一种柔性电阻式压力传感器、制备方法及其应用技术

本发明专利技术公开了一种柔性电阻式压力传感器、制备方法及其应用，所述传感器为多层结构，包括第一表面封装层、功能层、石墨烯棉线和第二表面封装层，所述功能层包括第一柔性基底、第二柔性基底和石墨烯多孔介电层，所述石墨烯棉线通过缝纫的方式依次将第一柔性基底、石墨烯多孔介电层和第二柔性基底连接得到功能层，所述第一柔性基底的上表面设置有第一表面封装层，所述第二柔性基底的下表面设置有第二表面封装层；所述石墨烯多孔介电层包括导电油墨和多孔材料；本发明专利技术所制备的传感器灵敏度高，线性范围宽，可应用于脉搏跳动测定仪等可穿戴设备上。备上。

【技术实现步骤摘要】
一种柔性电阻式压力传感器、制备方法及其应用


[0001]本专利技术涉及柔性电子器件领域，分类号为G01L1/00，具体的，涉及一种柔性电阻式压力传感器和制备方法。

技术介绍

[0002]柔性电阻式压力传感器性能的关键在于在敏感材料。为了提高所得传感器的灵敏度和工作范围，往往选取多孔导电材料做为敏感材料。敏感材料的制备路径可大致分为两条：一条是利用3D打印、刻蚀等方式使得一些不具有多孔结构的导电材料形成多孔导电体；另一条是利用浸染、丝网印刷、喷墨打印等方式在多孔材料表面附着一层导电材料从而形成多孔导电体，但第一条路径存在制备过程复杂，成本高，难以大规模生产，不具有工程应用的前景等诸多问题，因此，在第二条路径中，导电材料主要有碳材料、导电聚合物和纳米金属材料，但由于导电聚合物的导电性差，纳米金属材料的柔韧性较差，限制了其应用领域，而碳材料石墨烯因其优异的性能而在各个领域被广泛应用。
[0003]在现有技术中，大部分基于石墨烯的多孔导电体的制备均采用氧化石墨烯溶液，但氧化石墨烯溶液在制备过程中会消耗大量的浓硫酸和水，造成对资源的浪费和环境污染，此外，由于氧化石墨烯不具有导电性，往往需要还原的步骤，但该步骤不仅难度高，还会影响基底的选择，所以在本专利技术中采用石墨烯油墨作为多孔导电体的制备原料。
[0004]在现有技术中，电阻式压力传感器的高灵敏度和大工作范围往往不可兼得，虽然很多科学家视图解决该问题，但效果不佳，基于此，本专利技术创新性的设计了一种新型结构的压力传感器，通过改变压力传感器的结构来使其线性范围和灵敏度变化，使得压力传感器更适用于不同应用领域的需要。
[0005]中国专利CN105067160B公开了一种基于氧化石墨烯海绵的柔性压力传感器，主要是将氧化石墨烯溶液作为制备原料得到氧化石墨烯海绵介电层，通过氧化石墨烯海绵介电层、柔性基底、石墨烯电极三者所形成的柔性压力传感器具有响应时间快，稳定性好等优点，但由于其氧化石墨烯溶液还要进行还原，制备工艺较为复杂。
[0006]中国专利CN114646410A公开了一种柔性传感器及其制备方法和应用，主要通过石墨烯布料介电层和金属电极制备而成的柔性传感器，既可以作为压力传感器，也可以作为应变传感器使用，但该传感器的线性范围和灵敏度变化有限，难以适用不同领域的需要，且线性范围较窄。

