CN110436437B - 一种自封装碳阵列及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种自封装碳阵列及其制备方法和应用，其制备方法包括以下步骤：碳化前驱体层上下表面分别设置激光透明材料和基体，然后采用内反射激光碳化技术，将激光光源从激光透明材料射向碳化前驱体层，调节激光入射的角度θ值，使激光照射于碳化前驱体层中的不同位置，与碳化前驱体上下表面贴合的基体和激光透明材料强化碳化过程中热量的扩散，从而得到自封装碳阵列；其中，激光透明材料的折射率高于碳化前驱体层。本发明的方法可高效地制备自封装碳阵列，碳阵列的尺寸、图案可实现自动化控制，碳阵列在可碳化高分子膜中的位置灵活可调，由本发明得到可便捷实现自封装碳阵列的图案化、多层化，借由本发明获得的碳阵列可用于压阻传感器。

Description

一种自封装碳阵列及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及碳材料制备技术领域和传感领域，尤其涉及一种自封装碳阵列及其制备方法和压阻传感中的应用。

背景技术

碳材料在社会生产中各领域具有广泛应用。研究者们开发了各种合成方法用于制备各式各样的碳阵列，主要以打印及传统或非传统的印刷技术为主。通过湿法打印/印刷工艺制备碳阵列主要包括喷涂、滴涂、浸涂、打印、模板成型等加工手段，这类工艺对打印材料的配方、流变行为、与基体的物理和化学相容性及化学、机械稳定性有着比较高的要求。干法制备碳阵列主要包括化学沉积法和热碳化法。化学沉积和热碳化方法对于基体的材料、表面处理有很高的要求，在制备过程中需要高温，条件苛刻。激光碳化书写技术属于干法打印技术，是以激光作为光热源利用可碳化高分子的可碳化性和光热转化的物理现象，原位形成碳阵列结构，结合计算机辅助设计，可以很容易实现碳阵列的制备。现有激光碳化书写技术采用外反射工艺，激光光热源从光疏介质(空气或其他保护气体)射向光密介质(高分子基体)。

上述这些干法和湿法的打印技术中，碳阵列都暴露在基体表面上，与工作环境相接触。为了避免环境因素的影响，需要与后序的封装工艺结合，从而实现碳阵列的封装。此外，为了实现垂直方向多层碳阵列的制备，需要重复上述打印-封装的工序，大大提高了工艺的复杂程度。

发明内容

为解决上述技术问题，本发明的目的是提供一种自封装碳阵列及其制备方法和应用，本发明的方法可高效地制备自封装碳阵列，碳阵列的尺寸、图案、层数可实现自动化控制，碳阵列在碳化前驱体层中的位置灵活可调，本发明所制备的自封装碳阵列具有灵敏的压阻特性，可用于制备压阻传感器。

本发明的第一个目的是提供一种自封装碳阵列的制备方法，包括以下步骤：

在基体的表面形成碳化前驱体层，将激光透明材料设置于碳化前驱体层表面，基体、碳化前驱体层和激光透明材料依次紧密贴合；然后采用内反射激光碳化技术，将激光光源从激光透明材料射向碳化前驱体层，调节激光入射的角度θ值，使激光照射于碳化前驱体层中的不同位置并对其进行原位碳化，从而得到自封装碳阵列；其中，激光透明材料的折射率高于所述碳化前驱体层的折射率，所述激光透明材料的折射率为2-3。

进一步地，基体的传热系数为1-500W/m.K。激光透明材料的传热系数为10-100W/m.K。优选地，基体的传热系数为5-20W/m.K；激光透明材料的传热系数为5-50W/m.K。更优选地，激光透明材料的传热系数为10-20W/m.K。

进一步地，基体的材质为石英、云母、高定向热解石墨、高模量碳纤维、硅片、玻璃、铝片、殷瓦钢、不锈钢片和陶瓷片中的一种或以上几种材料的复合材料。

进一步地，激光透明材料为棱镜或平面镜，激光透明材料的透光率＞50％。优选地，激光透明材料的透光率＞90％。

进一步地，激光光源的波长为10nm-1mm，激光照射功率为100mW-10W，激光能量密度为6-660J/m。优选地，激光光源的波长为0.4-10.6微米；激光照射功率为1-2W；激光能量密度为70-140J/m。

