CN109580050A - 一种柔性力学图案化传感器及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种柔性力学图案化传感器，包括第一柔性衬底层、第二柔性衬底层以及柔性敏感层；第一柔性衬底层的下表面上刻蚀有第一图案，第二柔性衬底层的上表面上刻蚀有第二图案，第一柔性衬底层的上表面和第二柔性衬底层的下表面粘接，柔性敏感层采用化学方法复合于第二柔性衬底层的上表面上；第一柔性衬底层、第二柔性衬底层以及柔性敏感层形成一个整体结构，所述整体结构外复合有柔性封装层；该传感器上还电连接有两个电极，两个电极均贯穿所述柔性封装层且伸出，在第二柔性衬底层上刻蚀第二图案能够提高柔性敏感层自身的灵敏度和拉伸性能，通过设计不同的结构，满足不同传感器的需求。

Description

一种柔性力学图案化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，具体涉及一种柔性力学图案化传感器及其制备方法。

背景技术

柔性力学传感器具有延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特点，一直是研究热点。柔性可穿戴传感器的应用也非常广泛，如体温和脉搏检测、表情识别和运动监测等。

提升柔性力学传感器性能一直是研究关注点，改变敏感层薄膜的制备方法和结构是常用的手段。柔性力学传感器的两个重要因素是灵敏度和拉伸性，如何保证柔性传感器同时具有两种性能，还需要进一步的研究。

在现有技术中：专利号为CN106925885A公开了一种激光制备不同石墨烯图案应变传感器的方法，将超短脉冲激光束对石墨烯进行图案化处理，封装组成应变传感器。利用将敏感层的组成成分进行图案化处理的方式提高灵敏度，但存在操作复杂，结构单一等问题。

专利号为CN108469319A公开了一种柔性力敏传感器的制备方法，利用表面仿生的随机多层微结构，大幅增加力敏传感器的灵敏度，增强对微小应力的传感能力，但是抗拉性能差。

发明内容

针对上述柔性力学传感器存在的灵敏度提升结构单一和抗拉伸性差的问题。本发明提供一种柔性力学图案化传感器，提高柔性力学传感器的灵敏度和抗冲击性。

本发明的技术方案如下：

一种柔性力学图案化传感器，包括第一柔性衬底层、第二柔性衬底层以及柔性敏感层；第一柔性衬底层的下表面上刻蚀有第一图案，第二柔性衬底层的上表面上刻蚀有第二图案，

第一柔性衬底层的上表面和第二柔性衬底层的下表面粘接，柔性敏感层采用化学方法复合于第二柔性衬底层的上表面上；

第一柔性衬底层、第二柔性衬底层以及柔性敏感层形成一个整体结构，所述整体结构外复合有柔性封装层；该传感器上还电连接有两个电极，两个电极均贯穿所述柔性封装层且伸出。

本发明的工作原理/有益效果为：在第二柔性衬底层上刻蚀第二图案，且柔性敏感层复合于第二柔性衬底层，能够提高柔性敏感层自身的灵敏度和拉伸性能，通过设计不同的结构，满足不同传感器的需求。

进一步限定，所述第二图案为蛇形、螺旋形、正弦形、网格形、金字塔形、圆柱或正方形凸起。

进一步限定，刻蚀有所述第一图案的所述柔性衬底层呈现为具有拉胀性能的凹角结构、手性结构或旋转刚体结构。

进一步限定，所述第一柔性衬底层未刻蚀第一图案的面和所述第二柔性衬底层未刻蚀第二图案的面之间通过高分子胶状材料粘接。

进一步限定，所述柔性封装层采用聚二甲基硅氧烷、聚乙烯或聚酰亚胺制成。

针对背景技术中提到的柔性力学传感器在制备的过程中存在的操作复杂的问题，本发明还提供一种柔性力学图案化传感器的制备方法；

该制备方法的技术方案为：如权利要求1所述的柔性力学图案化传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过激光刻蚀机在两片刚性基底上分别刻蚀第一图案和第二图案；

