CN108020157A - 一种低成本、高性能人体运动传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明提供一种低成本、高性能人体运动传感器及其制备方法，属于传感器技术领域。该传感器包括可拉伸柔性基底和设置于可拉伸柔性基底上的应变敏感材料以及设置于应变敏感材料两端的导线。本发明的优点在于操作简便、工艺简洁，成本低，性能好，可穿戴于人体皮肤表面，能够通过对应变的响应来检测人体运动情况，可满足人体运动检测、智能医疗辅助服务等方面的应用需求。

Description

一种低成本、高性能人体运动传感器及其制备方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别是指一种低成本、高性能人体运动传感器及其制备方法。

背景技术

应变式传感器是一种基于测量物体受力变形而产生的应变的传感器。其原理是利用电阻应变片将应变转换为电阻变化进行测量。传统的应变传感器多数基于金属和半导体材料，其便携性、柔性和可穿戴行差，不能随身携带，不方便用于检测人体活动，这大大限制了传感器的应用范围。柔性传感器作为可穿戴器件，可以用来检测各种人体生理活动，包括呼吸、脉搏、吞咽、发声时的肌肉振动、血压等小幅度的活动，也可以用来检测手指运动，手肘、膝盖等的弯曲及运动等大幅度的运动。在人体健康检测、医疗辅助跟踪治疗、柔性电子皮肤以及智能家居、智能服装方面具有很好的应用前景。

应变敏感材料是传感器的最重要的组成部分，具有优异导电性能的应变敏感材料是决定传感器灵敏度的重要因素，常见的应变敏感材料主要分为三种：自身具有优良导电能力的材料、压电或压阻材料、具有高弹性导电复合材料，使用不同材料制备的传感器具有不同特点。碳元素有多种同素异形体，其中最常见的就是石墨。石墨具有稳定的化学性能和优良的导电性能，但是由石墨制备的传统应变传感器存在一些弊端，如可拉伸性差，灵敏度较低等。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种低成本、高性能人体运动传感器及其制备方法。

该传感器包括可拉伸柔性基底、应变敏感材料和导线，应变敏感材料均匀覆盖在可拉伸柔性基底上，导线连接在应变敏感材料的两端。

其中，可拉伸柔性基底由液体固化而成，厚度为1～3mm，可拉伸柔性基底能够裁剪成任意形状，可拉伸柔性基底能够拉伸至自身长度3倍以上。

应变敏感材料为厚度为50～200μm的石墨颗粒薄膜，石墨颗粒薄膜由石墨颗粒悬浊液上面的膜层，通过提拉方法，重复若干次获得。

导线为两根，分别连接在应变敏感材料的两端，导线通过导电银胶固定于应变敏感材料上。

该低成本、高性能人体运动传感器的制备方法，包括如下步骤：

S1：将液体柔性基底进行固化，固化厚度为1～3mm，并将固化后的可拉伸柔性基底裁剪成合适尺寸，备用；

S2：将石墨粉末与去离子水按照3g/100ml～10g/100ml的比例混合得到悬浊液，然后将此悬浊液置于超声波细胞粉碎机中超声处理30min～50min，使得石墨粉末均匀的分散在去离子水表面，形成一层致密的有金属光泽的厚度在10～50μm的石墨颗粒薄膜；

S3：将S1所制得的可拉伸柔性基底放入S2所制得的石墨颗粒薄膜下方，然后向上提拉，使得石墨颗粒薄膜与可拉伸柔性基底结合在一起，重复此步骤3-8次，得到可拉伸柔性基底上覆盖厚度为50～200μm的导电薄膜，即为应变敏感材料；

