[發明專利]基于石墨烯的雙通道柔性多態應力傳感器的制備方法

有效

• 申請號: 202110258808.X
• 申請日: 2021-03-10
• 公開（公告）號: CN113029404B
• 公開（公告）日: 2022-05-24
• 發明（設計）人: 黃文;李奕奕;龔天巡;林媛;張曉升
• 申請（專利權）人: 電子科技大學
• 主分類號: G01L1/22
• 分類號: G01L1/22
• 代理公司: 暫無信息
• 代理人: 暫無信息

本發明公開了一種基于表面微結構柔性基底石墨烯材料的制備方法，并提供一種雙通道柔性多態應力傳感器結構，涉及柔性多態應力傳感器結構和制備。該傳感器包括：上下柔性襯底、上下敏感層、上下電極層及封裝結構；下柔性襯底及下敏感層為表面微結構化處理的PDMS襯底及于其表面成膜的石墨烯薄膜，通過PDMS倒模及刷涂石墨烯制備；上電極層包括銀電極C及其電極引出端，下電極包括銀電極A、B及其電極引出端。制備的雙通道傳感器用于實現壓力應力信號的同時檢測，可實現包括關節彎曲、外力按壓、皮膚拉伸等復雜應變情況下的人體動作的分辨判斷。同時，通過采用基于表面微結構柔性基底的石墨烯材料，優化了傳感器適應的應力檢測范圍，保證了在人體關節自由活動時傳感器能夠正常工作。

技術領域

本發明屬于柔性壓力傳感器領域，具體涉及基于表面微結構柔性基底石墨烯的雙通道柔性多態應力傳感器的結構及制備方法。

背景技術

隨著現代社會生活節奏加快，人們希望能夠通過科技手段對自己的身體狀況進行更加便捷、更加緊密的檢測，為了實現這種需求，各種柔性可穿戴傳感器的研發必不可少。通過可穿戴式力學傳感器，可以方便、持續地對各種生理信號及肢體動作進行監控，如脈搏、心率、關節活動等，能夠為運動員訓練、傷患復建等場景提供有效信息。石墨烯是一種良好的敏感材料，它無毒、易制作、且具有優異的力電性能，已經被廣泛應用于可穿戴力學傳感器。

柔性可穿戴器件應用于人工智能和人機交互領域，其設計制造所面對的一個問題是如何在復雜多變的人體表面收集諸多復雜的機械變化信號同時對其進行區分，從而對所收集的信號進行后續處理分析，準確推斷出實際的肢體動作。

諸多柔性力學傳感器通過阻變效應實現對單一應變或單一壓力的檢測。在常見的阻變石墨烯應力傳感器中，石墨烯納米材料之間的連接在應力的作用下發生部分分離，導致電阻增大，這是一個可逆的過程；電阻式石墨烯壓力傳感器通常具有雙層結構，上下層的導電石墨烯材料受到壓力時相互接觸，電阻減小，由此可實現壓力的檢測。作為可穿戴傳感器應用于人體信號檢測，這兩種傳感器單獨作用時容易受到干擾。如可用于探測關節彎曲的應力傳感器，在受到按壓時電阻同樣呈現增大的趨勢，難以判斷電阻的增大究竟是由關節彎曲產生應變導致的還是由外力按壓導致的。類似的現象同樣出現在可穿戴壓力傳感器上。

因此，為了分辨復雜應變情況下的人體動作，有必要獲取更豐富的實時信息，采用同一器件實現壓力和伸縮應力信號的同時檢測，用于對各種復雜情況動作的分析判斷。同時為了保證在人體關節自由活動時傳感器正常工作，需要針對傳感器可適應應變范圍進行優化。

發明內容

本發明的目的在于提供一種基于表面微結構柔性基底石墨烯材料的制備方法，并提供一種雙通道柔性多態應力傳感器結構。該制備方法主要針對表面微結構化PDMS基底的倒模制備及石墨烯薄膜的刷涂制備。雙通道傳感器用于實現壓力應力信號的同時檢測，以實現人體復雜情況動作的判斷。為實現該目的，本發明采用的技術方案為：

一種基于表面微結構柔性基底石墨烯的雙通道柔性多態應力傳感器，其特征在于，所述材料由石墨烯刷涂于表面微結構化的PDMS基底制備，所述柔性力學傳感器具有雙通道結構。該傳感器包括上柔性襯底、上敏感層、上電極層、下電極層、下敏感層、下柔性微結構化襯底、封裝結構。其中上敏感層為刷涂于未經表面微結構化處理的PDMS襯底上的石墨烯薄膜；下敏感層由刷涂于表面微結構化處理的PDMS襯底上的石墨烯構成，石墨烯分布在具有方網格狀微溝道的PDMS表面且填充于溝道中，溝道寬10-50μm，深30-80μm。上電極層包括電極C及其電極引出端，包括濺射形成的銀電極、銅線、導電膠帶，其中銀電極與上敏感層相連，銅線與銀電極相連，通過導電膠帶固定；下電極包括電極A、B及其電極引出端，各自包括其濺射形成的銀電極、銅線、導電膠帶，其中A、B銀電極分別位于下敏感層的兩端，皆與下敏感層相連，兩端各有銅線與銀電極相連，通過導電膠帶固定。所述AC電極端之間的電阻變化主要受上下敏感層之間的壓力影響；AB電極端之間的電阻變化主要受下敏感層兩端的應力影響，可同時對AB、AC電極間的電阻變化進行監測。所述上、下柔性襯底通過粘性PDMS封裝。