CN109452934A - 一种基于石墨烯的贴附式皮肤传感器的制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种基于石墨烯的贴附式皮肤传感器的制备方法，属于人体检测技术领域。首先将氧化石墨烯溶液滴涂或旋涂在水转印纸上，在水转印纸上形成氧化石墨烯层，采用激光照射方法，使氧化石墨烯层还原成为石墨烯传感层，将其放入水中，使石墨烯传感层下部的牺牲层和未被激光照射的干燥氧化石墨烯层脱落，留下柔性衬底层，在石墨烯传感层的端部设置导电材料，得到贴附式石墨烯皮肤传感器。本发明制备的皮肤传感器，其中的石墨烯传感层，石墨烯的图案可以进行个性化设计，其形状、尺寸均可根据需要进行调节，简洁美观。本发明制备的皮肤传感器可以轻易贴附在皮肤振动处，进行日常便携传感。

Description

一种基于石墨烯的贴附式皮肤传感器的制备方法

技术领域

本发明涉及一种基于石墨烯的贴附式皮肤传感器的制备方法，属于人体检测技术领域。

背景技术

皮肤表面的运动可以表征许多生理活动。比如可以用人体的呼吸所引起的胸部皮肤或腹部的皮肤的起伏、伸缩等变化，表征人体的呼吸频率、呼吸量等；心脏处皮肤振动还能表征心跳、心率等信息；人体喉咙部位的皮肤振动信息，可以表征人体说话、声带振动、吞咽、转头等脖部运动；人体手腕处皮肤振动信息，可以表征脉搏脉象、手腕转动等信息。

在呼吸检测方面，市面上的可穿戴式呼吸监测装置，大多采用陶瓷电容或陶瓷电阻传感器，将带有传感器的胸带或腹带绑在需要测量的身体部位，把呼吸的压力转化为传感器的电阻、电容的变化，再经导线传送至显示装置显示。这种设备的绷带的松紧程度不易掌控，过松会导致测量结果不准确，过紧又会引起被测量者身体不适且会减少胸带或腹带的使用寿命，不利于对被监测者进行实时监测。

在脉搏检测方面，脉搏为人体表可触摸到的动脉搏动，可以表征人体生理和健康的信息。医生用手指感觉出来的脉搏形象，包括动脉搏显现部位的深浅、速率的快慢、强度的大小、节律的均匀与否等，通过对人脉象的诊断可以判断一个人的健康程度。传统的脉搏检测方法一般都是通过医生感觉来进行判断，而由于每个人的学识、经验等因素的不同，对脉象的感觉和判断也会不一致，因此传统的脉搏检测方法得到的脉搏检测结果的误差较大。在心率、喉咙振动的等检测方面，也遇到了设备复杂、使用不便、灵敏度低的问题。

贴附式皮肤传感器是一种重要的生物医学传感器，可以表征皮肤表面的活动。它要求器件拥有好的柔韧性和可伸缩性、高灵敏度、好的贴合度和舒适度。石墨烯由于其出色的导电性和柔韧性，是贴附式皮肤传感器的理想材料。但是将石墨烯舒适美观、稳定可靠地贴合在皮肤表面，满足采集各种生理信号的功能，是一个亟待解决的问题。

发明内容

本发明的目的是提出一种基于石墨烯的贴附式皮肤传感器的制备方法，可以便携和精确地测量皮肤振动特征，解决当前在全天候健康监测、便携式心率检测或生理信号记录等领域对皮肤振动、呼吸心率测量等领域仪器体积大成本高、安装使用不便、不易穿戴等困难。

本发明提出的贴附式石墨烯皮肤传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯溶液滴涂或旋涂在水转印纸上，在水转印纸上形成氧化石墨烯层，将氧化石墨烯薄膜自然凉干，使干燥氧化石墨烯层的厚度为5-40微米；

(2)采用激光照射方法，在干燥氧化石墨烯层上表面进行扫描式照射，经过照射的干燥氧化石墨烯层还原成为石墨烯传感层，表现为黑色，照射激光波长为400-500nm，激光功率密度在10mW/cm²-50mW/cm²之间，扫描速度为1mm/s-100mm/s；

(3)将上述步骤(2)的结构放入水中，使石墨烯传感层下部的牺牲层和未被激光照射的干燥氧化石墨烯层脱落，留下柔性衬底层1；

(4)在石墨烯传感层的端部设置导电材料，得到贴附式石墨烯皮肤传感器。

本发明提出的基于石墨烯的贴附式皮肤传感器的制备方法，其优点是：

1、本发明制备方法首次提出了湿法剥离氧化石墨烯的新工艺，去除石墨烯氧化物，只留存石墨烯，使得器件更加美观，灵敏度更高，耐受更高的温度。通过该方法，可将制备贴附式传感器的超薄衬底，直接贴附皮肤，没有穿戴不适感。

2、本发明方法制备的贴附式皮肤传感器，外观图案可以定制。由于激光扫描图案可以编程，在图形化的过程中，石墨烯传感层的图案可以进行个性化设计，其形状、尺寸均可根据需要进行调节，简洁美观。

3、本发明方法制备的贴附式皮肤传感器，测量精确。本发明方法中基于激光还原石墨烯，将石墨烯与纹身相结合，通过电极引出接口，通过电阻变化对皮肤表面的微小形变进行监测，精确得到皮肤振动信号。

4、本发明方法制备的贴附式皮肤传感器，应用场合广泛，可以测量各种皮肤表面有规律或无规律的振动或运动情况，反映迅速，对高频低频的振动都可以基于外部电路得到可视化波形，还可以分析频率、振幅等，效果明显。

