CN108267249A - 一种基于石墨烯的可穿戴化的隐形夜视仪 - Google Patents

一种基于石墨烯的可穿戴化的隐形夜视仪 Download PDF

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Abstract

本发明克服传统心率传感器特别是石墨烯传感系统的缺陷，提供了一种基于石墨烯的可穿戴化的隐形夜视仪，包括一种量程范围大，灵敏度高的可穿戴环境安全预警系统，该系统包括可穿戴式石墨烯传感系统以及基于该传感系统得到的心率数据确定环境安全的确定单元。传感系统具有灵活性高，制作工艺简单，生产规模大，成本低等优点。本文提出的石墨烯心率传感器具有出色的灵敏度和较大的工作范围，在较低压和较高压范围内都能有良好的线性度。

Description

一种基于石墨烯的可穿戴化的隐形夜视仪
技术领域
本发明属于传感器领域，具体涉及一种基于石墨烯的可穿戴化的隐形夜视仪。
背景技术
柔性力学器件近些年来受到了学术界和产业界的广泛关注。相比传统硬质基底器件，柔性力学器件在不牺牲性能的基础上，大大提升了器件的可变形性，从而使其能够适应更为复杂的应用场景，尤其适合可穿戴应用。石墨烯，是从石墨中剥离出来、由碳原子组成的只有一层原子厚度的二维晶体。它是人们发现的第一种由单层原子构成的材料。石墨烯虽然很薄，但却是非常强韧的材料，同时，它又有很好的弹性，拉伸幅度能达到自身尺寸的20％。石墨烯材料自2004年被发现以来，得益于其独特的电学、力学等特性，被广泛应用于柔性力学器件中，石墨烯力学器件具有很高的灵敏度。然而，现有石墨烯力学传感器存在制备工艺复杂、重复性与一致性较差、良品率低等缺点与问题。传统的压力传感器不能同时实现高灵敏度和大的工作范围，导致其在的应用有限。迫切需要开发新型的压力传感器，在灵敏度和工作范围两方面同时取得突破。
目前已有多种采用石墨烯的压力传感器，2012年，A.D.Smith等人完整提出了悬浮石墨烯压力传感器的结构，如图1所示，而该压力传感器中，由于二氧化硅与碳化硅基底的性质远不如石墨烯的内在性质，这对传感器的结构与功能会产生局限性。且受薄膜厚度影响，其通常为单层石墨烯厚度的几千倍，传感器灵敏度也受影响，低压领域不适用。
O.K.Kwon等人提出了改进型悬浮石墨烯压力传感器，如图所示，这种压力传感器增加了一个带有圆柱形支腿的顶板，通过支腿传递作用在石墨烯薄膜上的压力将迅速变大。这种改进型的压力传感器可用于低压检测环境，灵敏度极高，且低压范围线性度很好，但其缺点是高压范围线性度较差，并且结构尺寸大于一般悬浮石墨烯压力传感器。
J.Ma等人研究了一种光纤石墨烯压力传感器，其是通过熔融石英毛细管到单模光纤的末端，在内部施加气压后毛细管逐渐变细，然后熔融毛细管形成气腔。石墨烯薄膜覆盖在圆柱形空腔上，不但可以检测外部压力变化，而且可以对空腔起到密封作用。这种压力传感器结构紧凑，机械强度良好。但缺点是工作压力较低，压力灵敏度不高，密封空腔内气体会有轻微泄漏。
发明内容
鉴于以上分析，本发明的主要目的在于提供一种克服上述缺陷的量程范围大，灵敏度高的石墨烯传感系统。此外，传感器具有灵活性高，制作工艺简单，生产规模大，成本低等优点。
本发明的目的是通过以下技术方案实现的。
一种基于石墨烯的可穿戴化的隐形夜视单元，包括可穿戴环境安全预警系统、数据处理单元和远程监控系统，其中可穿戴环境安全预警系统将采集到的数据发送给数据处理单元，数据处理单元将处理结果发送给远程监控系统。
进一步地，所述可穿戴环境安全预警系统包括第一可穿戴式石墨烯传感系统、第二可穿戴式石墨烯传感系统，以及基于该第一传感系统得到的心率数据和第二可穿戴式石墨烯传感系统得到的环境压力数据确定环境安全的确定单元。
进一步地，所述第一和第二可穿戴式石墨烯传感系统包括多层结构，由上至下依次是基板层、压敏材料层、基底层。
进一步地，在所述基板层和压敏材料层中还设置有第一压感电极层，在所述压敏材料层和基底层中还设置有第二压感电极层。
进一步地，所述压敏材料层由石墨烯制成。
进一步地，所述压感电极层为金属氧化物导电层。
进一步地，所述基板层和基底层为弹性孔状织物层。
进一步地，所述压敏材料层的具体形成步骤为：将烧杯至于冷水中，加入23ml浓硫酸，控制温度为0℃；搅拌下加入1g石墨粉和0.5g硝酸钠的固体混合物；再分次加入3g高锰酸钾，控制反应温度不超过20℃；高锰酸钾加完后移去水浴，然后加热到35℃左右，继续搅拌30min，再缓慢加入去离子水，高温加热到90度，反应15min，温水稀释到140ml，并加入适量30％双氧水使溶液变为亮黄色，称取上述制品0.05g加入到100mL pH＝11的NaOH溶液中；在150W下超声90min制备分散液，在高转速下除去未剥离的氧化石墨；向氧化石墨烯分散液中加入0.1mL水合肼，在90℃反应2h，得到石墨烯分散液，将所述分散液沉积至细孔过滤装置上，利用真空吸滤的方法，得到石墨烯材料层，再将得到的石墨烯层吹干，得到所需厚度的石墨烯层。
