[發明專利]一種柔性可穿戴式應變傳感器及其制備方法

有效

• 申請號: 201811048331.7
• 申請日: 2018-09-10
• 公開（公告）號: CN109341736B
• 公開（公告）日: 2021-04-16
• 發明（設計）人: 何建新;南楠;劉凡;邵偉力;崔世忠;強榮;于書淳;王芳芳
• 申請（專利權）人: 中原工學院
• 主分類號: G01D11/00
• 分類號: G01D11/00;D02G3/04;D02G3/36
• 代理公司: 鄭州優盾知識產權代理有限公司 41125
• 代理人: 孫詩雨;張志軍

本發明涉及柔性電子與傳感器技術領域，特別是指一種柔性可穿戴式應變傳感器及其制備方法。所述傳感器包括兩條交叉的螺旋復合紗線，每條螺旋復合紗線的一端粘有銅膠帶，兩個銅膠帶分別與銅導線相連，兩條交叉的螺旋復合紗線上下兩側均黏貼PDMS彈性膜；所述傳感器的長度不小于35mm。本發明制備應變傳感器具有較好的力學自適應性，且靈敏度較高，可實現真正意義上的可穿戴傳感器，結構創新，制作過程簡單，成本低廉易操作。

技術領域

本發明涉及柔性電子與傳感器技術領域，特別是指一種柔性可穿戴式應變傳感器及其制備方法。

背景技術

隨著智能終端的普及，可穿戴電子設備呈現出巨大的市場前景。傳感器在人體健康監測方面發揮著至關重要的作用，而柔性可穿戴電子傳感器具有輕薄便攜、電學性能優異和集成度高等特點，并且能夠通過實時監測脈搏、心跳、體溫、肌肉群震動等人體健康生理指標，對人體健康數據變化及時做出反饋，甚至實現疾病的前期預防和診斷，使其成為最受關注的電學傳感器之一。大量的具有特殊設計結構的應變傳感器被開發，但是這種復雜的設計導致制造技術中的困難呈指數式增長，導致它們在商業應用中非常困難。因此，在沒有性能損失的情況下，器件結構的簡化將是優先考慮的。因此設計一種適合穿戴的應變傳感器，具有輕便性，一致性和便攜性，使其能夠貼合人體，準確地測量連續人體運動檢測，生理測量和疾病診斷，且適合長期佩戴使用，是本發明需要解決的問題。

靜電紡納米纖維紗線具有尺寸小、比表面積大、孔隙率高、取向度好、抗拉強度大、易于二次加工的優點，由納米纖維紗線構成的傳感器具有明顯優勢和廣闊發展前景。首先，納米紗線是由納米纖維構成，紗線會保持原有納米纖維比表面積大的優勢；其次，納米紗線克服了傳統納米纖維膜力學性能弱的缺點，強力明顯提高，并可以進一步編織、復合、功能化，可以制成各種結構材料、復合材料、特殊功能材料，織造不同結構的二維或三維的織物，實現將無規則或取向納米纖維等納米材料向宏觀材料的轉變，可以提高材料功能穩定性，以及所制備材料的使用壽命。本發明通過先前報道的共軛靜電紡成紗技術制備連續的納米纖維紗線，然后在紗中纖維表面原位聚合包覆一層導電聚合物，將獲得的導電納米纖維紗線螺旋纏繞到彈性長絲的表面，將獲得螺旋復合紗線進一步整合封裝制得應變傳感器，具有高的可編織性和可集成性。

發明內容

本發明提出一種柔性可穿戴式應變傳感器及其制備方法，解決了現有傳感器功能不穩定、使用壽命短的問題。

本發明的技術方案是這樣實現的：

一種柔性可穿戴式應變傳感器，所述傳感器包括兩條交叉的螺旋復合紗線，每條螺旋復合紗線的一端粘有銅膠帶，兩個銅膠帶分別與銅導線相連，兩條交叉的螺旋復合紗線上下兩側均黏貼PDMS彈性膜；所述傳感器的長度不小于35mm。

所述螺旋復合紗線的制備方法為：將納米纖維通過共軛靜電紡成紗技術制備連續的納米纖維紗線，然后在紗中纖維表面原位聚合包覆一層聚吡咯導電聚合物，將獲得的導電納米纖維紗線螺旋纏繞到彈性長絲的表面，完成螺旋復合紗線的制備。

所述納米纖維的直徑為100-300nm的聚丙烯腈纖維，聚丙烯腈的分子量不小于100000；納米纖維紗線的直徑為300-650μm。

所述的柔性可穿戴式應變傳感器的制備方法，步驟如下：

（1）將氧化石墨烯溶于二甲基甲酰胺溶液中，密封條件下進行強力超聲處理，得到均勻分散的氧化石墨烯溶液；

（2）將干燥的聚丙烯腈粉末加入到步驟（1）得到的氧化石墨烯溶液中，于40-80℃下攪拌3-8h，得到紡絲溶液；

（3）將步驟（2）得到的紡絲溶液加入到注射泵中制備得到連續的納米纖維紗線；

（4）將步驟（3）得到的納米纖維紗線浸泡在三氯化鐵溶液中，處理30-100min，然后再浸泡在吡咯溶液中于0℃下處理1-5 h，取出后用去離子水清洗，然后置于30-90℃的真空烘箱中干燥，得到導電納米纖維紗線；