一种柔性传感器及其制备方法技术

本发明专利技术实施例提供了一种柔性传感器及其制备方法，所述传感器包括两层柔性衬底、电极和传感层，两层柔性衬底之间具有封闭管道空腔，所述封闭管道空腔内包含传感层，所述传感层由导电固体和导电液体组成，或者由导电固体和金属薄膜组成，所述电极与传感层连通并向外延伸出柔性衬底的边界；所述传感器制备方法包括，在硬质基底上制备管道空腔结构，在管道空腔涂覆液化的导电固体或柔性衬底板，形成管道空腔结构，粘贴电极后用另一导柔性衬底封装后，注入导电液体，得到传感器。所述传感器灵敏度高，可拉伸率高，耐受性强，可应用于可穿戴的电子设备，可对人脸表面，肢体运动，脉搏，呼吸等多种生命信号迅速响应。

A flexible sensor and its preparation method

An embodiment of the invention provides a flexible sensor and a preparation method, including a two layer flexible substrate, an electrode and a sensing layer, a closed pipe cavity between the two layers of flexible substrate, and a sensing layer in the closed pipe cavity, the sensing layer is composed of a conducting solid and a conducting liquid, or a conductive layer. The electrode is composed of a solid and a metal film, the electrode is connected with the sensing layer and extends out the boundary of the flexible substrate; the method of preparation of the sensor comprises the preparation of a pipe cavity structure on a hard substrate, a conductive solid or a flexible substrate plate coated in a pipe cavity, forming a tube cavity structure, and using another one after sticking the electrode. After the flexible substrate is packaged, the conductive liquid is injected to obtain the sensor. The sensor has high sensitivity, high extensibility and strong tolerance. It can be used in wearable electronic devices and can respond quickly to many life signals, such as face surface, limb movement, pulse and respiration.

