CN112857634A - 一种石墨烯/碳纳米管（CNTs）柔性压力传感器及制作方法 - Google Patents

一种石墨烯/碳纳米管（CNTs）柔性压力传感器及制作方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种石墨烯/CNTs柔性压力传感器及制作方法，具体涉及柔性电子皮肤领域。所述柔性压力传感器的制备方法如下：首先，用预聚物与固化剂混合制得PDMS。然后，制备PS微球阵列。接着，将PS微球阵列转移至PDMS表面。下一步，均匀涂覆上石墨烯/CNTs混合导电溶液。再下一步，在一端放上铜线涂上铜膏。最后，将用上述步骤制作的两个电极带导电涂层的那一面，面对面贴合在一起，并用绝缘胶带固定。本发明提供的制备方法操作简便，成本低廉，且传感器的形状、大小可调，还可以通过调节PS微球阵列的尺寸、导电涂层的层数来改变传感器的灵敏度。

Description

一种石墨烯/碳纳米管（CNTs)柔性压力传感器及制作方法
技术领域
本发明属于柔性电子皮肤领域，具体涉及一种石墨烯/CNTs柔性压力传感器及制作方法。
背景技术
柔性压力传感器是柔性电子皮肤的重要组成部分。压力传感器，也被称为触觉/应变传感器，近年来引起了许多研究者的关注，特别是针对基于电子皮肤的柔性压力传感器。由于其独特柔性、耐久性、生物相容性以及轻量级、柔性应变和压力传感器能够紧密地附着在人体皮肤上的优点，使其便于实时监测各种生理信号，如心率、脉搏和呼吸节律等。碳纳米管和石墨烯是具有优异力学和电学性能的纳米碳材料。多壁碳纳米管的拉伸强度为11～63GPa，杨氏模量为270～950GPa，电导率是286S/m；石墨烯的拉伸强度约为130GPa，杨氏模量为1TPa，是室温下导电最好的材料。
使用微图案化弹性体制造的压力传感器比硅基传感器更具灵活性。然而，对于大多数可穿戴设备而言，它们仍然不易操作且太昂贵。因此，仍然非常需要一种既经济又易于制造的灵活、灵敏的压力传感器。本发明提供了一种在PDMS柔性基底上覆盖单层PS微球阵列，以增强传感器的灵敏度，并涂覆有石墨烯/CNTs混合涂料作为导电介质。具有成本更低，易于操作，性能好的优点。
发明内容
本发明的主要目的在于解决现有技术中存在的问题，提供了一种石墨烯/CNTs柔性压力传感器及制作方法，操作简便，成本低廉，且传感器的形状、大小可调，还可以通过调节PS微球阵列的尺寸、导电涂层的层数来改变传感器的灵敏度。
本发明所解决的技术问题采用以下技术方案来实现：一种石墨烯 /CNTs柔性压力传感器，其特征在于，包括：PDMS(1)、PS微球阵列(2)、石墨烯/多壁碳纳米管混合导电涂层(3)、铜膏(4)、铜线(5)、绝缘胶带(6)。所述PDMS(1)为预聚物与固化剂按10∶1比例均匀混合后，放置在60℃的鼓风干燥箱中制得的，所述PS微球阵列(2)是通过微球自组装得到的，所述多壁碳纳米管型号为GM-401，所述铜线(5)直径为0.5 mm，所述绝缘胶带(6)起到贴合、固定上下两个电极的作用。
进一步，所述PDMS(1)可以通过改变其固化时的温度来调节硬度。
进一步，所述PS微球阵列(2)的制备难易和对传感器灵敏度的影响与微球直径大小相关。
进一步，所述石墨烯/多壁碳纳米管混合导电涂层(3)的导电性，在 1～3层内，随着导电涂层的层数增加而显著增强。
进一步，所述铜膏(4)的浓度对传感器的整体电阻大小会有影响。
进一步，所述绝缘胶带(6)的宽度为0.5cm。
所述的一种石墨烯/CNTs柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将预聚物与固化剂按10∶1的比例混合，充分搅拌后静置，待气泡逸至溶液表面并破裂后，放入60℃的电热恒温鼓风干燥箱中约30分钟，得到PDMS。
S2：用微枪量取约100微升体积的PS微球和酒精的混合液，滴在盛有清水的碗状容器中，让微球自由组合大约2分钟，然后取少量表面活性剂例如洗洁精，浸于水面，将微球聚拢到一起，形成排列有序且紧密的PS 微球阵列。
S3：将制得的PDMS用氧等离子轰击，使得PDMS表面亲水，然后用镊子夹住PDMS，捞取漂浮于水面的PS微球阵列，放入鼓风干燥箱中进行常温干燥。
S4：用微型刷子蘸取少量石墨烯/CNTs混合溶液，均匀涂覆于带有PS 微球阵列的PDMS表面，放入鼓风干燥箱中进行常温干燥。
S5：在一端放上铜线并涂上铜膏，放入鼓风干燥箱中进行常温干燥。
S6：将用如上步骤制作的两个相同电极，带有导电涂层的那面，面对面贴合，最后用绝缘胶带固定好。
所述的一种石墨烯/CNTs柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤S2中PS微球和酒精的混合液，PS微球和酒精的体积比为1∶ 1～1∶3
本发明的有益效果为：
本发明提供的柔性压力传感器的制备方法克服了压力传感器制作复杂和昂贵的技术问题，具有操作简便，成本低廉，且传感器的形状、大小可调，还可以通过调节PS微球阵列的尺寸、导电涂层的层数来改变传感器的灵敏度的优点，对于柔性电子皮肤的发展和应用具有重要意义。
