CN104613860A

CN104613860A - 一种柔性可穿戴纸基应变传感器及其制备方法

Info

Publication number: CN104613860A
Application number: CN201510037167.XA
Authority: CN
Inventors: 张跃; 廖新勤; 闫小琴; 梁齐杰
Original assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Current assignee: University of Science and Technology Beijing USTB
Priority date: 2015-01-26
Filing date: 2015-01-26
Publication date: 2015-05-13

Abstract

本发明公开了一种柔性可穿戴纸基应变传感器，包括绝缘层、导电层、导线固定单元与导线，所述绝缘层设置于底端，导电层设置于绝缘层的上表面，导电层两端的各连接有一导线，导线与测量仪器相连，绝缘层为具有绝缘特性的纸基，本发明的有益效果在于，其制备简单，成本低廉，产品性能好，操作简便而且低碳环保，结构简单、应变检测速度快，且其可以穿戴在人体的手指关节、手腕连接处、膝盖关节处，且可以固定在家具、书本、建筑结构等物体上用于应变检测，在人体运动学、结构安全监测等领域具有广泛的应用前景。

Description

一种柔性可穿戴纸基应变传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及传感器领域，具体的说，涉及一种柔性可穿戴纸基应变传感器及其制备方法。

背景技术

可穿戴设备是一种可以安装在人、动物和物品上，并能感知、传递和处理信息的计算设备，传感器是可穿戴设备的核心器件。传感器具有可穿戴的性能，在智能交通、消费电子、医疗器械、智能家居、工业控制、航空军工等领域具有重要的应变前景。应变传感器是可以用于检测物体受到外界作用力或自身驱动变形所产生的一种传感器。随着科技的不断发展，人民物质条件的不断改善，对于柔性可传感器的电子器件的需要越来越大。目前上市的可穿戴设备五花八门，从智能眼镜到智能手表，从智能服装到智能鞋子，从高尔夫手套到拳击手套，但都和传感器有着密切的联系。例如在消费电子领域，可穿戴的传感器可以方便的佩戴在人的手腕上进行肢体运动的监测；在智能家居领域，可穿戴的传感器可以通过监测家具的形变，来反馈物体是否处于理想的状态。

传统应变传感器一般都是固定在硬质的基底上，不能满足可穿戴同时进行应变监测的要求。2010年，Rogers John A.等（John A. Rogers, Takao Someya, Yonggang Huang. Materials and Mechanics for Stretchable Electronics. Science, 2010, 327(5973): 1603-1607.）指出通过材料的研究制备和器件的优化设计可以实现柔性的传感器的制备。2014年，Rogers John A.等（Sheng Xu, Yihui Zhang, Lin Jia, et al. Soft Microfluidic Assemblies of Sensors, Circuits, and Radios for the Skin. Science, 2014, 344(6179): 70-74.）报道了柔性的可穿戴的传感器具有方便的灵活的持续的监测人体健康状态的能力。然而这种传感器存在制备工艺复杂，需要的制备周期长等不足之处。 2014年，Bao Zhenan等（Alex Chortos, Zhenan Bao. Skin-inspired electronic devices. Materials Today, 2014, 17(7): 321-331.）综述了近几年在柔性的可穿戴的传感器的研究，说明新型的传感器发展很快，在未来的机器人、人类延伸的“第六感”、健康与保健的监控等方面具有重要应用前景，同时文章指出要该类电子器件优化设计还有待进一步发展，需要注意器件性能，节能减耗，制备工艺，成本控制等方面。

发明内容

为解决上述问题，本发明提出一种可穿戴、制备工艺简单而且制备周期短的柔性可穿戴纸基应变传感器及其制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种柔性可穿戴纸基应变传感器，包括绝缘层和导电层，所述绝缘层设置于底端，所述导电层设置于所述绝缘层的上表面，所述绝缘层为具有绝缘特性的纸基，所述导电层为石墨薄膜。