本发明的技术方案具有以下优点：
本文提出的石墨烯心率传感器具有出色的灵敏度和较大的工作范围，在较低压和较高压范围内都能有良好的线性度。经实测表明，本发明的心率传感器在压力范围为20kPa，超高灵敏度为17.2kPa-1(0Pa-2kPa)时具有显著的性能，从而能够为穿戴该具有该心率传感系统的人员提供高可靠性的环境安全预警系统，即当外部环境压力变化不规律或者超出预定的人体承受范围，或者由于可穿戴物品内部构成的环境对于人体心率造成不适超出预定数值范围时，灵敏且可靠地发出预警信息。远端监控人员可以根据反馈给数据处理单元的预警信息了解在无法发出声音的环境下、穿戴有隐形夜视仪的人员所处不同环境对人员造成的心理影响。
附图说明
图1是本发明的基于石墨烯的可穿戴化的隐形夜视仪的结构图。
图2是本发明的可穿戴环境安全预警系统的结构图。
图3是本发明实施例1所述的石墨烯传感系统的结构图。
其中1为基板层，2为第一压感电极层，3为压敏材料层，4为第二压感电极层，5为基底层。
具体实施方式
实施例一
如图1所示，基于石墨烯的可穿戴化的隐形夜视单元10，包括可穿戴环境安全预警系统20、数据处理单元30和远程监控系统40，其中可穿戴环境安全预警系统20将采集到的数据发送给数据处理单元30，数据处理单元30将处理结果发送给远程监控系统40。
参见图2，为本发明的基于石墨烯的可穿戴化的隐形夜视仪，包括如图2所示的可穿戴环境安全预警系统，还包括数据处理单元和远程监控系统。
该安全预警系统包括第一可穿戴式石墨烯传感系统100、第二可穿戴式石墨烯传感系统200，以及基于该第一传感系统100得到的心率数据和第二可穿戴式石墨烯传感系统得到的环境压力数据确定环境安全的确定单元300，该确定单元例如是具有存储预先确定的环境压力阈值数据以及心率阈值数据的存储器及用于比较相关数据的处理器。
如图3所示的石墨烯传感系统结构图，其中第一和第二可穿戴式石墨烯传感系统包括多层结构，由上至下依次是基板层、压敏材料层、基底层。
在所述基板层和压敏材料层中还设置有第一压感电极层，在所述压敏材料层和基底层中还设置有第二压感电极层。
所述压敏材料层由石墨烯制成。
所述压感电极层由有机高分子材料制成。
所述基板层和基底层为弹性孔状织物层。
所述压敏材料层的具体形成步骤为：将烧杯至于冷水中，加入23ml浓硫酸，控制温度为0℃；搅拌下加入1g石墨粉和0.5g硝酸钠的固体混合物；再分次加入3g高锰酸钾，控制反应温度不超过20℃；高锰酸钾加完后移去水浴，然后加热到35℃左右，继续搅拌30min，再缓慢加入去离子水，高温加热到90度，反应15min，温水稀释到140ml，并加入适量30％双氧水使溶液变为亮黄色，称取上述制品0.05g加入到100mL pH＝11的NaOH溶液中；在150W下超声90min制备分散液，在高转速下除去未剥离的氧化石墨；向氧化石墨烯分散液中加入0.1mL水合肼，在90℃反应2h，得到石墨烯分散液，将所述分散液沉积至细孔过滤装置上，利用真空吸滤的方法，得到石墨烯材料层，再将得到的石墨烯层吹干，得到所需厚度的石墨烯层材料。
所述第一、第二压感电极层为叉指垂直设置，通过这样的设置，通过压力作用时，测量电极之间的变化，以及石墨烯层电阻的变化，可以综合测量出所作用的压力大小，并且，如果事先对电极层进行坐标标定，还可以测量出具体压力作用点，可以增大该压力感测系统的适用范围。
实施例二
与实施例一相同，实施例二的石墨烯传感系统也为多层结构。该心率传感系统由上至下依次是基板层、第一压敏材料层、压感电极层、第二压敏材料层、基底层。
所述第一压敏材料层和第二压敏材料层均由石墨烯制成。
所述压感电极层为有机高分子材料。
所述基板层和基底层为弹性孔状织物层。
所述石墨烯的具体形成步骤为：将烧杯至于冷水中，加入23ml浓硫酸，控制温度为0℃；搅拌下加入1g石墨粉和0.5g硝酸钠的固体混合物；再分次加入3g高锰酸钾，控制反应温度不超过20℃；高锰酸钾加完后移去水浴，然后加热到35℃左右，继续搅拌30min，再缓慢加入去离子水，高温加热到90度，反应15min，温水稀释到140ml，并加入适量30％双氧水使溶液变为亮黄色，称取上述制品0.05g加入到100mL pH＝11的NaOH溶液中；在150W下超声90min制备分散液，在高转速下除去未剥离的氧化石墨；向氧化石墨烯分散液中加入0.1mL水合肼，在90℃反应2h，得到石墨烯分散液，将所述分散液沉积至细孔过滤装置上，利用真空吸滤的方法，得到石墨烯材料层，再将得到的石墨烯层吹干，得到所需厚度的石墨烯层材料。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (9)

