CN110849514B - 一种高性能rGO/CNF力电传感器及其制备方法 - Google Patents

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    • G01L1/00—Measuring force or stress, in general
    • G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material

Abstract

本发明公开了一种高性能rGO/CNF力电传感器及其制备方法，本发明包括一组弯曲管道、弹性基体、以及具有流动性的rGO/CNF液态敏感材料；所述弯曲管道横截面为圆形，直径1mm，位于弹性基体内部，采用连续弯曲导线为模板进行构筑；具有流动性的rGO/CNF液态敏感材料设置在弯曲管道内，弯曲管道两端通过电极封堵；其中具有流动性的rGO/CNF液态敏感材料包括CNF三维骨架、rGO微纳粒子和异丙醇；本发明rGO/CNF液态敏感材料具有优异的导电能力和延展能力。同时在弹性基体中引入弯曲管道，这种连续弯曲的管道具有两大优势，既可以增强传感器的延展能力，又基于串联效应大大提升了传感器的灵敏度。

Description

一种高性能rGO/CNF力电传感器及其制备方法
技术领域
本发明涉及一种力电传感器，具体涉及一种高性能rGO/CNF力电传感器及其制备方法。
背景技术
用于健康监测的柔性力电传感器作为一类新的表皮电子元件，在削减医疗支出、减少诊断失误和提高患者舒适度方面都具有巨大的潜力。在各种力电传感机制中，压阻型器件可基于微纳尺度上导电相的接触-分离效应将应变等力学信号即时转换为电阻等电学信号，已成为力电传感的主流机制之一。作为一种典型的压阻材料，还原氧化石墨烯(rGO)纳米结构由于其优异的导电能力和成熟的制备工艺，已初步尝试应用于可穿戴健康监测领域。
尽管基于rGO的力电传感研究发展迅速，但rGO本身不具备高延展性，其力电传感的柔性主要依靠聚合物弹性基体实现。具体技术路径总结为微纳尺寸的rGO粒子分散在聚合物基体中，基体形变引起rGO粒子间距变化，从而促使rGO导电通道减少或增加，以获得变化的电阻信号。但这种技术路径始终存在两个致命的问题：首先是传感器灵敏度不理想，因为聚合物弹性基体会缓冲部分形变，从而使得分布在其深处的rGO感应不到力信号，器件对力信号，尤其是微弱的力信号不够敏感；其次是传感器的工作范围十分有限，由于rGO粒子间距超过一定极限，即使是电子隧穿效应也会失效，届时基体内部rGO导电通道全部断裂，器件电阻无穷大，即超过一定形变量，传感器就会失效。因此，急需开发一种新的技术路径，可同时优化rGO柔性力电传感器的灵敏度和工作范围。
发明内容
本发明针对现有技术的不足，提出了一种高性能rGO/CNF力电传感器及其制备方法。
本发明提供一种高性能rGO/CNF力电传感器及其制备方法，该力电传感器的敏感材料为具有超高延展能力的rGO/CNF导电悬浮液。设计思路以绝缘的纳米纤维素(CNF)为三维骨架，以搭载在CNF表面的rGO微纳粒子为导电相，在异丙醇中均匀分散后得到具有流动性的液态敏感材料。该敏感材料被注入到弯曲管道中，即可构筑柔性力电传感器，其中弯曲管道采用模板法在环氧树脂弹性基体内部制备。
一种高性能rGO/CNF力电传感器，包括一组弯曲管道、弹性基体、以及具有流动性的rGO/CNF液态敏感材料；所述弯曲管道横截面为圆形，直径1mm，位于弹性基体内部，采用连续弯曲导线为模板进行构筑；弯曲管道端口平面与基体长度方向平行，弯曲管道垂直截面为多个圆环连接，相邻圆环的开口方向相反，相邻圆环的内外半径相等；相邻两段圆环为一个弯曲数目，弯曲数目为多个；具有流动性的rGO/CNF液态敏感材料设置在弯曲管道内，弯曲管道两端通过电极封堵；其中具有流动性的rGO/CNF液态敏感材料包括CNF三维骨架、rGO微纳粒子和异丙醇；悬浮液的电导率为2～10S/m。
作为优选，所述的CNF三维骨架为白色的绝缘微纳材料，微观形貌为长1～3μm，直径4～10nm的纳米线。
作为优选，所述rGO微纳粒子为粒径大小1～2μm的泡沫状颗粒，厚度为1～3层碳原子层，采用氧化还原鳞片石墨制备。
