无线可穿戴石墨烯角度传感器制造技术

本发明专利技术涉及一种无线可穿戴石墨烯角度传感器，采用微带天线的形式，具体包括从上到下顺次设置的辐射体层、介质层和接地层，所述辐射体层和接地层采用高导电柔性的石墨烯材料，所述介质层采用柔性介质材料。高导电柔性的石墨烯材料为采用高温热还原氧化方法制备得到的柔性宏观石墨烯薄膜。本发明专利技术的石墨烯薄膜是由高温热还原氧化石墨烯薄膜所得，其电导率更高，表面电阻更小，所制得的石墨烯天线具有更加优异的性能。且随着弯曲角度的改变石墨烯天线的谐振频率会随之改变，因此可以作为角度传感器使用。本发明专利技术的传感灵敏度高、低延时的特点。另外，传感器采用石墨烯材料，对人体无害，且具有抗腐蚀、优异柔性和轻质的特点，能够延长传感器的使用寿命。

【技术实现步骤摘要】
无线可穿戴石墨烯角度传感器
本专利技术涉及一种柔性传感器领域，具体涉及一种无线可穿戴石墨烯角度传感器。
技术介绍
近年来，随着传感器、无线通信和机器学习技术的发展，人体外骨骼辅助技术在健康老龄化、智能护理等方面具有广阔的应用前景。利用计算机技术对人体健康状态进行电子监测，成为了一个日趋活跃的研究领域。在单个系统或设备中将几种不同种类的传感器进行融合，是目前较为合适的方案。该方案允许收集更多种类的数据，并且可以更好地将活动数据用作行为度量。当前感知患者运动状态和意图主要采用角度传感器和力传感器，然而其存在着严重的响应速度问题。比如，角度和力的检测，需要患者动作完成之后才能进行，且速度较慢会造成辅助输出的延迟。而贴合人体的可穿戴传感器则可以避免这个问题，通过检测人肌肉当前状态和其他生物信息，在患者做出动作之前预判，这对于提高机器人的响应速度，降低人机交互时的延迟效应，具有至关重要的意义。此外，可穿戴传感设备的优势还在于，它们允许在实验室或诊所之外的环境中，轻松地持续监测人类的表现。这一优势有助于评估、诊断、治疗和预防伤害，特别是在工伤风险较高的职业环境中。石墨烯具有低密度、亲肤性好、柔韧性好、力学和化学稳定性高等特点，已成为目前最有希望替代金属的材料。用石墨烯材料设计和制作传感器，探索其在人体信息采集方面的应用前景，受到了国内外学者的广泛关注。英国曼彻斯特大学基于石墨烯设计了一种应变传感器，可在较小的应变范围内表现出高灵敏度和良好的线性度。通过该传感器可以检测到各种人体运动信号，进一步表明了其在健康监测和智能可穿戴设备中的应用潜力。香港理工大学开发了一种可编织的新型纱线型应变传感器，不仅可以很好的检测拉力，还可以检测由弯曲引起的多种形变。此外，可以将该传感器共形于在脸颊上，来监测咀嚼运动。中山大学开发了一种可穿戴的多功能应变传感器，使用石墨烯和新型离子导体作为传感材料，对拉伸、弯曲、挤压等各种机械变形进行响应。不仅可以监测关节运动的大范围应变，还可以对面部表情和脉搏等小范围应变进行响应。石墨烯拥有更小的尺寸和更优异的电学性能。另外，通过结构设计，还可以实现传感器的柔性变形，不仅能够提升传感器的性能，还可以拓宽其应用空间。与其他传统的传感器相比，石墨烯传感器具有高灵敏度、良好的柔性和较高的稳定性，更适用于人体检测。
技术实现思路
本专利技术所要解决的技术问题是针对上述问题，提供一种无线可穿戴石墨烯角度传感器。本专利技术解决上述技术问题的技术方案如下：无线可穿戴石墨烯角度传感器，采用微带天线的形式，具体包括从上到下顺次设置的辐射体层、介质层和接地层，所述辐射体层和接地层采用高导电柔性的石墨烯材料，所述介质层采用柔性介质材料。进一步的，所述高导电柔性的石墨烯材料为采用高温热还原氧化方法制备得到的柔性宏观石墨烯薄膜。进一步的，所述柔性宏观石墨烯膜的制作方法为：将质量分数为5-15％的氧化石墨烯水溶液涂覆在PET膜上以形成均匀的涂层，干燥后得到氧化石墨烯组装膜；将氧化石墨烯组装膜在氩气体环境下于1300℃退火2h，然后在2850℃退火1h，最后在200MPa的压力下进行滚动压制获得柔性宏观石墨烯膜。进一步的，传感器的谐振频率随着自身弯曲角度的改变而改变，且弯曲角度与谐振频率的偏移量呈正相关。进一步的，所述介质层采用PI膜、PET膜或PDMS材料。本专利技术的有益效果为：本专利技术的石墨烯薄膜是由高温热还原氧化石墨烯薄膜所得，其电导率更高，表面电阻更小，所制得的石墨烯天线具有更加优异的性能。