2)对刻蚀有第一图案和第二图案的两片刚性基底表面进行清洗处理；

3)将步骤2)中清洗完成的刚性基底上的第一图案转移到第一柔性基底上，得到第一柔性衬底层；

4)在步骤2)中清洗完成的刻蚀有第二图案的刚性基底上复合容易剥落的柔性敏感层；

5)将步骤4)中制备的柔性敏感层从刻蚀有第二图案的刚性基底转移到第二柔性衬底层上，且机械地将刚性基底剥落；

6)将第二柔性衬底层与第一柔性衬底层粘接在一起形成一个整体结构；

7)在整体结构两端接出测试端，并用柔性薄膜进行封装，得到柔性力学图案化传感器。

本发明的工作原理/有益效果为：该工艺操作过程简单、设备要求简单，制备的传感器灵敏度高、柔韧性好、抗冲击性强、成本低、环境污染小。

首先在两片刚性基底上分别刻蚀第一图案和第二图案，便于后期将第一图案和第二图案从两片刚性基底转移到第一柔性基底上和第二柔性柔性衬底层上，得到图案完整的整体结构，从而提高柔性力学图案化传感器的灵敏度。

进一步限定，步骤1)中，两片所述刚性基底为塑料板；步骤2)中，清洗处理的具体方法为：将两片所述刚性基底在去离子水中超声清洗后吹干。

进一步限定，步骤5)中，柔性敏感层转移过程为：通过利用具有良好粘附性的高分子胶状材料，将柔性敏感层转移到第二柔性衬底层上，该过程中不破坏柔性敏感层的结构。

附图说明

图1为本发明的示意图；

图2为本发明的截面图；

图3为柔性敏感层的结构示意图；

图4为第一柔性衬底层的结构示意图；

图5为柔性力学图案化传感器与没有图案化的柔性力学传感器的灵敏度对比曲线图；

其中：1-第一柔性衬底层；2-第二柔性衬底层；3-柔性敏感层；4-柔性封装层；5-电极。

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明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。

一种柔性力学图案化传感器，包括第一柔性衬底层1、第二柔性衬底层2以及柔性敏感层3；

第一柔性衬底层1的下表面上刻蚀有第一图案使得第一柔性衬底层1呈现具有拉胀性能的边型结构、倒插蜂窝网络形结构、棒状结构、箭头状结构、卵型块状结构、凹角结构、手性结构或旋转刚体结构；

第二柔性衬底层2的上表面上刻蚀有第二图案，第二图案为蛇形、螺旋形、正弦形、网格形、金字塔形、圆柱或正方形凸起；

第一柔性衬底层1的上表面和第二柔性衬底层2的下表面通过高分子胶状材料粘接，柔性敏感层3采用化学方法复合于第二柔性衬底层2的上表面上；

第一柔性衬底层1、第二柔性衬底层2以及柔性敏感层3形成一个整体结构，所述整体结构外复合有柔性封装层4，柔性封装层4的材料为聚二甲基硅氧烷、聚乙烯或聚酰亚胺；

该传感器上还电连接有两个电极5，两个电极5均贯穿所述柔性封装层4且伸出，电极5采用铜、金或银制成的线条。

柔性力学图案化传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1通过激光刻蚀机在两片刚性基底上分别刻蚀第一图案和第二图案，其中刚性基底可以是塑料板；

2对刻蚀有第一图案和第二图案的两片刚性基底表面进行清洗处理，具体清洗处理的步骤为：将两片刚性基底在去离子水中超声清洗后吹干；

3配置分散均匀的碳系材料分散液，配置分散均匀的高分子聚合物分散液；

在该步骤中，配置碳系材料分散液和高分子聚合物分散液时，需要辅以超声分散处理；

4将步骤2中清洗完成的刚性基底上的第一图案转移到第一柔性基底上，得到第一柔性衬底层；

5在步骤2中清洗完成的刻蚀有第二图案的刚性基底上复合容易剥落的柔性敏感层，具体方式为：有第二图案的刚性基底依次、重复浸渍在高分子聚合物分散液和碳系材料分散液中，通过层层自组装工艺在有第二图案的刚性基底上制备柔性敏感层；

