CN111998765B - 一体化的柔性拉伸传感器及其制备方法 - Google Patents
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Abstract
一体化的柔性拉伸传感器及其制备方法，涉及一种大拉伸量、高灵敏度及良好生物安全性的柔性拉伸传感器及其制造方法。所述传感器主要包括复合柔性基底、导电传感材料及信号处理电路。柔性基底至少由两种不同弹性模量的材料通过化学键连接而成，通过对多种具有不同弹性模量的材料进行图形化制备，可以对其所受应力大小进行重新分配，实现传感器性能的提升。所述导电传感材料，使用离子导电液体作为拉伸应变的感受体，可以实现良好的拉伸性及可靠性。同时本发明还提出了该一体化柔性拉伸传感器的制备方法。本发明提出的柔性拉伸传感器具有较大的拉伸量，较高的灵敏度及良好的生物安全性，制备方法简单，可重复性较高。
Description
技术领域
本发明涉及一种一体化制备的柔性拉伸传感器及其制备方法，属于柔性传感器技术领域。
背景技术
现如今，可穿戴电子设备的发展已经彻底改变了生理参数被感知、获取和监测的方式，因此受到了越来越多的关注。柔性拉伸传感器通过测量位移形变来产生应变信号，将应变信号以电学、光学等信号形式反馈到处理电路进行计算。为了进一步提高柔性拉伸传感器的性能，研究人员研发了各种力学结构与新型材料来提升传感器性能。
从目前的研究来看，柔性拉伸传感器所面临的主要问题有灵敏度较低、拉伸量较小、接口不牢靠、制备难度较高等问题。
现有技术1(PNAS 2017,114(40),10590–10595.)公开了一种应用硅橡胶微管封装液态金属的方法，可以实现整体柔性拉伸传感器的制备。微管结构确保了液态金属的形态稳定，避免了因液态金属表面张力所引起的难以图形化制备的问题，同时微管制备较为复杂，与后续电路连接较困难。
现有技术2(Mater.Horiz.2019,6(3),618–625.)公开了一种应用水凝胶与液态金属共混来制备拉伸传感器的方法，可以达到较高的拉伸率及灵敏度。通过这样的方法，实现了较高的灵敏度及拉伸率，但是在放置一段时间后由于失水会导致传感器的性能明显下降，同时该传感器与后续电路的连接难度较大，操作不便。
现有技术3(Adv.Funct.Mater.2019,29(7),1807058.)公开了一种应用离子导电液体作为导电填料，通过模具注塑来制备拉伸传感器的方法。该方法可以防止导电材料泄露，同时拥有较高的拉伸量及灵敏度。但是其制备过程需要大量手工操作，传感器接口通过注塑的方法与导线连接，可靠性较低。
现有技术4(CN110702147A)公开了一种柔性电容式拉伸传感器的制备方法及应用，其使用碳纳米管薄膜与导电膜连接，导线连接到导电膜之上用来测量。其工作原理为电容式拉伸传感器，制备方法较为复杂，重复性较差，同时其最大拉伸量也较低。
因此，目前在柔性拉伸传感器的整体制备方案层面上，仍然存在制备方法复杂、手工操作较多、图形化能力较差等问题。因而，开发一种制备简单、自动化程度高、图形可定制且接口可靠的柔性拉伸传感器显得尤为必要。
发明内容
为解决现有技术中存在的上述问题，本发明提供一体化的柔性拉伸传感器及其制备方法，旨在解决现有技术中存在的拉伸量和灵敏度不足，加工制备难度较高，接口不牢靠等问题，从而使整个传感系统的拉伸性、可靠性均得到提升。
为了实现上述目的，本发明的技术方案如下：
一种一体化的柔性拉伸传感器，所述柔性拉伸传感器包括柔性基底、传感器微流道、导电传感材料、柔性导线、传感器柔性封装及后续信号处理电路，其特征在于，所述的柔性基底至少由两种不同弹性模量的材料组成，高弹性模量材料区域与低弹性模量材料区域在一个或多个方向上通过化学键连接而成，形成具有二维平面结构或三维结构的复合柔性基底；所述导电传感材料为具有良好生物安全性的离子导电液体；所述传感器微流道与柔性基底及柔性封装通过化学键连接；所述信号处理电路通过柔性导线与电传感材料连接。
