CN108996463A - 一种多孔石墨烯心音检测传感器及其制作方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种多孔石墨烯心音检测传感器及其制作方法，该多孔石墨烯心音检测传感器包括应变敏感区和电极，所述应变敏感区包括多孔石墨烯薄膜和包裹所述多孔石墨烯薄膜的聚合物弹性体包裹层，所述聚合物弹性体包裹层的聚合物弹性体填充所述多孔石墨烯薄膜的空隙。该传感器既具有多孔石墨烯带来的高灵敏度的优点，又避免了多孔石墨烯结构过于疏松，容易发生破损失效的问题。本发明特别适用于穿戴式的心音检测设备。

Description

一种多孔石墨烯心音检测传感器及其制作方法

技术领域

本发明涉及生理信号检测传感器领域，特别是涉及一种多孔石墨烯心音检测传感器及其制作方法。

背景技术

随着全球经济水平的提高和居民饮食习惯的改变，多种心血管疾病的发病率也逐渐攀升，成为威胁全球人民生命健康的主要疾病之一。心血管疾病的诊断，主要是利用心血管功能参数来实现。临床进行心血管功能测量，为保证测量精度的准确性，多为有创测量，给病患带来非常大的痛苦和创伤，且测试仪器十分复杂、昂贵，不适用于推广使用，难以作为可穿戴设备，长时间佩戴、检测。因此，研究无创、便捷且低成本的心血管功能参数测量方法具有非常高的价值。

心音信号是心脏跳动时，由于心脏的收缩与舒张，导致血流冲击心室壁和大动脉等部位而产生的机械振动，通过周围组织传递至胸壁而产生的声音信号。基于心音信号的心血管检测是通过检测胸壁特定表面的振动，从而对人体心血管功能进行检测和分析，具有便捷、无创等优点。但心音信号比较微弱，且频率较高，需要设计具有足够的灵敏度、宽带宽、全柔性、生物兼容性的传感器，以实现足够精准的、实时的心音信号测量。

激光诱导石墨烯作为一种多孔石墨烯，具有结构疏松、多孔、蓬松的特点，受到外力(比如胸壁表面机械振动的压力)后，其结构极易发生形变，从而带来导电能力的极大改变。激光诱导石墨烯具有这种高灵敏度的特点，是作为心音检测传感器的优良的敏感材料。然而由于其结构过于疏松，容易发生破损失效。

发明内容

本发明的主要目的在于克服现有技术的不足，提供一种多孔石墨烯心音检测传感器及其制作方法，使其既具有多孔石墨烯带来的高灵敏度的优点，又避免多孔石墨烯结构过于疏松，容易发生破损失效的问题。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种多孔石墨烯心音检测传感器，包括应变敏感区和电极，所述应变敏感区包括多孔石墨烯薄膜和包裹所述多孔石墨烯薄膜的聚合物弹性体包裹层，所述聚合物弹性体包裹层的聚合物弹性体填充所述多孔石墨烯薄膜的空隙。

进一步地：

所述多孔石墨烯薄膜为激光诱导石墨烯薄膜。

所述多孔石墨烯薄膜的孔隙率为25％-65％。

所述多孔石墨烯薄膜的厚度为40-200μm。

所述多孔石墨烯薄膜形成为蛇形、涡状线形和直线形中的至少一种图形。

所述图形的线宽为30-2000μm，优选地，蛇形图形的转角处的宽度为线宽的2倍到4倍。

所述聚合物弹性体为聚二甲基硅氧烷PDMS、硅橡胶或聚氨酯橡胶。

所述多孔石墨烯薄膜利用激光烧蚀聚合物薄膜生成，所述聚合物薄膜的材质为聚酰亚胺或聚醚酰亚胺；优选地，所述激光的波长为405nm-10.6μm，功率为4W到10W，更优选地，所述激光为二氧化碳激光或蓝色激光；优选地，激光烧蚀所述聚合物薄膜的相对运动速率为50mm/s到500mm/s。