【技术实现步骤摘要】
一种柔性传感器及其制备方法
本专利技术涉及应变传感器
，具体涉及一种可穿戴的柔性传感器。
技术介绍
可穿戴的电子设备可以完成与人体的互动并对其进行长期的监测，近年来受到了广泛的关注。迄今为止，已经制备出柔性传感器与衣服相结合，或者直接与皮肤接触的电子皮肤从而实现对人体的物理、化学、生物以及所处环境状态的实时监测。可穿戴的电子设备对设置于其中的传感器的要求较高，这类传感器必须满足高效率、高可拉伸性、柔性、持久性、低功耗、生物耐受性和轻便等要求，电子皮肤对传感器要求更为苛刻，拉伸率ε>100％。当人们在活动膝盖、手指等关节部位时，不仅需要传感器感知外界对其加载力的大小，同是需要检测关节等部位转动的角度和拉伸的长度。力敏材料是力学传感器感受外界力学变化最常用的敏感材料，主要用于测量压力、速度、拉伸等力学量。当受到外力作用时，力学传感器将力学信号转换为电学信号(电阻、电容或电压等)。目前，最常用的力敏材料主要有金属应变电阻材料、半导体应变电阻材料、合金应变电阻材料、石英晶体材料、精密陶瓷材料等，但这些材料都缺乏柔性，并不能弯曲，从而不能应用于柔性传感器，覆盖于人体表面。为了满足柔性的要求，现有技术中的力学传感器多采用复合导电材料，特别是填充型导电高分子材料，这种复合材料主要是向高分子聚合物中加入导电材料复合而成。在实现本专利技术过程中，专利技术人发现现有技术中至少存在如下问题：第一，当柔性传感器满足了拉伸率的要求，可用于可穿戴的电子设备时，其灵敏度较低，不适于监测人体脉搏、呼吸等信号；第二，当柔性传感器满足了灵敏度的要求，其拉伸率大大降低，生物耐受力差，不能应用于可穿戴的电子设备。
技术实现思路
本专利技术实施例提供了一种柔性传感器及其制备方法，提供了一种具有高灵敏度和大拉伸率的传感器，可用于可穿戴的电子设备，并可以直接阵列作为电子皮肤监测人体生命运动。第一方面，本专利技术实施例提供了一种柔性传感器，所述柔性传感器包括：两层柔性衬底，电极，传感层，所述两层柔性衬底之间具有封闭管道空腔，所述封闭管道空腔内包含有传感层，所述电极与传感层连通并向外延伸出柔性衬底的边界。第二方面，本专利技术实施例提供了一种柔性传感器的制备方法，所述方法包括：通过图形化工艺在硬质基底表面制备管道空腔模板；将导电固体材料的分散液经过超声分散后，均匀地涂覆在管道空腔模板的表面；在硬质基底和导电固体的表面均匀涂覆一层液化的柔性衬底材料；当液化的柔性衬底材料固化后，将柔性衬底和导电固体一体的从硬质基底上剥离，所述导电固体形成管道空腔形状；在管道空腔处粘连电极并用另一层柔性衬底封装；在管道空腔内注入导电液体并封装处理。第三方面，本专利技术实施例提供了另一种柔性传感器的制备方法，所述方法包括：通过图形化工艺在硬质基底表面制备管道空腔模板；在硬质基底表面均匀涂覆一层液化的柔性衬底材料；液化的柔性衬底材料固化后形成柔性衬底，将柔性衬底从硬质基底上剥离，所述柔性衬底表面形成管道空腔形状；在管道空腔内沉积导电金属薄膜层；在管道空腔处粘连电极并用另一层柔性衬底封装；在管道空腔内注入导电液体并封装处理。上述技术方案具有如下有益效果：因为采用两层柔性衬底包覆传感层的技术手段，所以达到了柔性传感器高灵敏度和超大拉伸率的技术效果；所述柔性传感器的制备方法过程简单，制备柔性传感器的成功率高。附图说明为了更清楚地说明本专利技术实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本专利技术的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。图1是本专利技术实施例1柔性传感器的结构示意图；图2是本专利技术实施例2柔性传感器的结构示意图；图3是本专利技术实施例1柔性传感器的制备方法的流程图；图4是本专利技术实施例2柔性传感器的制备方法的流程图；图5是本专利技术实施例1柔性传感器的制备过程的示意图，其中，图5(a)是制备管道空腔模板，图5(b)是涂覆液化的导电固体材料，图5(c)是涂覆液化的柔性衬底材料，图5(d)是一体地转移固化的导电固体和柔性衬底，图5(e)是粘贴电极封装另一层柔性衬底，图5(f)是注入导电液体材料，图5(g)封装得到完整器件；图6是本专利技术实施例柔性传感器不同拉伸比例的测试结果图；图7是本专利技术实施例柔性传感器多次拉伸的测试结果图；图8是本专利技术实施例柔性传感器不同形变条件下的电阻变化率-时间曲线，其中图8(a)是弯曲时的电阻变化率-时间曲线，图8(b)是压缩时的电阻变化率-时间曲线；图9是本专利技术实施例柔性传感器应用于人体不同部位的电阻变化率-时间曲线，其中图9(a)是应用于手指关节时的电阻变化率-时间曲线，图9(b)是应用于手腕关节时的电阻变化率-时间曲线，图9(c)是应用于手指之间时的电阻变化率-时间曲线；其中，1-柔性衬底，2-导电液体，3-电极，4-导电固体，5-金属薄膜层。具体实施方式下面将结合本专利技术实施例中的附图，对本专利技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本专利技术一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本专利技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本专利技术保护的范围。请参考图1和图2，图1是本专利技术实施例1柔性传感器的结构示意图，图2是本专利技术实施例2柔性传感器的结构示意图。一种柔性传感器，其特征在于，包括两层柔性衬底1，电极3，传感层，所述两层柔性衬底1之间具有封闭管道空腔，所述封闭管道空腔内包含有传感层，所述电极3与传感层连通并向外延伸出柔性衬底1的边界。优选地，所述传感层由导电液体2和导电固体4组成，所述导电液体2和导电固体4的结构关系共有以下四种：导电固体4位于所述封闭管道空腔的一侧，导电液体2位于所述封闭管道空腔的另一侧，导电固体4与导电液体2为独立紧邻的两层结构，为双层流通式结构；导电固体4位于所述封闭管道空腔的两侧，导电液体2位于所述两层导电固体4形成的中间夹层，两层导电固体4之间包裹着导电液体2，为三层流通式结构；导电固体4位于所述封闭管道空腔的全部内表面，所述导电液体2位于所述导电固体4形成的空腔内，单层导电液体2四周均被导电固体4包围，为三层封闭式结构；导电固体4分散在所述导电液体2中，为嵌入式整体结构；优选地，所述电极3位于两层柔性衬底1之间，与传感层连通并向外延伸出柔性衬底1的边界。优选地，所述传感层由导电液体2和金属薄膜5组成；金属薄膜层5沉积于所述封闭管道空腔的一侧，导电液体2位于所述封闭管道空腔的另一侧，金属薄膜层与导电液体为独立紧邻的两层结构，为双层流通式结构；金属薄膜层5沉积于所述封闭管道空腔的两侧，导电液体2位于所述金属薄膜形成的中间夹层，两层金属薄膜之间包裹单层导电液体，为双层流通式结构；金属薄膜层5沉积于所述封闭管道空腔的全部内表面，导电液体2位于所述金属薄膜层形成的空腔内，单层导电液体2四周均被金属薄膜包围，为三层封闭结构。优选地，两层柔性衬底1之间形成的封闭管道空腔的截面形状包括：矩形，三角形，圆形，多边形，不规则形；所述封闭管道空腔沿截面延伸的轴线包括：直线，蛇形，波浪形，蚊香形。优选地，导电液体2的材料包括：聚乙撑二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性传感器，其特征在于，包括两层柔性衬底(1)，电极(3)，传感层，所述两层柔性衬底(1)之间具有封闭管道空腔，所述封闭管道空腔内包含有传感层，所述电极(3)与传感层连通并向外延伸出柔性衬底(1)的边界。

