CN105708425A - 一种可用于人体脉搏检测的柔性电阻式压力传感器的研制 - Google Patents

一种可用于人体脉搏检测的柔性电阻式压力传感器的研制 Download PDF

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Abstract

一种可用于人体脉搏检测的柔性电阻式压力传感器，利用静电纺丝技术制备的聚合物微纳米纤维作为骨架，石墨烯作为导电活性层包覆在骨架外层，构成传感器的敏感层；然后将敏感层转移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)衬底上，最后另外一层PDMS薄膜覆盖在复合材料上来封装形成器件。该器件可根据需要任意制作n×m的传感器阵列，制作成柔性电阻式压力传感器。本发明的柔性电阻式压力传感器对于微弱的压力具有极高的灵敏度、极快的响应恢复速度和稳定的响应性能，且对于人体脉搏的跳动具有良好的检测能力。

Description

一种可用于人体脉搏检测的柔性电阻式压力传感器的研制
技术领域：
本发明涉及柔性纳米材料及电阻式压力传感器领域。具体涉及一种基于聚合物与石墨烯复合材料的柔性脉搏压力传感器的制备方法。
背景技术：
人口老龄化，慢性疾病和传染病的普遍存在使全球医疗保健系统面临着成本上升的挑战。常用的复杂医疗监护设备不仅会大大的增加成本，还可能会给病人和医生带来许多的不变和痛苦。对于面临的挑战，研究者们正在积极寻找新的方案和解决方法使得患者能够摆脱空间和时间的限制实现实时的健康监测，以此来防患于未然和降低医疗成本。近年来，随着柔性电子学的发展，轻、薄、柔的便携式、可折叠、可穿戴的柔弹性器件备受国内外研究者们的关注，逐渐成为当前重要的前沿研究领域。基于柔性压力传感器技术可任意移动、弯曲、压缩而保持良好的传感性能，可编制或组装在衣物，辅助设备或者日用品上，这样健康信息就可以不间断、随时随地地获取，使人们能够随时关注自己的健康生理指标。
根据信号转换机理，压力传感器主要分为电阻式传感器、电容式传感器和压电式传感器。其中电阻式压力传感器的基本工作原理是将被测压力的变化转变为传感器的电阻值的变化。对于电阻式压力传感器，专利号为CN202793657U的实用新型专利公开了一种陶瓷电阻式压力传感器的设计；专利号为CN102288354A的发明专利提供了一种能够实现高灵敏度以及高精度的压力测定的压敏电阻式压力传感器的制备方法；专利号为CN101393058A的专利发明了一种适用于穿戴式个人生理信息与状态检测的具有有机组织结构的柔性电阻式压力传感器。
然而，上述专利由于其硬性衬底均不适用于应用在可穿戴健康监测系统中。而随着社会的发展，可穿戴式医疗检测系统的需求必将会越来越大。因此迫切需要发明一种柔性电阻式压力传感器应用在健康监测领域。韩国首尔大学Kahp-YangSuh等人通过纳米纤维相互咬合的结构制备出了能够感知不同机械形变的柔性电阻式应力传感器[Nat.Mater.2012,11,795-801]。中国科学院苏州纳米研究所张珽等人报道了一种基于柔性电阻式眼里传感器的柔性仿生电子皮肤[Adv.Mater.2014,26,1336–1342].这些柔性电阻式压力传感器虽然具有工艺简单、成本低、抗干扰强、容易实现小尺寸等优点，但也存在着灵敏度低、稳定性差、迟滞大等缺点。
为此，需要发明出一种既具有柔性、高灵敏、快响应、稳定性好等特性，同时能够更精确的随时监测身体信号的柔性电阻式压力传感器。
发明内容：
本发明的目的是制备一种更高灵敏度、更快响应速度的柔性电阻式压力传感器，该器件利用一种聚合物微纳米纤维和石墨烯复合的纳米材料作为传感器的敏感层，通过感知外界微弱压力的变化表现为自身电阻的变化，进而用于人体脉搏或其它健康状况的检测。
为了实现上述目的，本发明设计了一种聚合物微纳米纤维与石墨烯的新型复合结构。这种复合结构是通过搅拌沉积将石墨烯层有效地包覆在静电纺丝技术制备的聚合物微纳米纤维表面，其扫描电镜图片如图1所示。然后将复合后的材料转移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜衬底上，最后将另外一层PDMS薄膜覆盖在复合材料上用来封装器件，进而组装成柔性电阻式压力传感器，图2所示为其结构示意图。
这种器件结构利用电纺聚合物微纳米纤维作为骨架，石墨烯作为导电活性层，进而构成三维石墨烯网状结构，使得器件在受到微弱的力而发生微小形变的时候也能够在材料内部变现为产生较大的结构形变，进而输出相应的电信号变化，从而降低器件的检测极限，有利于检测人体脉搏等微弱的信号变化。同时，所制备柔性器件易于集成n×m的传感器阵列，如图3所示为5×5柔性触觉传感。
