[發(fā)明專利]一種可穿戴的柔性應(yīng)力傳感器及其制備方法和應(yīng)用

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201811104807.4
• 申請(qǐng)日: 2018-09-21
• 公開（公告）號(hào): CN109238522A
• 公開（公告）日: 2019-01-18
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 梁嘉杰;史鑫磊
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 南開大學(xué)
• 主分類號(hào): G01L1/20
• 分類號(hào): G01L1/20;C09D11/52
• 代理公司: 天津市杰盈專利代理有限公司 12207
• 代理人: 趙尊生

本發(fā)明涉及一種可穿戴的柔性應(yīng)力傳感器及其制備方法和應(yīng)用。首先制備適合于絲網(wǎng)印刷的功能性油墨，并通過絲網(wǎng)印刷方法，把油墨印刷在可穿戴基底上，制得所需規(guī)格的應(yīng)力傳感器。用于監(jiān)測(cè)由小范圍至大范圍物理形變?nèi)缋?，彎曲，觸摸等。在人體關(guān)節(jié)、表情、脈搏、心跳等電子皮膚領(lǐng)域和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，人機(jī)交互領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)和娛樂技術(shù)等領(lǐng)域有諸多應(yīng)用。本發(fā)明的柔性應(yīng)力傳感器具有以下優(yōu)點(diǎn)：具有優(yōu)異的拉伸彈性，拉伸應(yīng)變可達(dá)100%；極高的靈敏度，靈敏度參數(shù)(Gauge Factor)最高達(dá)到8000以上；工作曲線的線性關(guān)系優(yōu)良，拉伸重復(fù)性好，以及拉伸循環(huán)滯后??；制備流程簡(jiǎn)單，成本低廉，適宜于大批量的集成器件制備，應(yīng)用前景廣泛。

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及一種可穿戴的柔性應(yīng)力傳感器及其制備方法和應(yīng)用，具體是一種基于印刷法制備的具有高靈敏度且大形變量的可穿戴應(yīng)力傳感器及其制備方法和應(yīng)用。主要用于監(jiān)測(cè)由小范圍至大范圍物理形變?nèi)缋?，彎曲，觸摸等。在人體關(guān)節(jié)、表情、脈搏、心跳等電子皮膚領(lǐng)域和生物醫(yī)學(xué)應(yīng)用領(lǐng)域，人機(jī)交互領(lǐng)域，虛擬現(xiàn)實(shí)和娛樂技術(shù)等領(lǐng)域有諸多應(yīng)用。

背景技術(shù)

可穿戴力學(xué)傳感器由于其廣泛的應(yīng)用有著巨大的前景。作為一種性能良好的力學(xué)傳感器，需要滿足很多要求如：高的靈敏性、大的拉伸性、快速響應(yīng)速度、好的穩(wěn)定性、低的制備成本與批量制備等。

若要將拉伸傳感器在實(shí)際中廣泛應(yīng)用，除了制備成本等因素，最大的關(guān)鍵點(diǎn)在于處理工作范圍與靈敏性之間的平衡。到目前為止，研究人員對(duì)于拉伸傳感器進(jìn)行的探索在處理高靈敏性與大拉伸范圍的成果上仍然不夠理想，在工作范圍足夠大的情況下，靈敏度過小不宜檢測(cè)；在靈敏性足夠的情況下，工作范圍過小不能滿足實(shí)際應(yīng)用的要求。

中國(guó)專利公開號(hào)為CNIO7246929A公布了一種二維硒化銦力學(xué)傳感器的制備方法。該發(fā)明通過機(jī)械剝離法制備了二維InSe納米片并通過模板法制備了二維硒化銦力學(xué)傳感器。該傳感器的應(yīng)變系數(shù)只有40，靈敏性較差。

中國(guó)專利公開號(hào)為CN 104251753 A 公布了一種基于氧化石墨烯電紡聚氨醋的彈性應(yīng)力傳感器。該發(fā)明公開了一種基于氧化石墨烯電紡聚氨醋的彈性應(yīng)力傳感器,包括由聚氨酯膜構(gòu)成的基體,基體上浸潤(rùn)有氧化石墨烯。該傳感器應(yīng)變范圍只有40%，拉伸性較差。

中國(guó)專利公開號(hào)為CN 107957303 A 公布了一種柔性可穿戴非晶碳基應(yīng)力傳感器的制備方法。然而該方法采用了酸腐蝕方法、蒸發(fā)鍍銀方法等手段，消耗過高步驟麻煩并且伴隨污染。

總的來(lái)說(shuō)，本發(fā)明制備了一種同時(shí)擁有大拉伸范圍和高靈敏程度的傳感器，能夠探測(cè)人體如脈搏等微弱的信號(hào)和關(guān)節(jié)等較大的形變，這是當(dāng)前大部分傳感器所不能達(dá)到的。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明目的是提供一種可穿戴的柔性應(yīng)力傳感器及其制備方法和應(yīng)用。利用一維的金屬納米線提供網(wǎng)絡(luò)結(jié)構(gòu)并提供高的電導(dǎo)率，降低實(shí)際電阻，在實(shí)際應(yīng)用過程中便于檢測(cè)，降低檢測(cè)成本。用二維納米片層材料固定一維納米線提供片層結(jié)構(gòu)增強(qiáng)靈敏性，用高分子螯合劑和高價(jià)金屬離子來(lái)增加工作范圍，進(jìn)而得到有較大工作范圍、超高靈敏度的力學(xué)傳感器。本發(fā)明制備簡(jiǎn)單，全水相綠色環(huán)保無(wú)污染，可大批量制備。首先將材料制備導(dǎo)電性油墨，通過印刷的手段可大量制備傳感器。

本發(fā)明提供的一種可穿戴柔性應(yīng)力傳感器，包含基底材料和導(dǎo)電層，該導(dǎo)電層是通過絲網(wǎng)印刷基于多元功能復(fù)合材料的膠體油墨制備而成的，其中基于多元功能復(fù)合材料的膠體油墨原料的質(zhì)量組成為：

一維金屬納米線 0.87-15%；

二維無(wú)機(jī)納米片層材料 0.2-5%;

高分子螯合劑 0.02-1%；

高價(jià)金屬離子 0.01-0.1%

水或有機(jī)醇類溶劑，78.9-98.8%

上述組份之和為100%;