CN111766000A - 基于微尺度皱纹的金薄膜柔性裂纹传感器 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了基于微尺度皱纹的金薄膜柔性裂纹传感器，其特征在于，包括柔性基底(1)，所述柔性基底(1)的表面涂覆有氧化石墨烯层(2)；涂覆有氧化石墨烯层(2)的柔性基底(1)的表面，通过离子溅射的方式，沉积形成有金膜(3)。本发明公开的基于微尺度皱纹的金薄膜柔性裂纹传感器，其具有良好的灵敏度，能够灵敏、可靠地将所受到的外力作用情况，对应转换为电阻的变化情况，具有重大的生产实践意义。

Description

基于微尺度皱纹的金薄膜柔性裂纹传感器
技术领域
本发明涉及传感器技术领域，特别是涉及基于微尺度皱纹的金薄膜柔性裂纹传感器。
背景技术
近年来，应变传感器引起了人们越来越多的兴趣，因为人们对可穿戴电子设备、人工智能、智能健康监测系统等有着巨大的需求。
但是，尽管柔性传感器发展迅速，可是迄今为止，电阻应变传感器在灵敏度方面的提升非常有限，通常存在灵敏度不够的问题，无法灵敏、可靠地将所受到的外力作用情况，对应转换为电阻的变化情况。
发明内容
有鉴于此，本发明的目的是提供基于微尺度皱纹的金薄膜柔性裂纹传感器，其具有良好的灵敏度，能够灵敏、可靠地将所受到的外力作用情况，对应转换为电阻的变化情况，具有重大的生产实践意义。
为此，本发明提供了基于微尺度皱纹的金薄膜柔性裂纹传感器，包括柔性基底，所述柔性基底的表面涂覆有氧化石墨烯层；
涂覆有氧化石墨烯层的柔性基底的表面，通过离子溅射的方式，沉积形成有金膜。
其中，所述柔性基底的制备包括以下步骤：
第一步：将聚二甲基硅氧烷PDMS作为主剂，与固化剂按照10:1的质量比进行混合，在搅拌脱气后，悬涂在玻璃基片上并进行固化；
第二步：将固化后的聚二甲基硅氧烷PDMS从玻璃基片上剥离，预拉伸后，能够在聚二甲基硅氧烷PDMS的表面形成褶皱，然后进行紫外臭氧处理，在聚二甲基硅氧烷PDMS的外表面形成氧化硅SiOx层，其中x≤2。
其中，所述固化剂为含氢硅油。
其中，所述氧化石墨烯层，通过刮涂的方式，涂覆在所述柔性基底的表面。
由以上本发明提供的技术方案可见，与现有技术相比较，本发明提供了基于微尺度皱纹的金薄膜柔性裂纹传感器，其具有良好的灵敏度，能够灵敏、可靠地将所受到的外力作用情况，对应转换为电阻的变化情况，具有重大的生产实践意义。
附图说明
图1为本发明提供的基于微尺度皱纹的金薄膜柔性裂纹传感器在制备过程中的截面结构变化示意图；
图2为本发明提供的基于微尺度皱纹的金薄膜柔性裂纹传感器在制备过程中的结构变化示意图；
图3为本发明提供的基于微尺度皱纹的金薄膜柔性裂纹传感器在拉伸前的状态示意图；
图4为本发明提供的基于微尺度皱纹的金薄膜柔性裂纹传感器在拉伸后的状态示意图；
图中，1为柔性基底；2为氧化石墨烯层；3为金膜，4为裂纹。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面结合附图和实施方式对本发明作进一步的详细说明。
参见图1至图4，本发明提供了基于微尺度皱纹的金薄膜柔性裂纹传感器，包括柔性基底1，所述柔性基底1的表面(可以包括上表面和下表面等全部表面，也可以为单纯上表面)涂覆有氧化石墨烯层2；
涂覆有氧化石墨烯层2的柔性基底1的表面，通过离子溅射的方式，沉积形成有金膜3。
在本发明中，具体实现上，所述柔性基底1的制备包括以下步骤：
第一步：将聚二甲基硅氧烷(PDMS)作为主剂，与固化剂按照10:1的质量比进行混合，在搅拌脱气后，悬涂在玻璃基片上并进行固化；
第二步：将固化后的聚二甲基硅氧烷PDMS从玻璃基片上剥离，预拉伸后，能够在聚二甲基硅氧烷PDMS的表面形成褶皱，然后进行紫外臭氧处理，在聚二甲基硅氧烷PDMS的外表面形成氧化硅SiOx层(其中x≤2)。
具体实现上，所述固化剂具体为含氢硅油。
具体实现上，金膜3具体为采用离子溅射仪沉积的金膜，具体物质为金(Au)。
需要说明的是，对于本发明，具体实现上，为了获得柔性裂纹传感器的电阻变化情况，可以将柔性裂纹传感器直接贴附在需要需要检测的物体上，然后在柔性裂纹传感器的两侧分别接上杜邦线(即作为连接线)，然后直接采用万用表或者LCR表来与杜邦线(即作为连接线)相连接，实现对柔性裂纹传感器的电阻变化情况的测量。
具体实现上，预拉伸的具体长度，可以根据用户的需要进行设置。
需要说明的是，所述柔性基底采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)制成，PDMS的具体型号可以采用道康宁184，PDMS具有的特点为：无毒、惰性、耐酸碱且低杨氏模量及高弹性，具有较低的杨氏模量且较强的拉伸能力。
还需要说明的是，所述柔性基底1通过紫外臭氧处理后，表面生成SiOx层，在预拉伸释放后，能够在表面形成褶皱。
在本发明中，具体实现上，所述氧化石墨烯层2，通过刮涂的方式，涂覆在所述柔性基底1的表面。
需要说明的是，氧化石墨烯层(Graphene Oxide，GO)通过刮涂，可以用来产生尺度更小的皱纹，且作为柔性基底1与金膜3之间的连接层。将拉伸的柔性基底1刮涂氧化石墨烯后释放，产生皱纹。
在本发明中，需要说明的是，所述金膜3采用离子溅射形成。在刮涂氧化石墨烯的柔性基底1上沉积金膜。因此，如果再对柔性基底1进行拉伸时，其上的金膜3碎裂，电阻增大；拉伸释放时，金膜重新连接，电阻恢复。
对于本发明，其在设计上，充分考虑到自支撑脆性导电材料在拉伸时表现出突出的敏感性，这是由于拉伸断裂引起电阻的剧烈变化，从而将脆性金属沉积在柔性基底上制成高灵敏度裂纹传感器，可以运用于人呼吸、脉搏等的检测。
为了更加清楚地理解本发明，下面就本发明的工作原理，进行说明。
对于本发明，基于微尺度皱纹的金薄膜柔性裂纹传感器，首先，需要说明现有公知的电阻值变化原理：欧姆定律为
Figure BDA0002014200770000041
ρ为材料电阻率，L为材料长度，s为材料横截面积。
在本发明中，L具体为传感器长度，s具体为裂纹处金相连的面积。对于本发明，当柔性基底1被拉伸时，由图3、图4所示可知，传感器变长，L增大，裂纹4产生，s减小，因此电阻R增大，而微结构存在加剧s的改变，使得电阻R改变更加快速，从而增大传感器的灵敏度。
对于本发明，其皱纹产生的原理为：PDMS为柔性基底，柔性基底表面的氧化石墨烯层GO与氧化硅SiOx均为硬质材料，在柔性基底进行预拉伸之后，紫外臭氧处理在柔性基底表面产生了SiOx，然后再悬涂一层GO，此时，拉伸释放，由于硬质材料表面积减小，形成褶皱。
对于本发明，具体实践上，应用实例可以为：将本发明提供的基于微尺度皱纹的金薄膜柔性裂纹传感器应用于检测脉搏上，也可以将本发明提供的基于微尺度皱纹的金薄膜柔性裂纹传感器贴敷于手腕脉搏处，脉搏震动时拉伸传感器，则产生裂纹，电阻R增大。
与现有技术相比较，本发明由于采取以上技术方案，其具有以下的有益技术效果：
1、高灵敏度，裂纹传感器具有极高的灵敏度，仅仅是人体脉搏的跳动都能清晰感知。
2、贴合紧密，采用基于微尺度皱纹的金薄膜柔性裂纹传感器检测人体活动，采用PDMS材料制成的柔性基底，可以紧密贴合人体进行检测。
综上所述，与现有技术相比较，本发明提供的基于微尺度皱纹的金薄膜柔性裂纹传感器，其具有良好的灵敏度，能够灵敏、可靠地将所受到的外力作用情况，对应转换为电阻的变化情况，具有重大的生产实践意义。
以上所述仅是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明原理的前提下，还可以做出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (4)