附图说明

图1是本发明方法提出的贴附式皮肤传感器的制备过程示意图。

图2是图1制备的贴附式皮肤传感器的俯视图。

图3是图1制备的贴附式皮肤传感器的贴附在手腕处测量脉搏的示意图。

图4是本发明方法制备的贴附式皮肤传感器的外部检测电路示意图即使用状态图。

图1、图2和图3中，1是柔性衬底，2牺牲层，3是氧化石墨烯层，4是干燥氧化石墨烯层，5是石墨烯传感层，6和7分别是分布在传感器两端的电极。

具体实施方式

本发明提出的贴附式石墨烯皮肤传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯溶液滴涂或旋涂在水转印纸上，在水转印纸上形成氧化石墨烯层3，将氧化石墨烯薄膜自然凉干，使干燥氧化石墨烯层4的厚度为5-40微米，如图1(a)所示。

(2)采用激光照射方法，在干燥氧化石墨烯层4上表面进行扫描式照射，经过照射的干燥氧化石墨烯层4还原成为石墨烯传感层5，表现为黑色。照射的激光波长为400-500nm，激光功率密度在10mW/cm²-50mW/cm²之间，扫描速度在1mm/s-100mm/s。如图1(b)所示。

(3)将上述步骤(2)的结构放入水中，使石墨烯传感层下部的牺牲层2和未被激光照射的干燥氧化石墨烯层4脱落，柔性衬底层1会留下，如图1(c)所示；

(4)在石墨烯传感层5的端部设置导电材料6和7，得到贴附式石墨烯皮肤传感器，如图1(d)所示。

图2是图1制备的贴附式皮肤传感器的俯视图。

图3是图1制备的贴附式皮肤传感器的贴附在手腕处测量脉搏的示意图。

以下结合附图，详细介绍本贴附式皮肤传感器的制备原理：

如图1所示，本发明制作的贴附式石墨烯皮肤传感器共有2层，即柔性衬底层1和石墨烯传感层5，此外还附着电极6、电极7。

其中，柔性衬底层1和牺牲层2共同构成了水转印纸，1是水转印纸的上层膜，2是水转印纸除了层1的结构。2在水中容易脱落，称为牺牲层。在制备工艺图中，3是在水转印纸(1和2)上涂敷或者旋涂的氧化石墨烯层，其自然干燥后形成干燥氧化石墨烯层4，厚度为5-40微米。干燥氧化石墨烯层4在激光扫描后形成石墨烯传感层5，未被激光扫描的地方依然是干燥氧化石墨烯层4。将上述得到的结构放入水中浸泡或冲洗，可以将水转印纸的层2脱落，并将干燥氧化石墨烯层4脱落。将脱落后只剩下1和5的结构自然干燥，并在石墨烯传感层5上表面制作两个杆状电极6、7。电极6、7的形状和分布可以根据需要调节。

以下结合附图，详细介绍本贴附式皮肤传感器的工作原理：

由制备工艺可以看出，柔性衬底层1来源于水转印纸。将水转印纸在液体中浸泡冲洗，去掉牺牲层2后，会留下一层柔性衬底，即柔性衬底层1。柔性衬底层1的功能是承载上层石墨烯传感层，贴合皮肤。

石墨烯传感层5是核心传感单元，是经过激光扫描干燥氧化石墨烯层4得到。石墨烯传感层5比氧化石墨烯更能贴敷在水转印纸上，并且不溶于水。通过在水中浸泡或冲洗的方式将干燥氧化石墨烯层4去除，留下石墨烯传感层5。

电极6、电极7是附着在石墨烯传感层5上的电极，功能是输出石墨烯传感层得到的信号。其材料可以是金属电极，或导电胶(带)等可以导电的材料。在本发明中，典型材料为导电银浆，制备方式是将银浆涂敷在所需位置并放置在高温(＜80℃)或常温环境下干燥。

本发明对氧化石墨烯溶液的分散介质、密度要求不严格，溶剂为水性或油性都可以，一般密度不小于0.001g/cm³，即满足传感功能。在本发明的一个实施例中，石墨烯溶液的参数如下：

表观形貌	黑色液体
		分散介质	水
密度	0.4g/cm<sup>3</sup>

本发明设计的外部电路检测原理是检测电阻变化。由于本传感器输出的信号是电阻变化，上述的外部信号检测电路，一般是电阻测量电路，比如“伏安法测电阻”；或者基于测量电阻原理设计的电路，比如加载恒流源测量电压变化等，图4是本发明方法制备的贴附式皮肤传感器的外部检测电路示意图，即使用状态图。

Claims (1)

1.一种贴附式石墨烯皮肤传感器的制备方法，其特征在于该制备方法包括以下步骤：

(1)将氧化石墨烯溶液滴涂或旋涂在水转印纸上，在水转印纸上形成氧化石墨烯层，将氧化石墨烯薄膜自然凉干，使干燥氧化石墨烯层的厚度为5-40微米；

(2)采用激光照射方法，在干燥氧化石墨烯层上表面进行扫描式照射，经过照射的干燥氧化石墨烯层还原成为石墨烯传感层，表现为黑色，照射激光波长为400-500nm，激光功率密度在10mW/cm²-50mW/cm²之间，扫描速度为1mm/s-100mm/s；

(3)将上述步骤(2)的结构放入水中，使石墨烯传感层下部的牺牲层和未被激光照射的干燥氧化石墨烯层脱落，留下柔性衬底层；

(4)在石墨烯传感层的端部设置导电材料，得到贴附式石墨烯皮肤传感器。