柔性传感器的制备方法技术

本发明专利技术涉及一种柔性传感器的制备方法，包括以下步骤：在柔性基体的部分表面修饰可碳化高分子，形成可碳化高分子层；使用激光照射至少一部分可碳化高分子层以实现原位碳化，形成传感元件；将传感元件的至少两处进行电连接以形成电极，得到柔性传感器。本发明专利技术的方法成本低、普适性强、设计灵活、制作简便，加工手段可自动化，工艺可控性好，所制备的柔性传感器具有多功能性，敏感度高。

【技术实现步骤摘要】
柔性传感器的制备方法
本专利技术涉及传感器
，尤其涉及一种柔性传感器的制备方法。
技术介绍
随着柔性和软电子设备的需求不断增长，可穿戴柔性传感器在个性化的健康监测、人体运动检测、人机交互、软机器人等领域具有重要应用。柔性传感器设备主要包括传感元件和柔性基体。柔性基体一般选择PET等可延性塑料和PDMS等的橡胶。此外，纸和织物等环保低成本基体材料引起了人们的广泛关注。目前柔性传感技术主要将碳纳米管、多孔硅、多孔氧化铝、氧化锌纳米棒、石墨、金纳米薄膜等材料通过滴涂、墨水笔书写、铅笔书写、喷墨印刷、丝网印刷等技术与柔性基体复合。如将碳纳米管或石墨纳米片涂覆于纸的技术(Han,J-W.；Kim,B.；LiJ.；Meyyappan,M.CarbonNanotubeBasedHumiditySensoronCellulosePaper.J.Phys.Chem.C2012,116,22094–22097；Zhao,H.；Zhang,T.；Qi,R.；Dai,J.；Liu,S.；Fei,T.DrawnonPaper:AReproducibleHumiditySensitiveDevicebyHandwriting.ACSAppl.Mater.Interfaces2017,9,28002-28009；Liao,X.；Zhang,Z.；Liao,Q.；Liang,Q.；Ou,Y.；Xu,M.；Li,M.；Zhang,G.；Zhang,Y.FlexibleandPrintablePaper-BasedStrainSensorsforWearableandLarge-AreaGreenElectronics.Nanoscale2016,8,13025)。或将金属及其氧化物纳米粒子喷涂于纸的技术(Balde,M.；Vena,A.；Sorli,B.FabricationofPorousAnodicAluminumOxideLayersonPaperforHumiditySensors.SensorsandActuatorsB,2015,220,829–839；Gullapalli,H.；Vemuru,V.S.；Kumar,A.；Botello-Mendez,A.；Vajtai,R.Terrones,M.；Nagarajaiah,S.；Ajayan,P.M..FlexiblePiezoelectricZnO-PaperNanocompositeStrainSensor.Small.2010,6,1641-1646)。此外还有传统印刷、纸上书写，包括铅笔直接书写，银笔书写等技术(Liao,X.Q.；Liao,Q.L.；Yan,X.Q.；Liang,Q.J.；Si,H.N.；Li,M.H.；Wu,H.L.Cao,S.Y.；Zhang,Y.FlexibleandHighlySensitiveStrainSensorsFabricatedbyPencilDrawnforWearableMonitor.Adv.Funct.Mater.2015,25,2395-2401；Kurra,N.；Kulkarni,G.U.Pencil-on-paper:ElectronicDevices.LabChip.2013,13,2866-2873；Ren,T.L.；Tian,H.；Xie,D.；Yi,Y.FlexibleGraphite-on-PaperPiezoresistiveSensors.Sensors.2012,12,6685-6694)。上述几类工艺中，所用的纳米材料成本高，工艺参数的优化比较困难；纳米材料与基体的物理化学相容性不佳，化学、机械稳定性不高；制造成本高，不能灵活地选择基体材料。
技术实现思路
