一种本征可拉伸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了一种本征可拉伸应变传感器及其制备方法与应用。它包括弹性基底和传感层组成；其中，所述传感层为金属电极和碳纳米管层组成的双层复合电极，所述碳纳米管层的另一面设于所述弹性基底上。其制备方法如下：(1)在衬底上制备所述金属电极的图案，然后在所述图案上依次制备所述金属电极和碳纳米管层，得到双层复合电极；(2)在所述双层复合电极的碳纳米管层表面上制备所述弹性基底，得到衬底上图案化应变传感器；(3)将所述衬底上图案化应变传感器中衬底剥离，即得到所述本征可拉伸应变传感器。本发明专利技术电导率高且拉伸性好；利用光刻技术得到了兼具高灵敏度和高拉伸性的本征可拉伸应变传感器，可实现人体生理参数的超灵敏全范围监测。

【技术实现步骤摘要】
一种本征可拉伸应变传感器及其制备方法与应用
本专利技术涉及一种本征可拉伸应变传感器及其制备方法与应用，属于传感

技术介绍
随着各种智能终端的普及，柔性可穿戴传感器因其与人体的轻松互动和实时监测能力而引起了极大的关注。各种柔性传感器被用来监测人体的物理，化学，生物和环境状态，具有高效率和高舒适度的优点。作为柔性可穿戴电子设备的重要组成部分，应变传感器可以很容易地安装在衣服上或直接附着在人体皮肤上，已在健康监测、疾病诊断、机器人、人机交互等各个领域中显示出了巨大的应用潜力(Small2018,14,1702933；AdvanceMaterial2019,1904765；AdvanceMaterial2016,28,4338；AdvanceFunctionMaterial2016,26,1678)。通常，可拉伸应变传感器的性能通过灵敏度，拉伸性和稳定性等参数进行评估。到目前为止，已广泛使用多种导电材料，例如金属薄膜、金属纳米线、纳米粒子、石墨烯和碳纳米管等来制备可穿戴应变传感器。然而，由于灵敏度和拉伸性之间的相互制衡，几乎所有高度可伸缩的传感器都显示出低灵敏度(NatureNanotechnology2011,6,296)，而高灵敏度传感器通常表现出有限的拉伸性(Nature2014,516,222)，这严重阻碍了应变传感器在人体健康监测中的实际应用，开发兼具高灵敏度和可拉伸性的应变传感器仍然是一个巨大的挑战。为此，不少课题组已经通过传感材料的结构设计来提高应变传感器的传感性能。石高全课题组报道了一种具有鱼鳞状石墨烯传感层的高性能应变传感器，传感器通过反复拉伸释放还原氧化石墨烯和弹性带的复合薄膜来制备，在82％应变范围内具有较高的灵敏度(GF值16.2～150)，可实现人体运动的全范围检测(ACSNano2016,10,79016)。Kim课题组通过层叠的碳纳米管束进一步提升了应变传感器的性能，在高达145％应变的传感范围内同时具备超高的灵敏度，GF值高达42300(Small2019,15,1805120)。然而，这些基于结构设计的方法都需要复杂的制造工艺，再现性差，另一方面结构设计会导致贴合类皮肤等电子产品的接触面积减少，影响信号的保真度。因此，亟需开发一种兼具高灵敏度和高拉伸性的本征可拉伸应变传感器。
技术实现思路
本专利技术的目的是提供一种本征可拉伸应变传感器及其制备方法与应用，本专利技术电导率高且拉伸性好；利用光刻技术得到了兼具高灵敏度和高拉伸性的本征可拉伸应变传感器，可实现人体生理参数的超灵敏全范围监测。本专利技术提供的一种超灵敏全范围的本征可拉伸应变传感器，包括弹性基底和传感层组成；其中，所述传感层为金属电极和碳纳米管层组成的双层复合电极，所述碳纳米管层的另一面设于所述弹性基底上。上述的传感器中，所述传感层内嵌于所述弹性基底上。上述的传感器中，所述弹性基底为柔弹性聚合物膜；制成所述柔弹性聚合物膜的材料具体为氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物(英文简称SEBS)或者聚二甲基硅氧烷(英文简称PDMS)；所述金属电极采用的金属为金、银、铂和铜中的至少一种。本专利技术中，所述碳纳米管采用本领域中常规的即可，具体可为单壁碳纳米管或多壁碳纳米管。上述的传感器中，所述金属电极与所述碳纳米管层之间通过巯基乙胺连接；所述金电极的厚度可为15～50nm，具体可为25nm、15～25nm、25～50nm、20～30nm或20～40nm；所述碳纳米管层中碳纳米管的层数可为5～30，具体可为15、5～15、15～30或10～20，喷涂15层碳纳米管制成的传感器可兼具高灵敏度和宽探测范围。本专利技术中，所述金属电极表面通过巯基乙胺修饰与所述碳纳米管连接，所述巯基乙胺的巯基基团能与金发生类配位作用，另一端的氨基与碳纳米管连接，从而实现所述金电极与所述碳纳米管的复合。上述的传感器中，所述本征可拉伸应变传感器的线条宽度小于100μm，具体可为30～100μm、50～100μm；上述线条宽度是室温条件下的数据，室温为本领域公知的常识，具体可为10～30℃，更具体可为25℃；所述本征可拉伸应变传感器通过点银胶的方式连接金丝实现外接。本专利技术中如经具体实施方式验证，所述金属电极的线条宽度不同的应变传感器其传感范围和灵敏度不同，100μm宽线条图案的应变传感器传感范围最宽，30μm宽线条图案的应变传感器灵敏度最高。本专利技术还提供了上述的本征可拉伸应变传感器的制备方法，包括下述步骤：(1)在衬底上制备所述金属电极的图案，然后在所述图案上依次制备所述金属电极和碳纳米管层，得到双层复合电极；(2)在所述双层复合电极的碳纳米管层表面上制备所述弹性基底，得到衬底上图案化应变传感器；(3)将所述衬底上图案化应变传感器中衬底剥离，即得到所述本征可拉伸应变传感器。上述的制备方法中，步骤(1)中，所述衬底可为硅或玻璃；步骤(1)之前首先清洗所述衬底：依次采用丙酮、二次去离子水清洗，再用氮气吹干。上述的制备方法中，步骤(1)中还包括所述衬底在图案化之前修饰十八烷基三氯硅烷；具体可按照下述步骤进行修饰：用氧等离子体处理清洗后的所述衬底，之后立即将所述衬底置于正庚烷与十八烷基三氯硅烷的混合溶液中，即能在所述衬底表面连接上所述十八烷基三氯硅烷；所述清洗的具体条件为100W、30s，所述正庚烷与十八烷基三氯硅烷的体积比为1000：1；制备所述金属电极的图案利用光刻的方法；制备所述金属电极的方法为真空沉积法或溅射法；制备所述碳纳米管层的方法为喷涂法；制备所述弹性基底的方法为旋涂法；步骤(1)中在制备所述碳纳米管层之前还包括将所述金属电极表面修饰所述巯基乙胺的步骤。上述的制备方法中，步骤(1)中，利用光刻的方法制备所述金属电极的图案，具体包括如下步骤：在所述衬底上旋涂光刻胶，经加热后置于365nm下的紫外灯下进行曝光(10s)，然后依次经显影(40s)和定影(20s)；所述金电极采用真空蒸镀的方法制备；在所述金属电极的表面修饰巯基乙胺，包括步骤如下：在避光条件下，将样品静置于巯基水乙胺溶液中浸泡5～20分钟，用氮气吹干。上述的制备方法中，所述碳纳米管(简称SWCNTs)采用喷涂的方式制备，步骤如下：于烘台上，采用喷枪喷涂所述碳纳米管，然后置于硝酸溶液中，最后经清洗形成致密的薄膜；具体条件为烘干温度为120℃，所述硝酸溶液中处理1min，以去除碳纳米管中的杂质，所述清洗采用二次去离子水。上述的制备方法中，步骤(2)之前，将样品放入丙酮溶液去除所述光刻步骤采用的光刻胶，浸泡时间5～20s。上述的制备方法中，所述弹性基底为PDMS制成时，所述聚二甲基硅氧烷膜可按照如下步骤制备得到：将PDMS与固化剂(如道康宁，硅酮树脂184)按照体积比10:1的比例配制PDMS溶液，搅拌后静置2～5小时；直接在硅片上以2000～4000r/s的速度旋涂PDMS膜，时间为20～40s，之后本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种本征可拉伸应变传感器，包括弹性基底和传感层组成；/n其中，所述传感层为金属电极和碳纳米管层组成的双层复合电极，所述碳纳米管层的另一面设于所述弹性基底上。/n

