柔性石墨烯关节传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了柔性石墨烯关节传感器及其制备方法。该柔性石墨烯关节传感器包括：第一柔性层，其一侧表面为第一表面；石墨烯传感单元，其设在第一表面；可延展导线结构，其包括基线层和导电层，基线层形成在第一表面的至少部分表面，导电层形成在基线层远离第一表面的至少部分表面，并与石墨烯传感单元相连；外接导线，其与可延展导线结构中的导电层相连；第二柔性层，其一侧表面为第二粘性表面，第二粘性表面与第一表面相对设置，并覆盖石墨烯传感单元、可延展导线结构、第一表面和部分外接导线。该柔性石墨烯关节传感器是一种超薄柔性器件，可以完全贴合皮肤，适于长时间佩戴，且具有连接和封装方式可靠性高等优点。

Flexible graphene joint sensor and its preparation

【技术实现步骤摘要】
柔性石墨烯关节传感器及其制备方法
本专利技术涉及柔性力学传感器领域，具体而言，本专利技术涉及柔性石墨烯关节传感器及其制备方法。
技术介绍
石墨烯是一种碳的单原子层结构材料。自研究者从石墨上剥离而被发现以来，石墨烯因其独特的结构和优异的性能而被人们广泛关注。它具有很高的电子迁移率、超高的热导率、超强的机械性能和很好的光学透光性等。良好的力-电响应，使石墨烯成为一种转换力/变形信号与电学信号的理想材料，同时，石墨烯薄层结构和天然具备的柔性以及高强度性能，使石墨烯又成为一种理想的柔性材料。以上两者优异性能(电学性能和力学性能)的结合，使石墨烯被广泛用作柔性传感材料。石墨烯关节传感器是一类包含石墨烯传感单元与连接导线的传感器件，它通过石墨烯的力-电转换性能，将关节运动产生的力/变形转换为石墨烯中电阻变化的信号。传统的石墨烯关节传感器中使用的导线不具备可延展性，且线路难以与体表完全贴合，佩戴舒适性体验较差。由此可见，现有的石墨烯关节传感器仍有待改进。
技术实现思路
本专利技术旨在至少在一定程度上解决相关技术中的技术问题之一。为此，本专利技术的一个目的在于提出柔性石墨烯关节传感器及其制备方法。该柔性石墨烯关节传感器是一种超薄柔性器件，可以完全贴合皮肤，适于长时间佩戴，且具有连接和封装方式可靠性高等优点。在本专利技术的一个方面，本专利技术提出了一种柔性石墨烯关节传感器。根据本专利技术的实施例，该柔性石墨烯关节传感器包括：第一柔性层，所述第一柔性层的一侧表面为第一表面；石墨烯传感单元，所述石墨烯传感单元设在所述第一表面；可延展导线结构，所述可延展导线结构包括基线层和导电层，所述基线层形成在所述第一表面的至少部分表面，所述导电层形成在所述基线层远离所述第一表面的至少部分表面，所述可延展导线结构与所述石墨烯传感单元相连；外接导线，所述外接导线与所述可延展导线结构中的所述导电层相连；第二柔性层，所述第二柔性层的一侧表面为第二粘性表面，所述第二粘性表面与所述第一表面相对设置，并覆盖所述石墨烯传感单元、所述可延展导线结构、所述第一表面和部分所述外接导线，所述第二粘性表面的面积大于所述第一表面的面积。根据本专利技术实施例的柔性石墨烯关节传感器，其可延展导线结构采用表皮电子结构设计，在第一柔性层上呈蜿蜒状延伸，至第一柔性层两端与外接导线相连；该可延展导线结构使用在关节部位，为器件提供了具备大变形而不破坏的能力，同时，该结构厚度薄、贴合皮肤，适于长时间佩戴，对关节处带来的不便影响小。另一方面，本专利技术的柔性石墨烯关节传感器第一、第二柔性层的两个表面将石墨烯传感单元及其他构件压紧与粘性面粘为一体，利用第一、第二柔性层将各构件紧密封装，使石墨烯传感单元和可延展导线结构能够随柔性层的变形而同步变形。此外，通过采用第二粘性表面的面积大于第一表面的面积的设计，器件封装后，第二粘性表面完全覆盖并超过第一表面，因此可以将第二柔性层的第二粘性表面面向皮肤，实现将器件贴于关节表面。另外，根据本专利技术上述实施例的柔性石墨烯关节传感器还可以具有如下附加的技术特征：在本专利技术的一些实施例中，所述第一表面为粘性表面。在本专利技术的一些实施例中，所述基线层由聚酰亚胺(PI)形成。在本专利技术的一些实施例中，所述导电层包括铬层和金层，所述铬层与所述基线层相连，所述金层形成在所述铬层远离所述基线层的表面。在本专利技术的一些实施例中，所述铬层的厚度为5～20nm，所述金层的厚度为80～300nm。在本专利技术的一些实施例中，所述外接导线由异方性导电胶(ACF)、导电热压斑马纸或银形成。在本专利技术的一些实施例中，所述石墨烯传感单元包括多个。在本专利技术的一些实施例中，所述石墨烯传感单元包括两个，两个所述石墨烯单元形成二轴应变花。在本专利技术的一些实施例中，所述石墨烯传感单元包括三个，三个所述石墨烯单元形成三轴应变花。在本专利技术的另一方面，本专利技术提出了一种制备上述实施例的柔性石墨烯关节传感器的方法。根据本专利技术的实施例，该方法包括：提供基底，在所述基底表面依次形成牺牲层、基线层和导电层，在所述导电层上设置具有预定图案的光刻胶掩膜版，刻蚀所述预定图案区域外的所述导电层，以便得到具有预定图案的导电层；提供柔性基底，将所述基线层和所述具有预定图案的导电层转印到所述柔性基底表面，并刻蚀未被所述具有预定图案的导电层覆盖部分的所述基线层，以便得到可延展导线结构；在所述柔性基底表面的预留位置设置石墨烯传感单元，将所述可延展导线结构与所述石墨烯传感器和外接导线连接；将第二柔性层的第二粘性表面覆盖至所述石墨烯传感单元、所述可延展导线结构和部分所述外接导线得到所述柔性石墨烯关节传感器。由此，该方法简便高效，可操作性强，制备得到的柔性石墨烯关节传感器可以完全贴合皮肤，适于长时间佩戴，且具有连接和封装方式可靠性高等优点。另外，根据本专利技术上述实施例的制备柔性石墨烯关节传感器的方法还可以具有如下附加的技术特征：在本专利技术的一些实施例中，在牺牲层形成后，将所得产品加热至100～115℃保温5～10min，继续加热至150～155℃保温5～8min，继续加热至180～190℃保温10～15min，然后将所得产品冷却，以便使所述牺牲层固化。在本专利技术的一些实施例中，在所述基线层形成后，将所得产品加热至80～90℃保温10～15min，继续加热至120～130℃保温30～35min，继续加热至150～160℃保温30～35min，继续加热至200～210℃保温30～35min，继续加热至250～260℃保温30～40min，然后将所得产品冷却，以便使所述基线层固化。在本专利技术的一些实施例中，通过反应离子刻蚀(RIE)方法刻蚀未被所述具有预定图案的导电层覆盖部分的所述基线层，所述反应离子刻蚀方法的工艺参数包括：氧气流量为15～30sccm，射频功率为100～150W，气压为10～30Pa。本专利技术的附加方面和优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本专利技术的实践了解到。附图说明本专利技术的上述和/或附加的方面和优点从结合下面附图对实施例的描述中将变得明显和容易理解，其中：图1是根据本专利技术一个实施例的柔性石墨烯关节传感器的结构示意图；图2是根据本专利技术一个实施例的柔性石墨烯关节传感器另一视角的结构示意图；图3是根据本专利技术再一个实施例的柔性石墨烯关节传感器的结构示意图；图4是根据本专利技术又一个实施例的柔性石墨烯关节传感器的结构示意图。具体实施方式下面详细描述本专利技术的实施例，所述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。实施例中未注明具体技术或条件的，按照本领域内的文献所描述的技术或条件或者按照产品说明书进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市购获得的常规产品。在本专利技术的描述中，需要理解的是，术语“中心”、“纵向”、“横向”、“长度”、“宽度”、“厚度”、“上”本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种柔性石墨烯关节传感器，其特征在于，包括：/n第一柔性层，所述第一柔性层的一侧表面为第一表面；/n石墨烯传感单元，所述石墨烯传感单元设在所述第一表面；/n可延展导线结构，所述可延展导线结构包括基线层和导电层，所述基线层形成在所述第一表面的至少部分表面，所述导电层形成在所述基线层远离所述第一表面的至少部分表面，所述可延展导线结构与所述石墨烯传感单元相连；/n外接导线，所述外接导线与所述可延展导线结构中的所述导电层相连；/n第二柔性层，所述第二柔性层的一侧表面为第二粘性表面，所述第二粘性表面与所述第一表面相对设置，并覆盖所述石墨烯传感单元、所述可延展导线结构、所述第一表面和部分所述外接导线，所述第二粘性表面的面积大于所述第一表面的面积。/n