所述聚合物弹性体是由液态施加于所述多孔石墨烯薄膜上热固化成型的。

一种制作所述的多孔石墨烯心音检测传感器的方法，包括以下步骤：

S1、在硅片表面覆盖聚酰亚胺薄膜；

S2、通过激光烧蚀所述聚酰亚胺薄膜，诱导生成激光诱导石墨烯薄膜；

S3、在所述激光诱导石墨烯薄膜上旋涂PDMS，固化后形成包覆所述激光诱导石墨烯薄膜的一面的PDMS薄膜；

S4、将带有所述激光诱导石墨烯薄膜、所述PDMS薄膜的聚酰亚胺薄膜从所述硅片上剥离下来，再从剥离的部分中去除所述聚酰亚胺薄膜，在暴露出的所述激光诱导石墨烯薄膜的表面制作电极，并在暴露出的所述激光诱导石墨烯薄膜的表面除电极区之外的区域还另外键合一层PDMS薄膜，PDMS薄膜从两面共同包裹所述激光诱导石墨烯薄膜，形成应变敏感区。

本发明具有如下有益效果：

本发明的多孔石墨烯心音检测传感器包括应变敏感区和电极，其中应变敏感区包括多孔石墨烯薄膜和包裹所述多孔石墨烯薄膜的聚合物弹性体包裹层，多孔石墨烯薄膜的空隙由聚合物弹性体填充，因此，该传感器既具有多孔石墨烯带来的高灵敏度的优点，又避免了其结构过于疏松，容易发生破损失效的问题。该传感器的结构稳定性好，变形可重复性好，可变形范围大，灵敏度高，生物兼容性好，易于加工，成本低。

具体地，本发明传感器的应变敏感区受到压力、拉力、弯曲或扭转等作用时，聚合物弹性体发生形变，导致内嵌的多孔石墨烯之间的相互接触状态发生改变，器件电阻会相应发生变化。优化的传感器应变系数可达236.2。将该传感器贴在胸壁心脏跳动处，心脏的机械振动作用在传感器敏感区，即可带来传感器应变和电阻变化。聚合物弹性体具有柔性，变形能力强，并且由于多孔石墨烯结构极易变形，因此该传感器的柔韧性、可延展性和可测量范围也很大，可实现100％的形变，使得该传感器灵敏度很高。在优选实施例中，采用湿法刻蚀工艺去除了聚合物薄膜，可以制作出厚度为40μm的柔性传感器，对1400Hz的声音信号有响应。

本发明所述的心音检测传感器能够将人体心音信号转换为传感器电阻值变化，利用电信号来感知所探测的心音信号波形，具有高灵敏度、高柔性、变形能力大、低成本、易加工、生物兼容性良好等优点。本发明特别适用于穿戴式的心音检测设备。

附图说明

图1为本发明实施例的心音检测传感器结构示意图；

图2为本发明实施例的心音检测传感器敏感区剖面示意图；

图3为本发明实施例的心音检测传感器电极剖面示意图；

图4为本发明制造的激光诱导多孔石墨烯SEM图；

图5为本发明实施例的制作心音检测传感器的流程示意图；

图6为使用本发明实施例所制作的传感器实测得到的心音信号示例。

具体实施方式

以下对本发明的实施方式作详细说明。应该强调的是，下述说明仅仅是示例性的，而不是为了限制本发明的范围及其应用。

参阅图1至图4，在一种实施例中，一种多孔石墨烯心音检测传感器，包括应变敏感区和电极区，所述应变敏感区包括多孔石墨烯薄膜1和包裹所述多孔石墨烯薄膜1的聚合物弹性体包裹层，所述聚合物弹性体包裹层的聚合物弹性体2填充所述多孔石墨烯薄膜1的空隙。

