一种柔性压力传感器的制备方法技术

本发明专利技术提供一种柔性压力传感器的制备方法，将有机物溶解在溶剂中得到透明、均一溶液，通过静电纺丝技术制备大面积的有机纤维膜，然后将有机纤维膜在氩气保护下高温碳化得到连续碳纳米纤维，将碳纳米纤维和PDMS混合液进行充分的研磨得到浆料，利用丝网印刷技术将碳纤维浆料印刷到材料敏感基底上，最后在烘箱中进行固化。将上述固化的产物正面贴合到带有电极阵列面的基底得到柔性压力传感器，制备工艺简单，生产成本低。该方法制备的柔性压力传感器可贴附于人体皮肤表面，用于人体生理信号的监测，生物相容性好，能够对微小的生理信号实现实时的、原位的、高保真性的监测输出，该柔性压力传感器具有灵敏度较高、空间分辨能力高、快速响应和恢复特性。速响应和恢复特性。速响应和恢复特性。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性压力传感器的制备方法


[0001]本专利技术涉及柔性薄膜压力传感器
，具体涉及一种柔性压力传感器的制备方法。

技术介绍

[0002]近年来，随着科研人员对电子皮肤的深入研究，电子皮肤逐渐拥有模拟人体皮肤感知的能力，例如感知压力、湿度和温度等，从而使得电子皮肤在仿生机器人、健康监测、智能化假肢、血压监测等领域具有潜在的应用前景。柔性压力传感器具有将感知外部压力转换成电信号的能力，在电子皮肤领域中担任相当重要的角色。2010年，斯坦福大学鲍哲南课题组通过将聚二甲基硅氧烷薄膜(PDMS)微结构化，随后集成到有机场效应晶体管中，形成了一种具有优异的灵敏度和响应时间的新型有源传感器器件(参看：Zhenan Bao,Stefan C.B.Mannsfeld,et al.Highly sensitive flexible pressure sensors with microstructured rubber dielectric layers[J].Nature Mater.,2010,859
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864)。2016年，中国科学院大学的沈国震课题组将天然粘弹性性能材料P(VDF
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TrFe)与导电材料还原氧化石墨烯相结合，制备了具有三维结构的柔性压力传感器(参看：Zheng Lou，Guozhen Shen，et al.An ultra
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sensitive and rapid response speed graphene pressure sensors for electronic skin and health monitoring[J].Nano Energy.Volume23,May 2016,7
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14)。但是导电石墨烯与弹性材料不能均匀混合势必会影响传感器性能。2021年，中国科学与技术大学的龚兴龙课题组通过快速喷墨打印和简易屈曲策略，提出了一种超薄芳酰胺基柔性传感器，将可设计的印刷电路与可压缩弯曲的微结构相结合，柔性传感器无需繁琐的制备程序和复杂的设施，就能对外部压力产生良好的电响应(参看：Jianpeng Wu,Xinglong Gong,et al.A lightweight,ultrathin aramid
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based flexible sensor using a combined inkjet printing and buckling strategy[J].CHEM.ENG.J.,2021,421:129830)。
[0003]目前，炭黑颗粒、单壁/多壁碳纳米管、氧化石墨烯以及金属颗粒是常见的候选导电材料，但是复杂的制备工艺和昂贵的成本使其并不能大规模的被应用于商业。基于柔性压力传感器的使用范围场景不断拓宽，进一步要求压力传感器拥有更良好的性能指标。因此，制备一种低成本、工艺简单、低检测限、生物相容性好和高灵敏度的柔性压力传感器是本领域的一个重要研究方向。