【技术特征摘要】
1.一种柔性石墨烯关节传感器，其特征在于，包括：
第一柔性层，所述第一柔性层的一侧表面为第一表面；
石墨烯传感单元，所述石墨烯传感单元设在所述第一表面；
可延展导线结构，所述可延展导线结构包括基线层和导电层，所述基线层形成在所述第一表面的至少部分表面，所述导电层形成在所述基线层远离所述第一表面的至少部分表面，所述可延展导线结构与所述石墨烯传感单元相连；
外接导线，所述外接导线与所述可延展导线结构中的所述导电层相连；
第二柔性层，所述第二柔性层的一侧表面为第二粘性表面，所述第二粘性表面与所述第一表面相对设置，并覆盖所述石墨烯传感单元、所述可延展导线结构、所述第一表面和部分所述外接导线，所述第二粘性表面的面积大于所述第一表面的面积。


2.根据权利要求1所述的柔性石墨烯关节传感器，其特征在于，所述第一表面为粘性表面。


3.根据权利要求1所述的柔性石墨烯关节传感器，其特征在于，所述基线层由聚酰亚胺形成。


4.根据权利要求1所述的柔性石墨烯关节传感器，其特征在于，所述导电层包括铬层和金层，所述铬层与所述基线层相连，所述金层形成在所述铬层远离所述基线层的表面；
任选地，所述铬层的厚度为5～20nm，所述金层的厚度为80～300nm。


5.根据权利要求1所述的柔性石墨烯关节传感器，其特征在于，所述外接导线由异方性导电胶、导电热压斑马纸或银形成。


6.根据权利要求1所述的柔性石墨烯关节传感器，所述石墨烯传感单元包括多个；
任选地，所述石墨烯传感单元包括两个，两个所述石墨烯单元形成二轴应变花；
任选地，所述石墨烯传感单元包括三个，三个所述石墨烯单元形成三轴应变花。


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【专利技术属性】
技术研发人员：冯雪，祁一洲，叶柳顺，陈颖，宋宪，彭玉鑫，
申请(专利权)人：浙江清华柔性电子技术研究院，清华大学，
类型：发明
国别省市：浙江;33