作为优选，所述弹性基体为15×10×3mm3大小的长方形薄膜，采用双组分的环氧树脂在常温常压下固化得到。
作为优选，所述电极为Al导线，横截面为直径1mm的圆柱，前期作为弯曲管道的模具，管道成型后拉直并置于端口处，封堵管道同时作为外接电极。
作为优选，所述的具有流动性的rGO/CNF液态敏感材料中CNF三维骨架的质量分数5％，rGO微纳粒子的质量分数为15％。
作为优选，所述电极材料为Ag或Cu。
一种高性能rGO/CNF力电传感器的制备方法，具体为：将双组分环氧树脂在常温常压下以A:B＝1:1混合后固化得到绝缘弹性基体，将连续弯曲的金属导线设置在绝缘弹性基体内，两端固定使导线悬空，导线最低处距绝缘弹性基体底面高度为1mm，待弹性基体固化后，从一端抽出导线，抽至端口处，保留3mm长度于弹性基体内部，得到弯曲管道，弯曲管道端口处与基体长度方向平行，将具有流动性的rGO/CNF液态敏感材料注入弯曲管道内，用导线封堵端口，导线置于弹性基体内部的长度为3mm。
本发明的有益效果在于：本发明提供了一种可用于空间三维力电传感的柔性高性能传感器及其制备方法，将导电项rGO微纳粒子搭载于CNF空间骨架后均匀分散于异丙醇的液态环境中，得到的稳定分散液具有优异的导电能力和延展能力。同时在弹性基体中引入弯曲管道，这种连续弯曲的管道具有两大优势，既可以增强传感器的延展能力，又基于串联效应大大提升了传感器的灵敏度。
附图说明
图1(a)为本发明基于rGO/CNF液态敏感材料的柔性三维力电传感器正视图；
图1(b)为本发明基于rGO/CNF液态敏感材料的柔性三维力电传感器俯视图；
图2为本发明一个实施例中力电传感器的等效电路图。
具体实施方式
下面将结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。
参见图1(a)、图1(b)，本发明提供一种可用于空间三维力电传感的柔性高性能传感器的设计方案，包含：绝缘弹性基体1，所述弹性基体为双组分环氧树脂在常温常压下以A:B＝1:1混合后固化得到，固化模具为15mm×10mm×3mm的长方形；金属电极2，所述电极为Al导线，横截面为直径1mm的圆形；弯曲管道3，所述弯曲管道为横截面为圆形，位于弹性基体1内部，采用连续弯曲的金属导线2为模板，两端固定使导线悬空，导线底部距模具底面高度为1mm，待弹性基体固化后，从一端抽出导线，抽至端口处，保留3mm长度于弹性基体内部。弯曲管道端口处与基体长度方向平行，弯曲处的曲率半径范围为0.5mm～1.5mm，沿基体垂直方向相邻两段管道为一个弯曲数目；液态敏感材料4，所述敏感材料为rGO/CNF悬浮液，分散剂为异丙醇，采用超声波分散至静置24小时后无分层现象，rGO和CNF的质量分数分别为15％及5％，制备的悬浮液用针管注入弯曲管道后，用导线封堵端口，导线置于弹性基体内部的长度为3mm。
参见图2，弯曲数目为3的一个实施例的等效电路可简化为9个不同阻值的电阻(R1，R2……R9)串联。其力电传感工作原理为外界力信号引起弯曲管道的扩张-收缩往复行为，导致其内部液态敏感材料中rGO导电能力的规律性变化，从而实现力学信号与电学信号的一一对应。当施加沿基体长度方向的力信号时，等效为R1，R2，R3，R4，R5的弯曲管道段处于明显形变状态，其内部rGO在分散剂中重新分布，导电项间距的显著变化引起等效电阻的明显改变，同时等效为R6，R7，R8，R9的弯曲管道段也存在相同趋势的微弱形变，其等效电阻的改变对传感器整体电信号的变化有增益效果；当施加沿基体宽度方向的力信号时，等效为R6，R7，R8，R9的弯曲管道段表现出明显的形变，同时等效为R1，R2，R3，R4，R5的弯曲管道段也处于相同趋势的微弱形变状态，其等效电阻的改变对传感器整体电信号的变化也具有增益效果；当施加垂直于传感器所在平面的力信号时，由于弯曲管道削减了传感器中弹性基体的比率，其对力信号的缓冲作用大大减弱，将有更多的形变量传递到传感器内部的敏感材料上。综上所述，弯曲管道的引入使得传感器对三个维度方向力信号的传感都具有一定的增益效果，且弯曲的管道本身具有更大的延展性，敏感材料的液态化也大大提升了其传感上限，该技术路径可同时优化rGO柔性力电传感器的灵敏度和工作范围。

Claims (7)

