一種壓阻型線狀柔性應力傳感器的制備方法
【技術領域】
[0001]本發明屬于傳感器制備技術領域，涉及一種應力傳感器的制備方法，更具體的說本發明涉及一種壓阻型線狀柔性應力傳感器的制備方法。
【背景技術】
[0002]柔性傳感器是一種用于實現人類觸覺、嗅覺、味覺、聽覺、視覺等感知功能的人造柔性電子器件。近年來，新型可貼附、可穿戴、便攜式、可折疊的柔性電子器件發展迅速，以智能手環為代表的可穿戴設備不斷涌現。良好的柔軟性和彈性是下一代可穿戴電子設備所必備的特征。該類器件在消費電子、軍事、醫療健康等產業領域具有極大的應用潛力。
[0003]柔性應力傳感器可實現對微小作用力的高靈敏度快速檢測，對呼吸、脈搏、心跳、喉部震動等人體健康相關生理信號可以實時監測，在醫療領域有廣泛應用前景。早期的柔性傳感器多由金屬納米膜、柔性基底材料加金屬膜、金屬/高分子復合材料等結構來實現，但是這些器件中普遍需要半導體材料，由于半導體材料性脆，只適用于小變形領域。近期人們傾向于利用碳納米材料，如碳納米管或石墨稀，來替代脆性的娃基半導體材料。但這些碳基柔性應力傳感器普遍存在制備工藝復雜、造價高昂等問題。
【發明內容】
[0004]本發明的目的在于提供一種高靈敏度、線狀、柔性、應力傳感器的制備方法，該傳感器屬于壓阻型，可用于人體呼吸、脈搏、心跳、喉部震動等數據的采集，有效監測人體健康相關生理信號。
[0005]本發明所提供的線狀柔性應力傳感器的制備方法分為如下兩步:
[0006]I)線狀應力敏感材料的制備
[0007]將直徑為0.2-5mm粗的線狀生物質材料，在真空或惰性氣氛保護下，在700?10001的高溫下進行裂解處理0.5-5小時，即可得到線狀應力敏感材料。
[0008]所述線狀生物質材料為由棉纖維、麻纖維、蠶絲等生物質纖維紡織而成的線狀物。[0009 ]所述惰性氣體為氮氣、氬氣、氦氣中的一種。
[0010]2)線狀柔性應力傳感器的制備
[0011]將上述線狀應力敏感材料截成0.5-lOcm長的線段，線段兩端分別用導電銀膠與直徑為0.03-0.5mm的導電電極相連接;在連接有電極的應力敏感材料線段的表面浸漬涂覆聚甲基硅氧烷樹脂(PDMS)，真空脫泡;樹脂固化后，即制得具有高靈敏度的線狀柔性應力傳感器。
[0012]所述導電電極為銅、金、銀等導電金屬絲。
[0013]本發明所制備的柔性應力傳感器的工作原理:本發明所采用線狀生物質材料由大量纖維紡織而成，經高溫處理后，生物質轉變為碳材料，這些線狀碳材料具有良好的導電性。而PDMS樹脂具有良好的柔韌性和絕緣性，線狀碳材料與PDMS復合后，所制備線狀復合材料兼具良好的柔韌性和適宜的導電性。當有外界應力作用于線狀傳感器時，傳感器發生變形，同時傳感器內部的碳纖維的接觸點減少，傳感器電阻增加;外力撤銷后，碳纖維恢復接觸，電阻也恢復初始值，因此通過傳感器電阻變化可實現對應力的監測。
[0014]本發明的優點:
[0015]1.該傳感器具有制備工藝簡單、造價低廉的特點，同時傳感器的核心原材料為生物質，來源廣泛、可再生。
[0016]2.傳感器為線狀，體積小，使用方便。即可單獨用做可穿戴設備，也可與衣物、床上用品等紡織物整合后使用。
【附圖說明】