技术实现思路

[0004]本专利技术的目的是提供一种低成本、工艺简单、低检测限、生物相容性好和高灵敏度的柔性压力传感器的制备方法。
[0005]为了实现上述目的，本专利技术采用的技术方案为：一种柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
[0006]S1)、将有机物溶解在溶剂中，在磁力搅拌下形成5～20wt％的溶液A；
[0007]S2)、将溶液A进行静电纺丝，正电压为9～15kV，负电压为1～5kV，得到有机纤维膜；
[0008]S3)、将有机纤维膜先在空气中预氧化，随后在惰性气体氛围中进行高温碳化得到碳纤维膜；
[0009]S4)、将得到的碳纤维膜放入行星球磨灌中，加入适量的溶剂，球磨0.5～1h，得到碳纤维浆料；
[0010]S5)、向碳纤维浆料中加入PDMS混合液，继续球磨0.5～1h，随后在材料敏感基底上丝网印刷，随后放入真空干燥烘箱中进行固化得到敏感层；
[0011]S6)、在柔性基底上制备电极阵列形成电极层，在电极层上的电极阵列外围和敏感层的外围均涂覆带有生物相容性的材料，随后将电极层和敏感层面对面的贴合，利用层压技术将其封装，使得电极层、敏感层融为一体，得到柔性压力传感器。
[0012]所述步骤S3)中的预氧化温度为80～300℃，碳化温度为600～1000℃；
[0013]所述步骤S4)中，球磨机转速为1000
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3000r/min。
[0014]所述步骤S5)中，碳纤维：PDMS混合液的质量比为1：(2～20)；其中PDMS混合液由质量比为PDMS：固化剂：乙醇＝10:1:2配置而成。
[0015]固化剂为有机硅弹性体固化剂。
[0016]所述步骤S5)中，在敏感层基底丝网印刷厚度为10～200μm的材料图案；
[0017]步骤S5)中的固化温度为40～150℃，真空条件为
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0.2～
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0.7MPa，放置60～200min，固化得到敏感层。
[0018]步骤S1)中所述有机物选自木质素、聚丙烯腈、聚乙烯吡咯烷酮、聚乙烯醇、聚苯乙烯、聚甲基丙烯酸甲酯中的一种或多种的组合。
[0019]在步骤S1)和步骤S5)中所述的溶剂选自乙醇、丙酮、去离子水、N
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N二甲基甲酰胺、冰乙酸、乙酰丙酮、四氯化碳、二氯甲烷中的一种或多种的组合。
[0020]步骤S6)中所述柔性材料敏感基底和电极基底选自聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯中的一种或多种组合。
[0021]上述方案中，首先将有机物溶解在溶剂中得到透明、均一溶液，通过静电纺丝技术得到大面积的有机纤维膜，然后将有机纤维膜在氩气保护下高温碳化得到连续碳纳米纤维，将碳纳米纤维和PDMS混合液进行充分的研磨，利用丝网印刷技术将浆料印刷到材料敏感基底上，最后在烘箱中进行固化。利用掩膜技术在柔性基底上制备电极阵列基底，将上述固化的敏感材料正面贴合到带有电极阵列面的基底得到柔性压力传感器，制备工艺简单，成产成本低，适合规模化工业生产。所述方法制备的柔性压力传感器可贴附于人体皮肤，用于人体生理信号的监测(脉搏频率、血压监测、运动监测等)，生物相容性好，另一方面能够对微小的生理信号可实现实时的、原位的、高保真性的监测输出，压力传感器具有灵敏度较高、空间分辨能力高、快速响应、快速恢复的特性。
附图说明
[0022]图1为本专利技术制备的工艺流程图；
[0023]图2为本专利技术中制备碳纳米纤维的SEM表征图；
[0024]图3为本专利技术传感器被施加压力与响应电信号循环曲线图；
[0025]图4为本专利技术传感器实际应用中电信号变化曲线图；
[0026]图5为本专利技术传感器响应电信号与变量的拟合曲线图。
具体实施方式
[0027]下面结合附图，对本专利技术做进一步详细论述：如图1所示，一种柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：S1)、将有机物溶解在溶剂中，在磁力搅拌下形成5～20wt％的透明、均一溶液A；S2)、将溶液A进行静电纺丝，正电压为9～15kV，负电压为1～5kV，得到有机纤维膜；S3)、将有机纤维膜先在空气中预氧化，随后在惰性气体氛围中进行高温碳化得到碳纳米纤维膜；S4)、将得到的碳纳米纤维膜放入行星球磨灌中，加入适量的溶剂，球磨0.5～1h，得到碳纤维浆料；S5)、向碳纤维浆料中加入PDMS混合液，继续球磨0.5～1h，随后在材料敏感基底上丝网印刷，放入真空干燥烘箱中进行固化得到敏感层；S6)、在柔性基底上制备电极阵列形成电极层，在电极层上的电极阵列外围和敏感层的外围均涂覆带有生物相容性的材料，随后将电极层和敏感层面对面的贴合，利用层压技术对其封装，得到柔性压力传感器。2.根据权利要求1所述的一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤S3)中的预氧化温度为80～300℃，碳化温度为600～1000℃。3.根据权利要求1所述的一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤S4)中，球磨机转速为1000
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3000r/min。4.根据权利要求1所述的一种柔性压力传感器的制备方法，其特征在于：所述步骤S5)中，碳纳米纤维：PDMS混合液的质量比为1：(2～20)；其中PDMS混合液由质量...

【专利技术属性】
技术研发人员：李江，陈宏凯，刘欢，戴明，叶润峰，解启莲，
申请(专利权)人：安徽通灵仿生科技有限公司，
类型：发明
国别省市：