技术实现思路

[0007]为了解决上述问题，本专利技术的第一个方面提供了一种柔性电阻式压力传感器，所述传感器为多层结构，包括第一表面封装层、功能层、石墨烯棉线和第二表面封装层，所述功能层包括第一柔性基底、第二柔性基底和石墨烯多孔介电层，所述石墨烯棉线通过缝纫的方式依次将第一柔性基底、石墨烯多孔介电层和第二柔性基底连接得到功能层，所述第一柔性基底的上表面设置有第一表面封装层，所述第二柔性基底的下表面设置有第二表面
封装层；所述石墨烯多孔介电层包括导电油墨和多孔材料。
[0008]进一步优选的，所述第一柔性基底和第二柔性基底是通过将布料浸润于导电油墨中烘干而成。
[0009]进一步优选的，所述布料包括棉布、麻布、丝绸、呢绒、混纺、化纤、皮革中的至少一种。
[0010]优选的，所述石墨烯棉线的缝纫距离为1
‑
8mm。
[0011]进一步优选的，所述石墨烯棉线的缝纫距离为2
‑
7mm。
[0012]进一步优选的，所述石墨烯棉线的缝纫距离为2
‑
6mm。
[0013]优选的，所述多孔材料为海绵和/或开孔泡沫。
[0014]进一步优选的，所述多孔材料为海绵。
[0015]进一步优选的，所述海绵为聚氨酯海绵。
[0016]优选的，所述海绵的密度为15
‑
60D。
[0017]进一步优选的，所述海绵的密度为17
‑
55D。
[0018]进一步优选的，所述海绵的密度为18
‑
50D。
[0019]优选的，所述海绵的厚度为1
‑
5mm。
[0020]进一步优选的，所述海绵的厚度为2
‑
4mm。
[0021]进一步优选的，所述海绵的厚度为3mm。
[0022]本申请采用回弹范围大的聚氨酯海绵，同时进一步限定其密度为15
‑
60D，厚度为1
‑
5mm，一方面是为了避免海绵的密度太大，受到微弱的力就容易产生形变，进而导致压力传感器的工作范围显著减小，另一方面在该密度和厚度下的聚氨酯海绵，在平均分子量为35000
‑
45000，羟基质量含量为1.1
‑
1.5％的醋酸丁酸纤维素和K值为88
‑
96的聚乙烯吡咯烷酮的共同作用下，能够与导电油墨形成连续的导电网络，并且极大限度的在导电材料和石墨烯不堆积的情况下，提高两者的含量进而降低压力传感器的电阻，提高传感器的灵敏度。
[0023]优选的，所述导电油墨的制备原料包括石墨烯、N
‑
乙烯基酰胺类聚合物和热塑性树脂。
[0024]进一步优选的，所述N
‑
乙烯基酰胺类聚合物为聚乙烯吡咯烷酮，所述热塑性树脂为醋酸丁酸纤维素。
[0025]进一步优选的，所述导电油墨中还包括导电材料和酯类溶剂。
[0026]优选的，所述N
‑
乙烯基酰胺类聚合物的K值为88
‑
96。
[0027]进一步优选的，所述N
‑
乙烯基酰胺类聚合物的K值为88
‑
92。
[0028]进一步优选的，所述N
‑
乙烯基酰胺类聚合物的K值为88
‑
90。
[0029]优选的，所述热塑性树脂的平均分子量为35000
‑
45000，羟基质量含量为1.1
‑
1.5％。
[0030]进一步优选的，所述热塑性树脂的平均分子量为38000
‑
42000，羟基质量含量为1.2
‑
1.4％。
[0031]进一步优选的，所述热塑性树脂的平均分子量为40000，羟基质量含量为1.3％。
[0032]由于石墨烯片层之间具有较强的范德华力，其与乙炔炭黑相互作用会造成不可逆的堆积或聚集，本申请限定聚乙烯吡咯烷酮的K值为88
‑
96，一方面在该分子量下聚乙烯吡咯烷酮能够使得聚氨酯海绵与石墨烯、乙炔黑三者之间的结合力更强，另一方面，在平均分
子量为35000
‑
45000，羟基质量含量为1.1
‑
1.5％的醋酸丁酸纤维素的共同作用下，能够减弱石墨烯片层和乙炔炭黑之间的堆积或聚集，从而进一步提高了压力传感器的灵敏度。
[0033]在上述基础上所制备的功能层，同时限定石墨烯棉线的缝纫距离为2
‑
6mm，缝纫距离越小，传感器的形变量本文档来自技高网...

【技术保护点】

【技术特征摘要】
1.一种柔性电阻式压力传感器，其特征在于，所述传感器为多层结构，包括第一表面封装层、功能层、石墨烯棉线和第二表面封装层，所述功能层包括第一柔性基底、第二柔性基底和石墨烯多孔介电层，所述石墨烯棉线通过缝纫的方式依次将第一柔性基底、石墨烯多孔介电层和第二柔性基底连接得到功能层，所述第一柔性基底的上表面设置有第一表面封装层，所述第二柔性基底的下表面设置有第二表面封装层；所述石墨烯多孔介电层包括导电油墨和多孔材料。2.根据权利要求1所述的一种柔性电阻式压力传感器，其特征在于，所述石墨烯棉线的缝纫距离为1
‑
8mm。3.根据权利要求1所述的一种柔性电阻式压力传感器，其特征在于，所述多孔材料为海绵和/或开孔泡沫。4.根据权利要求3所述的一种柔性电阻式压力传感器，其特征在于，所述海绵的密度为15
‑
60D。5.根据权利要求3所述的一种柔性电阻式压力传感器，其特征在于，所述海绵的厚度为1
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【专利技术属性】
技术研发人员：张晓静，李凯，沈志刚，王帅，朱宇微，王友昌，
申请(专利权)人：北京航空航天大学，
类型：发明
国别省市：