本发明所述的低弹性模量材料为弹性模量小于100kPa的材料，所述高弹性模量材料为弹性模量大于100kPa的材料。
进一步地，所述复合柔性基底中高弹性模量材料和低弹性模量材料均为加成型铂催化硅橡胶；所述传感器微流道材料为加成型铂催化硅橡胶；所述传感器微流道材料的弹性模量小于等于复合柔性基底中低弹性模量材料的最小值。
进一步地，所述复合柔性基底最大拉伸断裂比大于等于300％；复合柔性基底中低弹性模量材料区域的变形量至少大于高弹性模量材料区域的变形量的3倍。
进一步地，柔性导线为导电银浆；所述离子导电液体是由有机溶剂、无机盐和增稠剂组成的混合物，所述有机溶剂、无机盐和增稠剂三者的质量比为10：7.5～8.5：4～5。
进一步地，本发明所述有机溶剂为乙醇、丙二醇或丙三醇；所述无机盐为碘化钾、氯化钾或硝酸钾；所述增稠剂为聚乙二醇或聚丙烯酰胺；所述的有机溶剂优选为丙三醇，无机盐为碘化钾，增稠剂为聚乙二醇。
本发明提供的一体化的柔性传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1)通过工程制图软件绘制复合柔性基底区域、传感器微流道区域、导电传感材料区域、柔性导线区域及传感器柔性封装区域图案，并将绘制好的文件转换为加工平台可识别的代码；
2)在常温下分别配制多种具有不同弹性模量的基底材料以及离子导电液体，所述的离子导电液体是将有机溶剂、无机盐和增稠剂三者按质量比为10：7.5～8.5：4～5配制；
3)将配制好的不同弹性模量的基底材料和离子导电液体装载到加工平台的容器中，首先进行复合柔性基底图形化打印并固化，之后在固化好的复合柔性基底上图形化制备传感器微流道及柔性导线。
4)在15～23℃温度下，将配置好的离子导电液体在柔性基底上进行图形化制备，使离子导电液体置于传感器微流道内；
5)将后续信号处理电路通过柔性导线与离子导电液体连接，实现电路导通形成传感器模块，在此基础上进行柔性封装。
进一步地，本发明所述方法的步骤3)中获得的复合柔性基底通过PLASMA等离子清洗进行表面活化处理，使处理后的表面产生亲水官能团。
本发明与现有技术相比，具有以下优点及突出性的技术效果：①由于多种弹性模量材料组成的复合柔性基底，可以在不改变制备材料的情况下，通过调整应力分配来起到提升传感器灵敏度的作用；②一体化制造的柔性导线，为后续信号采集电路的连接提供了良好的稳定性；③采用一体化增材制备方案，使传感器的结构更加多样化，提高了传感器系统制备效率；④本发明所制备的柔性拉伸传感器具有很好的循环稳定性，在疲劳测试实验中后，其性能无明显变化(参见图4)。
附图说明
图1是本发明提供的一体化柔性拉伸传感器的结构简图。
图2是本发明提供的柔性传感器的俯视图。
图3是本发明提供的两种不同弹性模量组成的复合柔性基底实施例拉伸示意图。
图4是本发明提供的柔性拉伸传感器疲劳测试结果图。
图5是本发明提供的柔性拉伸传感器一体化制备流程图。
图中标记：101-传感器微流道；102-复合柔性基底；103-导电传感材料；104-高弹性模量材料区域；105-柔性导线；106-低弹性模量材料区域。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步的详细说明。附图中图示均为简化的传感器示意图，仅展示传感器基本结构。
如图1和图2所示，本发明提供的一体化的柔性拉伸传感器，该柔性拉伸传感器包括复合柔性基底102、传感器微流道101、导电传感材料103、柔性导线105、传感器柔性封装及后续信号处理电路。所述的柔性基底102至少由两种不同弹性模量的材料组成，高弹性模量材料区域104与低弹性模量材料区域106在一个或多个方向上通过化学键连接而成，形成具有二维平面结构或三维结构的复合柔性基底；所述导电传感材料为具有良好生物安全性的离子导电液体，离子导电液体被置于所述的传感器微流道101中。