进一步的，所述纸基应变传感器还包括导线固定单元与导线，所述导电层两端的各连接有一导线，所述导线与测量仪器相连，所述导线通过导线固定单元固定于导电层上。

进一步的，所述导线固定单元为导电银胶。

进一步的，所述导电层为连续的矩形结构，其长度与宽度不限。

进一步的，所述绝缘层为矩形结构。

进一步的，所述绝缘层纸基包括打印纸、滤纸、试纸和其它具有粗糙表面的柔性纸。

一种柔性可穿戴纸基应变传感器的制备方法，所述方法步骤如下：

（1）将打印纸裁剪为指定尺寸的矩形形状，制成绝缘层；

（2）用含有石墨的笔将经步骤（1）裁剪好的打印纸的表面涂黑，形成连续不间断的石墨薄膜，制成导电层；

（3）将经步骤（2）得到的导电层沿着长度方向的两端接入导线并用导电银胶固定，得到柔性可穿戴纸基应变传感器。

进一步的，所述绝缘层材料包括打印纸、滤纸、试纸和其它具有粗糙表面的柔性纸。

进一步的，所述含有石墨的笔包括9B、8B、7B、6B、5B、4B、3B、2B、B、HB、F、H、2H、3H、4H、5H、6H、7H、8H、9H、10H等硬度等级的铅笔和其它含石墨的碳笔。

本发明相对于现有的具有相同性能的传感器而言，其制备简单，成本低廉，产品性能好，操作简便而且低碳环保，结构简单、应变检测速度快，其可以穿戴在人体的手指关节、手腕连接处、膝盖关节处，且可以固定在家具、书本、建筑结构等物体上用于应变检测，在人体运动学、结构安全监测、智能家居等领域具有广泛的应用前景。

附图说明

图1 为本发明纸基应变传感器结构的主视示意图；

图2 为本发明纸基应变传感器结构的俯视示意图；

图3 为本发明导电层石墨薄膜的电镜扫描图；

图4 为本发明导电层向外弯曲示意图；

图5为本发明导电层向内弯曲示意图；

图6为本发明导电层石墨薄膜向内弯曲电镜扫描图；

图7为本发明导电层石墨薄膜向外弯曲电镜扫描图。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用于解释本发明，并不用于限定本发明。

相反，本发明涵盖任何由权利要求定义的在本发明的精髓和范围上做的替代、修改、等效方法以及方案。进一步，为了使公众对本发明有更好的了解，在下文对本发明的细节描述中，详尽描述了一些特定的细节部分。对本领域技术人员来说没有这些细节部分的描述也可以完全理解本发明。下面结合附图与具体实施方式，对本发明进一步说明。

如图1、图2、图3所示，一种柔性可穿戴纸基应变传感器，包括绝缘层1、导电层2、导线固定单元3与导线4，所述绝缘层1设置于底端，所述导电层2设置于所述绝缘层1的上表面，所述导电层2两端的各连接有一导线4，所述导线4与测量仪器相连，所述导线4通过导线固定单元3固定于导电层2上，所述导电层2为连续的矩形结构，其长度与宽度不限，可根据实际需要选择，所述绝缘层1为具有绝缘特性的纸基，所述绝缘层为矩形结构，其材质包括：打印纸、滤纸、试纸和其它具有粗糙表面的柔性纸等，所述导电层2为石墨薄膜，现有的应变传感器中，导电层材料一般选用金属或金属氧化物，在重复多次测试中，会产生疲劳效应，内部产生裂纹，影响检测的准确性而且成本高，而石墨在生活中随处可见，其导电性能好、重量轻、粘附性好而且成本也很低，故选用石墨作为导电层材料，所述导线固定单元3为导电银胶，导电性良好而且使用方便。