本发明中，既可以通过改变激光入射的入射角，调整光源的位置，从而实现激光碳化区域自发地嵌入在碳化前驱体中。此外，在激光照射下，碳化前驱体层上下表面贴合的基体和激光透明材料强化了碳化过程中热量的扩散，因此还可以通过改变基体和激光透明材料的传热系数，调整碳化前驱体层被激光照射时的热量扩散速度，以此实现自封装碳阵列的制备。优选地，当激光光源的波长为10.6微米，将激光光源从激光透明材料正入射，碳化前驱体层厚度为40-50微米，激光正入射射向碳化前驱体层，激光照射功率为0.5-1W，激光能量密度为30-60J/m，基体的传热系数为10-20W/m.K，激光透明材料的导热系数为15-20W/m.K；优选地，当激光光源的波长为1.06微米，将激光光源从激光透明材料正入射，射向碳化前驱体层，碳化前驱体层厚度为50-100微米，激光照射功率为1-1.5W，激光能量密度为60-90J/m，基体的传热系数为100-200W/m.K，激光透明材料的导热系数为10-20W/m.K；优选地，当激光光源的波长为0.4微米，激光照射功率为1.5-2W，激光能量密度为90-120J/m，基体的传热系数为50-60W/m.K，激光透明材料的导热系数为10-20W/m.K。

更优选地，激光光源为二氧化碳激光时(波长10.6微米)，激光透明材料的材质为氯化钠、硒化锌或硅片。

更优选地，激光光源为紫外及红外波段时，激光透明材料的材质为氟化钙晶体。

进一步地，碳化前驱体层的材质为可碳化高分子、碳纳米材料、金属纳米材料、金属氧化物纳米材料和无机纳米材料中的一种或几种。优选地，碳化前驱体层的材质至少包括可碳化高分子。

进一步地，可碳化高分子为聚酰亚胺、聚醚酰亚胺、聚酰胺-酰亚胺、聚醚砜树脂、聚苯并咪唑、聚醚醚酮和聚苯硫醚中的一种或几种。

进一步地，碳纳米材料为石墨烯、氧化石墨烯、碳纳米管等，金属纳米材料为金纳米粒、银纳米线等，金属氧化物纳米材料为氧化锌纳米线等，无机纳米材料为金刚石、二氧化硅纳米球、氮化硼等。

进一步地，在基体的表面形成碳化前驱体层的方法包括以下步骤：

采用涂覆方式将可碳化高分子前驱体涂覆在基体的表面直接形成碳化前驱体层，涂覆方式包括旋涂、喷涂、刮涂、滴涂、浸涂或气相沉积。

进一步地对碳化前驱体层可进行热处理，以实现去除溶剂、固化交联的目的。

进一步地，碳化前驱体层的厚度可以通过涂覆加工参数和前驱体溶液的浓度的调节来控制。

进一步地，还可以采用预先成型的碳化前驱体层与基体间贴合。

进一步地，激光透明材料设置于碳化前驱体层表面的方法包括以下步骤：在碳化前驱体层远离基体的一侧表面放置激光透明材料，然后施加压力，实现激光透明材料与碳化前驱体层，以及基体之间的紧密贴合；施加压力的大小为1-500kPa。

进一步地，在激光透明材料表面施加压力的条件下进行原位碳化。施加压力的大小为1-500kPa。

进一步地，碳化前驱体层的厚度为10-150微米。

进一步地，入射角θ值为0-90°。如无特殊说明，以下内容中，入射角θ指的是折射入激光透明材料的激光光源与竖直方向的夹角。调节激光入射的角度θ值，使电场在膜中的穿透距离限制在预先设定值，并结合高分子上下基体传热系数的不同，限制碳化区域在碳化前驱体层中的位置，对所述碳化前驱体层至少一部分进行原位碳化，从而得到自封装碳阵列。