所述传感器微流道101与复合柔性基底102及传感器柔性封装层通过化学键连接；所述后续信号处理电路通过柔性导线105与导电传感材料103连接。离子导电液体作为传感器的传感元件，在拉伸过程中将物理形变转化为电学信号。柔性导线作为离子导电液体与后续信号处理电路的接口，实现电信号的传输。
本发明所述低弹性模量材料为弹性模量小于100kPa的材料，所述高弹性模量材料为弹性模量大于100kPa的材料。所述复合柔性基底中高弹性模量材料和低弹性模量材料均为加成型铂催化硅橡胶；所述传感器微流道材料为加成型铂催化硅橡胶；所述传感器微流道材料的弹性模量应小于等于复合柔性基底中低弹性模量材料的最小值；所述复合柔性基底最大拉伸断裂比应大于等于300％。
复合柔性基底中高弹性模量材料与低弹性模量材料相比，其弹性模量相差较大，在拉伸情况下高弹性模量区域形变较小，低弹性模量区域形变较大。在相同应力条件下，复合柔性基底可以实现应力的重新分配，将应力集中于不同弹性模量的过渡区域，可以大幅提升局部区域的形变量。实验研究表明，低弹性模量材料区域的变形量至少大于高弹性模量材料区域的变形量的3倍。
图3是本发明提供的两种不同弹性模量组成的复合柔性基底实施例的拉伸示意图，其中高弹性模量材料区域104与低弹性模量材料区域106均采用加成型铂催化硅橡胶。从图中可以看出，在拉伸情况下高弹性模量区域形变较小，低弹性模量区域形变较大。相同应力条件下，复合弹性模量基底可以实现应力的重新分配。
图4所示为柔性拉伸传感器的疲劳测试结果图，拉伸测试一次循环周期为7.33s，拉伸循环1000次后，其性能参数并未发生明显变化，传感器性能可靠且稳定。
图5所示为本发明所述的柔性拉伸传感器的一体化制备流程图，其具体制备步骤为：
在步骤S11中，通过工程制图软件绘制复合柔性基底区域、传感器微流道区域、导电传感区域、柔性导线区域及传感器柔性封装区域图案，并将绘制好的文件转换为加工平台可识别的G-code代码，传输到加工平台；
在步骤S12中，在常温下分别配制多种具有不同弹性模量的基底材料以及离子导电液体，所述的离子导电液体是将有机溶剂、无机盐和增稠剂三者按质量比为10：7.5～8.5：4～5配制；
在步骤S13中，将配制好的不同弹性模量的材料和离子导电液体装载到加工平台的容器中，先进行复合柔性基底图形化打印并固化，待彻底固化后，在复合柔性基底上图形化制备传感器微流道及柔性导线；
在步骤S14中，在15～23℃温度下，将配置好的离子导电液体在柔性基底上进行图形化制备，使离子导电液体置于传感器微流道内；
在步骤S15中，将后续信号处理电路通过柔性导线与离子导电液体连接，实现电学信号传输，形成传感器模块，在此基础上进行柔性封装。
本发明对于一体化非均匀弹性模量基底所用的材料类型、材料种类及材料数量没有特别限制；对其固化机理、固化时间无明确限制。
为了更好的理解本发明，下面结合实施例对本发明做进一步的详细说明。
下述三个实施例中所述实验方法，如无特殊说明，均为常规方法；所述试剂和材料，如无特殊说明，均可从商业途径获得。
实施例1：所用复合柔性基底由两种加成型铂催化硅橡胶组成，其中弹性模量较高的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，其弹性模量会根据固化温度及配比有所变化，其弹性模量范围为1MPa～10MPa；弹性模量较低的材料为Ecoflex 00-30，其弹性模量为60kPa；所用传感器微流道材料为Ecoflex 00-30；所用柔性导线材料为导电银浆，封装层材料为Ecoflex 00-30；所用离子导电液体溶剂为甘油(丙三醇)，溶质为碘化钾(KI)，增稠剂为聚乙二醇(PEG)。具体实施过程如下：
