CN110440961B - 一种可穿戴的压阻式传感器系统及其制备工艺 - Google Patents
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Abstract
公开了一种可穿戴的压阻式传感器系统及其该系统的制备工艺，本发明提供了一种压阻材料的制备新工艺，本发明以高分子发泡材料为基材，同时利用微米金属铜线来改变压阻材料与设备电极之间的接触面积和接触行为，将传感器的检测灵敏度和检测压力范围产生放大的效果，传感器的传感效果有了显著的提升，是一种具有高灵敏度、高柔弹性的小量程压力传感器，可广泛应用于电子皮肤以及可穿戴设备，具有很大的潜在应用价值。
Description
技术领域
本发明涉及传感领域，更具体地讲，涉及一种可穿戴的压阻式传感器系统及其该系统的制备工艺。
背景技术
作为柔性触觉传感器的前端感知部分，敏感材料的构建主要包含两种形式：其中一种为利用传统的金属应变片嵌入到具有柔弹性的高分子聚合物中，从而实现一定的柔性；而另一种则为压阻导电复合材料，即通过将导电填料分散到柔性绝缘基体中形成敏感部分。压阻导电复合材料是形成感知“皮肤”的最佳选择，因其能重现触觉感知、更好地贴合在使用者表面，满足了模仿人类皮肤所需的高度适应性。基于这类材料的触觉传感器，不仅能够实现较高的灵敏度、机械初性以及低功耗，并且能够起到一定的防护作用。
虽然目前在开发基于压力感测、触觉感知的敏感导电聚合物方面有相当多的工作，但制造出能够同时具有高灵敏度，优异的重复性以及小滞后的压阻导电复合材料是具有挑战性，这就限制了它们在某些特定领域的应用。三维导电材料，例如导电多孔海绵或泡沫可以将优异的电学特性和机械柔性结合在一起，是一种可替换传统导电复合材料的新型压阻材料。
发明内容
因此，针对现有技术上存在的不足，提供本发明的示例以基本上解决由于相关领域的限制和缺点而导致的一个或更多个问题，安全性和可靠性大幅度提高，有效的起到保护设备的作用。
按照本发明提供的技术方案，本发明公开了不止一组压阻材料的制备工艺，其中压阻材料能够用于传感器中，压阻材料为柔性海绵。
进一步的，一组压阻材料具有如下制备流程：
A、将薄片状的发泡材料作为基材并裁切成条状，再裁切成统一大小的立方体；
B、将切好的立方发泡材料使用 95%的乙醇和去离子水置于超音波震荡器中，洗涤并震荡25min；
C、去离子水洗净后，取出先使用氮气枪吹干，再放置真空腔体中抽干24小时以上；
D、取一个50ml的玻璃瓶，按照顺序依次加入32ml的PEDOT:PSS 导电高分子溶液和2ml的DMSO，盖上瓶盖放置于常温超音波震荡槽中进行震荡20min，然后将洗净并抽干的立方发泡材料浸入该玻璃瓶内的液体中，浸泡并且同时进行震荡20min，然后倒出玻璃瓶中的液体并且将其中的立方发泡材料取出，放置在塑胶培养皿中，再次送入真空腔体内进行抽干作业；
E、抽干后即得到所需的压阻材料。
进一步的，另一组压阻材料还具有如下制备流程：
A、将薄片状的发泡材料作为基材并裁切成条状，再裁切成 1cm3统一大小的立方体；
B、将切好的立方发泡材料使用 95%的乙醇和去离子水置于超音波震荡器中，洗涤并震荡25min；
C、去离子水洗净后，取出先使用氮气枪吹干，再放置真空腔体中抽干24小时以上；
D、取一个50ml的玻璃瓶，按照顺序依次加入0.03g的单壁碳纳米管、0.03g的4-十二烷基苯磺酸、30ml的去离子水和2ml的DMSO，盖上瓶盖先使用试管振荡器震荡1min，再用超音波震荡器震荡1小时，再用 1250rpm的转速进行磁石搅拌12个小时，然后将洗净并抽干的立方发泡材料浸入该玻璃瓶内的液体中，将转速调降至750rpm并进行搅拌24小时，然后倒出玻璃瓶中的液体并且将其中的立方发泡材料取出，放置在塑胶培养皿中，再次送入真空腔体内进行抽干作业；
