一种柔性压力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供一种柔性压力传感器及其制备方法，所述柔性压力传感器包括由上至下依次叠放的上柔性基材、上碳化纳米纤维膜、下碳化纳米纤维膜以及下柔性基材；其中，所述上碳化纳米纤维膜和下碳化纳米纤维膜之间设置两条向外延伸的引线。本发明专利技术具有超高的灵敏度和透光性，可用于人体微弱生理信号的实时监测，且该压力传感器采用天然生物质材料，制备工艺简单，具有很好的应用前景。

Flexible pressure sensor and preparation method thereof

The invention provides a flexible pressure sensor and a preparation method thereof, wherein the flexible pressure sensor includes stacked from top to bottom on the flexible substrate, carbon nano fiber membrane, carbon nano fiber membrane and flexible substrate; wherein, two wire extending outward is arranged between the upper and lower carbide carbide nano fiber membrane nano fiber membrane. The present invention has high sensitivity and light transmittance, can be used for real-time monitoring of human physiological signals and weak, the pressure sensor using natural biomass materials, the preparation process is simple and has good application prospects.

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及压力传感器
，更具体地，涉及柔性压力传感器及其制备方法。
技术介绍
近年来，基于高灵敏度、低成本的可穿戴力学传感器引起了人们的广泛关注。柔性力学传感器可贴附于人体皮肤或集成在可穿戴设备中，实现对人体健康的实时检测，如心率、脉搏、发声等。作为人类声音捕捉和人机交互等领域有着广阔的应用前景。其中，压力传感器是最为普遍的一种。现有的压力传感器通常分为四类，晶体管式、电容式、压电式、电阻式压力传感器。其中晶体管式需要复杂的器件组装过程，压电式压力传感器的检测范围相对较窄且灵敏度较低，电容式压力传感器易受电容耦合的干扰。而压电式传感器器件组装过程简易、灵敏度高且无迟滞效应，作为可穿戴器件有着潜在的应用价值。传统的压阻式压力传感器通常是由具有微结构设计的非导电性的弹性多聚物基底和导电层构成。其中利用施加压力过程中，使多聚物基底产生变形而改变导电层电阻，通过输出电流信号的变化来测试外加压力大小。虽然这种压阻式压力传感器可以实现高灵敏度、快速响应等性能，但带有微结构的多聚物基底设计通常需要印模、转印、刻蚀等多步操作过程，制备流程复杂。为实现高灵敏度的检测要求，多种纳米材料被应用作为导电层材料，如碳纳米管、石墨烯、金属纳米线，但这些材料制备过程复杂、成本高、难以批量合成，且碳纳米管等材料的生物毒性还未确定，故不适合应用于人体可穿戴设备。蚕丝作为一种天然的生物材料，具有来源广泛、环境友好、与人体生物兼容性好的优良特性，收到了越来越多的广泛关注。而利用成熟的静电纺丝技术，可得到形貌均匀、高比表面积的蚕丝纳米纤维膜，通过高温热处理使其形成具有高导电性的石墨化微晶，可作为压力传感器的功能层材料。
技术实现思路
本专利技术提供一种克服上述问题或者至少部分地解决上述问题的柔性压力传感器及其制备方法。根据本专利技术的一个方面，提供一种柔性压力传感器，包括由上至下依次叠放的上柔性基材、上碳化纳米纤维膜、下碳化纳米纤维膜以及下柔性基材；其中，所述上柔性基材和下柔性基材分别附有一条向外延伸的引线，且任意一条引线与且只与所在柔性基材上的碳化纳米纤维膜接触。根据本专利技术的另一个方面，提供一种柔性压力传感器的制备方法，包括：S1、以丝素蛋白甲酸溶液为纺丝液，基于静电纺丝仪在基底上制备蚕丝纳米纤维膜；S2、对所述蚕丝纳米纤维膜在惰性气氛或者惰性气氛为主的气氛或者真空气氛中进行碳化处理，获得碳化纳米纤维膜；S3、将两层所述碳化纳米纤维膜分别转移在两片柔性基材的表面，并在所述两片碳化纳米纤维膜上分别附着一根向外延伸引线；以及S4、将两片附有引线的柔性基材上的碳化纳米纤维膜相对覆盖，任意一条引线与且只与所在柔性基材上的碳化纳米纤维膜接触，即得成品。