一种基于层间耦合作用的柔性应力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术属于传感器领域，具体为一种基于层间耦合作用的柔性应力传感器及其制备方法。S100：制备柔性基底以及封装层，柔性基底与封装层为结构相同的掩膜板。S200：将导电银浆涂抹于柔性基底的表面，并引出形成电极I。S300：在柔性基底与电极上表面滴涂纳米线溶液，并使用加热垫进行加热干燥，使柔性基底表面形成高导电性纳米线薄膜。S400：在高导电性纳米线薄膜上表面滴涂二维材料的水溶液，干燥形成二维材料薄膜。S500：在二维材料薄膜上表面滴涂纳米线溶液，并使用加热垫进行加热干燥，使二维材料薄膜表面形成高导电性纳米线薄膜。S600：将导电银浆涂抹于高导电性纳米线薄膜的表面，并引出形成电极II。S700：将封装层涂于高导电性纳米线薄膜和电极表面。性纳米线薄膜和电极表面。性纳米线薄膜和电极表面。

【技术实现步骤摘要】
一种基于层间耦合作用的柔性应力传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于传感器领域，具体为一种基于层间耦合作用的柔性应力传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，柔性电子逐渐成为研究热点。柔性传感器、集成电路、柔性显示和柔性存储器等电子设备在世界范围内引起了广泛的关注，。其中，柔性应力传感器凭借其在可穿戴设备中的广泛应用而受到越来越多的关注。柔性应力传感器可以与日常生活中的衣服和电子产品（例如腕带和手表）集成，以检测人体运动。此外，柔性应力传感器还可以应用于医疗传感。因此，开发具有高灵敏度的柔性应力传感器至关重要。
[0003]纳米材料的研究促进了新型柔性应力传感器的发展。石墨烯、过渡金属硫化物、黑磷等二维材料凭借其良好的导电性以及在微小应力作用下易发生片层间滑移现象被广泛的应用于柔性应力传感器的制备。ZnO纳米线、银纳米线、金纳米线等高导电性纳米线材料凭借其优异的导电性以及在应力作用下不易发生形变的特点被广泛的应用于传感器的设计。研究者将二维材料和高导电性纳米线混合，利用二维材料片层间的滑移以及纳米线高导电性的特点，开发了一系列的柔性应力传感器。2016年，Chen等人将氧化石墨烯和银纳米线混合，制得柔性应力传感器。该传感器涉及到的原理是银纳米线的引入使得该传感器的导电方式从面对面变为点对点，从而实现传感器灵敏度的提高。该传感器的灵敏度最高达到了3000，而应变范围仅为1%（ACS Appl.Mater.Interfaces, 2016, 8, 25563
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25570.）。2017年，Yang等人将银纳米球和石墨烯混合，制得柔性应力传感器。当该传感器发生形变时，银纳米球可作为桥梁连接石墨烯片。该传感器的灵敏度为475（ACS Appl. Mater. Interfaces, 2017, 10, 3948
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3954.）。2019年，Qiao等人将氧化石墨烯和银纳米线混合，并利用激光还原氧化石墨烯，成功制备柔性应力传感器。该传感器的最高灵敏度仅为323（ Carbon, 2020, 156: 253
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260.）。2019年，Qiu等人将二硫化钼、银纳米线以及柔性基底SEBS混合，成功制备柔性应力传感器，该传感器的最高灵敏度为3300（ACS Appl.Mater.Interfaces, 2019, 11: 37035
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37042.）。
[0004]目前研究者采取的策略是将二维材料和高导电性纳米线材料混合，利用二维材料和纳米线材料对应力的不同响应制备柔性应力传感器。但是这些传感器的灵敏度不高，对测量数据的精确度造成不良影响。因此，开发高灵敏度的柔性应力传感器十分迫切。