[0017]圖1.本發明所制備線狀柔性應力傳感器的示意圖:(A)碳化后的線狀生物質；(B)傳感器。
[0018]圖2.本發明所制備線狀碳材料(A)和傳感器橫截面(B)的SEM圖片。
[0019]圖3.本發明所制備的線狀傳感器的照片:(A)測試脈搏時和(B)任意彎曲狀態。
[0020]圖4.本發明所制備傳感器的應力-相對電阻變化曲線。
[0021 ]圖5.本發明所制備傳感器對脈搏的監測曲線。
【具體實施方式】
[0022]下面結合附圖對本發明做進一步詳細描述。
[0023]實施例1
[0024]①將直徑約為Imm粗的由棉纖維紡織而成的細線，在氮氣保護下，在800°C的高溫下裂解I小時，制得線狀碳材料。
[0025]②將步驟①中所制備線狀碳材料截成3cm長的線段，線段兩端分別用導電銀膠與直徑為0.1mm的金屬銅絲連接，作為電極。
[0026]③將步驟②中連接有銅絲電極的線段表面浸漬涂覆PDMS樹脂(Sylgard184,DowCorning)，真空脫泡，樹脂固化，即制得線狀柔性應力傳感器。
[0027]圖1為本發明所制備線狀柔性應力傳感器的示意圖，其中(A)表示碳化后的生物質線由大量的細小纖維組成；(B)表示傳感器由應力敏感材料-碳纖維、PDMS樹脂和電極三部分組成。圖2(A)為所制備線狀碳材料的SEM照片，從圖中可以看出線狀碳材料由大量細小的纖維組成，線的直徑約為0.5_。線狀碳材料的導電率為0.43S/m。圖2(B)為傳感器的橫截面圖，從圖中可以看出碳纖維被PDMS樹脂所包覆，從而提高了傳感器的柔軟性。從傳感器的照片(圖3)可以看出，傳感器具有良好的柔軟性，可進行任意角度的彎曲。圖4為所制備線狀傳感器的應力-相對電阻變化曲線，從中可以看出傳感器的電阻對應力變化非常敏感，靈敏度高達AOMPa—1。所制備傳感器對周期性應力也具有良好的響應，使用壽命可達1000次循環以上。圖5為所制備傳感器對脈搏的監測曲線，從圖中可以看出傳感器對人體血壓具有良好的響應，從圖中可獲得心跳次數、血壓值等數據。
[0028]實施例2
[0029]①將直徑為0.2mm粗的由蠶絲紡織而成的細線，氬氣保護下，在700°C的高溫下裂解5小時，制得線狀碳材料。
[0030]②將步驟①中所制備線狀碳材料截成0.5cm長的線段，線段兩端分別用導電銀膠與直徑為0.1mm的金屬銀絲連接，作為電極。
[0031]③將步驟②中連接有銀絲電極的線段表面浸漬涂覆PDMS樹脂，真空脫泡，樹脂固化，即制得線狀柔性應力傳感器。
[0032]使用本發明提供的方法制備得到的線狀碳材料直徑約為0.1mm，導電率為0.09Sm一、所制備的線狀應力傳感器具有良好的柔軟性，可進行任意角度的彎曲。傳感器對應力變化具有良好的響應性，靈敏度為55MPa—S使用壽命可達1000次循環以上。傳感器可用于人體呼吸、脈搏、心跳、喉部震動的監測。
[0033]實施例3
[0034]①將直徑約為5mm粗的由麻纖維紡織而成的細線，氦氣保護下，在1000°C的高溫下裂解0.5小時，制得線狀碳材料。
[0035]②將步驟①中所制備線狀碳材料截成1cm長的線段，線段兩端分別用導電銀膠與直徑為0.03mm的金屬金絲連接，作為電極。
[0036]③將步驟②中連接有金絲電極的線段表面浸漬涂覆PDMS樹脂，真空脫泡，樹脂固化，即制得線狀柔性應力傳感器。
