CN108318059A - 纸基传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一种制备工艺简单、成本低且灵敏度高的新型纸基传感器及其制备方法。该纸基传感器不仅选用纸作为基底，并充分利用纸表面的微纳结构实现传感器的高灵敏度测量，同时通过折叠等方法可实现大变形的测量。所提出的纸基传感器主要用于力学量及其相关信号的检测，根据测量原理可分为电容式和电阻应变式传感器。它们可利用常用的裁剪、粘接等非常简单的方法制作，具有工艺简单、成本低、绿色环保、还可根据测试需求制作出各种形状和尺寸的优点。另外，根据纸张轻且易折叠、可通过打印、书写、印刷等方法进行图案化的优点，可批量、低成本的在纸上制作电极、引线、敏感单元、变形单元等结构。
Description
技术领域
本发明涉及传感器领域，特别涉及一种纸基传感器及其制备方法。
背景技术
传感器作为一种精密的装置或器件，能将各种不易捕捉或度量的非电量信号转变为易于检测和显示的电量信号，它是现代工业生产、医疗卫生、航空航天、可穿戴式等应用领域中必不可少的一部分。其中，力学量传感器是将检测到的力或位移信号转变为相应的电信号，主要用于压力、拉力、张力、力矩等各种直接力的测量或者位移、加速度、角度、角速度、液位等物理量的转换，也是目前使用范围最广、需求量最大的传感器之一。目前常用的力传感器主要以半导体硅、金属、陶瓷、聚合物等材料作为传感器的敏感材料或基体。随着可穿戴医疗、柔性电子学等技术发展以及电子器件绿色、环保等要求的不断提高，对于高灵敏度、可测量大变形、低成本，并且绿色环保的传感器的研究已成为传感器发展的趋势之一。
纸作为中国古代的四大发明之一，长期以来一直用于书写、记录、印刷、绘画或包装等多种用途。纸由悬浮在水中的纸浆，在造纸机成形网上沉积出错综复杂的纤维层、再经压榨、干燥等工序制成，具有价廉易得、重量轻、可通过剪裁、折叠、冲压、激光切割等简单工艺进行形状加工、可通过书写、打印、印刷、喷涂、微纳加工等方法进行表面的图案化和处理、并且具有绿色环保、容易回收和处理等优点，因此利用纸制备传感器，可从一定程度上降低传感器的制备成本、提高传感器的环保等级，同时利用纸表面的天然结构或通过折叠制备的大尺寸结构还能大幅度提高传感器的灵敏度以及实现大变形测量。
近年来，随着微纳米、传感器、精密制造等新技术的发展，已有研究机构利用纸制作生化传感器，进行生化参数的检测，但对于纸基力学量传感器的研究较少，并且目前报道的纸基力学量传感器主要以纸作为载体，需要结合石墨烯、石墨等纳米材料作为敏感单元才能实现力学信号的检测，还未发现直接利用纸表面的微纳结构作为敏感单元实现力学信号的高灵敏度检测。
例如，任天令小组以纸作为载体，结合石墨制成石墨-纸基压阻式传感器，实现了20kPa以内压力的测量，在2kPa测量范围内的灵敏度达到17.2kPa-1，一定程度上能够满足大范围内的压力信号检测并提高了传感器的灵敏度。该技术方案虽然也采用了纸，但纸主要起到结构和承载作用，其力敏感功能主要由制作在纸上面的石墨实现。
张跃等人利用POP((Pencil-on-Paper，“铅笔画纸上”)构建了二维石墨片柔性纸基应变传感器，其响应时间为110ms，灵敏度为536，最小分辨应变为0.13％，经10000次应变测试后，电阻飘移量为10％，大大提高了传感器的灵敏度并降低了传感器的制作成本。该技术方案同样是将纸作为载体，通过铅笔在纸上画出二维石墨片，其力敏感单元主要还是由纸上的二维石墨片实现。
相关文献：Tao L Q,Zhang K N,Tian H,et al.Graphene-Paper PressureSensor for Detecting Human Motions[J].ACS nano,2017,11(9):8790-8795.
Liao X,Liao Q,Yan X,et al.Flexible and highly sensitive strainsensors fabricated by pencil drawn for wearable monitor[J].AdvancedFunctional Materials,2015,25(16):2395-2401.
