柔性应力传感器及其制备方法技术

本发明专利技术提供了一种柔性应力传感器及其制备方法，所述柔性应力传感器包括应变感应层、电极和柔性封装层，所述应变感应层与所述电极电连接，所述柔性封装层包括上层PDMS基底和下层PDMS基底，并覆盖所述应变感应层和所述电极，所述电极包括银浆和导线，所述导线的一端通过银浆粘接在所述应变感应层上、另一端被引至所述柔性封装层的外部，所述应变感应层为激光还原后的具有棱形网状结构的氧化还原石墨烯。相较于现有技术，本发明专利技术耐用性好，拉伸时应变范围大，灵敏度高且呈线性稳定变化。

Flexible stress sensor and its preparation

The invention provides a flexible stress sensor and a preparation method thereof, the flexible stress sensor comprises a strain sensing layer, an electrode and a flexible packaging layer, the strain sensing layer is electrically connected with the electrode, the flexible packaging layer comprises an upper PDMS substrate and a lower PDMS substrate, and covers the strain sensing layer and the electrode, the electrode comprises a silver paste and a wire, and the electrode comprises a silver paste and a wire One end of the wire is bonded to the strain sensing layer by silver paste, and the other end is led to the outside of the flexible packaging layer, which is a laser reduced graphene oxide with prismatic network structure. Compared with the prior art, the invention has good durability, large strain range during stretching, high sensitivity and linear stable change.

【技术实现步骤摘要】
柔性应力传感器及其制备方法
本专利技术涉及一种柔性应力传感器及其制备方法，属于传感器领域。
技术介绍
随着应力传感器的技术发展，人们对实时医疗监护、生物整合治疗、可穿戴显示器和轻量化移动电子设备的技术需求日益增长。相较于玻璃或硅晶片等刚性载体，柔性电子器件是构建在柔性聚合物(例如，聚对苯二甲酸乙二醇酯PET、聚乙烯亚胺PEI或聚二甲基硅氧烷PDMS)上的电子器件，由于此种柔性聚合物表现出弹性，所以柔性聚合物基材上的电子元件可以被弯曲和均匀拉伸，从而可以广泛应用于变形触摸屏、生物识别设备、可穿戴超级电容器或太阳能电池等各方面。目前主要采用化学方法还原氧化石墨烯(RGO)作为应变感应材料制备柔性应力传感器，其线性度较差，激光还原的氧化石墨烯作为传感材料的柔性应力传感器，无论是刻蚀的膜还是带，在应变下易于断裂，故应变范围小，稳定性差。有鉴于此，确有必要提出一种柔性应力传感器及其制备方法，以解决上述问题。
技术实现思路
本专利技术的目的在于提供一种柔性应力传感器及其制备方法，能够实现较大应变范围，高灵敏度和稳定的线性变化。为实现上述目的，本专利技术提供了一种柔性应力传感器，包括应变感应层、电极和柔性封装层，其特征在于：所述应变感应层与所述电极电连接，所述柔性封装层包括上层PDMS基底和下层PDMS基底，并覆盖所述应变感应层和所述电极，所述电极包括银浆和导线，所述导线的一端通过银浆粘接在所述应变感应层上、另一端被引至所述柔性封装层的外部，所述应变感应层为激光还原后的具有棱形网状结构的氧化还原石墨烯。可选的，所述应变感应层的长度为4mm-60mm，宽度为2mm-15mm，厚度为0.2mm-2mm。可选的，所述棱形网状结构的锐角为45°-60°，棱长为100μm-700μm。可选的，所述氧化还原石墨烯为激光还原两次后的材料。可选的，所述氧化还原石墨烯的灵敏度系数为35，拉伸时应变范围最大为24％。可选的，所述柔性封装层由热塑性高分子聚合物制成。可选的，所述热塑性高分子聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚丙烯或聚四氟乙烯。为实现上述目的，本专利技术还提供了一种柔性应力传感器的制备方法，其特征在于，主要包括以下步骤：步骤S1、采用Hummers方法制备GO水溶液作为初始原材料；步骤S2、将GO水溶液涂覆至下层PDMS基底上，待GO水溶液自然风干成膜；步骤S3、将涂有GO薄膜的下层PDMS基底置于激光器下，获得指定形状的氧化还原石墨烯；步骤S4、在氧化还原石墨烯上设置电极，并采用上层PDMS基底对氧化还原石墨烯和电极进行绝缘封装。可选的，步骤S3具体为：步骤S31、将涂有GO薄膜的下层PDMS基底置于激光器下，根据激光打印图形，打印5分钟；步骤S32、改变激光扫描方向，再次进行激光第二次还原，待激光打印5分钟后获得还原后的具有棱形网状结构的氧化还原石墨烯。可选的，步骤S4中的封装过程包括以下步骤：步骤(a)、在氧化还原石墨烯的两端边缘处涂覆银浆并引出导线，干燥5min-10min后，置于圆形器皿中；步骤(b)、分别量取聚二甲基硅氧烷PDMS和固化剂进行混合，其中，聚二甲基硅氧烷PDMS和固化剂的体积比为10:1；步骤(c)、将步骤(b)配置的聚二甲基硅氧烷PDMS溶液放置在甩胶台高速旋转5分钟，得到聚二甲基硅氧烷PDMS的无气泡溶液；步骤(d)、将步骤(c)中的聚二甲基硅氧烷PDMS的无气泡溶液倒入圆形器皿中，放入烘箱在60℃下固化24h，同时，对氧化还原石墨烯、银浆和导线进行封装，固化后脱模即得到柔性应力传感器。本专利技术具有如下有益效果：本专利技术采用低成本的氧化石墨烯，通过物理激光法还原氧化石墨烯，得到激光还原两次后的具有棱形网状结构的氧化还原石墨烯；同时采用柔性封装层对棱形网状的氧化还原石墨烯进行封装，耐用性好，拉伸时应变范围大，灵敏度高且呈线性稳定变化，可灵活、方便地贴附于各种形貌的表面，质量轻、具有较强的环境适应性。附图说明图1是本专利技术柔性应力传感器的结构示意图。图2是去除图1中上层PDMS基底后的平面示意图。图3是本专利技术具有棱形网状结构的氧化还原石墨烯在不同应力下的相对电阻变化图。图4是本专利技术柔性应力传感器用于检测信号的测试电路图。图5是图4的测试电路所测得的脉搏振动信号图。图6是图4的测试电路所测得的喉咙发声信号图。具体实施方式为了使本专利技术的目的、技术方案和优点更加清楚，下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细描述。如图1和图2所示，本专利技术提出了一种柔性应力传感器，所述柔性应力传感器包括应变感应层、电极和柔性封装层，所述应变感应层与所述电极电连接，所述柔性封装层包括上层PDMS基底和下层PDMS基底，并覆盖所述应变感应层和所述电极。所述应变感应层为激光还原后的具有棱形网状结构的氧化还原石墨烯，且该氧化还原石墨烯为激光还原两次后的材料。所述电极包括银浆和导线，所述导线的一端通过银浆粘接在所述应变感应层上、另一端被引至所述柔性封装层的外部。所述应变感应层的长度为4mm-60mm，宽度为2mm-15mm，厚度为0.2mm-2mm。所述棱形网状结构的锐角为45°-60°，棱长为100μm-700μm。所述柔性封装层由热塑性高分子聚合物制成，热塑性高分子聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚丙烯或聚四氟乙烯。本专利技术还提出了一种柔性应力传感器的制备方法，主要包括以下步骤：步骤S1、采用Hummers方法制备GO水溶液作为初始原材料；步骤S2、将GO水溶液涂覆至下层PDMS基底上，待GO水溶液自然风干成膜；步骤S3、将涂有GO薄膜的下层PDMS基底置于激光器下，获得指定形状的氧化还原石墨烯；步骤S4、在氧化还原石墨烯上设置电极，并采用上层PDMS基底对氧化还原石墨烯和电极进行绝缘封装。以下对步骤S1-S4作详细说明。步骤S1中，制备GO水溶液的具体步骤包括：(1)取23ml浓硫酸于干燥的烧杯中，加入1g石墨粉和3gKMNO4，控制反应液温度不超过10℃并进行搅拌；(2)将烧杯置于35℃的恒温水溶液中，进行超声，调节超声频率(60kHZ，70kHZ，80kHZ)和超声时间(10min，20min，30min)；(3)在同频率超声中加入7ml去离子水，控制反应温度为100℃，超声15min，最后滴加30％的H2O2溶液，直至反应溶液变成棕色或黄色；(4)对上述溶液进行离心，用5％的HCL溶液和去离子水充分洗涤直至上述溶液中无SO42-存在，最终得到浓度为2mg/ml的GO水溶液。步骤S3具体包括：步骤S31、将涂有GO薄膜的下层PDMS基底置于激光器下，并配合电脑上运行的图形输入软件NeroS本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性应力传感器，包括应变感应层、电极和柔性封装层，其特征在于：所述应变感应层与所述电极电连接，所述柔性封装层包括上层PDMS基底和下层PDMS基底，并覆盖所述应变感应层和所述电极，所述电极包括银浆和导线，所述导线的一端通过银浆粘接在所述应变感应层上、另一端被引至所述柔性封装层的外部，所述应变感应层为激光还原后的具有棱形网状结构的氧化还原石墨烯。/n