[0037]使用本發明提供的方法制備得到的線狀碳材料直徑約為2.5mm，導電率為1.22Sm一、所制備的線狀應力傳感器具有良好的柔軟性，可進行任意角度的彎曲。傳感器對應力變化具有良好的響應性，靈敏度為2810?.1，使用壽命可達1000次循環以上。傳感器可用于人體呼吸、脈搏、心跳、喉部震動的監測。
[0038]實施例4
[0039]①將直徑約為2mm粗的由棉線紡織而成的細線，真空下，在750°C的高溫下裂解4小時，制得線狀碳材料。
[0040]②將步驟①中所制備線狀碳材料截成5cm長的線段，線段兩端分別用導電銀膠與直徑為0.5mm金屬銅絲連接，作為電極。
[0041]③將步驟②中連接有銅絲電極的線段表面浸漬涂覆PDMS樹脂，真空脫泡，樹脂固化后即制得線狀柔性應力傳感器。
[0042]使用本發明提供的方法制備得到的線狀碳材料直徑約為1mm，導電率為0.llSnf1。所制備的線狀應力傳感器具有良好的柔軟性，可進行任意角度的彎曲。傳感器對應力變化具有良好的響應性，靈敏度為3610?.1，使用壽命可達1000次循環以上。傳感器可用于人體呼吸、脈搏、心跳、喉部震動的監測。
【主權項】
1.一種壓阻型線狀柔性應力傳感器的制備方法，其特征在于包括以下制備步驟: 1)將直徑為0.2-5mm粗的線狀生物質材料，在真空或惰性氣氛保護下，在700?1000°C的高溫下進行裂解處理0.5-5小時，即可得到線狀應力敏感材料； 2)將上述線狀應力敏感材料截成0.5-lOcm長的線段，線段兩端分別用導電銀膠與直徑為0.03-0.5mm的導電電極相連接； 3)在連接有電極的應力敏感材料線段的表面浸漬涂覆聚甲基硅氧烷樹脂，真空脫泡；樹脂固化后，即制得具有高靈敏度的線狀柔性應力傳感器。2.根據權利要求1所述壓阻型線狀柔性應力傳感器的制備方法，其特征在于:步驟I)中所述的線狀生物質材料為由棉纖維、麻纖維、蠶絲所紡織而成的線狀物中的一種。3.根據權利要求1所述壓阻型線狀柔性應力傳感器的制備方法，其特征在于:步驟I)中所述的惰性氣體為氮氣、氬氣、氦氣中的一種。4.根據權利要求1所述壓阻型線狀柔性應力傳感器的制備方法，其特征在于:步驟2)中所述導電電極為銅絲、金絲、銀絲中的一種。
【專利摘要】本發明提供了一種高靈敏度、線狀、柔性、應力傳感器的制備方法，包括如下步驟：1)將直徑為0.2-5mm粗的生物質線，在真空或惰性氣氛保護下，在700～1000℃的高溫下進行裂解處理0.5-5小時，制得線狀應力敏感材料；2)將上述線狀應力敏感材料截成0.5-10cm長的線段，線段兩端分別用導電銀膠與直徑為0.03-0.5mm的導電電極相連接；3)在連接有電極的應力敏感材料線段的表面浸漬涂覆聚甲基硅氧烷樹脂，真空脫泡，樹脂固化，即制得線狀柔性應力傳感器。該傳感器屬于壓阻型，具有體積小，使用方便的特點，即可單獨使用，也可與紡織物整合后使用，可用于人體呼吸、脈搏、心跳、喉部震動等數據的采集，有效監測人體健康相關生理信號。
【IPC分類】G01L1/18
【公開號】CN105444928
【申請號】CN201510852706
【發明人】李元慶, 朱偉斌, 付紹云
【申請人】重慶大學
【公開日】2016年3月30日
【申請日】2015年11月30日