进一步地，沿碳化前驱体层的厚度方向，自封装碳阵列为单层或多层结构，当其为多层结构时，可以采用以下方式实现：

一、在基体表面形成第一碳化前驱体层，再在第一碳化前驱体层表面设置激光透明材料，沿同一平面制备一层碳阵列，然后去除激光透明材料，在第一碳化前驱体层表面形成第二碳化前驱体层，然后将激光透明材料设置于第二碳化前驱体层表面，再次制备一层碳阵列，重复以上步骤，可形成多层的自封装碳阵列。

二、在基体表面形成碳化前驱体层，再在碳化前驱体层表面设置激光透明材料，通过控制激光照射入碳化前驱体层深度的不同，在不同高度上进行多层激光碳化，获得沿碳化前驱体层厚度方向的多层碳阵列；也可以在形成一定层数的碳阵列后去除激光透明材料，将碳化前驱体层上下翻转，在翻转面设置激光透明材料，重复未翻转前的步骤，形成多层的自封装碳阵列。

进一步地，可采用内反射激光碳化技术对碳化前驱体层进行任意形状尺寸的原位碳化，原位碳化的图案可以是基本几何形状，以及几种基本几何形状的组合。

进一步地，自封装碳阵列的高度为10-60微米。

本发明的第二个目的是提供一种采用上述制备方法所制备的自封装碳阵列，其具有压阻特性，其压阻敏感系数为1-2000。

进一步地，沿碳化前驱体层的厚度方向，自封装碳阵列为单层或多层结构，自封装碳阵列由多个碳化单元组成。

进一步地，碳化单元可为任意形状尺寸的几何图形。

本发明的第三个目的是要求保护本发明的上述自封装碳阵列作为压阻传感器的应用。

进一步地，上述自封装碳阵列可作为压阻应变片粘贴于构件表面使用，也可作为嵌入式应变计包埋在构件内部使用。

在本发明中，“自封装碳阵列”中的“自封装”指的是碳化前驱体层中被原位碳化后形成的碳阵列自发地嵌入在可碳化前驱体中，碳阵列不需其他封装操作即自发封装于可碳化前驱体中。

借由上述方案，本发明至少具有以下优点：

1、本发明公开了一种自封装碳阵列的制备方法；采用内反射激光碳化技术，调节激光入射的角度θ值，使电场在膜中的穿透距离限制在预先设定值，并结合高分子上下基体传热系数的不同，限制碳化区域在可碳化高分子膜中的位置，从而得到自封装碳阵列。