E、抽干后即得到所需的压阻材料。
进一步的，本发明还公开了一种压阻式传感器，该压阻式传感器具有压阻材料，压阻材料由上述的制备工艺制备而得，其中，压阻材料的上部设有银胶，银胶的上部设有上铜箔胶带，上铜箔胶带的上部设有上聚丙烯薄膜，压阻材料的下部设有微米金属铜线，微米金属铜线的下部设有双面胶，双面胶的下部设有下铜箔胶带，下铜箔胶带的下部设有下聚丙烯薄膜。
该压阻式传感器具有如下制备流程：
A、取聚丙烯薄膜裁切成两片，在裁切后的薄膜上贴上铜箔胶带，通过一对折的A4纸做保护，将贴上铜箔胶带的聚丙烯薄膜送入150°C的塑封机进行塑封，形成铜箔-聚丙烯电极；
B、铜箔-聚丙烯电极制作完成后，取出一片，把两条0.5 mm宽的双面胶平行黏贴在铜箔-聚丙烯电极的长边的两侧；
C、然后在步骤B上的双面胶上等距的贴上若干支长1 cm、直径165μm的微米金属铜线，形成柱状电极组件；
D、在压阻材料的四角处滴上强力胶，马上黏贴在步骤C得到的柱状电极组件上；
E、将步骤D中的得到的部件转置于加热板上，以65°C烘烤2.5小时，使强力胶固化完全；
F、将另一片铜箔-聚丙烯电极的一侧刷上一层银胶，然后黏在压阻材料的未贴附电极的一侧；
G、将步骤F中的得到的部件转置于加热板上，以65°C烘烤2.5小时，使银胶固化完全。
本发明还公开了一种可穿戴传感器系统，该传感器系统包括上述的压阻式传感器，传感器系统还包括一电池盒体，电池盒体嵌设有纽扣电池，电池盒体上还黏贴有两条导电条，LED灯的四根接脚设置在两条导电条上，上铜箔胶带的边缘接出一条导线与电池盒体的输出正极相接，下铜箔胶带的边缘也接出一条导线与LED灯的负极连接的导电条相接，电池盒体的输出负极还接出一条导线与LED灯的正极连接的导电条相接。
其中该可穿戴传感器系统具有如下制备工艺：在电池盒体上黏贴两条宽1mm的导电条，两条导电条彼此之间的距离为5mm，再将LED灯的四根接脚分别焊接在两条导电条上，使用锡焊的方式在上下两铜箔胶带的边缘处分别焊接一条导线，其中一条导线与电池盒体的输出正极焊接，另外一条导线与LED灯的负极连接的导电条焊接，同时电池盒体的输出负极还焊接出一条导线，与LED灯的正极连接的导电条焊接。
本发明提供了一种压阻材料的制备新工艺，本发明以高分子发泡材料为基材，同时利用微米金属铜线来改变压阻材料与设备电极之间的接触面积和接触行为，将传感器的检测灵敏度和检测压力范围产生放大的效果，传感器的传感效果有了显著的提升，是一种具有高灵敏度、高柔弹性的小量程压力传感器，可广泛应用于电子皮肤以及可穿戴设备，具有很大的潜在应用价值。
附图说明
图1为本发明的压阻式传感器系统示意图。
图2为本发明的传感器示意图。
图3为本发明的压阻材料制备示意图。
具体实施方式
下面结合具体实施例对本发明作进一步说明。
以下将结合附图所示的具体实施方式对本发明进行详细描述。但这些实施方式并不限制本发明，本领域的普通技术人员根据这些实施方式所做出的结构、方法、或功能上的变换均包含在本发明的保护范围内。下面结合附图及具体实施例对本发明的应用原理作进一步描述。
