CN113029402A - 一种可穿戴柔性传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种可穿戴柔性传感器及其制备方法，属于可穿戴电子器件技术领域；该可穿戴柔性传感器，包括从下到上依次设置的柔性基底，电极，压阻层和PDMS封装层，所述压阻层由柔性底板以及在柔性底板表面气相聚合形成的PEDOT聚合物组成，且压阻层表面具有符合高斯分布的微结构；本发明提供的可穿戴柔性传感器具有良好的柔韧性、延展性，结构形式可多样，不仅具有很好的舒适性与透气性，且在大范围具有线性和高灵敏度以及优异的探测性能。

Description

一种可穿戴柔性传感器及其制备方法
技术领域
本发明属于可穿戴电子器件技术领域，尤其涉及一种可穿戴柔性传感器及其制备方法。
背景技术
目前，各式各样的传感器早已渗透到工业生产、海洋探测、环境保护、医学诊断、生物工程、智能家居等方方面面；随着信息时代的应用需求越来越高，对被测量信息的范围、精度和稳定情况等各性能参数的期望值和理想化要求逐步提高，针对特殊环境与特殊信号下的测量需求，对普通传感器提出了新的挑战。
而随着国内外可穿戴市场的兴起、电子元件的微型化、类肤质柔性传感器的发展，对柔性传感器的需求量越来越大，目前的柔性传感器具有柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特点，其中柔性基底的选择具有重要作用，否则就会限制传感器的应用从而对传感器的灵敏度、宽压力范围、线性度等产生影响。
发明内容
本发明的目的在于：提供一种可穿戴柔性传感器及其制备方法，该可穿戴柔性传感器具有良好的柔韧性、延展性，结构形式可多样，不仅具有很好的舒适性与透气性，且在大范围具有线性和高灵敏度以及优异的探测性能。
本发明采用的技术方案如下：
为实现上述目的，本发明提供一种可穿戴柔性传感器，包括从下到上依次设置的柔性基底，电极，压阻层和PDMS封装层，所述压阻层由柔性底板以及在柔性底板表面气相聚合形成的PEDOT聚合物组成。
作为优选，所述柔性基底和柔性底板采用无纺棉、纸或者PDMS。
作为优选，所述压阻层表面具有符合高斯分布的微结构。
作为优选，所述电极为丝网印刷的银电极。
本发明还提供一种可穿戴柔性传感器的制备方法，包括以下制备步骤：
S1：通过丝网印刷工艺将导电银浆印刷在柔性基底上，烘干得到带电极的柔性基底；
S2：在柔性底板表面气相聚合形成的PEDOT聚合物，清洗并烘干，得到压阻层；
S3：在玻璃基板上滴覆PDMS前驱体溶液，采用旋涂工艺制得PDMS封装层；
S4：采用VHB胶带将带电极的柔性基底、压阻层以及PDMS封装层进行组装即得到可穿戴柔性传感器。
作为优选，步骤S2具体为：
S21：将柔性底板用乙醇和去离子水洗涤并干燥；
S22：将FeCl3.6H2O通过超声波在异丙醇中溶解15分钟，然后滴加并渗透到柔性底板上，得到渗透了FeCl3的柔性底板；
S23：将渗透了FeCl3的柔性底板与EDOT溶液放入真空容器中，进行气相聚合反应，反应完成后取出清洗，干燥，得到压阻层。
作为优选，所述FeCl3.6H2O的浓度为0.5-1mol/L。
作为优选，步骤S23中，反应完成后，采用甲醇进行冲洗，并放入1mol/L的H2SO4溶液中搅拌5min。
综上所述，由于采用了上述技术方案，本发明的有益效果是：
1.本发明以丝网印刷在无纺棉上的交叉电极作为底电极，以气相聚合的PEDOT无纺织物作为传感层，最后用PDMS封装而成的可穿戴柔性传感器具有良好的柔韧性、延展性，结构形式多样，可以根据测量条件的要求任意布置，能够非常方便地对特殊环境与特殊信号进行精确快捷测量，可以适用于人工智能穿戴、医疗检测设备、智能机器人和3D打印机等多种领域。
2.本发明提供的可穿戴柔性传感器，不仅具有很好的舒适性与透气性，而且器件展现了良好的探测性能，特别是具有很高的灵敏度与线性度，这是因为PEDOT/无纺棉层表面高度分布服从高斯随机分布，高斯分布的微结构在外界的压力逐渐增加的情况下会新增更多的接触点，从而维持器件的线性度，且紧密包装的PEDOT进一步提高了无纺棉表面粗糙度和电导率，从而使得本发明的器件在大范围具有线性和高灵敏度以及优异的探测性能。
附图说明
本发明将通过例子并参照附图的方式说明，其中：
图1为本发明可穿戴柔性传感器的结构示意图；
图2为压阻层的表面形貌图；
图3为压阻层表面3D轮廓图；
图4是压阻层表面高度分布图。
图中标记为：1-柔性基底，2-电极，3-压阻层，4-PDMS封装层。
具体实施方式
下面将结合附图对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅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他实施例，都属于本发明保护的范围。
