一种具有互补螺旋结构柔性压力传感器、制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种具有互补螺旋结构柔性压力传感器、制备方法及其应用，属于激光微纳加工技术领域；利用激光对氧化石墨烯/丝素蛋白复合薄膜表面进行加工，激光的光热效应可以去除氧化石墨烯中的含氧官能团，使得氧化石墨烯被还原的同时形成螺旋结构电极；在一对互补螺旋结构电极之间夹上多孔胶带后，得到具有互补螺旋结构的高性能柔性压力传感器，可以实现对手指弯曲和手指接近的双重模式的检测，胶带的多孔结构有助于传感器在弯曲时电容发生较大变化，可以实现对手指弯曲的精确检测。同时电极的螺旋结构增加了电极的边缘区域面积，有助于从电极板区域向外空间扩展更多的电场，实现对手指接近的灵敏检测。现对手指接近的灵敏检测。现对手指接近的灵敏检测。

【技术实现步骤摘要】
一种具有互补螺旋结构柔性压力传感器、制备方法及其应用


[0001]本专利技术属于激光微纳加工
，具体涉及一种具有互补螺旋结构柔性压力传感器、制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]柔性电容式压力传感器在电子皮肤、人机交互和可穿戴健康检测等尖端应用领域具有广阔的应用前景。电容式压力传感器的创新主要依靠于新型电极材料和结构。石墨烯因其优异的导电性、柔韧性和机械强度而成为各种柔性电子器件中常用的电极材料。传统的制作石墨烯电极的方法如化学剥离法、化学气相沉积法、分散黏附法等制备出的石墨烯电极往往需要附着在特殊的衬底上，或多或少的降低了其灵活性，从而降低了传感器的性能。
[0003]此外，石墨烯电极的任意图案化也是限制电容式压力传感器性能优化的技术挑战，目前人们采用的高温还原、化学还原、喷墨还原等只能实现一些简单的图案化还原，同时也存在分辨率低、还原速度较慢等问题。此外，电极的延展性以及机械强度也极大地限制了石墨烯电极在柔性电容式压力传感器方面的应用。