传感器被比喻成人们的“感觉器官”，具有准确、数字化的表现感知功能。在生产活动及研究自然规律的过程中，人类需要从外界获取准确可靠的信息，单纯的仅仅依靠感觉器官已远远无法满足人类探索所需要的精确数据，因此必须借助传感器这个重要的测量工具。传感器技术早已经被广泛应用于人类生活的方方面面，但是，传统的传感器大都采用硅片、石英等刚性基底和单晶无机材料，这些基底与材料的基本形态都是刚性的，制约着传感器与生物组织更密切的接触。因此，针对上述问题，本发明涉及的传感器系统具有轻、柔、薄等特点的便携式、可穿戴、交互式的柔性传感器。
可穿戴柔性传感器正以前所未有的方式改善着我们的工作、健康和生活方式，它们能追踪我们自身状况和周围环境，并为人们的生活提供更好的选择。
压力传感器是将压力信号转换为电信号输出的一种传感器件。压力传感器的种类丰富，如压电式压力传感器、压阻式压力传感器和电容式压力传感器。压阻式压力传感器是利用压力转化为电阻信号输出的一种传感器。其中，压阻式传感器的工作原理为压阻效应，材料在受到外界压力作用下发生电阻变化的效应称为压阻效应。压阻效应与压电效应的不同之处是当物体受到外界压力时只出现电阻的变化，不会产生极化电荷。相比之下，由于压阻式传感器具有灵敏度高、成本低、可靠性强、结构简单以及较好的线性特性等优点，能很好地克服压电式和电容式传感器存在的问题。
为了满足轻、柔、薄的可穿戴电子产品的需要，因此需要选用柔性材料作为基材，对于本发明而言，采用发泡三聚氰胺以及高密度发泡聚氨酯作为压阻材料的基材，前者具有良好的连续气泡孔洞，有利于导电材料的吸附或包覆，同时具良好的压缩幅度、回复能力、抗腐蚀性和耐高温等性质，后者高密度发泡聚氨酯具有很高密度的孔洞结构，可吸附自体重量400%的液体，同时有非常好的机械性质，可承受非常高的压缩应力，恢复能力也非常好。
浸泡用的导电液的选择，本发明选择聚(3,4-亚乙基二氧噻吩):聚(苯乙烯磺酸)悬浮液(PEDOT:PSS)和碳纳米管悬浮液，两者都不需氧化或还原等多个步骤，将上述的基材浸入导电液中，取出并抽干即可得到单一步骤制程的压阻材料，对于本发明而言，可以制备A、B、C三种不同的压阻材料。
图3是A压阻材料的完整制备流程示意图。
1、将薄片状的发泡三聚氰胺作为基材并裁切成条状，再裁切成1cm3大小的立方体；
2、将切好的立方发泡三聚氰胺基材使用 95%的乙醇和去离子水置于超音波震荡器中，洗涤并震荡25min，以洗去基材可能含有的有机物或其他杂质，避免后续步骤可能产生的误差；
3、去离子水洗净后，取出先使用氮气枪吹干，除去多余的水分以缩短抽真空的时间，不使用压缩挤出水分的原因是避免基材结构产生永久变形，再放置真空腔体中抽干24小时以上；
4、取一个50ml的玻璃瓶，按照顺序依次加入32ml的PEDOT:PSS导电高分子溶液和2ml的DMSO，盖上瓶盖放置于常温超音波震荡槽中进行震荡20min，然后将洗净并抽干的立方发泡基材浸入该玻璃瓶内的液体中，浸泡并且同时进行震荡20min，然后倒出玻璃瓶中的液体并且将其中的立方发泡基材取出，放置在塑胶培养皿中，再次送入真空腔体内进行抽干作业；
5、抽干后即得到所需的压阻材料。
而图3中的F视图为A压阻材料的扫描式电子显微镜影像，孔隙大小约落于50至150µm之间。
B压阻材料的制备流程与A压阻材料大致相同，唯一不同的是，由于高密度发泡聚氨酯较硬，若选择与发泡三聚氰胺相同形状的立方体会导致加工不易与检测操作上的困难，所以本发明选用的发泡聚氨酯厚度为较薄的0.5cm。