该层层自组装工艺为：将处理后的有第二图案的刚性基底浸渍在高分子聚合物溶液中生长后取出，用去离子水洗净后吹干；随后将有第二图案的刚性基底浸渍在碳系材料溶液中生长，用去离子水洗净后吹干。依次重复上述步骤多次，最终在有第二图案的刚性基底上形成柔性敏感层；

6将步骤5中制备的柔性敏感层从刻蚀有第二图案的刚性基底转移到第二柔性衬底层上，

具体的为：通过利用具有良好粘附性且熔点高的高分子胶状材料将多层复合薄膜转移，高分子胶状材料形成的薄膜层为第二柔性衬底层，该高分子胶状材料可选用二甲基硅氧烷；

7将第二柔性衬底层与第一柔性衬底层粘接在一起形成一个整体结构；

8在步骤7所制得的整体结构两端用导电银浆引入两个电极，并用柔性薄膜进行封装，得到柔性力学图案化传感器。

电极材料为铜、金或银中的一种制成的线条，电极引出方式为粘贴或印刷，柔性封装薄膜材料为聚二甲基硅氧烷、聚乙烯或聚酰亚胺。

实施例1

本实施例以石墨烯和聚乙烯亚胺层层自组装制成的多层复合薄膜制备柔性力学图案化传感器，其具体工艺步骤为：

1)选用塑料基片作为敏感层的生长基底，通过激光刻蚀机分别在两块塑料基片上制作第一图案和第二图案，如图4和图3所示，然后将塑料板用去离子水超声清洗，洗净后吹干。

2)将2mg/ml氧化石墨烯溶液和去离子水按照1:3体积比例配置，并超声分散处理，使得氧化石墨烯均匀分散。将黄色黏稠状聚醚酰亚胺简称PEI液体溶于去离子水，配置2％w/vPEI溶液，并超声分散处理，使得PEI溶液分散均匀。将0.5g抗坏血酸简称VC粉末溶于50ml去离子水，配置1％w/vVC溶液，并超声分散处理，使得VC溶液分散均匀。

3)将步骤2处理后的有第二图案的塑料基片放入PEI溶液中浸渍生长，取出后用去离子水清洗后吹干；随后将有第二图案的塑料基片放入氧化石墨烯溶液中浸渍生长，取出后用去离子水清洗后吹干。依次重复上述过程六次，在有第二图案塑料基片上生长层层组装的PEI薄膜和氧化石墨烯薄膜，制备出柔性敏感层。

4)将聚二甲基硅氧烷简称PDMS主剂和固化剂按照10:1质量比称重，混合后搅拌至大量气泡产生，将混合液放入真空箱，去除混合液中的气泡，得到PDMS前驱液。利用旋涂工艺将PDMS前驱液旋涂到柔性敏感层和有第一图案的塑料基片上，随后进行真空风干处理，待两块塑料基片的温度恢复到室温时，采用机械剥离的方式，得到复合有敏感层的第二柔性衬底层和第一柔性衬底层；

将添加PDMS前驱液用于将第二柔性衬底层和第一柔性衬底层粘接在一起，形成整体结构；

5)将柔整体结构放入VC溶液中，置于水浴箱中还原，将氧化石墨烯还原成石墨烯，利用导电银浆将铜线作为电极镀在石墨烯基柔性敏感层表面，用柔性薄膜封装，得到柔性力学图案化传感器，如图1所示；

6本发明对制备的柔性力学图案化传感器的应变敏感性能进行测试，结果显示柔性力学图案化传感器的电阻随着拉伸程度的增加而增大，重复性好、响应大、灵敏度高、可拉伸长度长；如图5所示，横坐标为拉伸程度、纵坐标为电阻，可以看出，灵敏度得到大幅提升，且可拉伸性增强。