2、自封装碳阵列的制备方法简单高效、自动化程度高、满足大面积大规模的生产要求、尺寸图案自动化控制；

3、调节碳阵列在高分子膜中的位置，通过多次激光书写，可便捷实现多层碳阵列的加工和制备；

4、经由本发明的方法制备的自封装碳阵列具有优异、并灵活可调性的压阻特性，可广泛应用于粘贴式和嵌入式应力、应变传感中，可以满足不同的应力、应变传感场合的应用需求。

上述说明仅是本发明技术方案的概述，为了能够更清楚了解本发明的技术手段，并可依照说明书的内容予以实施，以下以本发明的较佳实施例并配合附图详细说明如后。

附图说明

图1是本发明实施例1中自封装碳线截面的扫描电镜照片；

图2是本发明实施例2中自封装碳线截面的扫描电镜照片；

图3是本发明实施例4中自封装碳线截面的扫描电镜照片；

图4是本发明实施例5中自封装碳线截面的扫描电镜照片；

图5是本发明实施例6中自封装碳线的面电阻随激光功率的变化曲线；

图6是本发明实施例11中施加的拉伸应变随时间的变化曲线；

图7是本发明实施例11中自封装碳阵列的电阻随时间的变化曲线；

图8是本发明实施例12中施加的压缩应变随时间的变化；

图9是本发明实施例12中自封装碳阵列的电阻随时间的变化曲线；

图10是本发明实施例13中脉搏的监测结果；

图11是本发明实施例13中吞咽动作的监测结果；

图12是本发明一种自封装碳阵列制备方法的示意图；

附图标记说明：

1-基体；2-碳化前驱体层；3-激光透明材料；4-激光光源。

具体实施方式

下面结合附图和实施例，对本发明的具体实施方式作进一步详细描述。以下实施例用于说明本发明，但不用来限制本发明的范围。

实施例1

本实施例提供了一种自封装碳阵列及其制备方法。具体操作步骤如下：

以殷瓦钢片作为基体，殷瓦钢片热导率为10W/m.K，殷瓦钢片表面用乙醇清洗干燥。选择市售厚度为125微米的聚酰亚胺高分子膜作为碳化前驱体层，将聚酰亚胺高分子膜紧贴于基体表面，然后在聚酰亚胺高分子膜远离基体的一侧表面上放置氯化钠晶片，加压后使二者紧密贴合，所加压力为100kPa。再利用内反射激光碳化技术对聚酰亚胺高分子膜进行碳化，激光入射角度为垂直入射(入射角θ为0度)。激光书写条件为：波长10.64μm，脉冲频率20kHz，功率2.4W，激光光源移动速度15mm/sec，激光光源沿直线路径移动，聚酰亚胺高分子膜位于激光焦距之上，以制备线型的自封装碳阵列。所制备的自封装碳阵列的横截面扫描电镜照片如图1所示，自封装碳阵列截面为椭圆型，自封装碳阵列距离聚酰亚胺高分子膜上下表面的距离分别为25微米和50微米。

实施例2

本实施例提供了一种自封装碳阵列的制备方法。具体操作步骤如下：

以玻璃板作为基体，玻璃板热导率为1W/m.K，玻璃板表面用乙醇清洗干燥。选择市售厚度为125微米的聚酰亚胺高分子膜作为碳化前驱体材料，将聚酰亚胺高分子膜紧贴于基体表面，然后在聚酰亚胺高分子膜远离基体的一侧表面放置氯化钠晶片，加压后使二者紧密贴合，所加压力为100kPa。再利用内反射激光碳化技术对聚酰亚胺高分子膜进行碳化，激光入射角度为垂直入射(入射角θ为0度)。激光书写条件为：波长10.64μm，脉冲频率20kHz，功率2.4W，激光光源移动速度10mm/sec，激光光源沿间隔设置的直线路径移动，扫描间距为0.16mm。聚酰亚胺高分子膜位于激光焦距之上，以制备多段线组成的线型的自封装碳阵列。所制备的自封装碳阵列的横截面扫描电镜照片如图2所示。自封装碳阵列截面为椭圆型，自封装碳阵列距离聚酰亚胺高分子膜上下表面的距离分别为10微米和55微米。

实施例3

本实施例提供了一种自封装碳阵列的制备方法，具体操作步骤如下：

以石英片作为基体，石英热导率为1.5W/m.K，表面以丙酮清洗干燥。选择可碳化高分子预聚体聚酰胺酸溶液(PAA)作为碳化前驱体材料，将浓度为20wt％的PAA溶液取适量于石英片上进行刮涂，刮涂厚度为200微米，刮涂结束后至烘箱中进行如下热处理：(1)100℃除水，60min；(2)150℃除溶剂，90min；(3)300℃交联固化，60min。石英上即形成一层厚度为40微米的聚酰亚胺膜。将硒化锌平面镜压于聚酰亚胺膜上，压力为50kPa。利用内反射激光碳化技术对聚酰亚胺膜进行碳化，激光入射角度为垂直入射(入射角θ为0度)。激光书写条件为：波长10.64μm，脉冲频率20kHz，功率2W，激光光源移动速度15mm/sec，聚酰亚胺膜位于激光焦距之上1mm，激光光源的光照图案为长为9mm的碳线，即形成了自封装碳线。自封装碳线离聚酰亚胺膜上下表面的距离分别为3微米和5微米。

