一种基于石墨烯复合材料的呼吸传感器及其制备方法技术

本发明专利技术公开了一种基于石墨烯复合材料的呼吸传感器及其制备方法，其中呼吸传感器包括柔性基底层、核心敏感层和封装层，柔性基底层上设置有导线及电极，核心敏感层的下表面设置于柔性基底层上，核心敏感层的上表面通过封装层封装，柔性敏感层为石墨烯、聚苯胺和聚二甲基硅氧烷固化形成。本发明专利技术采用上述结构的一种基于石墨烯复合材料的呼吸传感器，可以对人体呼吸做出迅速响应，提高呼吸响应频率，且封装层可以有效隔绝呼吸湿度的影响，提高了呼吸监测的准确性；同时柔性基底层可以有效贴合皮肤，提高人体贴附性的同时，可以降低外界环境温度的影响，实现实时监测人体呼吸变化，以判断人体生理状态尤其是肺部健康情况。断人体生理状态尤其是肺部健康情况。断人体生理状态尤其是肺部健康情况。

【技术实现步骤摘要】
一种基于石墨烯复合材料的呼吸传感器及其制备方法


[0001]本专利技术涉及呼吸监测设备
，特别是涉及一种基于石墨烯复合材料的呼吸传感器及其制备方法。

技术介绍

[0002]呼吸是人体同外界进行气体交换的生理过程，也是能够反映人体健康的一项重要表现。呼吸状态不仅维持着人的正常的生理活动，还是生理指标的一个重要依据，呼吸也是人体代谢的外在反映，呼吸强弱参数可以用来评价肺功能的属性。然而，目前的呼吸监测方式存在许多不足，例如响应速度慢、呼吸检测设备不贴合皮肤、易受湿度影响和体积大的问题等等。