1)通过工程制图软件绘制出柔性复合基底区域、传感器微流道部分、传感器微流道区域、导电传感区域、柔性导线区域及传感器柔性封装区域图案，并将绘制好的文件转换为加工平台可识别的代码；
2)常温下配置不同弹性模量材料，高弹性模量材料为PDMS，低弹性模量材料为Ecoflex00-30，配置离子导电液体，甘油、碘化钾及聚乙二醇混合质量比为10：7.9：4.4；
3)将制备好的PDMS材料和Ecoflex 00-30材料装载到制备平台的容器中，按预设图形打印出复合柔性基底，控制加热台温度使复合柔性基底完全固化，随后关闭加热台；
4)对固化后的柔性复合基底使用等离子清洗机进行表面清洗，使其表面产生亲水官能团；
5)在柔性复合基底表面图形化制备传感器微流道及柔性导线，控制加热台温度使传感器微流道及柔性导线完全固化，随后关闭加热台；
6)在20℃温度下，将配置好的离子导电液体在柔性基底上进行图形化制备，使离子导电液体置于传感器微流道内；
7)将后续信号处理电路通过柔性导线与离子导电液体连接，实现电路导通；
8)在传感器模块及信号处理电路上增加传感器柔性封装层，即可获得所述的一体化的柔性拉伸传感器。
实施例2：
所用复合柔性基底由两种加成型铂催化硅橡胶组成，其中弹性模量较高的材料为聚二甲基硅氧烷(PDMS)，其弹性模量范围为1MPa～10MPa；弹性模量较低的材料为Ecoflex00-20，其弹性模量约为40kPa；所用传感器微流道材料为Ecoflex 00-10，其弹性模量为40kPa；所用柔性导线材料为导电银浆，封装层材料为Ecoflex 00-30，所用离子导电液体溶剂为乙醇，溶质为硝酸钾(KNO3)，增稠剂为聚丙烯酰胺。具体实施过程如下：
1)通过工程制图软件绘制出柔性复合基底区域、传感器微流道部分、传感器微流道区域、导电传感区域、柔性导线区域及传感器柔性封装区域图案，并将绘制好的文件转换为加工平台可识别的代码；
2)常温下配置不同弹性模量材料，高弹性模量材料为PDMS，低弹性模量材料为Ecoflex00-20，传感器微流道材料为Ecoflex 00-10，配置离子导电液体，乙醇、硝酸钾及聚丙烯酰胺混合质量比为10：7.6：4.1；
3)将制备好的PDMS材料和Ecoflex 00-20材料装载到制备平台的容器中，按预设图形打印出复合柔性基底，控制加热台使复合柔性基底完全固化，随后关闭加热台；
4)对固化后的柔性复合基底使用等离子清洗机进行表面清洗，使其表面产生亲水官能团；
5)在柔性复合基底表面图形化制备传感器微流道及柔性导线，控制加热台温度使传感器微流道及柔性导线完全固化，随后关闭加热台；
6)在16℃温度下，将配置好的离子导电液体在柔性基底上进行图形化制备，使离子导电液体置于传感器微流道内；
7)将后续信号处理电路通过柔性导线与离子导电液体连接，实现电路导通；
8)在传感器模块及信号处理电路上增加传感器柔性封装层，即可获得所述的一体化的柔性拉伸传感器。
实施例3：
所用复合柔性基底由两种加成型铂催化硅橡胶组成，其中弹性模量较高的材料为Ecoflex5，其弹性模量为150kPa；弹性模量较低的材料为Ecoflex 00-30，其弹性模量为60kPa；所用传感器微流道材料为Ecoflex 00-10，其弹性模量为40kPa；所用柔性导线材料为导电银浆，封装层材料为Ecoflex 00-30；所用离子导电液体溶剂为丙二醇，溶质为氯化钾(KCl)，增稠剂为聚乙二醇(PEG)；具体实施过程如下：
1)通过工程制图软件绘制出柔性复合基底区域、传感器微流道部分、传感器微流道区域、导电传感区域、柔性导线区域及传感器柔性封装区域图案，并将绘制好的文件转换为加工平台可识别的代码；
2)常温下配置不同弹性模量材料，高弹性模量材料为Ecoflex 5，低弹性模量材料为Ecoflex00-30，传感器微流道材料为Ecoflex 00-10，配置离子导电液体，溶剂、溶质及增稠剂混合质量比为10：8.3：4.9；