【技术特征摘要】
1.一种柔性传感器，其特征在于，包括两层柔性衬底(1)，电极(3)，传感层，所述两层柔性衬底(1)之间具有封闭管道空腔，所述封闭管道空腔内包含有传感层，所述电极(3)与传感层连通并向外延伸出柔性衬底(1)的边界。2.根据权利要求1所述的柔性传感器，其特征在于，所述传感层由导电液体(2)和导电固体(4)组成；所述导电固体(4)位于所述封闭管道空腔的一侧，所述导电液体(2)位于所述封闭管道空腔的另一侧；或者，所述导电固体(4)位于所述封闭管道空腔的两侧所述导电液体(2)位于所述两层导电固体(4)形成的中间夹层；或者，所述导电固体(4)位于所述封闭管道空腔的全部内表面，所述导电液体(2)位于所述导电固体(4)形成的空腔内；或者，所述导电固体(4)分散在所述导电液体(2)中；所述电极(3)位于两层柔性衬底(1)之间，与传感层连通并向外延伸出柔性衬底(1)的边界。3.根据权利要求1所述的柔性传感器，其特征在于，所述传感层由导电液体(2)和金属薄膜层(5)组成；所述金属薄膜层(5)沉积于所述封闭管道空腔的一侧，所述导电液体(2)位于所述封闭管道空腔的另一侧；或者，所述金属薄膜层(5)沉积于所述封闭管道空腔的两侧，所述导电液体(2)位于所述金属薄膜层(5)形成的中间夹层；或者，所述金属薄膜层(5)沉积于所述封闭管道空腔的全部内表面，所述导电液体(2)位于所述金属薄膜层(5)形成的空腔内。4.根据权利要求1所述的柔性传感器，其特征在于，所述两层柔性衬底(1)之间形成的封闭管道空腔的截面形状包括：矩形，三角形，多边形，圆形，不规则形；所述封闭管道空腔沿截面延伸的轴线包括：直线，蛇形，波浪形，蚊香形。5.根据权利要求1所述的柔性传感器，其特征在于，所述导电液体(2)的材料包括：聚乙撑二氧噻吩-聚苯乙烯磺酸盐、导电凝胶、纳米粒子分散液、离子液体、液态金属、导电高分子；所述导电固体(4)的材料包括：纳米颗粒、一维纳米材料、二维纳米材料；所述纳米材料包括：金纳米颗粒、银纳米颗粒、铜纳米颗粒和碳纳米颗粒；一维纳米材料包括：碳纳米管、石墨烯带、金纳米线、银纳米线、铜纳米线、半导体纳米线、棒；二维纳米材料包括：石墨烯及其衍生物、黑磷、六方氮化硼、二硫化钼、过渡金属硫化物、石墨氮化硼、过渡金属氧化物、金属卤氧化物；所述金属薄膜层(6)包括：金薄膜、银薄膜、铜薄膜、铂薄膜、铝薄膜；所述柔性衬底(1)的材料包括：聚二甲基硅氧烷、硅...

【专利技术属性】
技术研发人员：刘川，韩宋佳，刘春瑞，
申请(专利权)人：中山大学，
类型：发明
国别省市：广东,44