S4：将S3所得覆盖有应变敏感材料的可拉伸柔性基底充分晾干，然后使用导电银胶在应变敏感材料两端各引出一条导线。

本发明的上述技术方案的有益效果如下：

本发明的低成本、高性能人体运动传感器具有制备工艺简便、成本低廉、可检测大幅度应变、可穿戴在人体皮肤表面等特点，可以应用于检测人体运动、辅助智能医疗服务等方面。

附图说明

图1为本发明的低成本、高性能人体运动传感器结构示意图；

图2为本发明的应变传感器导电层的扫描电镜图；

图3为本发明的应变传感器在100％应变下的时间-电阻曲线图。

其中：1-可拉伸柔性基底；2-应变敏感材料；3-导线。

具体实施方式

为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。

本发明提供一种低成本、高性能人体运动传感器及其制备方法。

如图1所示，该传感器中，应变敏感材料2均匀覆盖在可拉伸柔性基底1上，导线3连接在应变敏感材料2的两端。

可拉伸柔性基底1由液体固化而得，厚度为1～3mm，可裁剪成任意形状，可拉伸至自身长度3倍以上。应变敏感材料2为厚度在50～200μm的石墨颗粒薄膜，薄膜由石墨颗粒悬浊液上面的膜层，通过提拉方法，重复若干次获得。低成本、高性能人体运动传感器的应变敏感材料2两端各有一条导线3，导线3通过导电银胶固定于应变敏感材料2上。应变传感器通过改变导电物质的接触面积进而改变导电路径，进而达到改变电阻的目的，并以此检测外界应力产生的应变。

该传感器采用以下方法制得：

S1：将液体柔性基底进行固化，固化厚度为1～3mm，并将固化后的可拉伸柔性基底1裁剪备用；

S2：将石墨粉末与去离子水按照3g/100ml～10g/100ml的比例混合得到悬浊液，然后将此悬浊液置于超声波细胞粉碎机中超声处理30min～50min，形成一层致密的有金属光泽的厚度在10～50μm的石墨颗粒薄膜；

S3：将S1所制得的可拉伸柔性基底放入S2所制得的石墨颗粒薄膜下方，然后向上提拉，使得石墨颗粒薄膜与可拉伸柔性基底结合在一起，重复此步骤3-8次，得到可拉伸柔性基底上覆盖厚度为50～200μm的导电薄膜，即为应变敏感材料；

S4：将S3所得覆盖有应变敏感材料的可拉伸柔性基底充分晾干，然后使用导电银胶在应变敏感材料两端各引出一条导线。

实施例1

步骤1：将液体柔性基底美国Smooth-On公司的Ecoflex 0030进行固化，固化厚度为2mm，并将固化后的柔性基底裁剪成长30mm，宽10mm矩形硅胶基底；

步骤2：将石墨粉末与去离子水按照3g/100ml的比例混合得到悬浊液，然后将此悬浊液置于超声波细胞粉碎机中超声处理30min，使得石墨粉末均匀的分散在去离子水表面，形成一层致密的有金属光泽的厚度约为10μm的石墨薄膜；

步骤3：将步骤1所述柔性基底放入步骤2所述石墨粉末悬浊液表面的石墨薄膜下方，然后向上提拉，使得石墨薄膜也就是应变敏感材料与柔性基底结合在一起，重复此步骤5次，得到厚度为约90μm的导电薄膜，即应变敏感材料；

步骤4：将步骤3所得器件充分晾干，然后使用银胶在应变敏感材料两端各引出一条导线即可，其结构示意图如图1所示，其导电层表面的扫描电子显微镜图片如图2所示。

性能测试

将实施例1中所得传感器置于线性拉伸机上，两端导线连接于DMM 7510设备上，启动拉伸机，对该传感器进行拉伸测试，图3为对该传感器反复进行100％应变的拉伸，该传感器电阻随着时间的变化。

实施例2

步骤1：将液体柔性基底美国Smooth-On公司的Ecoflex 0050进行固化，固化厚度为3mm，并将固化后的柔性基底裁剪成长50mm，宽20mm矩形硅胶基底；

步骤2：将石墨粉末与去离子水按照5g/100ml的比例混合得到悬浊液，然后将此悬浊液置于超声波细胞粉碎机中超声处理30min，使得石墨导电粉末均匀的分散在去离子水表面，形成一层致密的有金属光泽的厚度约20μm的石墨薄膜；