技术实现思路

[0004]针对现有技术的不足，本专利技术要解决的问题是：利用激光加工制备具有互补螺旋电极结构的柔性压力传感器。利用激光直写技术作用在抽滤成膜的氧化石墨烯/丝素蛋白复合薄膜表面，激光的光热效应可以去除氧化石墨烯中的含氧官能团，使得氧化石墨烯/丝素蛋白复合薄膜中的氧化石墨烯被还原并形成螺旋结构电极，氧化石墨烯/丝素蛋白复合薄膜优异的柔韧性和延展性使激光还原后的还原氧化石墨烯/丝素蛋白复合电极具有优异的机械性能；再在一对互补螺旋结构电极之间夹上多孔的胶带，最终得到了具有互补螺旋结构的高性能柔性压力传感器，可以实现对手指弯曲以及手指接近时的两种模式的超灵敏检测。传感器的主要检测原理为：(1)对于接触检测而言，由平行板电容器公式(其中ε0为真空介电常数、ε
r
为介质层介电常数、A为两个平行板电极之间的相对面积、d为两个平行板电极之间的相对距离)可知，当物体对传感器施加压力时，多孔胶带被压缩使其上下极板间的相对距离d变小，同时多孔胶带中介电常数相对较小的空气被挤出，使得介质的介电常数ε
r
变大，二者共同作用使得在一定压力下，传感器的电容值发生较大变化，具有较高的灵敏度；(2)对于非接触检测而言，由于平行板电容器的边缘电场效应，在边缘区域电场线会扩展到外部空间，对于环盘结构电极的传感器而言，当手指接近时，手指会截取上电极上方的边缘电场线，从而降低上下电极之间的电场强度，最终导致电容减小。而螺旋互补结构的石墨烯电极，其界面上的电极结构可以看成是多个环盘结构电极的叠加，增加了电极的边缘区域面积，有助于从电极板区域向外空间扩展更多的电场。因而当手指靠近时，传感器显示了巨大的电容变化，对手指的接近更为敏感。
[0005]本专利技术通过如下技术方案实现：
[0006]一种具有互补螺旋结构柔性压力传感器，所述柔性压力传感器由上、下两个复合电极和介电层组成，所述复合电极由复合薄膜材料1和纳米螺旋结构2组成，所述介电层为多孔材料3，所述复合薄膜材料1为氧化石墨烯溶液和丝素蛋白溶液混合并抽滤形成的表面光滑复合薄膜材料；所述复合薄膜材料1表面形成有纳米螺旋结构2，所述复合薄膜材料1及纳米螺旋结构2外表面黏附有多孔材料3，上、下两个电极以及介电层形成复合薄膜材料1
‑
纳米螺旋结构2
‑
多孔材料3
‑
纳米螺旋结构2
‑
复合薄膜材料1的多级微纳结构。
[0007]所述纳米螺旋结构2由激光加工对复合薄膜材料1进行图案化还原时，复合薄膜中含氧官能团被去除时同时形成螺旋图案化以及纳米孔结构；
[0008]进一步的，所述复合薄膜材料1厚度为50
‑
200μm。
[0009]进一步的，所述多孔材料3为多孔泡棉胶带、多孔海绵、陶瓷多孔材料等。
[0010]进一步的，所述纳米螺旋结构2的孔径为500nm
‑
2μm、螺旋结构总圈数为3
‑
8圈、每一圈螺旋结构的宽度为200
‑
300μm、未加工部位螺旋宽度为100
‑
200μm、螺旋整体部分的尺寸为0.3mm*0.3mm
‑
0.8mm*0.8mm。
[0011]一种基于激光加工制备具有互补螺旋结构柔性压力传感器的方法，具体步骤如下：
[0012](1)、氧化石墨烯/丝素蛋白混合溶液的制备；
[0013]在一定量的氧化石墨烯溶液中逐滴加入氢氧化钠溶液，使得氧化石墨烯溶液保持中性，然后与丝素蛋白溶液混合从而制备出氧化石墨烯/丝素蛋白混合溶液；
[0014](2)、氧化石墨烯/丝素蛋白复合薄膜的制备；
[0015]首先将微孔滤膜固定在抽滤装置上，随后用去离子水润湿滤膜，最后滴入氧化石墨烯/丝素蛋白混和溶液进行抽滤，从而成功制备氧化石墨烯/丝素蛋白复合薄膜；
[0016](3)、利用激光直写方法加工氧化石墨烯/丝素蛋白复合薄膜制备互补螺旋结构还原氧化石墨烯/丝素蛋白复合电极；
[0017]对氧化石墨烯/丝素蛋白复合薄膜进行剪裁，然后将薄膜固定在平整的基板上，同时保证薄膜表面平整，将基板放置在激光器的光学平台上，调节激光光源和基板表面的相对位置，使得激光聚焦在薄膜表面；在激光控制程序的界面处，输入预加工图形以及加工参数，然后进行激光直写，得到互补螺旋结构还原氧化石墨烯/丝素蛋白复合电极；
[0018](4)、螺旋互补结构压力传感器的制备；
[0019]对多孔胶带进行剪裁，然后使用导电银胶将银线固定在电极上，最后将多孔胶带夹在两个互补螺旋还原氧化石墨烯/丝素蛋白复合电极之间，从而得到具有螺旋互补结构的压力传感器。
[0020]进一步地，步骤(1)中制备的具体步骤为：
[0021]取浓度为5
‑
10mg/mL的氧化石墨烯溶液15
‑
30mL放入量程为100mL的烧杯中，然后逐滴加入浓度为0.05
‑
0.2mol/L的氢氧化钠溶液2
‑
5mL，使得氧化石墨烯溶液的pH值为7，然后加入浓度为30
‑
60mg/mL的丝素蛋白溶液2
‑
6mL，然后将装有氧化石墨烯/丝素蛋白混合物的烧杯放在磁力搅拌器上进行搅拌10s
‑
1min,混合均匀后即得到氧化石墨烯/丝素蛋白混合溶液。
[0022]进一步地，步骤(1)中氧化石墨烯溶液的具体合成步骤为：
[0023]首先，将石墨和硝酸钠按照质量比为1∶1
‑
1∶3在0
‑
5℃的冰浴条件下混合，随后加
入质量分数为98％的浓硫酸90
‑
100mL；然后加入5
‑
20g高锰酸钾，在0
‑
5℃的冰浴条件下以500
‑
1000r/min的转速搅拌45
‑