如图4~图7所示，在使用所述应变传感器测量时，将应变传感器放置于所要测量的位置，当所述应变传感器向外弯曲时，导电层3上的石墨片薄膜之间会受到拉力而有一定的相对分开距离产生裂纹，进而使器件的电阻增大，以此来感应检测物体的形变；相似的原理，当应变传感器向内弯曲时，石墨薄膜之间会受到挤压力而发生相对位置重叠，进而使器件的电阻减小，以此来感应物体的形变。

（1）将打印纸裁剪为指定尺寸的矩形形状，制成绝缘层；

制作绝缘层的材料并不限于上述的打印纸，也可使用其他材料，包括：制成绝缘层的纸基材料不限于所述打印纸，滤纸、试纸和其它具有粗糙表面的柔性纸等。

制作导电层的含有石墨的笔包括：9B、8B、7B、6B、5B、4B、3B、2B、B、HB、F、H、2H、3H、4H、5H、6H、7H、8H、9H、10H等硬度等级的铅笔和其它含石墨的碳笔等。

以下为本发明在生活中实际应用的实施例：

实施例1：

（1）将厚度为100微米的打印纸裁剪为长度为4厘米且宽度为0.5厘米的矩形；

（2）用2B铅笔将经步骤（1）裁剪好的打印纸的表面全部涂黑，形成连续石墨薄膜，石墨薄膜微观结构如图3所示；

（3）将经步骤（2）得到的打印纸沿着长度方向的两端用银胶引出导线，得到柔性可穿戴纸基应变传感器，结构示意图如图1所示；

（4）将经步骤（3）得到的长度为4厘米且宽度为0.5厘米的传感器用双面胶固定在手指上，即可用于手指的弯曲检测。

实施例2：

（1）将厚度为500微米的滤纸裁剪为长度为2厘米且宽度为1厘米的矩形；

（4）将经步骤（3）得到的长度为2厘米且宽度为1厘米的传感器用双面胶固定在放在书本的夹角中，即可用于书本的开合角度检测。

实施例3：

（1）将厚度为200微米的试纸裁剪为长度为40厘米且宽度为2厘米的矩形；

（4）将经步骤（3）得到的长度为40厘米且宽度为2厘米的传感器用双面胶固定在放在柔性支架结构中，即可用于该支架的微应变检测。

Claims

1.一种柔性可穿戴纸基应变传感器，包括绝缘层1和导电层2，所述绝缘层1设置于底端，所述导电层2设置于所述绝缘层1的上表面，其特征在于：所述绝缘层1为具有绝缘特性的纸基，所述导电层2为石墨薄膜。

2.根据权利要求1所述的纸基应变传感器，其特征在于：所述纸基应变传感器还包括导线固定单元3与导线4，所述导电层2两端的各连接有一导线4，所述导线4与测量仪器相连，所述导线4通过导线固定单元固3定于导电层2上。

3.根据权利要求2所述的纸基应变传感器，其特征在于：所述导线固定单元3为导电银胶。

4.根据权利要求1所述的纸基应变传感器，其特征在于：所述导电层2为连续的矩形结构，其长度与宽度不限。

5.根据权利要求1所述的纸基应变传感器，其特征在于：所述绝缘层1为矩形结构。

6.根据权利要求1所述的纸基应变传感器，其特征在于：所述绝缘层1纸基包括打印纸、滤纸、试纸和其它具有粗糙表面的柔性纸。

7.一种柔性可穿戴纸基应变传感器的制备方法，其特征在于，所述方法步骤如下：

（1）将打印纸裁剪为指定尺寸的矩形形状，制成绝缘层；

8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述绝缘层材料包括打印纸、滤纸、试纸和其它具有粗糙表面的柔性纸。

9.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：所述含有石墨的笔包括9B、8B、7B、6B、5B、4B、3B、2B、B、HB、F、H、2H、3H、4H、5H、6H、7H、8H、9H、10H等硬度等级的铅笔和其它含石墨的碳笔。