且随着弯曲角度的改变石墨烯天线谐振频率会随之改变，因此可以作为角度传感器使用。本专利技术的无线可穿戴石墨烯角度传感器采用石墨烯微带天线的形式，传感灵敏度高、低延时的特点。另外，传感器采用石墨烯材料，对人体无害，且具有抗腐蚀、优异柔性和轻质的特点，能够延长传感器的使用寿命。附图说明图1是无线可穿戴石墨烯角度传感器正面结构示意图；图2是无线可穿戴石墨烯角度传感器侧面结构示意图；图3是无线可穿戴石墨烯角度传感器弯曲示意图；图4是无线可穿戴石墨烯角度传感器穿戴于人体且弯曲不同角度的实物图；图5是无线可穿戴石墨烯角度传感器穿戴于人体且弯曲不同角度是的频率响应；图6是无线可穿戴石墨烯角度传感器弯曲角度与频率变化量的线性关系。附图中，各标号代表的部件列表如下；1、传感器辐射体层；2、传感器介质层；3、传感器接地层具体实施方式以下结合附图对本专利技术的原理和特征进行描述，所举实例只用于解释本专利技术，并非用于限定本专利技术的范围。如图1-图2所示，无线可穿戴石墨烯角度传感器，采用微带天线的形式，具体包括从上到下顺次设置的辐射体层1、介质层2和接地层3，所述辐射体层1和接地层3采用高导电柔性的石墨烯材料，所述介质层2采用柔性介质材料。作为一种实施方式，所述高导电柔性的石墨烯材料为采用高温热还原氧化方法制备得到的柔性宏观石墨烯薄膜。作为一种实施方式，所述柔性宏观石墨烯膜的制作方法为：将质量分数为5-15％的氧化石墨烯水溶液涂覆在PET膜上以形成均匀的涂层，干燥后得到氧化石墨烯组装膜；将氧化石墨烯组装膜在氩气体环境下于1300℃退火2h，然后在2850℃退火1h，最后在200MPa的压力下进行滚动压制获得柔性宏观石墨烯膜。作为一种实施方式，传感器的谐振频率随着自身弯曲角度的改变而改变，且弯曲角度与谐振频率的偏移量呈正相关。作为一种实施方式，所述介质层2采用PI膜、PET膜或PDMS材料。作为一种实施方式，所述的无线可穿戴石墨烯角度传感器工作频率为2.45GHz。作为一种实施方式，所述的无线可穿戴石墨烯角度传感器能够任意弯折，弯折角度范围为0-360度，如图3所示。作为一种实施方式，将所述的无线可穿戴石墨烯角度传感器穿戴于人体手肘处，并弯折30度、60度、90度等不同的角度，如图4所示。对于微带贴片天线来说，其谐振频率与有效电长度有关。当有效电长度发生变化时，天线谐振频率发生偏移。当天线弯曲时，其有效电长度增加，谐振频率往低频处偏移。弯曲程度越大，频率偏移量越大。频率偏移量与弯曲角度之间，存在着线性关系，从而实现传感应用。测试无线可穿戴石墨烯角度传感器穿戴于人体手肘时的谐振频率，并记录弯曲不同角度时的频率响应，如图5所示。图6为无线可穿戴石墨烯角度传感器弯曲角度与频率变化量的线性关系，可通过传感器的谐振频率来确定弯曲角度的大小。以上所述仅为本专利技术的较佳实施例，并不用以限制本专利技术，凡在本专利技术的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本专利技术的保护范围之内。本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.无线可穿戴石墨烯角度传感器，其特征在于，采用微带天线的形式，具体包括从上到下顺次设置的辐射体层(1)、介质层(2)和接地层(3)，所述辐射体层(1)和接地层(3)采用高导电柔性的石墨烯材料，所述介质层(2)采用柔性介质材料。/n

【技术特征摘要】
1.无线可穿戴石墨烯角度传感器，其特征在于，采用微带天线的形式，具体包括从上到下顺次设置的辐射体层(1)、介质层(2)和接地层(3)，所述辐射体层(1)和接地层(3)采用高导电柔性的石墨烯材料，所述介质层(2)采用柔性介质材料。


2.根据权利要求1所述的无线可穿戴石墨烯角度传感器，其特征在于，所述高导电柔性的石墨烯材料为采用高温热还原氧化方法制备得到的柔性宏观石墨烯薄膜。


3.根据权利要求1所述的无线可穿戴石墨烯角度传感器，其特征在于，所述柔性宏观石墨烯膜的制作方法为：将质量分数为5-1...

【专利技术属性】
技术研发人员：钱伟，宋荣国，王辰，唐佳杰，
申请(专利权)人：武汉理工大学，
类型：发明
国别省市：湖北;42