附图说明
图1是本发明一种石墨烯/CNTs柔性压力传感器的结构示意图：
1.PDMS、2.PS微球阵列、3.石墨烯/多壁碳纳米管混合导电涂层、4.铜膏、5.铜线、6.绝缘胶带；
图2是单层PS阵列的扫描电镜图；
图3是石墨烯/CNTs导电涂层的电镜扫描图；
图4分别是1、2、3、4层石墨烯/CNTs导电涂层的电镜扫描侧视图；
图5分别是1、2、3、4层石墨烯/CNTs导电涂层的拉曼光谱；
图6分别是1、2、3、4层墨烯/CNTs导电涂层的电阻；
图7是该石墨烯/CNTs柔性压力传感器在不同曲率半径下的I-V曲线；
图8分别是三种石墨烯/CNTs柔性压力传感器在不同压强下的电阻变化率曲线。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其它实施例，都属于本发明保护的范围。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
如图1所示，本实施方式所述的一种石墨烯/CNTs柔性压力传感器，其特征在于，它包括：PDMS(1)、PS微球阵列(2)、石墨烯/多壁碳纳米管混合导电涂层(3)、铜膏(4)、铜线(5)、绝缘胶带(6)。PDMS (1)为预聚物与固化剂按10∶1比例均匀混合后，放置在60℃的鼓风干燥箱中制得的，PS微球阵列(2)是通过微球自组装得到的，多壁碳纳米管型号为GM-401，铜线(5)直径为0.5mm，绝缘胶带(6)起到贴合、固定上下两个电极的作用。
所述PDMS(1)可以通过改变其固化时的温度来调节硬度。
所述PS微球阵列(2)的制备难易和对传感器灵敏度的影响与微球直径大小相关。
所述石墨烯/多壁碳纳米管混合导电涂层(3)的导电性，在1～3层内，随着导电涂层的层数增加而显著增强。
所述铜膏(4)的浓度对传感器的整体电阻大小会有影响。
所述绝缘胶带(6)的宽度为0.5cm。
所述的一种石墨烯/CNTs柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将预聚物与固化剂按10∶1的比例混合，充分搅拌后静置，待气泡逸至溶液表面并破裂后，放入60℃的电热恒温鼓风干燥箱中约30分钟，得到PDMS。
S2：用微枪量取约100微升体积的PS微球和酒精的混合液，滴在盛有清水的碗状容器中，让微球自由组合大约2分钟，然后取少量表面活性剂例如洗洁精，浸于水面，将微球聚拢到一起，形成排列有序且紧密的PS 微球阵列。
S3：将制得的PDMS用氧等离子轰击，使得PDMS表面亲水，然后用镊子夹住PDMS，捞取漂浮于水面的PS微球阵列，放入鼓风干燥箱中进行常温干燥。
S4：用微型刷子蘸取少量石墨烯/CNTs混合溶液，均匀涂覆于带有PS 微球阵列的PDMS表面，放入鼓风干燥箱中进行常温干燥。
S5：在一端放上铜线并涂上铜膏，放入鼓风干燥箱中进行常温干燥。
S6：将用如上步骤制作的两个相同电极，带有导电涂层的那面，面对面贴合，最后用绝缘胶带固定好。
所述的一种石墨烯/CNTs柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤S2中PS微球和酒精的混合液，PS微球和酒精的体积比为1∶ 1～1∶3。
实施例
取9.1g预聚物与0.9g固化剂混合，充分搅拌后静置20min，均匀倒在硅晶元上，放入60℃的电热恒温鼓风干燥箱中约30分钟，得到PDMS 薄膜，剪下一片3×1cm的薄片。
取直径为2μm的PS微球溶液100μL和500μL酒精置于塑料U型管中，将U型管闭合后放入超声波清洗机震荡5min，取80μL混合溶液滴在盛有1L清水的水槽中，让微球自由组合2分钟，然后用塑料管沾取1 滴洗洁精溶液，浸于水面，将微球聚拢到一起，形成一层排列有序且紧密的PS微球阵列。
将PDMS薄片用氧等离子轰击30s，使得PDMS薄片表面亲水，然后用镊子夹住PDMS薄片，捞取漂浮于水面的PS微球阵列，放入鼓风干燥箱中进行常温干燥。
用微型刷子蘸取1mL石墨烯/CNTs混合溶液，均匀涂覆于铺有一层 PS微球阵列的PDMS薄片表面，放入鼓风干燥箱中进行常温干燥。
在薄片一端放上铜线并涂上铜膏，放入鼓风干燥箱中进行常温干燥。
将用如上步骤制作的两个相同电极，带有导电涂层的那面，面对面贴合，最后用绝缘胶带固定好即得到柔性压力传感器，如图1所示。
制得的电极用拉曼光谱和扫描电镜进行表征，分别如图2，3。对制得的柔性压力传感器进行电学性能测试，如图4所示是在不同曲率半径下传感器的I-V曲线，图5是传感器在循环弯曲过程中的电阻变化率曲线，图6 是在不同压强下传感器的电阻变化率曲线。
最后应说明的是：以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述各实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明各实施例技术方案的范围。