1.基于微尺度皱纹的金薄膜柔性裂纹传感器，其特征在于，包括柔性基底(1)，所述柔性基底(1)的表面涂覆有氧化石墨烯层(2)；
涂覆有氧化石墨烯层(2)的柔性基底(1)的表面，通过离子溅射的方式，沉积形成有金膜(3)。
2.如权利要求1所述的基于微尺度皱纹的金薄膜柔性裂纹传感器，其特征在于，所述柔性基底(1)的制备包括以下步骤：
第一步：将聚二甲基硅氧烷PDMS作为主剂，与固化剂按照10:1的质量比进行混合，在搅拌脱气后，悬涂在玻璃基片上并进行固化；
第二步：将固化后的聚二甲基硅氧烷PDMS从玻璃基片上剥离，预拉伸后，能够在聚二甲基硅氧烷PDMS的表面形成褶皱，然后进行紫外臭氧处理，在聚二甲基硅氧烷PDMS的外表面形成氧化硅SiOx层，其中x≤2。
3.如权利要求2所述的尺度可控的微皱纹金薄膜柔性裂纹传感器，其特征在于，所述固化剂为含氢硅油。
4.如权利要求1所述的基于微尺度皱纹的金薄膜柔性裂纹传感器，其特征在于，所述氧化石墨烯层(2)，通过刮涂的方式，涂覆在所述柔性基底(1)的表面。
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