电极区可以包括多孔石墨烯、聚合物弹性体、导电银浆4以及由导电金属形成的电极3等。电极3的导电金属可以为铜或铝等，为便于接线，还可附加锡制薄膜端子。

在优选实施例中，所述多孔石墨烯薄膜1为激光诱导石墨烯薄膜。

在优选实施例中，所述多孔石墨烯薄膜1的孔隙率为25％-65％。

在优选实施例中，所述多孔石墨烯薄膜1的厚度为40-200μm。

在优选实施例中，所述多孔石墨烯薄膜1形成为蛇形、涡状线形和直线形中的至少一种图形。

在更优选实施例中，所述多孔石墨烯薄膜1图形的线宽为30-2000μm。

在一种具体的优选实施例中，多孔石墨烯薄膜1采用蛇形图形且蛇形图形的转角处的宽度为线宽的2倍到4倍。

在优选实施例中，所述聚合物弹性体为聚二甲基硅氧烷PDMS、硅橡胶或聚氨酯橡胶。尤其优选采用PDMS。

在优选实施例中，所述多孔石墨烯薄膜1利用激光烧蚀聚合物薄膜生成，所述聚合物薄膜的材质为聚酰亚胺或聚醚酰亚胺。

在更优选实施例中，所述激光的波长为405nm-10.6μm，功率为4W到10W可调。

更优选地，所述激光为二氧化碳激光(波长10.6μm)或蓝色激光(波长445nm)。

在更优选实施例中，激光烧蚀所述聚合物薄膜的相对运动速率为50mm/s到500mm/s。

在优选实施例中，所述聚合物弹性体是由液态施加于所述多孔石墨烯薄膜1上热固化成型的。

参阅图5，在另一种实施例中，一种制作所述的多孔石墨烯心音检测传感器的方法，包括以下步骤：

S1、在硅片5表面覆盖聚酰亚胺薄膜6；

S2、通过激光烧蚀所述聚酰亚胺薄膜6，诱导生成激光诱导石墨烯薄膜，即多孔石墨烯薄膜1；

S3、在所述激光诱导石墨烯薄膜上旋涂PDMS，固化后形成包覆所述激光诱导石墨烯薄膜的一面的PDMS薄膜即聚合物弹性体2；

S4、将带有所述激光诱导石墨烯薄膜、所述PDMS薄膜的聚酰亚胺薄膜6从所述硅片5上剥离下来，再从剥离下的部分中去除所述聚酰亚胺薄膜，在暴露出的所述激光诱导石墨烯薄膜的表面制作电极；并在暴露出的多孔石墨烯薄膜1的表面除电极区之外的区域还另外键合一层PDMS薄膜，PDMS薄膜从两面共同包裹多孔石墨烯薄膜1，形成应变敏感区。

步骤S3-S4中，旋涂、固化PDMS是通过液体热固化为固体，用于渗透、覆盖多孔石墨烯，形成一侧的包裹，另一侧通过固化好的PDMS薄膜与器件进行键合工艺，实现器件双侧封装。键合工艺可以避免电极被PDMS覆盖。优选地，键合工艺使用氧等离子处理带有激光诱导石墨烯薄膜的传感器与该另一层固化的PDMS薄膜的待键合表面，处理时长约为2分钟至3分钟，处理结束后迅速将两者的氧等离子处理表面进行贴合，并在烘箱内使用80℃烘烤2小时。

以下结合附图进一步描述具体实施例的特征及优点。

如图1所示，该传感器的实施例包括具有聚合物弹性体2和激光诱导石墨烯(多孔石墨烯薄膜1)组成的应变敏感区，以及多孔石墨烯薄膜1、聚合物弹性体2、金属电极3和导电银浆4组成的电极区。敏感区的剖视图如图2所示，聚合物弹性体包括从一面覆盖多孔石墨烯薄膜1的聚合物弹性体2以及键合保护的聚合物弹性体2，覆盖多孔石墨烯薄膜1的聚合物弹性体2以及键合保护的聚合物弹性体2共同形成包裹多孔石墨烯薄膜1的聚合物弹性体包裹层；电极区的剖视图如图3所示，包括作为电极区部分的多孔石墨烯薄膜1、聚合物弹性体2、导电银浆4和金属电极3。导电银浆4通过涂覆于多孔石墨烯薄膜1的一部分，再烘烤固化，可为金属电极3的沉积或贴附提供更好的电接触。

