[發(fā)明專(zhuān)利]紙基傳感器及其制備方法

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• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201810146704.8
• 申請(qǐng)日: 2018-02-12
• 公開(kāi)（公告）號(hào): CN108318059A
• 公開(kāi)（公告）日: 2018-07-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 楊興;任育宇;邵娜
• 申請(qǐng)（專(zhuān)利權(quán)）人: 清華大學(xué)
• 主分類(lèi)號(hào): G01D5/241
• 分類(lèi)號(hào): G01D5/241;G01D5/16;G01L1/14;G01L1/22
• 代理公司: 北京眾合誠(chéng)成知識(shí)產(chǎn)權(quán)代理有限公司 11246
• 代理人: 張文寶

一種制備工藝簡(jiǎn)單、成本低且靈敏度高的新型紙基傳感器及其制備方法。該紙基傳感器不僅選用紙作為基底，并充分利用紙表面的微納結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)傳感器的高靈敏度測(cè)量，同時(shí)通過(guò)折疊等方法可實(shí)現(xiàn)大變形的測(cè)量。所提出的紙基傳感器主要用于力學(xué)量及其相關(guān)信號(hào)的檢測(cè)，根據(jù)測(cè)量原理可分為電容式和電阻應(yīng)變式傳感器。它們可利用常用的裁剪、粘接等非常簡(jiǎn)單的方法制作，具有工藝簡(jiǎn)單、成本低、綠色環(huán)保、還可根據(jù)測(cè)試需求制作出各種形狀和尺寸的優(yōu)點(diǎn)。另外，根據(jù)紙張輕且易折疊、可通過(guò)打印、書(shū)寫(xiě)、印刷等方法進(jìn)行圖案化的優(yōu)點(diǎn)，可批量、低成本的在紙上制作電極、引線、敏感單元、變形單元等結(jié)構(gòu)。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及傳感器領(lǐng)域，特別涉及一種紙基傳感器及其制備方法。

背景技術(shù)

傳感器作為一種精密的裝置或器件，能將各種不易捕捉或度量的非電量信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橐子跈z測(cè)和顯示的電量信號(hào)，它是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)、醫(yī)療衛(wèi)生、航空航天、可穿戴式等應(yīng)用領(lǐng)域中必不可少的一部分。其中，力學(xué)量傳感器是將檢測(cè)到的力或位移信號(hào)轉(zhuǎn)變?yōu)橄鄳?yīng)的電信號(hào)，主要用于壓力、拉力、張力、力矩等各種直接力的測(cè)量或者位移、加速度、角度、角速度、液位等物理量的轉(zhuǎn)換，也是目前使用范圍最廣、需求量最大的傳感器之一。目前常用的力傳感器主要以半導(dǎo)體硅、金屬、陶瓷、聚合物等材料作為傳感器的敏感材料或基體。隨著可穿戴醫(yī)療、柔性電子學(xué)等技術(shù)發(fā)展以及電子器件綠色、環(huán)保等要求的不斷提高，對(duì)于高靈敏度、可測(cè)量大變形、低成本，并且綠色環(huán)保的傳感器的研究已成為傳感器發(fā)展的趨勢(shì)之一。

紙作為中國(guó)古代的四大發(fā)明之一，長(zhǎng)期以來(lái)一直用于書(shū)寫(xiě)、記錄、印刷、繪畫(huà)或包裝等多種用途。紙由懸浮在水中的紙漿，在造紙機(jī)成形網(wǎng)上沉積出錯(cuò)綜復(fù)雜的纖維層、再經(jīng)壓榨、干燥等工序制成，具有價(jià)廉易得、重量輕、可通過(guò)剪裁、折疊、沖壓、激光切割等簡(jiǎn)單工藝進(jìn)行形狀加工、可通過(guò)書(shū)寫(xiě)、打印、印刷、噴涂、微納加工等方法進(jìn)行表面的圖案化和處理、并且具有綠色環(huán)保、容易回收和處理等優(yōu)點(diǎn)，因此利用紙制備傳感器，可從一定程度上降低傳感器的制備成本、提高傳感器的環(huán)保等級(jí)，同時(shí)利用紙表面的天然結(jié)構(gòu)或通過(guò)折疊制備的大尺寸結(jié)構(gòu)還能大幅度提高傳感器的靈敏度以及實(shí)現(xiàn)大變形測(cè)量。

近年來(lái)，隨著微納米、傳感器、精密制造等新技術(shù)的發(fā)展，已有研究機(jī)構(gòu)利用紙制作生化傳感器，進(jìn)行生化參數(shù)的檢測(cè)，但對(duì)于紙基力學(xué)量傳感器的研究較少，并且目前報(bào)道的紙基力學(xué)量傳感器主要以紙作為載體，需要結(jié)合石墨烯、石墨等納米材料作為敏感單元才能實(shí)現(xiàn)力學(xué)信號(hào)的檢測(cè)，還未發(fā)現(xiàn)直接利用紙表面的微納結(jié)構(gòu)作為敏感單元實(shí)現(xiàn)力學(xué)信號(hào)的高靈敏度檢測(cè)。

例如，任天令小組以紙作為載體，結(jié)合石墨制成石墨-紙基壓阻式傳感器，實(shí)現(xiàn)了20kPa以內(nèi)壓力的測(cè)量，在2kPa測(cè)量范圍內(nèi)的靈敏度達(dá)到17.2kPa^-1，一定程度上能夠滿足大范圍內(nèi)的壓力信號(hào)檢測(cè)并提高了傳感器的靈敏度。該技術(shù)方案雖然也采用了紙，但紙主要起到結(jié)構(gòu)和承載作用，其力敏感功能主要由制作在紙上面的石墨實(shí)現(xiàn)。

張躍等人利用POP((Pencil-on-Paper，“鉛筆畫(huà)紙上”)構(gòu)建了二維石墨片柔性紙基應(yīng)變傳感器，其響應(yīng)時(shí)間為110ms，靈敏度為536，最小分辨應(yīng)變?yōu)?.13％，經(jīng)10000次應(yīng)變測(cè)試后，電阻飄移量為10％，大大提高了傳感器的靈敏度并降低了傳感器的制作成本。該技術(shù)方案同樣是將紙作為載體，通過(guò)鉛筆在紙上畫(huà)出二維石墨片，其力敏感單元主要還是由紙上的二維石墨片實(shí)現(xiàn)。

相關(guān)文獻(xiàn)：Tao L Q,Zhang K N,Tian H,et al.Graphene-Paper PressureSensor for Detecting Human Motions[J].ACS nano,2017,11(9):8790-8795.

Liao X,Liao Q,Yan X,et al.Flexible and highly sensitive strainsensors fabricated by pencil drawn for wearable monitor[J].AdvancedFunctional Materials,2015,25(16):2395-2401.