次后的材料。

所述电极包括银浆和导线，所述导线的一端通过银浆粘接在所述应变感应层上、另一端被引至所述柔性封装层的外部。

所述应变感应层的长度为4mm-60mm，宽度为2mm-15mm，厚度为0.2mm-2mm。

所述棱形网状结构的锐角为45°-60°，棱长为100μm-700μm。

所述柔性封装层由热塑性高分子聚合物制成，热塑性高分子聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚丙烯或聚四氟乙烯。

本发明还提出了一种柔性应力传感器的制备方法，主要包括以下步骤：

步骤s1、采用hummers方法制备go水溶液作为初始原材料；

步骤s2、将go水溶液涂覆至下层pdms基底上，待go水溶液自然风干成膜；

步骤s3、将涂有go薄膜的下层pdms基底置于激光器下，获得指定形状的氧化还原石墨烯；

步骤s4、在氧化还原石墨烯上设置电极，并采用上层pdms基底对氧化还原石墨烯和电极进行绝缘封装。

以下对步骤s1-s4作详细说明。

步骤s1中，制备go水溶液的具体步骤包括：

(1)取23ml浓硫酸于干燥的烧杯中，加入1g石墨粉和3gkmno4，控制反应液温度不超过10℃并进行搅拌；

(2)将烧杯置于35℃的恒温水溶液中，进行超声，调节超声频率(60khz，70khz，80khz)和超声时间(10min，20min，30min)；

(3)在同频率超声中加入7ml去离子水，控制反应温度为100℃，超声15min，最后滴加30％的h2o2溶液，直至反应溶液变成棕色或黄色；

(4)对上述溶液进行离心，用5％的hcl溶液和去离子水充分洗涤直至上述溶液中无so4^2-存在，最终得到浓度为2mg/ml的go水溶液。

步骤s3具体包括：

步骤s31、将涂有go薄膜的下层pdms基底置于激光器下，并配合电脑上运行的图形输入软件nerostartsmart来控制激光打印图形，导入30mm*10mm的矩形到软件，控制激光的功率为20％，激光的扫描速率为500mm/min，激光打印的线条间距为80μm-600μm，控制激光扫描方向，使用激光打印5分钟；

步骤s32、改变激光扫描方向，其他条件不变，再次进行激光第二次还原，待激光打印5分钟后获得还原后的具有棱形网状结构的氧化还原石墨烯。

如图3所示，经检测，在改变激光扫描方向的情况下，激光还原两次制得的具有棱形网状结构的氧化还原石墨烯的灵敏度系数为35，拉伸时应变范围最大为24％。

上述步骤s3中激光的额定功率为4w。

灵敏度系数可由如下方法计算：将步骤s3制得的氧化还原石墨烯，用聚二甲基硅氧烷pdms封装成薄膜样品，将薄膜样品夹在电动位移台的两侧，读出位移台移动的距离，再通过数字源表测量薄膜样品的实时电阻，然后按照如下公式计算获得：

其中，gf表示灵敏度系数；r表示初始电阻(ω)；δr表示相对电阻变化(ω)；l表示初始长度(m)；δl表示相对长度变化(m)。

步骤s4中，以聚二甲基硅氧烷pdms为例，所述柔性封装层的封装过程的具体步骤包括：

步骤(a)、在氧化还原石墨烯的两端边缘处涂覆银浆并引出导线，干燥5min-10min后，置于圆形器皿中；

步骤(b)、分别量取聚二甲基硅氧烷pdms和固化剂进行混合，其中，聚二甲基硅氧烷pdms和固化剂的体积比为10:1；

步骤(c)、将步骤(b)配置的聚二甲基硅氧烷pdms溶液放置在甩胶台高速旋转5分钟，得到聚二甲基硅氧烷pdms的无气泡溶液；

步骤(d)、将步骤(c)中的聚二甲基硅氧烷pdms的无气泡溶液倒入圆形器皿中，放入烘箱在60℃下固化24h，同时，对氧化还原石墨烯、银浆和导线进行封装，固化后脱模即得到柔性应力传感器。

本发明的柔性应力传感器可广泛应用于心跳监测、脉搏波检测或者声音信号的采集和识别等领域。以下将以心跳监测和脉搏波检测为例进行举例说明。

如图4所示，测试电路由恒压源vs(10v)、保护电阻r(100kω)、应力传感器电阻rg和示波器组成，应力传感器电阻rg两端的电压vg为：

该电压vg可以反映出心跳或脉搏信号。

将采用上述制备方法制得的柔性应力传感器贴附在人体手腕处和喉咙处，使用图4的测试电路进行测试。

如图5所示，为所测得的脉搏振动信号图。如图6所示，为所测得的喉咙发声信号图。

从图5和图6可以看出：本发明的柔性应力传感器在灵敏度和检测范围等方面的性能都有很大提高。

综上所述，本发明采用低成本的氧化石墨烯，通过物理激光法还原氧化石墨烯，得到激光还原后的具有棱形网状结构的氧化还原石墨烯；同时采用柔性封装层对棱形网状的氧化还原石墨烯进行封装，耐用性好，拉伸时应变范围大，灵敏度高且呈线性稳定变化，可灵活、方便地贴附于各种形貌的表面，质量轻具有较强的环境适应性。

以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制，尽管参照较佳实施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。