C压阻材料的制备过程与前述两种有一些差异，不同之处在于浸泡抽干的方式有所不同。先前的PEDOT:PSS是以重量百分比浓度为1.3%的离聚物的形态均匀溶解在水溶液中，干燥后，会在基材上形成一层具导电性的薄膜，因此只要PEDOT:PSS与DMSO间的比例正确，不论导电溶液体积和发泡材料浸泡的数量多少，PEDOT:PSS都能均匀地包裹在发泡材料结构表面上，构成一层导电薄膜。然而，碳纳米管悬浮液的制备方式就复杂许多，由于碳纳米管本身与液体并不相溶，仅能利用试管振荡器、超音波震荡器或是磁石搅拌的方式使之均匀散播在水溶液中，而碳纳米管最后会卡在发泡材料孔隙中，并不会包覆表面成膜，也因此碳纳米管的浓度会随着发泡材料的吸附多少产生变动，所以制备过程中一次浸泡发泡材料的数量必须固定，才能得到相同的导电性质。C压阻材料使用的碳纳米管导电悬浮液的制备流程是取一个50ml的玻璃瓶，按照顺序依次加入0.03g的单壁碳纳米管、0.03g的4-十二烷基苯磺酸、30ml的去离子水和2ml的DMSO，盖上瓶盖先使用试管振荡器震荡1min，再用超音波震荡器震荡1小时，再用 1250rpm的转速进行磁石搅拌12个小时，然后将洗净并抽干的立方发泡三聚氰胺浸入该玻璃瓶内的液体中，将转速调降至750rpm并进行搅拌24小时，然后倒出玻璃瓶中的液体并且将其中的立方发泡三聚氰胺取出，放置在塑胶培养皿中，再次送入真空腔体内进行抽干作业，抽干后即得到所需的压阻材料，即可得到C压阻材料。
本发明还进一步公开了一种压阻式传感器，该压阻式传感器具有压阻材料，其中压阻材料由上述制备工艺制备得来。图2是压阻式传感器的详细示意图，结构由上而下依序为上聚丙烯薄膜4、上铜箔胶带3、银胶2、压阻材料1、微米金属铜线5、双面胶6、下铜箔胶带7和下聚丙烯薄膜8，铜箔胶带与聚丙烯薄膜贴合的目的为改善铜箔电极的机械性质，利用高分子聚合物的可饶性与形变回复性让铜箔胶带不易产生受弯曲或扭转后的永久变形，同时当作绝缘层，使传感器的机电性质不受外界环境影响；微米金属线结构则是提供更好灵敏度以及更广的检测范围；上层电极选择使用银胶贴合的目的是提升传感器的坚韧性与信号稳定性，由于外侧电极所受到的张力以及剪切力较内侧大，若使用双面微米金属柱状电极，外侧电极可能会产生结构上的瑕疵进而使信号变得不平稳；而压阻材料的种类、形状或是大小就可以依传感环境的不同再进行调整。
该压阻式传感器具有如下制备流程；
A、取聚丙烯薄膜裁切成两片，在裁切后的薄膜上贴上铜箔胶带，通过一对折的A4纸做保护，将贴上铜箔胶带的聚丙烯薄膜送入150°C的塑封机进行塑封，形成铜箔-聚丙烯电极；此步骤是为了巩固铜箔胶带与聚丙烯间的贴合，聚丙烯一方面提供单面绝缘功能，避免外界的干扰，另一方面改善铜箔电极的机械性质，使之具有一定的柔韧性，不易永久形变；
B、铜箔-聚丙烯电极制作完成后，取出一片，把两条0.5 mm宽的双面胶平行黏贴在铜箔-聚丙烯电极的长边的两侧；
C、然后在步骤B上的双面胶上等距的贴上若干支长1 cm、直径165μm的微米金属铜线，形成柱状电极组件；
D、在压阻材料的四角处滴上强力胶，马上黏贴在步骤C得到的柱状电极组件上；
E、将步骤D中的得到的部件转置于加热板上，以65°C烘烤2.5小时，使强力胶固化完全；
F、将另一片铜箔-聚丙烯电极的一侧刷上一层银胶，然后黏在压阻材料的未贴附电极的一侧；
G、将步骤F中的得到的部件转置于加热板上，以65°C烘烤2.5小时，使银胶固化完全。
本发明还进一步公开了一种传感器系统，该传感器系统包括上述的压阻式传感器，具体的，传感器系统还包括一电池盒体，电池盒体嵌设有纽扣电池10，电池盒体上还黏贴有两条导电条，LED灯11的四根接脚设置在两条导电条上，上铜箔胶带3的边缘接出一条导线与电池盒体的输出正极相接，下铜箔胶带7的边缘也接出一条导线与LED灯11的负极连接的导电条相接，电池盒体的输出负极还接出一条导线与LED灯11的正极连接的导电条相接。