上述聚合物微纳米纤维材料包括：聚偏氟乙烯，聚苯乙烯，聚氨酯，聚酰亚胺，聚甲基丙烯酸甲酯，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚己内酯中的一种或几种。
本发明与现有技术相比具有以下特点和优点：(1)压敏材料的制备方法简单环保且成本低，整个制备过程均在常温下进行；(2)本发明制备的聚合物微纳米纤维骨架层和导电石墨烯层均可根据需要对其厚度随意进行控制；(3)所组装的器件对人体的脉搏具有很好的信号检测，如图4所示为柔性电阻式压力传感器实时监控脉搏信号图片；(4)器件的制备流程易于操作，能够随时转移到需要组装的器件衬底上，可根据需要任意制作n×m的传感器阵列，进一步制作成柔性电子皮肤。
下面通过实施例并结合附图做进一步说明。
附图说明：
图1为石墨烯包覆聚合物微纳米纤维的扫描电镜图。
图2为柔性电阻式压力传感器的结构示意图。
图3为5×5柔性触觉传感器的照片。
图4为柔性电阻式压力传感器实时监控脉搏信号图片。
图5为柔性电阻式压力传感器的灵敏度随压强变化图。
图6为柔性电阻式压力传感器在压强为100Pa时的循环响应曲线图。
具体实施方式：
实施例1：
1.聚偏氟乙烯微纳米纤维的制备:首先，将2克聚偏氟乙烯溶于4克丙酮和4克N-N二甲基甲酰胺混合溶液中，在室温下搅拌4小时至溶液均一透明。之后，取1毫升混合溶液于5毫升一次性塑料针管中开始静电纺丝。纺丝参数为：电压10千伏，接收板距离10厘米，纺丝时间30秒。为了石墨烯能够完全包覆在纳米纤维表面，所用收集装置为中空不锈钢网。
2.石墨烯包覆聚偏氟乙烯纳米纤维的制备:首先，取0.75毫升氧化石墨烯溶液倒入29.25毫升去离子水中，搅拌半个小时后，将聚偏氟乙烯纳米纤维膜悬于上述溶液中，室温搅拌2小时后，滴加0.5毫升水合肼，室温下搅拌12小时。将所制备的复合材料用去离子水清洗，最后在60度真空条件下干燥12小时。复合材料的扫描电镜图片如图1所示。
3.柔性电阻式压力传感器的制作:首先，利用旋涂法制作出厚度为0.5毫米的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜衬底，之后将石墨烯复合材料转移到PDMS衬底上，材料两端引出铜导线，并用铜胶带进行固定，最后将另外一片同样厚度的PDMS薄膜扣在材料表面，组装成厚度为1毫米的柔性电阻式压力传感器。
4.传感器的性能测试及对人体脉搏的测量:将器件两端导线与测试仪器相连(吉时利2636B)，通过施加不同的压强导致器件两端阻值的变化的不同，进而使得器件的电流发生变化，如图5所示柔性电阻式压力传感器随压强变化的灵敏度。同时还可将器件封装在表带中，佩戴在被测试人的手腕处，能够准确的监视被测人脉搏的变化情况，进而可实时监测被测人的身体健康状况。
本发明组装的柔性电阻式压力传感器对于微弱的压力具有极高的灵敏度、极快的响应恢复速度和稳定的响应性能，且对于人体脉搏的跳动具有良好的检测能力，图6所示为柔性电阻式压力传感器在压强为100Pa时的循环响应曲线。
实施例2：
1、将聚偏氟乙烯微纳米纤维的纺丝收集时间提高到60s；
2、氧化石墨烯的溶液浓度提高到原来的2倍；
3、PDMS衬底的厚度提高为原来的2倍；
其它实验参数与器件的制作方法均与实施例1相同，测试传感器的压力性能以及对于人体脉搏的检测能力与实施例1的不同。发现聚合物微纳米纤维的纺丝收集时间越长，纤维膜厚度越大，或提高氧化石墨烯的浓度，沉积得到的石墨烯层数越多，这均会导致器件的导电性提高，但是其灵敏度会减小，从而降低对于人体脉搏的检测能力；PDMS薄膜的厚度提升会降低器件对于压力形变的感应，进而阻碍对于人体脉搏的检测，因此，PDMS衬底的厚度在不影响器件封装的情况下，越小越好。

Claims (2)

1.一种可用于人体脉搏检测的柔性电阻式压力传感器，利用静电纺丝技术制备的聚合物微纳米纤维作为骨架，石墨烯作为导电活性层包覆在骨架外层，构成传感器的敏感层；然后将敏感层转移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)衬底上，最后另外一层PDMS薄膜覆盖在复合材料上来封装器件，经过组装形成柔性电阻式压力传感器。
2.根据权利要求1所述的一种可用于人体脉搏检测的柔性电阻式压力传感器，其特征在于：所述聚合物微纳米纤维材料包括聚偏氟乙烯，聚苯乙烯，聚氨酯，聚酰亚胺，聚甲基丙烯酸甲酯，聚对苯二甲酸乙二醇酯，聚己内酯中的一种或几种。
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