技术实现思路

[0005]本专利技术为了解决现有技术中柔性应力传感器灵敏度低的问题，提供一种基于层间耦合作用的柔性应力传感器及其制备方法。
[0006]本专利技术采取以下技术方案：一种基于层间耦合作用的柔性应力传感器的制备方法，包括以下步骤。
[0007]S100：制备柔性基底以及封装层，柔性基底与封装层为结构相同的掩膜板。
[0008]S200：将导电银浆涂抹于柔性基底的表面，并引出形成电极I。
[0009]S300：在柔性基底与电极上表面滴涂纳米线溶液，并使用加热垫进行加热干燥，使柔性基底表面形成高导电性纳米线薄膜。
[0010]S400：在高导电性纳米线薄膜上表面滴涂二维材料的水溶液，干燥形成二维材料薄膜。
[0011]S500：在二维材料薄膜上表面滴涂纳米线溶液，并使用加热垫进行加热干燥，使二维材料薄膜表面形成高导电性纳米线薄膜。
[0012]S600：将导电银浆涂抹于高导电性纳米线薄膜的表面，并引出形成电极II。
[0013]S700：将封装层涂于高导电性纳米线薄膜和电极表面。
[0014]步骤S100中，柔性基底和封装层的材料为聚二甲基硅氧烷、聚酯薄膜和氢化苯乙烯
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丁二烯嵌段共聚物中的一种或多种。
[0015]步骤S300中，纳米线溶液为银纳米线、金纳米线、铜纳米线或碳纳米管中的一种或多种。
[0016]步骤S400中，二维材料为石墨烯、过渡金属硫化物、氮化硼中的一种或多种。
[0017]步骤S400的具体滴涂过程为：将二维材料的水溶液进行超声分散处理1h，获得二维材料水分散液；将二维材料水分散液滴涂于高导电性纳米线薄膜上，干燥后200℃加热2h还原氧化，使其形成二维材料薄膜，二维材料薄膜厚度为6~8 μm。
[0018]步骤S700中，封装层利用旋涂机在1000
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2000rpm的转速下旋涂于上层高导电性纳米线薄膜与电极表面，与柔性基底形成一体结构。
[0019]纳米线溶液中纳米线材料的直径和长度分别为90 nm和10 μm。
[0020]一种基于层间耦合作用的柔性应力传感器，包括二维材料薄膜，二维材料薄膜上下侧均为高导电性纳米线薄膜，下层的高导电性纳米线薄膜与柔性基底之间设置有电极，上层的高导电性纳米线薄膜与封装层也之间设置有电极，最上层以及最下层的柔性基底与封装层为一体结构。
[0021]基于层间耦合作用的柔性应力传感器整体呈长方体状，其横截面厚度为800um
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1000um。
[0022]与现有技术相比，本专利技术一种基于层间耦合作用的柔性应力传感器是将二维材料和高导电性纳米线材料分层堆叠。当传感器被施加应力时，二维材料会发生片层间的明显滑移直到形成裂纹，上下两层纳米线材料不易发生形变，起到了桥连作用。此外，该传感器电极的设计使得上下两层纳米线以及二维材料充分的参与了导电通路。该传感器最大程度的利用了二维材料和纳米线的优势，使得该传感器的灵敏度最大达到了34000。该传感器能够被用于语音识别、脉搏波精准检测等领域。
[0023]本专利技术基于层间耦合作用的柔性应力传感器，采用了柔性基底、二维材料和高导电性纳米材料的分层结构。当施加应力时，二维材料产生滑移现象直至产生微裂纹，形成石墨烯岛。上下两层纳米线材料受应力作用之后形变小，起到了联通二维材料的作用，从而提高该传感器的灵敏度。
[0024]本专利技术通过本专利技术的制备方法制得的基于层间耦合作用的柔性应变传感器可以实现超高的灵敏度。
[0025]本专利技术制备方法可控性好，采用分层制造的方法，有利于大规模生产，导电物质
层、柔性基底和封装材料分别进行制备，互不影响，制备过程中出现问题可单独修正，节约成本。
附图说明
[0026]图1是本专利技术中柔性应力传感器的结构示意图；图2是本专利技术中柔性应力传感器在应力拉伸下电阻值的相对变化测试结果；图3是本专利技术中柔性应力传感器用于脉搏检测结果图；图4是本专利技术中柔性应力传感器用于语音检测结果图；其中1
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柔性基底，2
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电极I，3
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高导电性纳米线薄膜，4
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二维材料薄膜，5
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【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于层间耦合作用的柔性应力传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤，S100：制备柔性基底（1）以及封装层（6），柔性基底（1）与封装层（6）为结构相同的掩膜版；S200：将导电银浆涂抹于柔性基底（1）的表面，并引出形成电极I（2）；S300：在柔性基底（1）与电极（2）上表面滴涂纳米线溶液，并使用加热垫进行加热干燥，使柔性基底（1）表面形成高导电性纳米线薄膜（3）；S400：在高导电性纳米线薄膜（3）上表面滴涂二维材料的水溶液，干燥形成二维材料薄膜（4）；S500：在二维材料薄膜（4）上表面滴涂纳米线溶液，并使用加热垫进行加热干燥，使二维材料薄膜（4）表面形成高导电性纳米线薄膜（3）；S600：将导电银浆涂抹于高导电性纳米线薄膜（3）的表面，并引出形成电极II（5）；S700：将封装层（6）涂于高导电性纳米线薄膜（3）和电极（5）表面。2.根据权利要求1所述的基于层间耦合作用的柔性应力传感器的制备方法，其特征在于：所述的步骤S100中，柔性基底（1）和封装层（6）的材料为聚二甲基硅氧烷、聚酯薄膜和氢化苯乙烯
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丁二烯嵌段共聚物中的一种或多种。3.根据权利要求1所述的基于层间耦合作用的柔性应力传感器的制备方法，其特征在于：所述的步骤S300中，纳米线溶液为银纳米线、金纳米线、铜纳米线或碳纳米管中的一种或多种。4.根据权利要求1所述的基于层间耦合作用的柔性应力传感器的制备方法，其特征在于：所述的步骤S400中，二维材料为石墨烯、过渡金属硫化物、氮化硼中的一种或...

【专利技术属性】
技术研发人员：李晓春，袁琳，高晓光，
申请(专利权)人：太原理工大学，
类型：发明
国别省市：