1.一种基于石墨烯的可穿戴化的隐形夜视单元，包括可穿戴环境安全预警系统、数据处理单元和远程监控系统，其中可穿戴环境安全预警系统将采集到的数据发送给数据处理单元，数据处理单元将处理结果发送给远程监控系统。
2.根据权利要求1所述的基于石墨烯的可穿戴化的隐形夜视单元，其特征在于，所述可穿戴环境安全预警系统包括第一可穿戴式石墨烯传感系统、第二可穿戴式石墨烯传感系统，以及基于该第一传感系统得到的心率数据和第二可穿戴式石墨烯传感系统得到的环境压力数据确定环境安全的确定单元。
3.根据权利要求1所述的基于石墨烯的可穿戴化的隐形夜视单元，其特征在于所述第一和第二可穿戴式石墨烯传感系统包括多层结构，由上至下依次是基板层、压敏材料层、基底层。
4.如权利要求3所述的基于石墨烯的可穿戴化的隐形夜视单元，其中在所述基板层和压敏材料层中还设置有第一压感电极层，在所述压敏材料层和基底层中还设置有第二压感电极层。
5.如权利要求4所述的基于石墨烯的可穿戴化的隐形夜视单元，其中所述压敏材料层由石墨烯制成。
6.如权利要求5所述的基于石墨烯的可穿戴化的隐形夜视单元，其中所述压感电极层为金属氧化物导电层。
7.如权利要求6所述的基于石墨烯的可穿戴化的隐形夜视单元，其中所述基板层和基底层为弹性孔状织物层。
8.如权利要求7所述的基于石墨烯的可穿戴化的隐形夜视单元，其中所述压敏材料层的具体形成步骤为：将烧杯至于冷水中，加入23ml浓硫酸，控制温度为0℃；搅拌下加入1g石墨粉和0.5g硝酸钠的固体混合物；再分次加入3g高锰酸钾，控制反应温度不超过20℃；高锰酸钾加完后移去水浴，然后加热到35℃左右，继续搅拌30min，再缓慢加入去离子水，高温加热到90度，反应15min，温水稀释到140ml，并加入适量30％双氧水使溶液变为亮黄色，称取上述制品0.05g加入到100mL pH＝11的NaOH溶液中；在150W下超声90min制备分散液，在高转速下除去未剥离的氧化石墨；向氧化石墨烯分散液中加入0.1mL水合肼，在90℃反应2h，得到石墨烯分散液，将所述分散液沉积至细孔过滤装置上，利用真空吸滤的方法，得到石墨烯材料层，再将得到的石墨烯层吹干，得到所需厚度的石墨烯层。
9.一种如权利要求2所述的基于石墨烯的可穿戴化的隐形夜视单元，其特征在于，该系统包括可穿戴式石墨烯传感系统以及基于该传感系统得到的心率数据确定环境安全的确定单元，所述石墨烯传感系统为多层结构；该心率传感系统由上至下依次是基板层、第一压敏材料层、压感电极层、第二压敏材料层、基底层，所述第一压敏材料层和第二压敏材料层均由石墨烯制成，所述压感电极层为有机高分子材料，所述基板层和基底层为弹性孔状织物层，所述石墨烯的具体形成步骤为：将烧杯至于冷水中，加入23ml浓硫酸，控制温度为0℃；搅拌下加入1g石墨粉和0.5g硝酸钠的固体混合物；再分次加入3g高锰酸钾，控制反应温度不超过20℃；高锰酸钾加完后移去水浴，然后加热到35℃左右，继续搅拌30min，再缓慢加入去离子水，高温加热到90度，反应15min，温水稀释到140ml，并加入适量30％双氧水使溶液变为亮黄色，称取上述制品0.05g加入到100mL pH＝11的NaOH溶液中；在150W下超声90min制备分散液，在高转速下除去未剥离的氧化石墨；向氧化石墨烯分散液中加入0.1mL水合肼，在90℃反应2h，得到石墨烯分散液，将所述分散液沉积至细孔过滤装置上，利用真空吸滤的方法，得到石墨烯材料层，再将得到的石墨烯层吹干，得到所需厚度的石墨烯层材料。
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