一种基于图案化碳纳米管的柔性应变传感器及其制备方法与应用技术

本发明专利技术公开一种基于图案化碳纳米管的柔性应变传感器，包括柔性基底和嵌在基底表面的图案化电路，所述图案化电路是由磁性颗粒包覆的碳纳米管形成的。其中，图案化电路在增加导电电路的长度的同时减小横截面积，在拉伸形变过程中可以获得更大的电阻变化值，且拉伸循环稳定性高，电阻峰值不会随拉伸循环而明显下降，提高了应变传感器的传感灵敏度以及稳定性。此外，该应变传感器的制备方法简单、设备简单、耗时短、无化学污染，且可根据需要调整图案和基底材料。本发明专利技术中柔性应变传感器在制作柔性可穿戴设备方面具有良好的应用前景。性可穿戴设备方面具有良好的应用前景。性可穿戴设备方面具有良好的应用前景。

【技术实现步骤摘要】
一种基于图案化碳纳米管的柔性应变传感器及其制备方法与应用


[0001]本专利技术涉及应变传感器
更具体地，涉及一种基于图案化碳纳米管的柔性应变传感器及其制备方法与应用。

技术介绍

[0002]随着社会的发展和进步，微型化和智能化的应变传感器在我们的生活中随处可见。与传统的基于金属和半导体材料的应变传感器相比，柔性应变传感器克服了其脆性的缺点，具有柔韧性和可拉伸性，在人体健康监测、结构健康监测以及重力测试等领域有着巨大的潜力。
[0003]放大应变传感器在感受应变时产生的几何变形以及填料本身内部产生的电性能变化，可以提高传感器的灵敏度。因此，将传感器电路微观化、图案化，是提高传感器传感灵敏度的一种思路。
[0004]目前，用于微纳米结构图案化的方法可以分为自上而下(top
‑
down)以及自下而上(bottom
‑
up)两大类。而针对一维填料的加工方法则主要包括：自上而下加工方法如激光刻蚀、喷涂、转印、光刻等，以及自下而上的方法主要有生长法自组装、模板法等。这些方法虽然可以制备许多具有优异特性的图案化纳米结构，但工艺操作复杂，且一般需要昂贵的设备及工具。
[0005]因此，需要提供一种可通过简单方法制备得到的电路图案化的柔性应变传感器。

