一种用于植物茎秆直径微变化监测的仿生自适应缠绕可穿戴传感器的制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种用于植物茎秆直径微变化监测的仿生自适应缠绕可穿戴传感器的制备方法及其应用。包括以下步骤：在固化后的PDMS基底表面旋涂酚醛树脂聚合物溶液得到酚醛树脂膜，利用激光诱导技术在酚醛树脂膜上制备蛇形电极图案的激光诱导石墨烯；在激光诱导石墨烯表面旋涂浇筑Ecoflex硅胶前体聚合物并加热固化，固化后揭起上层Ecoflex硅胶膜；将导线连接于电极的接线处，并用银浆固定，翻转覆盖至经预拉伸的硅胶膜表面，释放预拉伸的硅胶膜，制得类似藤蔓结构的自适应应变传感器。本发明专利技术制备得到的自适应应变传感器制备成本低，制备过程简单，应变灵敏度高，可用于植物茎秆直径微变化监测。微变化监测。微变化监测。

【技术实现步骤摘要】
一种用于植物茎秆直径微变化监测的仿生自适应缠绕可穿戴传感器的制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及生物传感器
，一种用于植物茎秆直径微变化监测的仿生自适应缠绕可穿戴传感器的制备方法及其应用。

技术介绍

[0002]实时获取植物的生长信息对于研究其机理和提高作物产量非常重要。研究表明，植物的生长过程类似于人体脉搏的收缩和膨胀，具体表现为茎秆昼夜收缩和膨胀，不断的膨胀与收缩促使植物生长。这种植物茎秆直径微变化与植物对水分的吸收和蒸腾有关。在白天，叶片背面的大部分气孔张开，叶片蒸腾的水分速率大于或等于根吸收水分的速率，茎直径几乎没有变化或收缩。在夜间，叶片上气孔关闭，植物从根部吸收的水分多于从叶片蒸发的水分，茎秆发生膨胀。植物缺水时，茎秆不再会发生明显膨胀，甚至发生收缩。因此，通过监测植物脉冲可以了解植物生长与供水的关系。
[0003]目前用于植物茎秆微变化监测的传感器主要是刚性的线性位移传感器(LVDT)。LVDT传感器体积大、重量重，不易固定，对植株有预紧力，不适用于植物幼苗监测，而植物幼苗期的监测管理是提高坐果和产量的基础。与刚性LVDT传感器相比，柔性应变传感器在克服上述限制方面具有很大潜力。然而，平面应变传感器在植物脉冲监测中的应用仍存在一些挑战。例如，植物茎秆或果实表面有许多致密的腺毛和蜡质层，不利于可穿戴平面传感器的粘贴固定。如果用胶带将传感器粘贴在植物表面，在长期监测植物生长过程中，胶带会影响植物的生长，传感器会脱落。此外，复杂的环境也对传感器的稳定性构成了威胁。植物生长环境复杂多变，如光照、湿度和温度的变化，可能会导致传感器数据保真度的丧失。因此，有必要开发一种界面适应性强、抗干扰性能优良的植物穿戴式传感器来监测植物茎秆微变化。