1.一种高性能rGO/CNF力电传感器的制备方法，其特征在于：将双组分环氧树脂在常温常压下以A:B＝1:1混合后固化得到绝缘弹性基体，将连续弯曲的金属导线设置在绝缘弹性基体内，两端固定使导线悬空，导线最低处距绝缘弹性基体底面高度为1mm，待弹性基体固化后，从一端抽出导线，抽至端口处，保留3mm长度于弹性基体内部，得到弯曲管道，弯曲管道端口处与基体长度方向平行，将具有流动性的rGO/CNF液态敏感材料注入弯曲管道内，用导线封堵端口，导线置于弹性基体内部的长度为3mm；
制作得到的传感器包括一组弯曲管道、弹性基体、以及具有流动性的rGO/CNF液态敏感材料；所述弯曲管道横截面为圆形，直径1mm，位于弹性基体内部，采用连续弯曲导线为模板进行构筑；弯曲管道端口平面与基体长度方向平行，弯曲管道垂直截面为多个圆环连接，相邻圆环的开口方向相反，相邻圆环的内外半径相等；相邻两段圆环为一个弯曲数目，弯曲数目为多个；具有流动性的rGO/CNF液态敏感材料设置在弯曲管道内，弯曲管道两端通过电极封堵；其中具有流动性的rGO/CNF液态敏感材料包括CNF三维骨架、rGO微纳粒子和异丙醇；悬浮液的电导率为2～10S/m。
2.根据权利要求1所述的一种高性能rGO/CNF力电传感器的制备方法，其特征在于：CNF三维骨架为白色的绝缘微纳材料，微观形貌为长1～3μm，直径4～10nm的纳米线。
3.根据权利要求1所述的一种高性能rGO/CNF力电传感器的制备方法，其特征在于：所述rGO微纳粒子为粒径大小1～2μm的泡沫状颗粒，厚度为1～3层碳原子层，采用氧化还原鳞片石墨制备。
4.根据权利要求1所述的一种高性能rGO/CNF力电传感器的制备方法，其特征在于：所述弹性基体为15×10×3mm3大小的长方形薄膜，采用双组分的环氧树脂在常温常压下固化得到。
5.根据权利要求1所述的一种高性能rGO/CNF力电传感器的制备方法，其特征在于：所述电极为Al导线，横截面为直径1mm的圆柱，前期作为弯曲管道的模具，管道成型后拉直并置于端口处，封堵管道同时作为外接电极。
6.根据权利要求1所述的一种高性能rGO/CNF力电传感器的制备方法，其特征在于：所述的具有流动性的rGO/CNF液态敏感材料中CNF三维骨架的质量分数5％，rGO微纳粒子的质量分数为15％。
7.根据权利要求1所述的一种高性能rGO/CNF力电传感器的制备方法，其特征在于：所述电极材料为Ag或Cu。
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Families Citing this family (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
JP7264136B2 (ja) * 2020-08-28 2023-04-25 横河電機株式会社 力検出装置、力検出システム及び力検出装置の製造方法
CN113465490B (zh) * 2021-06-24 2023-03-14 杭州电子科技大学 一种正压导应变传感器及其制备方法

Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103959029A (zh) * 2011-09-24 2014-07-30 哈佛大学校长及研究员协会 人工皮肤及弹性应变传感器
CN105492126A (zh) * 2013-03-14 2016-04-13 纳米技术仪器公司 由组合的石墨烯和导电纳米丝超声喷涂导电且透明的膜
CN107478148A (zh) * 2017-07-13 2017-12-15 中国科学院深圳先进技术研究院 一种柔性可穿戴式电子应变传感器及其制备方法
CN108373660A (zh) * 2018-05-11 2018-08-07 山东省圣泉生物质石墨烯研究院 一种导电墨水及其制备方法

Family Cites Families (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US9613911B2 (en) * 2013-02-06 2017-04-04 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Self-similar and fractal design for stretchable electronics
US10497633B2 (en) * 2013-02-06 2019-12-03 The Board Of Trustees Of The University Of Illinois Stretchable electronic systems with fluid containment
DE102016104306B4 (de) * 2016-03-09 2020-04-09 Infineon Technologies Ag Dehnungs-sensor bzw. reduzierung einer durch eine dehnung verursachte drift einer brückenschaltung
US10744461B2 (en) * 2016-08-02 2020-08-18 Washington University Ultrafiltration membrane based on bacterial nanocellulose and graphene oxide

Patent Citations (4)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN103959029A (zh) * 2011-09-24 2014-07-30 哈佛大学校长及研究员协会 人工皮肤及弹性应变传感器
CN105492126A (zh) * 2013-03-14 2016-04-13 纳米技术仪器公司 由组合的石墨烯和导电纳米丝超声喷涂导电且透明的膜
CN107478148A (zh) * 2017-07-13 2017-12-15 中国科学院深圳先进技术研究院 一种柔性可穿戴式电子应变传感器及其制备方法
CN108373660A (zh) * 2018-05-11 2018-08-07 山东省圣泉生物质石墨烯研究院 一种导电墨水及其制备方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
Weixing Yang,Zedong Zhao,Kai Wu,et al..Ultrathin flexible reduced graphene oxide/cellulose nanofiber composite films with strongly anisotropic thermal conductivity and efficient electromagnetic interference shielding.《Journal of Materials Chemistry C》.2017,3748-3756. *
纳米纤维素/还原氧化石墨烯透明导电薄膜的制备及表征;吴波，陈梦唯，吴永亮等;《林业工程学报》;20190316;第4卷(第2期);106-112 *

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