在具体实施例中，多孔石墨烯薄膜1为激光诱导石墨烯，具有疏松、多孔的特点(如图4所示)，利用激光烧蚀特定的聚合物薄膜(如聚酰亚胺，聚醚酰亚胺)生成。激光的波长、功率和烧蚀速度可根据需要进行调整。

在一些优选的实施例中，激光烧蚀的传感器敏感区图形为直线、蛇形或涡状线形。线宽在30μm至2mm，可根据激光器精度进行选择。蛇形图形的转角处宽度可为线宽的2倍到4倍。

在另一些优选的实施例中，作为敏感层的多孔石墨烯薄膜的孔隙率为25％-65％，厚度为40-200μm，更优选的厚度为40μm。所述聚合物弹性体为PDMS硅橡胶或聚氨酯橡胶，优选是PDMS。

如图5所示，在具体制作时，首先在平整硅片5表面贴附聚酰亚胺薄膜6，然后通过激光器7激光烧蚀，诱导生成激光诱导石墨烯,即生成传感器多孔石墨烯薄膜图形，使用正己烷稀释PDMS，再浇筑在图形表面，静置后旋涂PDMS薄膜，通过转速控制传感器厚度。优选的，正己烷与PDMS按质量比1:1稀释，旋涂转速为1000rpm。将带有激光诱导石墨烯、PDMS薄膜的聚酰亚胺薄膜6从硅片5上剥离下来，通过湿法刻蚀，去除聚酰亚胺薄膜6。湿法刻蚀剂使用乙醇胺、KOH、去离子水配制的碱性溶液。通过水浴加热，可将聚酰亚胺水解刻蚀，留下PDMS、激光诱导石墨烯组成的传感器薄膜。再在刻蚀暴露的电极区域表面涂覆导电银浆4，固化后贴附导电胶带、制作电极3。

优选地，可以选择不同的传感器敏感区图形，如蛇形或涡状线形，测量不同特征的信号。可以根据外接电路的不同接口形式选择多种电极连接方式，如导电金属、薄膜连接器等。

图6所示，为使用该心音检测传感器测得的心音信号示例。

制作例

本例中使用导电铜胶带作为电极，如图5所示，该心音检测传感器制作过程如下：

S1，使用乙醇、去离子水溶液超声清洗4寸硅片，用氮气吹干后烘干。使用丙酮、异丙醇、去离子水溶液超声清洗80μm厚的聚酰亚胺薄膜，用氮气吹干后烘干。使用PDMS将聚酰亚胺薄膜6贴附于硅片5上，并加热固化。

S2，使用10.6μm波长的二氧化碳激光器7，按照功率4.2W，烧蚀速度250mm/s的参数，烧蚀生成长度20mm，宽度2mm的矩形图形的激光诱导石墨烯作为传感器敏感材料。

S3，用正己烷按质量比1:1稀释PDMS，并按1000rpm的转速将稀释后的PDMS溶液旋涂在传感器表面。静置30分钟，于热板上用80℃加热10分钟，再将整片器件置于80℃烘箱中加热2小时，使PDMS固化形成PDMS薄膜。