Claims (8)

1.一种石墨烯/碳纳米管(CNTs)柔性压力传感器，其特征在于，包括：PDMS(1)、PS微球阵列(2)、石墨烯/多壁碳纳米管混合导电涂层(3)、铜膏(4)、铜线(5)、绝缘胶带(6)。所述PDMS(1)为预聚物与固化剂按10∶1比例均匀混合后，放置在60℃的鼓风干燥箱中制得的，所述PS微球阵列(2)是通过微球自组装得到的，所述多壁碳纳米管型号为GM-401，所述铜线(5)直径为0.5mm，所述绝缘胶带(6)起到贴合、固定上下两个电极的作用。
2.根据权利要求1所述的一种石墨烯/碳纳米管(CNTs)柔性压力传感器，其特征在于，所述PDMS(1)可以通过改变其固化时的温度来调节硬度。
3.根据权利要求1所述的一种石墨烯/CNTs柔性压力传感器，其特征在于，所述PS微球阵列(2)的制备难易和对传感器灵敏度的影响与微球直径大小相关。
4.根据权利要求1所述的一种石墨烯/CNTs柔性压力传感器，其特征在于，所述石墨烯/多壁碳纳米管混合导电涂层(3)的导电性，在1～3层内，随着导电涂层的层数增加而显著增强。
5.根据权利要求1所述的一种石墨烯/CNTs柔性压力传感器，其特征在于，所述铜膏(4)的浓度对传感器的整体电阻大小会有影响。
6.根据权利要求1所述的一种石墨烯/CNTs柔性压力传感器，其特征在于，所述绝缘胶带(6)的宽度为0.5cm。
7.根据权利要求1所述的一种石墨烯/CNTs柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
S1：将预聚物与固化剂按10∶1的比例混合，充分搅拌后静置，待气泡逸至溶液表面并破裂后，放入60℃的电热恒温鼓风干燥箱中约30分钟，得到PDMS。
S2：用微枪量取约100微升体积的PS微球和酒精的混合液，滴在盛有清水的碗状容器中，让微球自由组合大约2分钟，然后取少量表面活性剂例如洗洁精，浸于水面，将微球聚拢到一起，形成排列有序且紧密的PS微球阵列。
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S6：将用如上步骤制作的两个相同电极，带有导电涂层的那面，面对面贴合，最后用绝缘胶带固定好。
8.根据权利要求7所述的一种石墨烯/CNTs柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述的步骤S2中PS微球和酒精的混合液，PS微球和酒精的体积比为1∶1～1∶3。
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