本申请提出一种柔性压力传感器及其制备方法，利用蚕丝制备蚕丝纳米纤维膜，进一步通过碳化处理获得形成具有高导电性的石墨化微晶，作为压力传感器的功能层材料，本柔性压力传感器具有超高的灵敏度和透光性，可用于人体微弱生理信号的实时监测，且该压力传感器采用天然生物质材料，制备工艺简单，具有很好的应用前景。附图说明图1为本专利技术的柔性压力传感器的结构示意图；图2为本专利技术的柔性压力传感器的生产工艺流程图；图3为本专利技术利用静电纺丝技术制备的蚕丝纳米纤维膜和碳化纳米纤维膜的电子显微镜图；图4为本专利技术的柔性压力传感器透明度的测试结果；图5为本专利技术的柔性压力传感器对压力的响应测试结果；图6为本专利技术的柔性压力传感器对静态压力的响应测验结果；图7为本专利技术的柔性压力传感器对10000次动态压力循环加载的响应测试结果；图8为本专利技术的柔性压力传感器对不同大小的动态压力循环加载的响应测试结果；图9为本专利技术的柔性压力传感器的响应时间测试结果；图10为本专利技术的柔性压力传感器集成阵列的模型示意图。具体实施方式下面结合附图和实施例，对本专利技术的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本专利技术，但不用来限制本专利技术的范围。解决传统压阻式压力传感器采用的多聚物基底制备过于复杂的问题，本专利技术提供了一种压力传感器，利用蚕丝制备蚕丝纳米纤维膜，进一步通过碳化处理获得形成具有高导电性的石墨化微晶，作为压力传感器的功能层材料，其作为传感材料具有非常高密度的交联位点，并且大幅降低了生产的难度。图1示出了本专利技术实施例中的柔性压力传感器的结构示意图，包括由上至下依次叠放的上柔性基材4、上碳化纳米纤维膜3、下碳化纳米纤维膜2以及下柔性基材1；其中，所述上柔性基材和下柔性基材分别附有一条向外延伸的引线5，且任意一条引线与且只与所在柔性基材上的碳化纳米纤维膜接触。本专利技术采用柔性基材作为基底，可与非平面更好地贴合，以使碳化纳米纤维膜在变形过程中具有拉伸性及循环稳定性，碳化纳米纤维膜是一种具有高导电性的石墨化微晶，作为压力传感器的功能层材料具有高灵敏度、高透光性以及响应快速的优势。本专利技术的柔性可穿戴压力传感器的工作原理为：上层与下层碳化纳米纤维膜始终接触，在未加压力时，由于器件本身的自重，有初始电流I0。当施加压力时，由于碳化纳米纤维膜有更多的接触节点相互接触，形成了更多的导电通路，此时电流信号有相应的改变，减小至I，并将传感器所受的外加压力转化为电信号反映出来。由上述工作原理可知，只要引线夹设在两层碳化纳米纤维膜之间，且任意一根与且只与所述上碳化纳米纤维膜或下碳化纳米纤维膜中的一个接触，即可将外加压力转换为电信号，但是在考虑压力感应的均匀性后，将所述两根引线对称设置在所述上碳化纳米纤维膜和下碳化纳米纤维膜之间的两侧，能够更好地感应接触到柔性基材表面的压力。在一个实施例中，本专利技术中所述上柔性基材和下柔性基材均为聚二甲基硅氧烷、乙烯醇、聚酰亚胺、聚酯或Ecoflex中的一种。在一个优选实施例中，柔性基材选用二甲基硅氧烷，聚二甲基硅氧烷(PDMS)是一种高分子有机硅化合物，无毒，对皮肤和粘膜无刺激性，并且具有良好的生物相容性，可以实现与人体皮肤的紧密贴合，对微小的生理信号可实现实时的、原位的、高保真性的检测输出。在一个实施例中，所述引线为铜箔或铜丝。现有技术的柔性压力传感器中功能层材料制备方法复杂，例如，采用化学气相法制备的石墨烯功能层，虽然具有较好的透明度和灵敏度，但制备过程繁杂精密，稍有不慎即制备失败，而采用金属纳米线制备的功能层，虽然工艺简单，但存在透明度和灵敏度低，且不适合作为与人体皮肤接触的人体生理信号检测材料。本专利技术所述的人体生理信号应当做广义的理解，包括心跳、颈动脉、颈静脉、呼吸、脉搏等。本专利技术所述的灵敏度(Sensitivity,S，单位为kPa-1)可以被用来比较不同压力传感器的灵敏度，具体表达式为S＝δ(ΔI/I0)/δP(S为灵敏度，I0为未施加压力时的初始电流，ΔI为施加压力后的电流改变量，P为施加的压力数值)。灵敏度越高的压力传感器其传感性能越好。为了解决现有技术制备工艺复杂以及灵敏度、透光度较低的问题，本专利技术还提供一种柔性压力传感器的制备方法，图2示出了本专利技术柔性压力传感器的制备方法的流程示意图，包括：S1、以丝素蛋白甲酸溶液为纺丝液，基于静电纺丝仪在基底上制备蚕丝纳米纤维膜；S2、对所述蚕丝纳米纤维膜在惰性气氛或者惰性气氛为主的气氛或者真空气氛中进行碳化处理，获得碳化纳米纤维膜；S3、将两层所述碳化纳米纤维膜分别转移在两片柔性基材的表本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性压力传感器，其特征在于，包括由上至下依次叠放的上柔性基材、上碳化纳米纤维膜、下碳化纳米纤维膜以及下柔性基材；其中，所述上柔性基材和下柔性基材分别附有一条向外延伸的引线，且任意一条引线与且只与所在柔性基材上的碳化纳米纤维膜接触。