可携带性对于传感器系统是非常重要的，其目的是检测较难固定的曲面、处于变动状态或是非单方向受力的情况，那么最大的问题在于庞大的供电设备以及信号接收设备，且倘若一片传感器需要一台较大的电源供应器，那在做多点测试时便携性就会受到限制。
本发明涉及的便携式可穿戴传感器能够将检测灵敏度提升，并结合LED以及钮扣电池供电系统，如图1所示，设计出一个可完全携带的简易制造的压力传感器系统。对电流及电压极度敏感的LED 可以取代检测电压和电流的电表，并以使用者的眼睛当作光传感器，为了使电流的变化能够落在LED亮度能够区别的范围内作检测，可以通过电极结构的调整、外加电阻或是更换钮扣电池的种类以及串接方式去实现。
该传感器系统包括如下制备工艺：在电池盒体上黏贴两条宽1mm的导电条，两条导电条彼此之间的距离为5mm，再将LED灯的四根接脚分别焊接在两条导电条上，这样即可将电源供应设备与信号反馈设备结合在一起，简化设备空间，提升便携性能，使用锡焊的方式在上下两铜箔胶带的边缘处分别焊接一条导线，其中一条导线与电池盒体的输出正极焊接，另外一条导线与LED灯的负极连接的导电条焊接，同时电池盒体的输出负极还焊接出一条导线，与LED灯的正极连接的导电条焊接。
传感器系统置于壳体中而成为成品，而本发明所涉及的可穿戴传感器系统成品操作方式非常简易，在将要测量的关节处先贴上一条黏性优良的双面胶，再将本发明的可穿戴便携式传感器系统成品的主体黏贴在关节处，开启电池盒的电源即可观察LED的亮度变化，进而得知压力大小。
本领域技术人员而言，显然本发明不限于上述示范性实施例的细节，而且在不背离本发明的精神或基本特征的情况下，能够以其他的具体形式实现本发明。因此，无论从哪一点来看，均应将实施例看作是示范性的，而且是非限制性的，本发明的范围由所附权利要求而不是上述说明限定，因此旨在将落在权利要求的等同要件的含义和范围内的所有变化囊括在本发明内。不应将权利要求中的任何附图标记视为限制所涉及的权利要求。
此外，应当理解，虽然本说明书按照实施方式加以描述，但并非每个实施方式仅包含一个独立的技术方案，说明书的这种叙述方式仅仅是为清楚起见，本领域技术人员应当将说明书作为一个整体，各实施例中的技术方案也可以经适当组合，形成本领域技术人员可以理解的其他实施方式。
Claims (5)
1.一种压阻式传感器，所述的压阻式传感器具有压阻材料（1），所述的压阻材料为柔性海绵；所述的柔性海绵具有如下制备流程；
A、将薄片状的发泡材料作为基材并裁切成条状，再裁切成统一大小的立方体；
B、将切好的立方发泡材料使用95%的乙醇和去离子水置于超音波震荡器中，洗涤并震荡25min；
C、去离子水洗净后，取出先使用氮气枪吹干，再放置真空腔体中抽干24小时以上；
D、取一个50ml的玻璃瓶，按照顺序依次加入32ml的PEDOT:PSS导电高分子溶液和2ml的DMSO，盖上瓶盖放置于常温超音波震荡槽中进行震荡20min，然后将洗净并抽干的立方发泡材料浸入该玻璃瓶内的液体中，浸泡并且同时进行震荡20min，然后倒出玻璃瓶中的液体并且将其中的立方发泡材料取出，放置在塑胶培养皿中，再次送入真空腔体内进行抽干作业；
E、抽干后即得到所需的压阻材料；
其特征在于：
所述的压阻材料（1）的上部设有银胶（2），所述的银胶的上部设有上铜箔胶带（3），所述的上铜箔胶带（3）的上部设有上聚丙烯薄膜（4），所述的压阻材料（1）的下部设有微米金属铜线（5），所述的微米金属铜线（5）的下部设有双面胶（6），所述的双面胶（6）的下部设有下铜箔胶带（7），所述的下铜箔胶带（7）的下部设有下聚丙烯薄膜（8）。
2.一种压阻式传感器，所述的压阻式传感器具有压阻材料（1），所述的压阻材料为柔性海绵；其特征在于，所述的柔性海绵具有如下制备流程；