步骤3：将步骤1所述柔性基底放入步骤2所述石墨粉末悬浊液表面的石墨薄膜下方，然后向上提拉，使得石墨薄膜与柔性基底结合在一起，重复此步骤7次，得到厚度约为110μm的导电薄膜，即应变敏感材料；

步骤4：将步骤3所得器件充分晾干，然后使用银胶在应变敏感材料两端各引出一条导线即可。

得到的长度为50mm，宽度为20mm的可检测人体运动的应变传感器用胶带固定于手肘关节，即可检测手肘弯曲程度，弯曲角度从0到180度。

实施例3

步骤1：将液体柔性基底美国Smooth-On公司的Ecoflex 0030进行固化，固化厚度为1mm，并将固化后的柔性基底裁剪成长40mm，宽15mm矩形硅胶基底；

步骤2：将石墨粉末与去离子水按照10g/100ml的比例混合得到悬浊液，然后将此悬浊液置于超声波细胞粉碎机中超声处理50min，使得石墨粉末均匀的分散在去离子水表面，形成一层致密的有金属光泽的厚度在50μm的石墨薄膜；

步骤3：将步骤1所述柔性基底放入步骤2所述石墨粉末悬浊液表面的石墨薄膜下方，然后向上提拉，使得石墨薄膜与柔性基底结合在一起，重复此步骤6次，得到厚度为200μm的导电薄膜，即应变敏感材料；

步骤4：将步骤3所得器件充分晾干，然后使用银胶在应变敏感材料两端各引出一条导线即可。

得到的长度为40mm，宽度为15mm的可检测人体运动的应变传感器用胶带固定于膝盖关节，即可检测膝盖活动情况，可满足腿部日常行动及弯曲的检测。

以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (5)

1.一种低成本、高性能人体运动传感器，其特征在于：包括可拉伸柔性基底(1)、应变敏感材料(2)和导线(3)，应变敏感材料(2)均匀覆盖在可拉伸柔性基底(1)上，导线(3)连接在应变敏感材料(2)的两端。

2.根据权利要求1所述的低成本、高性能人体运动传感器，其特征在于：所述可拉伸柔性基底(1)由液体固化而成，厚度为1～3mm，可拉伸柔性基底(1)能够裁剪，可拉伸柔性基底(1)能够拉伸至自身长度3倍以上。

3.根据权利要求1所述的低成本、高性能人体运动传感器，其特征在于：所述应变敏感材料(2)为厚度为50～200μm的石墨颗粒薄膜，石墨颗粒薄膜由石墨颗粒悬浊液上面的膜层，通过提拉方法获得。

4.根据权利要求1所述的低成本、高性能人体运动传感器，其特征在于：所述导线(3)为两根，分别连接在应变敏感材料(2)的两端，导线(3)通过导电银胶固定于应变敏感材料(2)上。

5.根据权利要求1所述的低成本、高性能人体运动传感器的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：

S1：将液体柔性基底进行固化，固化厚度为1～3mm，并将固化后的可拉伸柔性基底(1)裁剪备用；

S2：将石墨粉末与去离子水按照3g/100ml～10g/100ml的比例混合得到悬浊液，然后将此悬浊液置于超声波细胞粉碎机中超声处理30min～50min，形成一层致密的有金属光泽的厚度在10～50μm的石墨颗粒薄膜；

S3：将S1所制得的可拉伸柔性基底放入S2所制得的石墨颗粒薄膜下方，然后向上提拉，使得石墨颗粒薄膜与可拉伸柔性基底结合在一起，重复此步骤3-8次，得到可拉伸柔性基底上覆盖厚度为50～200μm的导电薄膜，即为应变敏感材料；

S4：将S3所得覆盖有应变敏感材料的可拉伸柔性基底充分晾干，然后使用导电银胶在应变敏感材料两端各引出一条导线。