为解决上述技术问题，本专利技术的目的是提供一种柔性传感器的制备方法，该方法成本低、普适性强、设计灵活、制作简便，加工手段可自动化，工艺可控性好，所制备的柔性传感器具有多功能性，敏感度高。本专利技术提供了一种柔性传感器的制备方法，包括以下步骤：(1)在柔性基体的部分表面修饰可碳化高分子，形成可碳化高分子层；(2)使用激光照射至少一部分可碳化高分子层以实现原位碳化，形成传感元件；(3)将传感元件的至少两处进行电连接以形成电极，得到柔性传感器。进一步地，在步骤(1)中，包括以下步骤：将可碳化高分子的前驱体溶液修饰于柔性基体的部分表面，在100-300℃下进行热处理，形成可碳化高分子层。进一步地，前驱体溶液为聚酰胺酸的有机溶液，可碳化高分子为聚酰亚胺，其中，有机溶液采用N,N’-二甲基甲酰胺或N,N’-二甲基乙酰胺作为溶剂。热处理时，能够除掉前驱体溶液中的溶剂，并且使得聚酰胺酸发生酰胺化反应，形成聚酰亚胺。进一步地，热处理时间为0.5-5h。进一步地，在步骤(1)中，包括以下步骤：将可碳化高分子的有机溶液修饰于柔性基体的部分表面，在100-300℃下进行热处理，形成可碳化高分子层，其中，有机溶液使用的有机溶剂为N,N’-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、环丁砜或硝酸亚乙基酯等。热处理时，能够除掉有机溶液中的溶剂，并且使得可碳化高分子发生氧化、交联、环化等反应。进一步地，可碳化高分子为聚丙烯腈、聚氨酯或纤维素。进一步地，在步骤(1)中，采用旋涂、刮涂、滴涂、喷涂、浸泡或原位生长的方式在柔性基体的部分表面修饰可碳化高分子。进一步地，在步骤(1)中，可碳化高分子与柔性基体的结合程度为表面覆盖，部分复合或完全复合。表面覆盖指的是可碳化高分子仅仅与柔性基体的表面之间产生简单的物理键合作用；复合指的是可碳化高分子与柔性基体以化学键结合或者可碳化高分子渗透到多孔基体内部。完全复合指的是柔性基体表面上微观尺度的小孔完全被可碳化高分子填充。进一步地，在步骤(1)中，柔性基体为纸材(如A4纸、铜版纸、滤纸或牛皮纸)、耐高温织物(如芳纶)、具有延展性的塑料(如PET)、薄金属片(如钢片、铝箔)、玻璃或陶瓷。进一步地，在步骤(1)中，柔性基体的形状为片状、块状、球状或管状。进一步地，在步骤(1)中，可碳化高分子层的厚度为20-500μm。在步骤(1)中，可根据实际需要，设计具有不同图案的可碳化高分子层。进一步地，在步骤(2)中，激光照射时所使用的激光光源为固体激光或气体激光等。进一步地，在步骤(2)中，激光照射时所使用的激光光源的波长为10nm-1mm。优选地，激光照射时所使用的激光光源的波长为193-1064nm。激光光源及其波长可依据柔性基体的吸收能力，而作出不同的选择。激光照射的区域形状可以是点、线、矩形、圆形及它们中的一种或几种组合而成的几何图形。进一步地，在步骤(2)中，激光照射时的功率为200mW-10W。优选地，激光照射时的功率为500mW-1W。进一步地，在步骤(2)中，传感元件为电阻、电容或电感。当传感元件为电阻时，经步骤(3)后，可相应得到压阻式柔性传感器。在步骤(2)中，激光照射后，可碳化高分子层的结构发生改变，生成多孔碳结构，调节激光的加工参数，可调控碳材料的孔隙率、尺寸、分布，通过控制激光照射的区域，控制原位碳化区域的尺寸、形状和结构，从而得到电阻、电容或电感传感元件。进一步地，在步骤(3)中，使用银胶固化法或焊接法进行电连接。进一步地，银胶固化法是使用本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种柔性传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在柔性基体的部分表面修饰可碳化高分子，形成可碳化高分子层；(2)使用激光照射至少一部分所述可碳化高分子层以实现原位碳化，形成传感元件；(3)将所述传感元件的至少两处进行电连接以形成电极，得到所述柔性传感器。

【技术特征摘要】
1.一种柔性传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：(1)在柔性基体的部分表面修饰可碳化高分子，形成可碳化高分子层；(2)使用激光照射至少一部分所述可碳化高分子层以实现原位碳化，形成传感元件；(3)将所述传感元件的至少两处进行电连接以形成电极，得到所述柔性传感器。2.根据权利要求1所述的柔性传感器的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，包括以下步骤：将所述可碳化高分子的前驱体溶液修饰于所述柔性基体的部分表面，在100-300℃下进行热处理，形成所述可碳化高分子层。3.根据权利要求2所述的柔性传感器的制备方法，其特征在于：所述前驱体溶液为聚酰胺酸的有机溶液，所述可碳化高分子为聚酰亚胺。4.根据权利要求1所述的柔性传感器的制备方法，其特征在于，在步骤(1)中，包括以下步骤：将所述可碳化高分子的有机溶液修饰于所述柔性基体的部分表面，在100-300℃下进行热...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘涛，罗姜姜，姚艳波，段晓爽，
申请(专利权)人：苏州大学，
类型：发明
国别省市：江苏,32