实施例4

本实施例提供了一种自封装碳阵列的制备方法。具体操作步骤如下：

以玻璃片作为基体，表面用乙醇清洗干燥。选择市售厚度为125微米的聚酰亚胺高分子膜作为碳化前驱体材料，将聚酰亚胺高分子膜紧贴于基体表面，然后在聚酰亚胺高分子膜上放置硒化锌棱镜并施加压力，压力为20kPa。再利用内反射激光碳化技术对聚酰亚胺高分子膜进行碳化，激光入射角度θ为45度。激光书写条件为：波长10.64μm，脉冲频率20kHz，功率4W，激光光源移动速度20mm/sec，激光光源沿直线路径移动，聚酰亚胺高分子膜位于激光焦距之上，以制备线型的自封装碳阵列。所制备的自封装碳阵列的横截面扫描电镜照片如图3所示。自封装碳阵列的截面为椭圆型，自封装碳阵列离聚酰亚胺高分子膜上下表面的距离分别为2微米和70微米。

实施例5

本实施例提供了一种自封装碳阵列的制备方法。具体操作步骤如下：

以不锈钢片作为基体，表面用乙醇清洗干燥。选择市售厚度为50微米的聚酰亚胺高分子膜作为碳化前驱体材料，将聚酰亚胺高分子膜紧贴于基体表面，然后在聚酰亚胺高分子膜上放置硅片并施加压力，压力为20kPa。再利用内反射激光碳化技术对聚酰亚胺高分子膜进行碳化，激光入射角度为垂直入射(入射角θ为0度)。激光书写条件为：波长10.64μm，脉冲频率20kHz，功率2.4W，激光光源移动速度15mm/sec，激光光源沿直线路径移动，聚酰亚胺高分子膜位于激光焦距之上，以制备线型的自封装碳阵列。制备完成后，去除基体和硅片，将包含自封装碳阵列的聚酰亚胺高分子膜包埋在环氧树脂中，其扫描电镜照片如图4所示。自封装碳阵列截面为椭圆型，自封装碳阵列离自封装碳阵列上下表面的距离分别为2微米和20微米。图中上方虚线和下方虚线之间为聚酰亚胺高分子膜，上方虚线以上，下方虚线以下为环氧树脂。

实施例6

本实施例提供了一种自封装碳阵列的制备方法。具体操作步骤如下：

以玻璃片作为基体，表面用乙醇清洗干燥。选择市售厚度为125微米的聚酰亚胺高分子膜作为碳化前驱体材料，将聚酰亚胺高分子膜紧贴于基体表面，然后在聚酰亚胺高分子膜远离基体的一侧表面上放置硒化锌棱镜并施加压力，压力为20kPa。再利用内反射激光碳化技术对聚酰亚胺高分子膜进行碳化，激光入射角度θ为30度。激光书写条件为：波长10.64μm，脉冲频率20kHz，激光光源移动速度20mm/sec，激光光源沿直线路径移动，聚酰亚胺膜位于激光焦距之上1000微米，激光书写长度为10mm。改变激光书写的功率，制备不同的线型的自封装碳阵列。图5是自封装碳阵列的面电阻随激光书写功率的变化图，随着激光书写功率的增大，碳阵列的面电阻降低。

实施例7

本实施例提供了一种自封装碳阵列的制备方法。具体操作步骤如下：

以不锈钢板作为基体，不锈钢板热导率为30W/m.K，不锈钢板表面用乙醇清洗干燥。选择市售厚度为75微米的聚酰亚胺高分子膜作为碳化前驱体材料，将聚酰亚胺高分子膜紧贴于基体表面，然后在聚酰亚胺高分子膜远离基体的一侧表面上放置2mm厚的氟化钙平面镜并施加压力，压力为20kPa，氟化钙晶体热导率为30W/m.k。激光聚焦位置为不锈钢表面，再利用内反射激光碳化技术对聚酰亚胺高分子膜进行碳化，激光入射角度θ为0度。激光书写条件为：波长0.4μm，激光功率为2W，激光光源移动速度10mm/sec。激光光源沿直线路径移动，聚酰亚胺膜位于激光焦距位置，激光书写长度为10mm。自封装碳阵列的截面为椭圆型，自封装碳阵列高度为20微米，碳线宽度为100微米，碳阵列离聚酰亚胺高分子膜上下表面的距离分别为10微米和45微米。