相关专利：CN 104613860 A、CN 105115414 A。
因此，本发明提出一种制备工艺简单、成本低且灵敏度高的新型纸基传感器及其制备方法。该纸基传感器不仅采用纸作为载体，并充分利用纸表面的微纳结构实现传感器的高灵敏度测量，同时通过折叠等方法还可实现大变形的测量。所提出的纸基传感器主要用于力学量及其相关信号的检测，根据测量原理可分为电容式和电阻应变式传感器。它们可利用常用的裁剪、粘接等非常简单的方法制作，具有工艺简单、成本低、绿色环保、还可根据测试需求制作出各种形状和尺寸。另外，根据纸张轻且易折叠、可通过打印、书写、印刷等方法进行图案化的优点，可批量、低成本的在纸上制作电极、引线、敏感单元、变形单元等结构。
发明内容
本发明提出一种纸基传感器，包括：基底、导电层、导线，导电层形成在基底上，通过导线与外部测量仪器或电路连接，其特征在于：传感器的基底材料为纸，利用纸表面的微纳结构实现传感器的高灵敏度测量。
进一步，微纳结构可通过折叠、压印、裁剪、冲压、激光切割、微纳制造工艺制备或可为纸表面的天然微纳结构。
可选择地，在基底的两个表面上分别形成导电层。基底可为一层、两层或多层。基底可为相同或不同种类纸的组合。
可选择地，导电层的材料可选择导电胶带、金属薄膜、导电银浆或导电碳浆。导电层通过粘贴、溅射、蒸镀、打印工艺制备。
可选择地，还包括封装层,其形成在基底的四周边缘。
可选择地，利用导线固定单元将导线固定到电层上。导线固定单元为导电胶带、导电胶。
本发明的另一方面提出一种纸基传感器的制备方法，包括：在基底上形成导电层，在导电层上形成导线，导线与外部测量仪器或电路连接，其特征在于：基底为纸，利用纸表面的微纳结构实现传感器的高灵敏度测量。
进一步，微纳结构可通过折叠、压印、裁剪、冲压、激光切割、微纳制造工艺而形成，或微结构为纸表面的天然结构。
可选地，利用导线固定单元将导线固定到导电层上。导线固定单元为导电胶带、导电胶。
本发明的有益效果：
1、本发明中纸基传感器的制备不仅选用纸作为基体，而且充分利用纸表面天然结构或通过折叠、压印等工艺制备微纳结构用于传感器的敏感单元，一方面降低了传感器的制作成本，提高了传感器的环保等级且易回收；另一方面微纳结构及褶皱的存在促使传感器的灵敏度得到大幅度提高。
2、利用纸易折叠的特性，制备出弯曲折叠结构，一方面为传感器的变形留有余量，从而实现传感器的大变形及柔性变形，提高传感器的使用量程；另一方面折叠弯曲部分由于应力集中等现象，使得传感器在承受外力时能够产生较大的电容或电阻的变化，因而可进一步提高传感器的灵敏度。
3、本发明中纸基传感器的整个制备过程由纸张裁剪、纸表面图案化、导电部分的制作与传感器各结构的组合，均充分发挥纸张可裁剪、易折叠、可书写、印刷、打印等优点，因而该纸基传感器的制备工艺简单、成本低、还可实现传感器的批量制作。
4、本发明技术方案中的电容式纸基传感器可实现压力和拉力的大变形测量，若对其进行表面处理(如防水等封装)，还可实现液体压力与液位的检测。此外，本发明中的电阻应变式纸基传感器也可实现压力和拉力的高灵敏度测量以及实现大变形。
附图说明
图1为本发明的纸基传感器的结构示意图；
图2为本发明的电容式纸基传感器的截面示意图；
图3为本发明的电容式纸基传感器俯视示意图；
图4为本发明电容式纸基传感器的工作原理图；
图5(a)为本发明的电阻应变式纸基传感器的主视示意图(利用纸基表面的天然结构)；图5(b)为本发明的电阻应变式纸基传感器的主视示意图(通过使纸基折叠等形成的大尺寸结构)。
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，以下结合附图以及实施例，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也可以完全理解本发明。