【技术特征摘要】
1.一种柔性应力传感器，包括应变感应层、电极和柔性封装层，其特征在于：所述应变感应层与所述电极电连接，所述柔性封装层包括上层PDMS基底和下层PDMS基底，并覆盖所述应变感应层和所述电极，所述电极包括银浆和导线，所述导线的一端通过银浆粘接在所述应变感应层上、另一端被引至所述柔性封装层的外部，所述应变感应层为激光还原后的具有棱形网状结构的氧化还原石墨烯。


2.根据权利要求1所述的柔性应力传感器，其特征在于：所述应变感应层的长度为4mm-60mm，宽度为2mm-15mm，厚度为0.2mm-2mm。


3.根据权利要求1所述的柔性应力传感器，其特征在于：所述棱形网状结构的锐角为45°-60°，棱长为100μm-700μm。


4.根据权利要求1所述的柔性应力传感器，其特征在于：所述氧化还原石墨烯为激光还原两次后的材料。


5.根据权利要求1所述的柔性应力传感器，其特征在于：所述氧化还原石墨烯的灵敏度系数为35，拉伸时应变范围最大为24％。


6.根据权利要求1所述的柔性应力传感器，其特征在于：所述柔性封装层由热塑性高分子聚合物制成。


7.根据权利要求6所述的柔性应力传感器，其特征在于：所述热塑性高分子聚合物包括聚对苯二甲酸乙二醇酯、聚乙烯亚胺、聚二甲基硅氧烷、聚氨酯、聚丙烯或聚四氟乙烯。


8.一种柔性应力传感器的制备方法，其特征在于，主要包括以下步骤：
步骤S1、采用...

【专利技术属性】
技术研发人员：徐荣青，刘磊，赵江，孙力君，
申请(专利权)人：南京邮电大学，
类型：发明
国别省市：江苏;32