技术实现思路

[0004]针对缺乏柔性可穿戴茎秆直径微变化传感器的问题，本专利技术提供了一种用于植物茎秆直径微变化监测的仿生自适应缠绕可穿戴传感器的制备方法，本专利技术受植物藤蔓结构启发，结合激光诱导石墨烯技术，制备得到的自适应应变传感器制备成本低，制备过程简单，应变灵敏度高，可用于植物茎秆直径微变化监测。
[0005]本专利技术提供的技术方案如下：
[0006]一、一种用于植物茎秆直径微变化监测的仿生自适应缠绕可穿戴传感器的制备方法
[0007]包括以下步骤：
[0008]步骤S1：在洁净玻璃片表面旋涂PDMS聚合物溶液并加热固化制得PDMS基底；
[0009]步骤S2：在步骤S1中得到的PDMS基底表面旋涂酚醛树脂聚合物溶液，室温干燥制得酚醛树脂膜；
[0010]步骤S3：利用激光诱导技术在酚醛树脂膜上制备蛇形电极图案的激光诱导石墨烯，用无水乙醇冲洗去除多余的酚醛树脂；
[0011]步骤S4：在步骤S3中得到的激光诱导石墨烯表面旋涂一层Ecoflex硅胶前体聚合物，真空除去Ecoflex硅胶前体聚合物中的气泡并加热固化，固化后揭起上层Ecoflex硅胶膜，蛇形电极图案的激光诱导石墨烯已转移至Ecoflex硅胶膜表面；
[0012]步骤S5：将导线连接于步骤S4中蛇形电极的接线处，并涂抹银浆加热固化；制备预拉伸的Ecoflex硅胶膜，将步骤S4已转移有图案的Ecoflex硅胶膜翻转后覆盖至经预拉伸的Ecoflex硅胶膜表面，在两层硅胶膜之间事先涂抹Ecoflex硅胶前体聚合物以固定，真空除去Ecoflex硅胶前体聚合物中的气泡并加热固化，释放预拉伸的Ecoflex硅胶膜，制得类藤蔓结构的自适应缠绕传感器。
[0013]所述步骤S1中，PDMS聚合物溶液主要由质量比为10:1的PDMS前体聚合物与固化剂混合得到；固化温度为75℃，固化时间1.5h，旋涂转速为600r/min，旋涂时间为30s。
[0014]所述步骤S2中：酚醛树脂聚合物溶液由酚醛树脂和无水氯化铁以质量比100:1溶解在无水乙醇中制得，旋涂转速为800r/min，旋涂时间为30s；
[0015]所述步骤S3中的激光诱导技术，激光诱导功率为3W，激光刻蚀速率为24cm/s。
[0016]所述步骤S4和步骤S5中，Ecoflex硅胶前体聚合物的A组分与B组分的质量比为1：1，固化温度为40℃，固化时间1h。
[0017]所述步骤S5中，银浆固化温度为60℃，固化时间为0.5h。
[0018]所述步骤S5中，预拉伸的Ecoflex硅胶膜通过在洁净玻璃片表面旋涂一层Ecoflex硅胶前体聚合物，真空除去Ecoflex聚合物中的气泡并加热固化后预拉伸得到，Ecoflex硅胶前体聚合物A与B组分比例为1：1，固化温度为40℃，固化时间1h；预拉伸的预拉伸率为50％～200％。
[0019]所述自适应缠绕传感器的上下两层为Ecoflex硅胶膜，中间层为激光诱导石墨烯。
[0020]二、采用上述用于植物茎秆直径微变化监测的仿生自适应缠绕可穿戴传感器的应用
[0021]自适应缠绕传感器在植物茎秆直径微变化监测中的应用：将自适应缠绕传感器自适应缠绕至植物茎秆上，通过导线连接万用表，植物茎秆直径的微变化给予传感器机械刺激，使得传感器产生应变，电阻增大，记录电阻变化，绘制电阻变化率随时间变化的曲线。
[0022]本专利技术制备得到的仿生自适应缠绕可穿戴传感器，外层为柔性Ecoflex硅胶薄膜，中间层为三维多孔石墨烯结构，该石墨烯层为传感器提供了三维导电网络，是应变传感的关键元件。由于下层Ecoflex与上层Ecoflex薄膜的机械应力不匹配，导致器件自适应卷曲形成类似植物藤蔓的卷曲结构。卷曲结构的曲率增大时，三维多孔石墨烯结构受到压缩，石墨烯导电网络接触面积增大，致使导电通路增加，从而减小了器件电阻。反之，曲率减小时，被压缩的三维多孔石墨烯结构得到释放，导电通路减少，器件电阻增大。将石墨烯图案设计为蛇形，可有效降低硅胶材料受热膨胀引起的电阻变化。本专利技术利用这种性质，构建了仿生自适应缠绕可穿戴传感器，实现对植物茎秆直径微变化的监测应用。
[0023]本专利技术的仿生自适应缠绕可穿戴传感器的作用原理是：当植物茎秆直径增大时，传感器曲率减小，被压缩的三维多孔石墨烯结构得到释放，石墨烯导电网络接触面积减小，导电通路减少，器件电阻增大。植物茎秆直径减小时，传感器曲率增大，三维多孔石墨烯结
构被压缩，石墨烯导电网络接触面积增大，导电通路增加，器件电阻减小。电阻的相对变化率与其曲率变化呈现出线性关系。根据相对电阻变化率可判断植物茎秆直径的微变化情况。
[0024]本专利技术的有益效果为：
[0025]本专利技术提供的仿生自适应缠绕传感器类似植物藤蔓的卷曲结构，可依靠传感器的自身预紧力自适应缠绕于植物茎秆上，解决了现有技术中平面传感器需通过粘贴才能固定在植物茎秆上的问题，不会随植物生长脱落。
[0026]本专利技术的制备方法可快速制备自适应缠绕可穿戴传感器，其传感性能不受温度变化干扰，可用于植物茎秆直径微变化的监测。
附图说明
[0027]图1为激光诱导技术在酚醛树脂薄膜上制备蛇形的激光诱本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种用于植物茎秆直径微变化监测的仿生自适应缠绕可穿戴传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：步骤S1：在洁净玻璃片表面旋涂PDMS聚合物溶液并加热固化制得PDMS基底；步骤S2：在步骤S1中得到的PDMS基底表面旋涂酚醛树脂聚合物溶液，室温干燥制得酚醛树脂膜；步骤S3：利用激光诱导技术在酚醛树脂膜上制备蛇形电极图案的激光诱导石墨烯，用无水乙醇冲洗去除多余的酚醛树脂；步骤S4：在步骤S3中得到的激光诱导石墨烯表面旋涂一层Ecoflex硅胶前体聚合物，真空除去Ecoflex硅胶前体聚合物中的气泡并加热固化，固化后揭起上层Ecoflex硅胶膜，蛇形电极图案的激光诱导石墨烯已转移至Ecoflex硅胶膜表面；步骤S5：将导线连接于步骤S4中蛇形电极的接线处，并涂抹银浆加热固化；制备预拉伸的Ecoflex硅胶膜，将步骤S4已转移有图案的Ecoflex硅胶膜翻转后覆盖至经预拉伸的Ecoflex硅胶膜表面，在两层硅胶膜之间事先涂抹Ecoflex硅胶前体聚合物以固定，真空除去Ecoflex硅胶前体聚合物中的气泡并加热固化，释放预拉伸的Ecoflex硅胶膜，制得类藤蔓结构的自适应缠绕传感器。2.根据权利要求1所述的用于植物茎秆直径微变化监测的仿生自适应缠绕可穿戴传感器制备方法，其特征在于：所述步骤S1中，PDMS聚合物溶液主要由质量比为10:1的PDMS前体聚合物与固化剂混合得到；固化温度为75℃，固化时间1.5h，旋涂转速为600r/min，旋涂时间为30s。3.根据权利要求1所述的用于植物茎秆直径微变化监测的仿生自适应缠绕可穿戴传感器制备方法，其特征在于：所述步骤S2中：酚醛树脂聚合物溶液由酚醛树脂和无水氯化铁以质量比100:1溶解在无水乙醇中制得，旋涂转速为800r/min，...

【专利技术属性】
技术研发人员：应义斌，张超，平建峰，
申请(专利权)人：浙江大学，
类型：发明
国别省市：