【技术特征摘要】
1.一种柔性压力传感器，其特征在于，包括由上至下依次叠放的上柔性基材、上碳化纳米纤维膜、下碳化纳米纤维膜以及下柔性基材；其中，所述上柔性基材和下柔性基材分别附有一条向外延伸的引线，且任意一条引线与且只与所在柔性基材上的碳化纳米纤维膜接触。2.如权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述上柔性基材和下柔性基材均为聚二甲基硅氧烷、乙烯醇、聚酰亚胺、聚酯或Ecoflex中的一种。3.如权利要求1所述的柔性压力传感器，其特征在于，所述两根引线对称设置在所述上碳化纳米纤维膜和下碳化纳米纤维膜之间的两侧。4.一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括：S1、以丝素蛋白甲酸溶液为纺丝液，基于静电纺丝仪在基底上制备蚕丝纳米纤维膜；S2、对所述蚕丝纳米纤维膜在惰性气氛或者惰性气氛为主的气氛或者真空气氛中进行碳化处理，获得碳化纳米纤维膜；S3、将两层所述碳化纳米纤维膜分别转移在两片柔性基材的表面，并在所述两片碳化纳米纤维膜上分别附着一根向外延伸引线；以及S4、将两片附有引线的柔性基材上的碳化纳米纤维膜相对覆盖，任意一条引线与且只与所在柔性基材上的碳化纳米纤维膜接触，即得成品。5.如权利要求4所述的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤S1包括：S1.1、在60-80℃下将2g干燥的丝素蛋白纤维溶解于8mL的LiBr溶液，随后置于去离子水中透析，获得丝素蛋白水溶液，其中，所述LiBr溶液的摩尔浓度为9.3mol/L；S1.2、将所述丝素蛋...

【专利技术属性】
技术研发人员：张莹莹，王琪，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：北京;11