实施例8

本实施例提供了一种自封装碳阵列的制备方法。具体操作步骤如下：

以铝板作为基体，铝板热导率为230W/m.K，铝板表面用乙醇清洗干燥。选择市售厚度为50微米的聚酰亚胺高分子膜作为碳化前驱体材料，将聚酰亚胺高分子膜紧贴于基体表面，然后在聚酰亚胺高分子膜远离基体的一侧表面上放置氟化钙棱镜并施加压力，压力为50kPa，氟化钙晶体热导率为30W/m.K。激光聚焦位置为可碳化高分子表面，再利用内反射激光碳化技术对聚酰亚胺高分子膜进行碳化，激光入射角度θ为30度。激光书写条件为：波长0.4μm，激光功率为4W，激光光源移动速度10mm/sec。激光光源沿直线路径移动，聚酰亚胺膜位于激光焦距位置，激光书写图案为弓形图案，总长度为50mm。自封装碳阵列的截面为椭圆型，自封装碳阵列高度为20微米，碳线宽度为70微米，碳阵列离聚酰亚胺高分子膜上下表面的距离分别为30微米和25微米。

实施例9

本实施例提供了一种多层自封装碳阵列的制备方法。具体操作步骤如下：

以玻璃片作为基体，表面用乙醇清洗干燥。选择市售厚度为125微米的聚酰亚胺高分子膜作为碳化前驱体材料，将聚酰亚胺高分子膜紧贴于基体表面，然后在聚酰亚胺高分子膜远离基体的一侧表面上放置硒化锌平面镜并施加压力，压力为20kPa。再利用内反射激光碳化技术对聚酰亚胺高分子膜进行第一次激光直写，激光入射角度θ为0度，激光书写条件为：波长10.64μm，脉冲频率20kHz，功率4W，激光光源移动速度15mm/sec，聚酰亚胺膜位于激光焦距之上。后去除硒化锌平面镜，将聚酰亚胺高分子膜翻转，再在翻转后的聚酰亚胺高分子膜表面放置硒化锌平面镜并施加压力，压力为20kPa然后进行第二次激光直写，激光直写条件与第一次相同，由此获得双层自封装碳阵列，沿自封装碳阵列厚度方向，两层碳阵列之间的距离为3微米。

实施例10

本实施例提供了一种多层自封装碳阵列的制备方法。具体操作步骤如下：

以玻璃片作为基体，表面用乙醇清洗干燥。选择市售厚度为125微米的聚酰亚胺高分子膜作为碳化前驱体材料，将聚酰亚胺高分子膜紧贴于基体表面，然后在聚酰亚胺高分子膜远离基体的一侧表面上放置硒化锌平面镜并施加压力，压力为20kPa。再利用激光直写技术对其进行第一次激光直写，激光入射角度θ为40度，激光书写条件为：波长10.64μm，脉冲频率20kHz，功率4W，激光光源移动速度15mm/sec，聚酰亚胺高分子膜位于激光焦距之上，切割图案为蛇形，以制备蛇形图案的碳阵列，碳阵列离聚酰亚胺高分子膜上下表面的距离分别为2微米和60微米。然后进行第二次激光直写，激光入射角度θ为90度，激光书写条件为：波长10.64μm，脉冲频率20kHz，功率2W，激光光源移动速度15mm/sec，切割图案为蛇形，聚酰亚胺膜位于激光焦距之上，沿聚酰亚胺高分子膜的厚度方向，两次激光书写得到的碳线之间距离为5微米。

实施例11

本实施例提供了一种自封装碳阵列的用于制作压阻应变片。具体操作步骤如下：

以石英片作为基体，表面用乙醇清洗干燥。选择市售厚度为70微米的聚酰亚胺高分子膜作为碳化前驱体材料，在聚酰亚胺高分子膜上放置硅片并施加压力，压力为20kPa。再利用内反射激光碳化技术对聚酰亚胺高分子膜进行碳化，激光入射角度为垂直入射(入射角θ为0度)。激光书写条件为：波长10.64μm，脉冲频率20kHz，功率2.4W，激光光源移动速度15mm/sec，激光光源沿直线路径移动，聚酰亚胺高分子膜位于激光焦距之上500微米。激光碳化完成后，去除基体和硅片，将制备的含自封装碳阵列的聚酰亚胺高分子膜粘接于悬臂梁上，加载应变随时间的变化如图6所示，自封装碳阵列相应的电阻变化如图7所示。压阻系数为单位应变下的电阻变化率，因此，根据图6和7的测试结果，该线型的自封装碳阵列的压阻敏感系数为67。