A、将薄片状的发泡材料作为基材并裁切成条状，再裁切成 1cm3统一大小的立方体；
B、将切好的立方发泡材料使用95%的乙醇和去离子水置于超音波震荡器中，洗涤并震荡25min；
C、去离子水洗净后，取出先使用氮气枪吹干，再放置真空腔体中抽干24小时以上；
D、取一个50ml的玻璃瓶，按照顺序依次加入0.03g的单壁碳纳米管、0.03g的4-十二烷基苯磺酸、30ml的去离子水和2ml的DMSO，盖上瓶盖先使用试管振荡器震荡1min，再用超音波震荡器震荡1小时，再用 1250rpm的转速进行磁石搅拌12个小时，然后将洗净并抽干的立方发泡材料浸入该玻璃瓶内的液体中，将转速调降至750rpm并进行搅拌24小时，然后倒出玻璃瓶中的液体并且将其中的立方发泡材料取出，放置在塑胶培养皿中，再次送入真空腔体内进行抽干作业；
E、抽干后即得到所需的压阻材料；
其特征在于：
所述的压阻材料（1）的上部设有银胶（2），所述的银胶的上部设有上铜箔胶带（3），所述的上铜箔胶带（3）的上部设有上聚丙烯薄膜（4），所述的压阻材料（1）的下部设有微米金属铜线（5），所述的微米金属铜线（5）的下部设有双面胶（6），所述的双面胶（6）的下部设有下铜箔胶带（7），所述的下铜箔胶带（7）的下部设有下聚丙烯薄膜（8）。
3.一种传感器的制备工艺，所述的传感器为权利要求1或2所述的压阻式传感器，其特征在于，所述的压阻式传感器具有如下制备流程；
A、取聚丙烯薄膜裁切成两片，在裁切后的薄膜上贴上铜箔胶带，通过一对折的A4纸做保护，将贴上铜箔胶带的聚丙烯薄膜送入150°C的塑封机进行塑封，形成铜箔-聚丙烯电极；
B、铜箔-聚丙烯电极制作完成后，取出一片，把两条0.5mm宽的双面胶平行黏贴在铜箔-聚丙烯电极的长边的两侧；
C、然后在步骤B上的双面胶上等距的贴上若干支长1cm、直径165μm的微米金属铜线，形成柱状电极组件；
D、在压阻材料的四角处滴上强力胶，马上黏贴在步骤C得到的柱状电极组件上；
E、将步骤D中的得到的部件转置于加热板上，以65°C烘烤2.5小时，使强力胶固化完全；
F、将另一片铜箔-聚丙烯电极的一侧刷上一层银胶，然后黏在压阻材料的未贴附电极的一侧；
G、将步骤F中的得到的部件转置于加热板上，以65°C烘烤2.5小时，使银胶固化完全。
4.一种传感器系统，所述的传感器系统包括权利要求1或2所述的压阻式传感器（9），其特征在于，所述的传感器系统还包括一电池盒体，所述的电池盒体嵌设有纽扣电池（10），所述的电池盒体上还黏贴有两条导电条，LED灯（11）的四根接脚设置在所述的两条导电条上，所述的上铜箔胶带（3）的边缘接出一条导线与所述的电池盒体的输出正极相接，所述的下铜箔胶带（7）的边缘也接出一条导线与所述的LED灯（11）的负极连接的导电条相接，所述的电池盒体的输出负极还接出一条导线与所述的LED灯（11）的正极连接的导电条相接。
5.一种可穿戴传感器系统的制备工艺，所述的传感器为权利要求4所述的传感器系统，其特征在于，所述的传感器系统包括如下制备工艺：在电池盒体上黏贴两条宽1mm的导电条，两条导电条彼此之间的距离为5mm，再将LED灯的四根接脚分别焊接在两条导电条上，使用锡焊的方式在上下两铜箔胶带的边缘处分别焊接一条导线，其中一条导线与电池盒体的输出正极焊接，另外一条导线与LED灯的负极连接的导电条焊接，同时电池盒体的输出负极还焊接出一条导线，与LED灯的正极连接的导电条焊接。
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