S4，将聚酰亚胺及传感器薄膜从硅片5上剥离下来，使用乙醇胺、氢氧化钾、去离子水按质量比2:3:5混合的碱性溶液，在80℃水浴条件下，将聚酰亚胺薄膜刻蚀去除。刻蚀暴露出的传感器电极表面涂覆导电银浆4，并固化。在银浆上贴附导电铜胶带作为电极3。按照步骤S3中PDMS薄膜制作的参数，以4000rpm转速，固化制作另一层更薄的PDMS薄膜。使用氧等离子处理带有激光诱导石墨烯薄膜的传感器与该另一层固化的PDMS薄膜的待键合表面，处理时长约为2分钟至3分钟，处理结束后迅速将两部分的氧等离子处理表面进行贴合，并在烘箱内使用80℃烘烤2小时。完成传感器制作。

以上内容是结合具体/优选的实施方式对本发明所作的进一步详细说明，不能认定本发明的具体实施只局限于这些说明。对于本发明所属技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，其还可以对这些已描述的实施方式做出若干替代或变型，而这些替代或变型方式都应当视为属于本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种多孔石墨烯心音检测传感器，其特征在于,包括应变敏感区和电极，所述应变敏感区包括多孔石墨烯薄膜和包裹所述多孔石墨烯薄膜的聚合物弹性体包裹层，所述聚合物弹性体包裹层的聚合物弹性体填充所述多孔石墨烯薄膜的空隙。

2.如权利要求1所述的多孔石墨烯心音检测传感器，其特征在于,所述多孔石墨烯薄膜为激光诱导石墨烯薄膜。

3.如权利要求1或2所述的多孔石墨烯心音检测传感器，其特征在于,所述多孔石墨烯薄膜的孔隙率为25％-65％。

4.如权利要求1至3任一项所述的多孔石墨烯心音检测传感器，其特征在于,所述多孔石墨烯薄膜的厚度为40-200μm。

5.如权利要求1至4任一项所述的多孔石墨烯心音检测传感器，其特征在于,所述多孔石墨烯薄膜形成为蛇形、涡状线形和直线形中的至少一种图形。

6.如权利要求5所述的多孔石墨烯心音检测传感器，其特征在于,所述图形的线宽为30-2000μm，优选地，蛇形图形的转角处的宽度为线宽的2倍到4倍。

7.如权利要求1至6任一项所述的多孔石墨烯心音检测传感器，其特征在于,所述聚合物弹性体为聚二甲基硅氧烷PDMS、硅橡胶或聚氨酯橡胶。

8.如权利要求1至7任一项所述的多孔石墨烯心音检测传感器，其特征在于,所述多孔石墨烯薄膜利用激光烧蚀聚合物薄膜生成，所述聚合物薄膜的材质为聚酰亚胺或聚醚酰亚胺；优选地，所述激光的波长为405nm-10.6μm，功率为4W到10W，更优选地，所述激光为二氧化碳激光或蓝色激光；优选地，激光烧蚀所述聚合物薄膜的相对运动速率为50mm/s到500mm/s。

9.如权利要求1至8任一项所述的多孔石墨烯心音检测传感器，其特征在于,所述聚合物弹性体是由液态施加于所述多孔石墨烯薄膜上热固化成型的。

10.一种制作如权利要求1至9任一项所述的多孔石墨烯心音检测传感器的方法，其特征在于,包括以下步骤：

S1、在硅片表面覆盖聚酰亚胺薄膜；

S2、通过激光烧蚀所述聚酰亚胺薄膜，诱导生成激光诱导石墨烯薄膜；

S3、在所述激光诱导石墨烯薄膜上旋涂PDMS，固化后形成包覆所述激光诱导石墨烯薄膜的一面的PDMS薄膜；

S4、将带有所述激光诱导石墨烯薄膜、所述PDMS薄膜的聚酰亚胺薄膜从所述硅片上剥离下来，再从剥离的部分中去除所述聚酰亚胺薄膜，在暴露出的所述激光诱导石墨烯薄膜的表面制作电极，并在暴露出的所述激光诱导石墨烯薄膜的表面除电极区之外的区域还另外键合一层PDMS薄膜，PDMS薄膜从两面共同包裹所述激光诱导石墨烯薄膜，形成应变敏感区。