一种高灵敏度、宽响应范围柔性应力/应变传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种高灵敏度、宽响应范围柔性应力/应变传感器及其制备方法，属于传感器领域，获得具有超高灵敏度、超低检测限、宽拉伸范围、快响应时间和超高稳定性的柔性应力/应变传感器。本发明专利技术的柔性应力/应变传感器从下往上依次为具有筛网结构的可拉伸聚合物基底、金属薄膜、金属纳米颗粒@碳纳米管复合层、金属薄膜、聚合物保护膜；传感功能层为金属薄膜/金属纳米颗粒@碳纳米管复合层/金属薄膜，获得了超宽量程（应变0.02%~90%）和超高灵敏度（最高GF值为13590），快的响应速度（~100ms）和优异的循环稳定性（≥18000次）。且应用在人体运动检测、人体脉搏监测和声音检测等场景中，获得了较好的效果。较好的效果。较好的效果。

【技术实现步骤摘要】
一种高灵敏度、宽响应范围柔性应力/应变传感器及其制备方法


[0001]本专利技术属于传感器领域，尤其涉及一种高灵敏度、宽响应范围柔性应力/应变传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]柔性应力/应变传感器是将应力/应变转换为可测量电信号的一类器件，该类器件在电子皮肤、人机交互、可穿戴设备、医疗等多领域拥有巨大应用前景。此类传感器性能主要包括灵敏度、可拉伸范围、响应与回复时间、稳定性等。
[0003]电阻型柔性应力/应变传感器常用的导电网络材料包括碳黑(CB)、碳纳米管(CNT)、石墨烯、金属纳米颗粒和银纳米线等导电材料。其中碳纳米管(CNT)具有良好的力学性能(高抗拉强度、高弹性模量)以及良好的导电性。以碳纳米管为导电填料的柔性应力/应变传感器拉伸范围大，但灵敏度低；而导电填料为金属纳米颗粒类传感器则正好相反，灵敏度高，但拉伸范围小。除导电填料外，影响柔性应力/应变传感器性能的还包括柔性基底以及电极。研究表明，包含特定微结构的柔性基底，具有较大的比表面积，有利于形成导电填料的复杂电学行为，从而得到更高的灵敏度及快速的响应时间。因此发展具有特定微结构和架构的新型应力/应变传感器是解决高灵敏度、宽拉伸范围这一矛盾的有效途径。