技术实现思路

[0006]本专利技术的一个目的在于提供一种基于图案化碳纳米管的柔性应变传感器，该柔性应变传感器具有图案化电路，其传感灵敏度高，且拉伸循环稳定性高，电阻峰值不会随拉伸循环而明显下降。/>[0007]本专利技术的另一个目的在于提供一种基于图案化碳纳米管的柔性应变传感器的制备方法，该制备方法快捷、简单易行，且无需复杂设备，易于控制。
[0008]本专利技术的又一个目的在于提供一种基于图案化碳纳米管的柔性应变传感器的应用。
[0009]为达到上述目的，本专利技术采用下述技术方案：
[0010]一种基于图案化碳纳米管的柔性应变传感器，包括柔性基底和嵌在基底表面的图案化电路，所述图案化电路是由磁性颗粒包覆的碳纳米管形成的。
[0011]根据电阻公式当柔性应变传感器发生形变，电路被拉伸时，将电路长度L增加为L+ΔL，横截面积S减小为S
‑
ΔS，R相应地增加。本专利技术中柔性应变传感具有图案化电路图，与非图案化电路图相比，其电路长度改变量ΔL和横截面积的改变量ΔS都更大，因此，R的变化也会更大，进而可获得更高的传感灵敏度。且基于该图案化电路的应变传感器
的拉伸循环稳定性会大大提高，应变传感器的电阻峰值不会随拉伸循环而下降。
[0012]优选地，所述图案化电路是由直线和/或曲线电路线条围绕而成的，其中电路线条的宽度为0.2
‑
5mm，相邻电路线条的间距为0.2
‑
5mm。
[0013]优选地，所述碳纳米管和磁性颗粒的质量比为1:(0.08
‑
0.5)。
[0014]为了制备性能优异，结构完善的微电路，必须对包覆材料中的磁性颗粒与碳纳米管的比例、含量进行优化及探讨，使磁性颗粒在赋予碳纳米管足够磁性能的同时尽量减小对碳纳米管导电性能的影响。适合的电路线条宽度以及间距在实现尽量大的提高应变传感器的电阻峰值的同时，也满足制备过程的可行性。
[0015]优选地，所述碳纳米管选自羧基化多壁碳纳米管、氨基化多壁碳纳米管、羧基化单壁碳纳米管、氨基化单壁碳纳米管中的一种或多种。
[0016]优选地，所述所述磁性颗粒选自四氧化三铁或/和γ
‑
氧化铁。
[0017]优选地，柔性基底的材料包括有Ecoflex树脂、PDMS树脂、聚氨酯、硅橡胶、Dragon skin中的一种或多种。
[0018]优选地，所述图案化电路的平均面密度为0.2
‑
2mg/cm2。
[0019]在实际应用过程中，若图案化电路密度低于0.2mg/cm2，则图案化电路中磁性颗粒包覆的碳纳米管含量过低，不能形成完整的电路；若面密度高于2mg/cm2，则图案化电路中电路线条分布会过于密集，发生黏连，影响图案质量。
[0020]一种如上所述基于图案化碳纳米管的柔性应变传感器的制备方法，包括：
[0021]1)将磁性颗粒包覆的碳纳米管均匀分散在乙醇水溶液中，得分散液；
[0022]2)将分散液倒入模具中，利用掩膜板和磁场，使磁性颗粒包覆的碳纳米管完成图案化分布，烘干溶剂，得到图案化电路；
[0023]3)向模具中浇注液态柔性基底材料，固化成型；去除模具，安装电极，得到柔性应变传感器。
[0024]本专利技术提供的制备方法是一种新颖、快捷实现多功能化的工艺方法，具有快速性、易操作性与可重复性。制备过程中，通过磁性颗粒包覆碳纳米管，赋予碳纳米管磁性能，利用磁场对碳纳米管进行精确控制。
[0025]具体地，如图1所示，掩膜板由铁板制成，目标图案部分镂空，装有碳纳米管分散液的模具置于掩膜板之上。当掩膜板放置于磁场上时，非镂空部分的掩膜板将屏蔽磁力线，而镂空的图案部分则可透过磁力线。因此分散液中包覆磁性颗粒的碳纳米管在磁力作用下形成与掩膜板镂空部分相同的图案，得到目标电路形状的碳纳米管导电网络，烘干溶剂之后，得到图案化电路。此过程非常迅速，在几秒之内便可使碳纳米管的图案化分布。
[0026]同时，本专利技术提供的制备方法可以高效地反复实施图案化，没有二次化学污染和浪费；没有大型设备的使用，只需一个外加磁场即可完成；可以根据需求灵活设计不同的电路图案，以及选择不同的基底。
[0027]磁场强度的大小是决定图案化质量的一个关键因素，如果磁场强度过低，则不能产生足够的磁力来引导磁性颗粒包覆的碳纳米管形成目标图案。但如果磁场强度过高，由于掩膜板为铁板制成(用于磁场图案化屏蔽)，当其在强磁场中则会被磁化而磁滞较大，一部分磁性颗粒包覆的碳纳米管将会被掩膜板磁化后的磁场所影响，进而会影响图案的完整性和整体电性能。优选地，所述磁场的强度为0.03
‑
0.25T。
[0028]在具体的操作过程中，为了给图案化电路以及柔性基底的浇注提供易剥离的基底，所述模具底部平铺有PDMS薄膜；其中，PDMS薄膜的厚度为50
‑
200μm，且带有硬保护膜。
[0029]本专利技术还提供了上述磁性颗粒包覆的碳纳米管的一种可能的制备过程：
[0030]按照碳纳米管：醇溶液的质量体积比为1:20将碳纳米管加入到醇溶液中，进行搅拌，得到碳纳米管的分散溶液；
[0031]按照铁盐：碳纳米管的质量比为1:1～5:1将铁盐加入至碳纳米管的分散溶液中，并进行细胞粉碎超声，得到含有铁盐和碳纳米管的混合液；
[0032]按照6mol/L碱溶液：醇溶液的体积比为1～4:10将碱溶液分散至醇溶液中，搅拌均匀得到碱醇溶液；
[0033]将碱醇溶液加入含有铁盐和碳纳米管的混合液中，再进行细胞粉碎超声，所得溶液移至反应釜中，在180℃～240℃下本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于图案化碳纳米管的柔性应变传感器，其特征在于，包括柔性基底和嵌在基底表面的图案化电路，所述图案化电路是由磁性颗粒包覆的碳纳米管形成的。2.根据权利要求1所述的基于图案化碳纳米管的柔性应变传感器，其特征在于，所述图案化电路是由直线和/或曲线电路线条围绕而成的，其中电路线条的宽度为0.2
‑
5mm，相邻电路线条的间距为0.2
‑
5mm。3.根据权利要求1所述的基于图案化碳纳米管的柔性应变传感器，其特征在于，所述碳纳米管和磁性颗粒的质量比为1:(0.08
‑
0.5)。4.根据权利要求1所述的基于图案化碳纳米管的柔性应变传感器，其特征在于，所述碳纳米管选自羧基化多壁碳纳米管、氨基化多壁碳纳米管、羧基化单壁碳纳米管、氨基化单壁碳纳米管中的一种或多种。5.根据权利要求1所述的基于图案化碳纳米管的柔性应变传感器，其特征在于，所述磁性颗粒选自四氧化三铁或/和γ
‑
氧化铁。6.根据权利要求1所述的基于图案化碳纳米管的柔性应变传感器，其特征在于，柔性...

【专利技术属性】
技术研发人员：李娜，黄贵文，刘玉，肖红梅，
申请(专利权)人：中国科学院理化技术研究所，
类型：发明
国别省市：