3)将制备好的Ecoflex 5材料和Ecoflex 00-30材料装载到制备平台的容器中，按预设图形打印出复合柔性基底，控制加热台使复合柔性基底完全固化，随后关闭加热台；
4)对固化后的柔性复合基底使用等离子清洗机进行表面清洗，使其表面产生亲水官能团；5)在柔性复合基底表面图形化制备传感器微流道及柔性导线，控制加热台温度使传感器微流道及柔性导线完全固化，随后关闭加热台；
6)在22℃温度下，将配置好的离子导电液体在柔性基底上进行图形化制备，使离子导电液体置于传感器微流道内；
7)将后续信号处理电路通过柔性导线与离子导电液体连接，实现电路导通；
8)在传感器模块及信号处理电路上增加传感器柔性封装层，即可获得所述的一体化的柔性拉伸传感。
Claims (8)
1.一种一体化的柔性拉伸传感器，所述柔性拉伸传感器包括柔性基底、传感器微流道、导电传感材料、柔性导线、传感器柔性封装及后续信号处理电路，其特征在于，所述的柔性基底至少由两种不同弹性模量的材料组成，高弹性模量材料区域与低弹性模量材料区域在一个或多个方向上通过化学键连接而成，形成具有二维平面结构或三维结构的复合柔性基底；所述导电传感材料为具有良好生物安全性的离子导电液体，该离子导电液体是由有机溶剂、无机盐和增稠剂组成的混合物，其中有机溶剂、无机盐和增稠剂三者的质量比为10：7.5~8.5：4~5；所述传感器微流道与柔性基底及柔性封装通过化学键连接；所述传感器微流道材料的弹性模量小于等于复合柔性基底中低弹性模量材料的最小值；所述信号处理电路通过柔性导线与导电传感材料连接；所述复合柔性基底最大拉伸断裂比大于等于300%。
2.如权利要求1所述的一种一体化的柔性拉伸传感器，其特征在于，所述低弹性模量材料为弹性模量小于100kPa的材料，所述高弹性模量材料为弹性模量大于100kPa的材料。
3.如权利要求1所述的一种一体化的柔性拉伸传感器，其特征在于，所述复合柔性基底中高弹性模量材料和低弹性模量材料均为加成型铂催化硅橡胶；所述传感器微流道材料为加成型铂催化硅橡胶。
4.如权利要求1所述的一种一体化的柔性拉伸传感器，其特征在于，复合柔性基底中低弹性模量材料区域的变形量至少大于高弹性模量材料区域的变形量的3倍。
5.如权利要求1所述的一种一体化的柔性拉伸传感器，其特征在于，所述有机溶剂为乙醇、丙二醇或丙三醇；所述无机盐为碘化钾、氯化钾或硝酸钾；所述增稠剂为聚乙二醇或聚丙烯酰胺。
6.如权利要求1所述的一种一体化的柔性拉伸传感器，其特征在于，所述的有机溶剂为丙三醇，无机盐为碘化钾，增稠剂为聚乙二醇。
7.如权利要求1-6任一权利要求所述的一体化的柔性传感器的制备方法，其特征在于，该方法包括如下步骤：
1）通过工程制图软件绘制复合柔性基底区域、传感器微流道区域、导电传感材料区域、柔性导线区域及传感器柔性封装区域图案，并将绘制好的文件转换为加工平台可识别的代码；
2）在常温下分别配制多种具有不同弹性模量的基底材料以及离子导电液体，所述的离子导电液体是将有机溶剂、无机盐和增稠剂三者按质量比为10：7.5~8.5：4~5配制；
3）将配制好的不同弹性模量的基底材料和离子导电液体装载到加工平台的容器中，首先进行复合柔性基底图形化打印并固化，之后在固化好的复合柔性基底上图形化制备传感器微流道及柔性导线；
4）在15~23℃温度下，将配置好的离子导电液体在柔性基底上进行图形化制备，使离子导电液体置于传感器微流道内；
5）将后续信号处理电路通过柔性导线与离子导电液体连接，实现电路导通，形成传感器模块，在此基础上进行柔性封装。
8.如权利要求7所述的一体化的柔性传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤3）中获得的复合柔性基底通过等离子清洗机进行表面活化处理，处理后的表面产生亲水官能团。
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