技术实现思路

[0003]本专利技术的目的是提供一种基于石墨烯复合材料的呼吸传感器及其制备方法，以解决现有技术中呼吸监测设备响应速度慢、不贴合皮肤、易受湿度影响和体积较大的问题。
[0004]为实现上述目的，本专利技术提供了一种基于石墨烯复合材料的呼吸传感器，呼吸传感器包括柔性基底层、核心敏感层和封装层，柔性基底层上设置有导线及电极，核心敏感层的下表面设置于柔性基底层上，核心敏感层的上表面通过封装层封装，柔性敏感层为石墨烯、聚苯胺和聚二甲基硅氧烷固化形成。
[0005]柔性基底层上的电极由金属导线和金属触点组成，金属导线和金属触点用于检测核心敏感层的导通电阻；所述金属触点分为正极和负极，对应连接检测核心敏感层的两端电阻。
[0006]所述柔性基底层的金属导线包括铜、银和导电胶中的至少一种。更优选的，所述金属触点为铜，如铜电极。所述金属导线贴附在传感器上，更有利于提高贴合性、精度、灵敏度、稳定度和使用寿命。
[0007]优选的，石墨烯和聚苯胺的质量比为1:1~10，石墨烯和聚二甲基硅氧烷的质量比为1:14~27。
[0008]优选的，石墨烯与聚苯胺的质量比为1:1。
[0009]优选的，封装层的厚度为0.5~1.5mm。优选的，封装层的厚度为1mm。
[0010]优选的，封装层为聚二甲基硅氧烷薄膜。
[0011]聚二甲基硅氧烷薄膜（PDMS）是具有疏水性的有机硅聚合物。PDMS薄膜属于高分性聚合物薄膜，具有颜色透明和良好的柔性特点同时具备生物相容性和化学稳定性。硅氧烷键形成了具有高粘弹性的柔性聚合链，使得PDMS成为一种疏水弹性体。极性溶剂如水，难以湿润PDMS薄膜，表现为水珠且不扩散。PDMS以上特性使其PDMS薄膜广泛用于各种柔性电子器件，PDMS薄膜与人体皮肤贴合且无害，是用来制备柔性呼吸传感器的绝佳选择。
[0012]石墨烯是一种由碳原子构成的片层状结构的二维碳纳米材料。石墨烯由于其厚度薄且作为单质牢固坚硬，具有良好的导电特性。同时石墨烯能够在拉伸和各种形状下保持
良好的物理稳定性。石墨烯优异的导电性和稳定使其成为了热敏材料的绝佳候选。
[0013]聚苯胺是（PANI）一种高分子化合物，具有优异的化学稳定性和热稳定。而且聚苯胺拥有特殊的导电性，一般认为聚苯胺的电导率与温度在一定温度范围可认为随着温度的升高其电导率增大。聚苯胺其独特的导电特性，是用来制备柔性呼吸传感器的绝佳选择。
[0014]优选的，柔性基底层为PET基底。
[0015]一种基于石墨烯复合材料的呼吸传感器的制备方法，包括以下步骤：（1）悬浮液的制备：将石墨烯和聚苯胺混合并加入聚二甲基硅氧烷和固化剂充分搅拌，得到悬浮液；（2）核心敏感层的制备：将悬浮液搅拌至粘稠倒入柔性基底层，放至加热台上加热固化，得到核心敏感层；（3）柔性呼吸传感器的制备：将核心敏感层通过封装层封装，得到柔性呼吸传感器。
[0016]步骤（2）也可以为悬浮液充分搅拌至粘稠后倒入模具，放至加热台上加热固化，得到核心敏感层，具体包括：将悬浮液充分搅拌至粘稠后倒入传感器模具，放至加热台加热固化，得到核心敏感层；所述加热固化温度为40℃~80℃；所述搅拌的温度为室温下27℃；所述加热固化时间为0.5h~2h。
[0017]制备呼吸传感器过程中将核心敏感层通过柔性基底层的金属触点将核心敏感层用铜电极引出，并将核心敏感层表面通过封装层PDMS薄膜封装，得到所述柔性呼吸传感器，具体包括：将带有金属触点的柔性基底层放置最底层并用导线连接金属触点引出电极，将核心敏感层一面贴于所述柔性基底层上。
[0018]优选的，步骤（2）中的加热固化温度为40~80℃，时间为0.5~1.5h。
[0019]优选的，步骤（1）中聚二甲基硅氧烷的密度为0.965~0.975（25℃，g/cucm）,凝固点为
‑
65℃~
‑
50℃。具体的聚二甲基硅氧烷为道康宁牌PDMS，固化剂为市售PDMS配套的SYLGARD184固化剂。
[0020]优选的，所述PDMS溶液和固化剂混合比例为9~12:1，更优选为10:1。
[0021]优选的，步骤（1）的具体步骤为称取石墨烯加入聚苯胺形成石墨烯/聚苯胺混合物；将聚二甲基硅氧烷和固化剂混合均匀得到PDMS混合液；将PDMS混合液和石墨烯/聚苯胺混合物混合并超声分散，得到悬浮液。
[0022]一种基于石墨烯复合材料的呼吸传感器的应用，呼吸传感器应用于检测呼吸速率的设备中。
[0023]优选的，呼吸传感器应用于检测呼吸速率的呼吸面罩中。
[0024]因此，本专利技术采用上述结构的一种基于石墨烯复合材料的呼吸传感器及其制备方法，具有以下有益效果：（1）本专利技术采用的石墨烯、聚苯胺和PDMS材料制作的三层结构柔性呼吸传感器的核心敏感层，可以对呼吸响应做出迅速感应，提高呼吸检测效率，且PDMS封装层有效隔绝湿度对响应信号的影响，提高了呼吸检测的准确性。
[0025]（2）本专利技术采用三层结构的石墨烯、聚苯胺和PDMS柔性呼吸传感器，可以有效贴合皮肤，提高与人体接触水平，可以减小环境温度对呼吸监测的影响。
[0026]（3）制备方法采用超声、加热固化、真空静置进行处理，得到了均匀的基于石墨烯/聚苯胺/PDMS的柔性呼吸传感器材料,并用悬涂PDMS薄膜封装的方式，提高了复合材料石墨烯/聚苯胺/PDMS的耐湿性。
[0027]（4）本专利技术的柔性呼吸传感器不仅具有较好的柔性、贴合性、亲肤性、弹性和可重复性，而且具有较高的精度、灵敏度和响应速度，可广泛推广使用。
[0028]下面通过附图和实施例，对本专利技术的技术方案做进一步的详细描述。
附图说明
[0029]图1为本专利技术实施例中柔性呼吸传感器的平面结构示意图；图2为本专利技术实施例中柔性呼吸传感器的立体结构示意图；图3为本专利技术实施例5中柔性呼吸传感器的扫描电镜图；图4为本专利技术实施例5中柔性呼吸传感器在慢速呼吸响应图；图5为本专利技术实施例5中柔性呼吸传感器在正常呼吸响应图；图6为本专利技术实施例5中柔性呼吸传感器在快速呼吸响应图；图7为本专利技术实施例5中柔性呼吸传感器的实时呼吸监测响应测试图；图8为本专利技术不同石墨烯和聚苯胺配比下的柔性呼吸传感器线性性能影响图；图9为本专利技术实施例5和对比例2的呼吸响应图。
[0030]图中：1、封装层；2、核心敏感层本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种基于石墨烯复合材料的呼吸传感器，其特征在于：呼吸传感器包括柔性基底层、核心敏感层和封装层，柔性基底层上设置有导线及电极，核心敏感层的下表面设置于柔性基底层上，核心敏感层的上表面通过封装层封装，柔性敏感层为石墨烯、聚苯胺和聚二甲基硅氧烷固化形成。2.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯复合材料的呼吸传感器，其特征在于：石墨烯和聚苯胺的质量比为1:1~10，石墨烯和聚二甲基硅氧烷的质量比为1:14~27。3.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯复合材料的呼吸传感器，其特征在于：封装层的厚度为0.5~1.5mm。4.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯复合材料的呼吸传感器及其制备方法，其特征在于：封装层为聚二甲基硅氧烷薄膜。5.根据权利要求1所述的一种基于石墨烯复合材料的呼吸传感器及其制备方法，其特征在于：柔性基底层为PET基底。6.根据权利要求1~5任一项所述的一种基于石墨烯复合材料的呼吸传感器的制备方法，其特征在于：包括以下步骤：（1）悬浮液的制备：将石墨烯和聚苯胺混合并加入聚二甲基硅氧烷和固化剂充分搅拌，得到悬浮液；（2）核心敏感层的制备：...

【专利技术属性】
技术研发人员：任天令，李宇涛，杨轶，耿祥顺，王昱豪，
申请(专利权)人：清华大学，
类型：发明
国别省市：