实施例12

本实施例提供了一种自封装碳阵列的用于制作压阻应变片。具体操作步骤如下：

以铝片作为基体，表面用乙醇清洗干燥。选择市售厚度为100微米的聚酰亚胺高分子膜作为碳化前驱体材料，将聚酰亚胺高分子膜紧贴于基体表面，然后在聚酰亚胺高分子膜上放置200微米厚的硅片并施加压力，压力为70kPa。再利用内反射激光碳化技术对其进行碳化，激光入射角度为垂直入射(入射角θ为0度)。激光书写条件为：波长10.64μm，脉冲频率20kHz，功率2.4W，激光光源移动速度15mm/sec，激光光源沿直线路径移动，聚酰亚胺膜位于激光焦距之上300微米。激光碳化完成后，去除基体和硅片，将制备的含自封装碳阵列的聚酰亚胺高分子膜粘接于悬臂梁上，加载压缩应变随时间的变化如图8所示，自封装碳阵列相应的电阻变化如图8所示。压阻系数为单位应变下的电阻变化率，因此，根据图8和9的测试结果，该线型的自封装碳阵列受压缩载荷下压阻敏感系数为-22。

实施例13

本实施例提供了一种自封装碳阵列作为压阻传感器用于人体健康监测中的应用。

具体是将经由实施例10所获得的压阻型自封装碳阵列，在线型的自封装碳阵列的两端连接电极后制备得到的压阻敏感元件，将压阻敏感元件黏贴于手腕处，用于监测脉搏，测试结果如图10所示。将同一压阻敏感元件黏贴于喉咙处，用于监测口水吞咽，测试结果如图11所示。

以上仅是本发明的优选实施方式，并不用于限制本发明，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明技术原理的前提下，还可以做出若干改进和变型，这些改进和变型也应视为本发明的保护范围。

Claims (10)

1.一种自封装碳阵列的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

在基体的表面形成碳化前驱体层，将激光透明材料设置于所述碳化前驱体层表面，所述基体、碳化前驱体层和激光透明材料依次紧密贴合；所述基体的传热系数为1-500W/m.K；然后采用内反射激光碳化技术，将激光光源从所述激光透明材料射向所述碳化前驱体层，所述激光透明材料的折射率高于所述碳化前驱体层的折射率，调节激光入射的角度θ值，使激光光源照射于碳化前驱体层中的不同位置并对其进行原位碳化，从而得到自封装碳阵列。

2.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述基体的材质为石英、云母、高定向热解石墨、高模量碳纤维、硅片、玻璃、铝片、殷瓦钢、不锈钢片和陶瓷片中的一种或以上几种材料的复合材料。

3.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述激光透明材料为棱镜或平面镜，激光透明材料的透光率＞50％，激光透明材料的折射率为2-3。

4.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述碳化前驱体层的材质为可碳化高分子、碳纳米材料、金属纳米材料、金属氧化物纳米材料和无机纳米材料中的一种或几种；所述碳化前驱体层的厚度为10-150微米。

5.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：激光光源的波长为10nm-1mm，激光照射功率为0.1-10W，激光能量密度为6-660J/m。

6.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：入射角θ值为0-90°。

7.根据权利要求1所述的制备方法，其特征在于：所述自封装碳阵列的高度为10-60微米。

8.一种权利要求1-7中任一项所述的制备方法所制备的自封装碳阵列，其特征在于：其具有压阻特性，其压阻敏感系数为1-2000。

9.根据权利要求8所述的自封装碳阵列，其特征在于：沿碳化前驱体层的厚度方向，所述自封装碳阵列为单层或多层结构，所述自封装碳阵列由多个碳化单元组成。

10.权利要求8所述的自封装碳阵列作为压阻传感器的应用。

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