图1示出了本发明的两个实施例，即纸基传感器的两种类型，一种为电容式纸基传感器、一种为电阻应变式纸基传感器。
实施例一
图2具体示出了本发明的电容式纸基传感的结构。电容式纸基传感器，包括基底，基底即介电层1，还包括导电层2、封装层3、导线固定单元4与导线5。介电层1设置于中间，介电层1可以选用两层或多层。导电层2设置于介电层1的上下表面，封装层3设置于介电层1的四周边缘，两个导电层2体对角位置分别连接有一导线5，导线5与测量仪器或电路连接，导线5通过导线固定单元4固定在导电层2上。介电层1与导电层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。介电层1为具有绝缘性能的纸基，其材质包括：擦镜纸、宣纸、餐巾纸等柔性纸。纸基可为一层、两层或多层纸的组合，也可为不同种类纸的组合。利用纸基表面的微纳结构实现高敏感度测量。微纳结构可通过折叠、压印、裁剪、冲压、激光切割、微纳制造等工艺形成或可为纸基表面的天然结构。
导电层2为导电胶带、金属薄膜、导电银浆或导电碳浆，可通过粘贴、溅射、蒸镀、打印等工艺制备。封装层3的材料可为胶带，如透明胶带、高温胶带等具有粘接功能的胶带。导线固定单元4可为导电胶带、导电胶，导电性好，与导电层粘附性好。
可采用剪裁、切割等方法实现所需形状的低成本裁剪；可通过书写、印刷、打印、黏贴导电胶带、微纳制造等工艺实现低成本的纸表面图案化及实现导电部分的低成本、大批量制作；可采用裁剪、粘结等工艺实现结构的制作和组装。
如图3所示，利用电容式纸基传感器进行力学信号的检测时，将传感器放置在与受力方向垂直的位置，当所示电容式传感器受到压力时，介电层之间的极板间距减小，进而使电容增大，以此来感受外界压力的变化。
一种电容式纸基传感器的制备方法，所述方法步骤如下：
(1)将纸裁剪成指定尺寸的矩形形状制成介电层；
(2)将导电胶带裁剪成稍小于纸尺寸的矩形，粘附于介电层的上下表面制备出导电层；
(3)将步骤(2)得到的带有导电层的介电层四周进行封装；
(4)在步骤(3)得到的电容式纸基传感器的体对角线位置，沿导电层的长度方向接入导线并用导电胶带进行固定。
实施例二
一种电阻应变式纸基传感器，根据其敏感单元微结构的制备工艺分为天然结构和利用折叠、压印等工艺形成的大尺寸结构两种，分别如图5(a)、(b)所示。
应变传感器基底1、导电层2、导线固定单元3与导线4，基底位于底端，导电层2位于基底1上方，在导电层2的两端各有一导线4与测量仪器或电路相连，导线4通过导线固定单元3固定在导电层2上。导线4沿导电层2两端的长度方向排布。基底1为纸基，通过压印、折叠等方法在纸基表面制备出微纳结构。导电层2通过溅射、蒸镀、打印等工艺，制备出具有导电特性的金属薄膜、导电银浆或导电碳浆等导电层。而现有应变式纸基传感器，其导电层2的制作通常将石墨、导电墨水等材料书写或涂覆在纸基表面，无法实现传感器的批量生产且传感器的一致性较差，因此选用常见的MEMS工艺或打印方法可实现传感器的大批量制备且将微纳敏感结构与金属薄膜相结合，还可进一步提升传感器的灵敏度。其中，传感器不仅能利用纸本身的微纳结构进行传感，还可通过折叠、压印、裁剪、冲压、激光切割等工艺形成的微纳结构进行传感。
一种纸基电阻应变式传感器的制备方法，所述方法步骤如下：
(1)将纸裁剪成特定尺寸，并使用压印或折叠等方法在其表面制备出特定图案或结构。
(2)利用直流溅射工艺在步骤(2)中具有微结构的纸基表面制备出金属薄膜。
(3)在步骤(2)得到的传感器的电极层表面沿长度方向两端用银胶引出导线，得到应变式纸基传感器如图5(b)所示。