1本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种具有互补螺旋结构柔性压力传感器，其特征在于，所述柔性压力传感器由上、下两个复合电极和介电层组成，所述复合电极由复合薄膜材料(1)和纳米螺旋结构(2)组成，所述介电层为多孔材料(3)，所述复合薄膜材料(1)为氧化石墨烯溶液和丝素蛋白溶液混合并抽滤形成的表面光滑复合薄膜材料；所述复合薄膜材料(1)表面形成有纳米螺旋结构(2)，所述复合薄膜材料(1)及纳米螺旋结构(2)外表面黏附有多孔材料(3)，上、下两个电极以及介电层形成复合薄膜材料(1)
‑
纳米螺旋结构(2)
‑
多孔材料(3)
‑
纳米螺旋结构(2)
‑
复合薄膜材料(1)的多级微纳结构。2.如权利要求1所述的一种具有互补螺旋结构柔性压力传感器，其特征在于，所述复合薄膜材料(1)的厚度为50
‑
200μm，所述纳米螺旋结构(2)的孔径为500nm
‑
2μm、螺旋结构总圈数为3
‑
8圈、每一圈螺旋结构的宽度为200
‑
300μm、未加工部位螺旋宽度为100
‑
200μm、螺旋整体部分的尺寸为0.3mm*0.3mm
‑
0.8mm*0.8mm；所述多孔材料(3)为多孔泡棉胶带、多孔海绵或陶瓷多孔材料。3.如权利要求1所述的一种具有互补螺旋结构柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，具体步骤如下：(1)、氧化石墨烯/丝素蛋白混合溶液的制备；在一定量的氧化石墨烯溶液中逐滴加入氢氧化钠溶液，使得氧化石墨烯溶液保持中性，然后与丝素蛋白溶液混合从而制备出氧化石墨烯/丝素蛋白混合溶液；(2)、氧化石墨烯/丝素蛋白复合薄膜的制备；首先将微孔滤膜固定在抽滤装置上，随后用去离子水润湿滤膜，最后滴入氧化石墨烯/丝素蛋白混和溶液进行抽滤，从而成功制备氧化石墨烯/丝素蛋白复合薄膜；(3)、利用激光直写方法加工氧化石墨烯/丝素蛋白复合薄膜制备互补螺旋结构还原氧化石墨烯/丝素蛋白复合电极；对氧化石墨烯/丝素蛋白复合薄膜进行剪裁，然后将薄膜固定在平整的基板上，同时保证薄膜表面平整，将基板放置在激光器的光学平台上，调节激光光源和基板表面的相对位置，使得激光聚焦在薄膜表面；在激光控制程序的界面处，输入预加工图形以及加工参数，然后进行激光直写，得到互补螺旋结构还原氧化石墨烯/丝素蛋白复合电极；(4)、螺旋互补结构压力传感器的制备；对多孔胶带进行剪裁，然后使用导电银胶将银线固定在电极上，最后将多孔胶带夹在两个互补螺旋还原氧化石墨烯/丝素蛋白复合电极之间，从而得到具有螺旋互补结构的压力传感器。4.如权利要求3所述的一种具有互补螺旋结构柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤(1)中制备的具体步骤为：取浓度为5
‑
10mg/mL的氧化石墨烯溶液15
‑
30mL放入量程为100mL的烧杯中，然后逐滴加入浓度为0.05
‑
0.2mol/L的氢氧化钠溶液2
‑
5mL，使得氧化石墨烯溶液的PH值为7，然后加入浓度为30
‑
60mg/mL的丝素蛋白溶液2
‑
6mL，然后将装有氧化石墨烯/丝素蛋白混合物的烧杯放在磁力搅拌器上进行搅拌10s
‑
1min,混合均匀后即得到氧化石墨烯/丝素蛋白混合溶液。5.如权利要求3所述的一种具有互补螺旋结构柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，
步骤(1)中氧化石墨烯溶液的具体合成步骤为：首先，将石墨和硝酸钠按照质量比为1：1
‑
1：3在0
‑
5℃的冰浴条件下混合，随后加入质量分数为98％的浓硫酸90
‑
100mL；然后加入5
‑
20g高锰酸钾，在0
‑
5℃的冰浴条件下以500
‑
1000r/min的转速搅拌45
‑
120min；随后升温至35℃，保持120min并加入80ml去离子水然后升温至95℃，保持15min，并加入200ml去离子水，所用注水时间分别为35min和5min；再加入10mL体积浓度为30％的过氧化氢，关闭加热并搅拌5
‑
15min，然后关闭搅拌使其自然沉降20
‑
30h；沉降后倒掉上清液，使用去离子水反复稀释酸性产物，以转速为8000
‑
12000r/min离心10
‑
20min，重复10
‑
18次，直到上层清液的pH值为7；最后将下层产物以1000
‑
1500r/min的转速离心10
‑
20min，重复3
‑
5次，直至无明显的肉眼可见的黑色石墨颗粒，然后再以8000
‑
10000r/min的转速离心15
‑
20min后，倒掉上层清液，摇匀后即得到浓度为5
‑
10mg/mL的氧化石墨烯溶液；步骤(1)中丝素蛋白溶液的具体合成步骤为：首先，取6
‑
9g碳酸钠粉末加入3000
‑
5000mL去离子水中，使用玻璃棒或者其他搅拌装置使其充分溶解，然后放置在热台或者其他加热装置中升温，使得碳酸钠溶液保持沸腾状态。然后使用剪刀或者其他剪裁工具将蚕茧外壳剪成面积为1
‑
2cm2的丝状，使用托盘天平或者其他称重仪器称取8
‑
12g蚕片将其放入到沸腾状态的碳酸钠溶液中，煮沸20
‑
50min后，将其取出。然后采用相同的方法再制备一份相同浓度的沸腾的碳酸...

【专利技术属性】
技术研发人员：韩冬冬，张永来，张嘉芮，孙洪波，
申请(专利权)人：吉林大学重庆研究院，
类型：发明
国别省市：