对照组

对照组与实施例1的区别在于在两块塑料基片上均不刻蚀第一图案和第二图案，直接采用塑料基片制备带有柔性敏感层的第二柔性衬底层和第一柔性衬底层，测定对照组制得的柔性力学无图案化传感器的性能。

本发明制成的柔性力学图案化传感器完整，柔性敏感层具有提高柔性力学图案化传感器相应的图案化结构，第一柔性衬底层具有提升柔性力学图案化传感器抗冲击性的拉胀结构。柔性敏感层和第二柔性衬底层形成的整体结构能够在不牺牲灵敏度的条件下提高可拉伸性，且图案化结构的设计十分灵活，制作方法简单，性能良好。

以上显示和描述了本发明的基本原理和主要特征和本发明的优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。

Claims (8)

1.一种柔性力学图案化传感器，其特征在于，包括第一柔性衬底层(1)、第二柔性衬底层(2)以及柔性敏感层(3)；

第一柔性衬底层(1)的下表面上刻蚀有第一图案，第二柔性衬底层(2)的上表面上刻蚀有第二图案，

第一柔性衬底层(1)的上表面和第二柔性衬底层(2)的下表面粘接，柔性敏感层(3)采用化学方法复合于第二柔性衬底层(2)的上表面上；

第一柔性衬底层(1)、第二柔性衬底层(2)以及柔性敏感层(3)形成一个整体结构，所述整体结构外复合有柔性封装层(4)；

该传感器上还电连接有两个电极(5)，两个电极(5)均贯穿所述柔性封装层(4)且伸出。

2.根据权利要求1所述的一种柔性力学图案化传感器，其特征在于，所述第二图案为蛇形、螺旋形、正弦形、网格形、金字塔形、圆柱或正方形凸起。

3.根据权利要求1所述的一种柔性力学图案化传感器，其特征在于，刻蚀有所述第一图案的所述柔性衬底层(1)呈现为具有拉胀性能的凹角结构、手性结构或旋转刚体结构。

4.根据权利要求1所述的一种柔性力学图案化传感器，其特征在于，所述第一柔性衬底层(1)未刻蚀第一图案的面和所述第二柔性衬底层(2)未刻蚀第二图案的面之间通过高分子胶状材料粘接。

5.根据权利要求1所述的一种柔性力学图案化传感器，其特征在于，所述柔性封装层(4)采用聚二甲基硅氧烷、聚乙烯或聚酰亚胺制成。

6.如权利要求1所述的柔性力学图案化传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

1)通过激光刻蚀机在两片刚性基底上分别刻蚀第一图案和第二图案；

2)对刻蚀有第一图案和第二图案的两片刚性基底表面进行清洗处理；

3)将步骤2)中清洗完成的刚性基底上的第一图案转移到第一柔性基底上，得到第一柔性衬底层；

4)在步骤2)中清洗完成的刻蚀有第二图案的刚性基底上复合容易剥落的柔性敏感层；

5)将步骤4)中制备的柔性敏感层从刻蚀有第二图案的刚性基底转移到第二柔性衬底层上，且机械地将刚性基底剥落；

6)将第二柔性衬底层与第一柔性衬底层粘接在一起形成一个整体结构；

7)在整体结构两端接出测试端，并用柔性薄膜进行封装，得到柔性力学图案化传感器。

7.根据权利要求6所述的柔性力学图案化传感器的制备方法，其特征在于，步骤1)中，两片所述刚性基底为塑料板；步骤2)中，清洗处理的具体方法为：将两片所述刚性基底在去离子水中超声清洗后吹干。

8.根据权利要求6所述的柔性力学图案化传感器的制备方法，其特征在于，步骤5)中，柔性敏感层转移过程为：通过利用具有良好粘附性的高分子胶状材料，将敏感层转移到第二柔性衬底层上，该过程中不破坏柔性敏感层的结构。