【技术特征摘要】
1.一种本征可拉伸应变传感器，包括弹性基底和传感层组成；
其中，所述传感层为金属电极和碳纳米管层组成的双层复合电极，所述碳纳米管层的另一面设于所述弹性基底上。


2.根据权利要求1所述的传感器，其特征在于：所述传感层内嵌于所述弹性基底上。


3.根据权利要求1或2所述的传感器，其特征在于：所述弹性基底为柔弹性聚合物膜；
制成所述柔弹性聚合物膜的材料具体为氢化苯乙烯-丁二烯嵌段共聚物或者聚二甲基硅氧烷；
所述金属电极采用的金属为金、银、铂和铜中的至少一种。


4.根据权利要求1-3中任一项所述的传感器，其特征在于：所述金属电极与所述碳纳米管层之间通过巯基乙胺连接；
所述金电极的厚度为15～50nm；
所述碳纳米管层中碳纳米管的层数为5～30。


5.根据权利要求1-4中任一项所述的传感器，其特征在于：所述本征可拉伸应变传感器的线条宽度小于100μm；
所述本征可拉伸应变传感器通过点银胶的方式连接金丝实现外接。


6.权利要求1-5中任一项所述的本征可拉伸应变传感器的制备方法，包括下述步骤：
(1)在衬底上制备所述金属电极的图案，然后在所述图案上依次制备所述金属电极和碳纳米管层，得到双层复合电极；
(2)...

【专利技术属性】
技术研发人员：赵晓丽，汤庆鑫，童艳红，孙子晶，杨硕，
申请(专利权)人：东北师范大学，
类型：发明
国别省市：吉林;22