现有的纸基传感器，大部分为压阻或应变式传感器，一般仅选用纸作为载体，并结合纳米材料制备出传感器，因此传感器的成本较高，且在测量过程中，由于由于纳米材料与基底之间粘附性较差和纳米材料的蠕变，致使传感器的循环稳定性相对较差本发明中纸基传感器的制备不仅选用纸作为基体，而且充分利用纸表面天然结构或通过折叠、压印等工艺制备微纳结构用于传感器的敏感单元，一方面降低了传感器的制作成本，提高了传感器的环保等级且易回收；另一方面微纳结构的存在促使传感器的灵敏度得到大幅度提高。在后续的测试过程中，由于表面微纳结构的存在或通过折叠、压印等工艺形成的褶皱等大尺寸结构为传感器的变形预留了一定空间，因此提升了传感器的测量量程，可实现大变形测量。此外，纸基表面的微结构存在，使得传感器在相同作用力下，传感器受力变形更加明显，因此灵敏度更高。当电容式纸基传感器受到压力时，由于纸表面微结构的存在，介电层之间存在大量空气，当传感器受力时，空气排出，极板间距减小，进而使电容增大，以此来感受外界压力的变化。当电阻应变式传感器受到拉力或压力时，折叠弯曲部分会率先发生变形，同时弯曲折叠部分的应力集中纸表面现象会引起导电层的电阻发生明显改变，随着外力的进一步增大，纸表面的微纳结构开始受力变形，引起导电层电阻发生变化，从而实现传感器在大量程和小量程范围内的高灵敏度测量。
本发明提出的基于纸的电容或电阻传感器的加工、制作等方法也可以用于基于纸的电感式等传感器的加工和制作。
Claims (18)
1.一种纸基传感器，包括：基底、导电层、导线，所述导电层形成在所述基底上，通过导线与外部测量仪器或电路连接，其特征在于：所述传感器的基底材料为纸，利用所述纸表面的微纳结构实现所述传感器的高灵敏度测量。
2.根据权利要求1所述的一种纸基传感器，所述微纳结构可通过折叠、压印、裁剪、冲压、激光切割、微纳制造工艺形成。
3.根据权利要求1所述的一种纸基传感器，其特征在于：所述微纳结构可为纸表面的天然结构。
4.根据权利要求1-3任一项所述的一种纸基传感器，其特征在于：所述基底的两个表面上分别形成所述导电层。
5.根据权利要求4所述的一种纸基传感器，其特征在于：所述基底可为一层、两层或多层。
6.根据权利要求4所述的一种纸基传感器，其特征在于：所述基底可为相同或不同种类纸的组合。
7.根据权利要求4所述的一种纸基传感器，其特征在于：所述导电层的材料可选择导电胶带、金属薄膜、导电银浆或导电碳浆。
8.根据权利要求7所述的一种纸基传感器，其特征在于：所述导电层通过粘贴、溅射、蒸镀、打印工艺制备。
9.根据权利要求4所述的一种纸基传感器，其特征在于：还包括封装层,其形成在所述基底的四周边缘。
10.根据权利要求4所述的一种纸基传感器，其特征在于：利用导线固定单元将所述导线固定到所述导电层上。
11.根据权利要求10所述的一种纸基传感器，其特征在于：所述导线固定单元为导电胶带、导电胶。
12.根据权利要求1-3任一项所述的一种纸基传感器，其特征在于：所述导电层的材料可选择金属薄膜、导电银浆或导电碳浆。
13.根据权利要求12所述的一种纸基传感器，其特征在于：所述导电层通过溅射、蒸镀、打印工艺制备。
14.一种纸基传感器的制备方法，包括：在基底上形成导电层，在所述导电层上引出导线，所述导线与外部测量仪器或电路连接，其特征在于：所述基底为纸，利用所述纸表面的微纳结构实现所述传感器的高灵敏度测量。
15.根据权利要求14所述的一种纸基传感器的制备方法，所述微纳结构可通过折叠、压印、裁剪、冲压、激光切割、微纳工艺形成。
16.根据权利要求14所述的一种纸基传感器的制备方法，其特征在于：所述微纳结构可为纸表面的天然结构。
17.根据权利要求14所述的一种纸基传感器的制备方法，其特征在于：利用导线固定单元将所述导线固定到所述导电层上。
18.根据权利要求17所述的一种纸基传感器的制备方法，其特征在于：所述导线固定单元为导电胶带、导电胶。
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