技术实现思路

[0004]本专利技术提供了一种高灵敏度、宽响应范围柔性应力/应变传感器及其制备方法，获得了一种具有超高灵敏度、超低检测限、宽拉伸范围、快响应时间和超高稳定性的柔性应力/应变传感器。
[0005]为实现以上目的，本专利技术采用以下技术方案：
[0006]一种高灵敏度、宽响应范围柔性应力/应变传感器，所述传感器从下往上依次为具有筛网结构的可拉伸聚合物基底、传感功能层、聚合物保护膜；所述传感功能层为金属薄膜/金属纳米颗粒@碳纳米管复合层/金属薄膜。
[0007]以上所述结构中，所述具有筛网结构的可拉伸聚合物基底为龙鳞甲(Dragon Skin)、硅橡胶或丙烯酸酯弹性体中的任意一种基底；所述金属薄膜为Pt、Au、Cu、Ag、Al、Mg、Fe、Co、Ti、Zn、Ta、Ni或其合金，厚度约为50
‑
200nm；所述金属纳米颗粒@碳纳米管复合层厚度约为10
‑
50μm，其中金属纳米颗粒为Ir、Pt、Au、Ag、Cu、Al、Ti、Zn、Fe、Co、或Ni。
[0008]一种高灵敏度、宽响应范围柔性应力/应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0009]步骤一：将金属筛网剪裁后用去离子水清洗干净烘干后固定在载玻片上作为模板；
[0010]步骤二：将聚合物单体溶液浇注在金属筛网表面，在40℃
‑
80℃固化2
‑
24h后撕下，即得到金属筛网图案化的聚合物薄膜；
[0011]步骤三：用磁控溅射或真空蒸镀的方法在步骤二得到的聚合物薄膜上沉积一层金
属薄膜；
[0012]步骤四：利用原子层沉积或化学溶液法或物理气相方法在碳纳米管上生长金属纳米颗粒；
[0013]步骤五：将步骤四得到的金属纳米颗粒
‑
碳纳米管复合材料以1
‑
5mg/mL分散于乙醇中，再超声1h将其均匀分散；
[0014]步骤六：将分散液均匀滴涂于步骤三中的金属层上，然后在40℃干燥1h；
[0015]步骤七：使用导电银胶将铜箔粘在步骤六中干燥后的薄膜两端，再磁控溅射一层金属层，并在表面再涂覆一层与下层聚合物材料相同的聚合物薄膜作为保护层，即获得了完整结构的柔性应力/应变传感器。
[0016]有益效果：本专利技术提供了一种高灵敏度、宽响应范围柔性应力/应变传感器及其制备方法，获得具有复合微结构和架构的柔性应力/应变传感器，即筛网结构的弹性聚合物做柔性基底，利用金属薄膜/金属纳米颗粒@碳纳米管复合层/金属薄膜复合结构与架构做传感功能层，获得了超宽量程(应变0.02％～90％)和超高灵敏度(最高GF值为13590)，快的响应速度(～100ms)和优异的循环稳定性(≥18000次)；且应用在人体运动检测、人体脉搏监测和声音检测等场景中，获得了较好的效果。
附图说明
[0017]图1为本专利技术实施例中柔性应变传感器的结构示意图；
[0018]图2为本专利技术实施例1中柔性应变传感器制备过程示意图；
[0019]图3依次为铜网、本专利技术实施例中铜网图案化龙鳞甲薄膜、磁控溅射铂、滴涂碳纳米管的SEM图；
[0020]图4为本专利技术实施例制备的铱纳米颗粒修饰的碳纳米管复合材料的TEM图；
[0021]图5为本专利技术实施例制备的柔性应变传感器的动态响应曲线图；
[0022]图6为本专利技术实施例制备的柔性应变传感器的灵敏度曲线图；
[0023]图7为本专利技术实施例制备的柔性应变传感器的响应与回复时间曲线图；
[0024]图8为本专利技术实施例制备的柔性应变传感器的循环稳定性曲线图；
[0025]图9为本专利技术实施例制备的柔性应变传感器用于人体脉搏监测获得的ΔR/R0‑
t曲线图；
[0026]图10为本专利技术实施例制备的柔性应变传感器用于人体运动检测的ΔR/R0‑
t曲线图；
[0027]图11为本专利技术实施例制备的柔性应变传感器用于声音检测的ΔR/R0‑
t曲线图。
具体实施方式
[0028]下面结合附图和具体实施例对本专利技术进行详细的说明：
[0029]实施例1
[0030]如图1所示，一种高灵敏度、宽响应范围柔性应力/应变传感器结构从下往上为筛网结构龙鳞甲/Pt金属层/Ir纳米颗粒@碳纳米管/Pt金属层/龙鳞甲应力应变传感器。
[0031]如图2所示，一种高灵敏度、宽响应范围柔性应力/应变传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0032]1)将铜网用去离子水清洗干净烘干后固定在载玻片上作为模板；
[0033]2)将龙鳞甲的A、B组分以1：1质量比混合，再用搅拌棒搅拌5min，将其浇注于铜网表面，待其表面自流平后将其放置于烘箱40℃放置3h，固化后撕下，再将其剪裁成10mm
×
20mm
×
0.5mm尺寸；
[0034]3)用磁控溅射仪在铜网图案化龙鳞甲基底上沉积Pt层，溅射电流为30mA，溅射时间为900s，厚度为140nm；
[0035]4)用原子层沉积设备在CNTs(碳纳米管)上生长Ir NPs(纳米颗粒)，具体生长条件如下：腔内生长温度为310℃；前驱体分别为乙酰丙酮铱(Ir(C5H7O2)3，源温200℃)和氧气(O2，室温)；沉积脉冲循环分别为8s Ir(C5H7O2)3脉冲25s清洗脉冲、8s O2脉冲、25s清洗脉冲；清洗气体和载气都为高纯氮气(N2，99.999％)；氧气的分压和流量分别为1.1hPa和50sccm；生长循环数为200循环；
[0036]5)将沉积好的CNTs以2mg/mL的浓度分散在无水乙醇中，磁力搅拌5min后放入超声池中超声1h得到分散均本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种高灵敏度、宽响应范围柔性应力/应变传感器，其特征在于，所述传感器从下往上依次为具有筛网结构的可拉伸聚合物基底、传感功能层、聚合物保护膜；所述传感功能层为金属薄膜/金属纳米颗粒@碳纳米管复合层/金属薄膜。2.根据权利要求1所述的高灵敏度、宽响应范围柔性应力/应变传感器，其特征在于，所述具有筛网结构的可拉伸聚合物基底为龙鳞甲(Dragon Skin)、硅橡胶或丙烯酸酯弹性体。3.根据权利要求1所述的高灵敏度、宽响应范围柔性应力/应变传感器，其特征在于，所述金属薄膜为Pt、Au、Cu、Ag、Al、Mg、Fe、Co、Ti、Zn、Ta、Ni或其合金。4.根据权利要求1或3所述的高灵敏度、宽响应范围柔性应力/应变传感器，其特征在于，所述金属薄膜厚度为50
‑
200nm。5.根据权利要求1所述的高灵敏度、宽响应范围柔性应力/应变传感器，其特征在于，所述金属纳米颗粒@碳纳米管复合层厚度约为10
‑
50μm。6.根据权利要求1或5所述的高灵敏度、宽响应范围柔性应力/应变传感器，其特征在于，所述金属纳米颗粒为Ir、P...

【专利技术属性】
技术研发人员：李爱东，滕福瑞，房佳斌，子陶清，任强，刘畅，吴迪，
申请(专利权)人：南京大学，
类型：发明
国别省市：