一种可穿戴柔性传感器，包括从下到上依次设置的柔性基底，电极，压阻层和PDMS封装层，所述压阻层由柔性底板以及在柔性底板表面气相聚合形成的PEDOT聚合物组成。
作为优选，所述柔性基底和柔性底板采用无纺棉、纸或者PDMS。
作为优选，所述压阻层表面具有符合高斯分布的微结构。
作为优选，所述电极为丝网印刷的银电极。
实施例1
一种可穿戴柔性传感器的制备方法，包括以下制备步骤：
S1：取无纺棉清洗并在烘箱干燥，通过丝网印刷工艺将导电银浆印刷在无纺棉上，放入烘箱中进行烘干(70℃，1h)，得到带电极的柔性基底。
S2：另取无纺棉，在其表面气相聚合形成的PEDOT聚合物，清洗并烘干，得到压阻层；具体为：
S21：将无纺棉用乙醇和去离子水洗涤并干燥；
S22：将1mol/L的FeCl3.6H2O作为氧化剂，通过超声波在异丙醇中溶解15分钟，然后滴加并渗透到无纺棉上，得到渗透了FeCl3的柔性底板；
S23：将渗透了FeCl3的柔性底板与EDOT溶液放入真空容器中，进行气相聚合反应，24小时后反应完全停止，取出用去离子水冲洗2分钟，然后用甲醇清洗，最后在1mol/L的硫酸中搅拌5分钟，干燥(60℃，30min)，得到压阻层。
S3：在玻璃基板上滴覆PDMS前驱体溶液，采用旋涂工艺制得PDMS封装层(500rpm，30s，0.2μm)，并将所形成的混合薄膜放在热台上固化(60℃，4h)。
S4：采用VHB胶带将带电极的柔性基底、压阻层以及PDMS封装层进行组装，并通过银浆稳定导线，即得到可穿戴柔性传感器。
在标准测试条件下，0-50kPa的压力范围内测得传感器的灵敏度S＝5.95kPa-1，响应时间τ＝11ms，压阻层面电阻为0.95±0.25KΩ/sq；在50-100kPa和100-200kPa的较高压力范围内分别为3.61kpa-1和1.46kpa-1。
通过SEM研究了压阻层的表面形貌，如图2所示，显示了PEDOT/无纺棉导体的低倍率和高倍率SEM图像，清楚地表明棉织物纱线表面被完全覆盖，PEDOT渗透到棉织物的微观结构中不会破坏棉织物的结构完整性，所使用的无纺织物的纤维分布是不规则排列的，这与具有明显的经纱和纬纱的织造纤维不同。
图3是PEDOT/无纺棉导体层的表面3D轮廓图，显示了制备的PEDOT/无纺棉层在三维空间中表现出包覆棉纱的部分重叠，包覆棉纱之间存在相互连接的多孔网络(PEDOT/纱线)，表明了导电织物表面具有很高的表面粗糙度，且主要集中在80-160μm的高度范围内(如图4所示)。
从图4可以看出，压阻层表面高度是随机的且接近于中心为120μm的高斯分布，这主要是因为本器件采用的无纺布的纤维是随机分布的，没有特定的朝向，相比于具有规则形状的微结构(金子塔型、柱型、锥型)，高斯分布的微结构在外界的压力逐渐增加的情况下会新增更多的接触点，从而维持器件的线性度，因此本发明的随机分布表面更有利于增加器件响应的线性度，本发明的结构允许纤维之间具有更大的气隙，无纺棉纤维表面覆盖有一层PEDOT，紧密包装的PEDOT进一步提高了无纺棉表面粗糙度和电导率，从而提升器件性能。
实施例2
一种可穿戴柔性传感器的制备方法，包括以下制备步骤：
S1：取无纺棉清洗并在烘箱干燥，通过丝网印刷工艺将导电银浆印刷在无纺棉上，放入烘箱中进行烘干(70℃，1h)，得到带电极的柔性基底。
S2：另取无纺棉，在其表面气相聚合形成的PEDOT聚合物，清洗并烘干，得到压阻层；具体为：
S21：将无纺棉用乙醇和去离子水洗涤并干燥；
S22：将0.8mol/L的FeCl3.6H2O作为氧化剂，通过超声波在异丙醇中溶解15分钟，然后滴加并渗透到无纺棉上，得到渗透了FeCl3的柔性底板；
S23：将渗透了FeCl3的柔性底板与EDOT溶液放入真空容器中，进行气相聚合反应，24小时后反应完全停止，取出用去离子水冲洗2分钟，然后用甲醇清洗，最后在1mol/L的硫酸中搅拌5分钟，干燥(60℃，30min)，得到压阻层。
S3：在玻璃基板上滴覆PDMS前驱体溶液，采用旋涂工艺制得PDMS封装层(500rpm，30s，0.2μm)，并将所形成的混合薄膜放在热台上固化(60℃，4h)。
S4：采用VHB胶带将带电极的柔性基底、压阻层以及PDMS封装层进行组装，并通过银浆稳定导线，即得到可穿戴柔性传感器。
在标准测试条件下，0-50kPa的压力范围内测得传感器的灵敏度S＝4.13kPa-1，响应时间τ＝14ms，压阻层面电阻为32.56±2.51KΩ/sq。
实施例3
一种可穿戴柔性传感器的制备方法，包括以下制备步骤：
S1：取无纺棉清洗并在烘箱干燥，通过丝网印刷工艺将导电银浆印刷在无纺棉上，放入烘箱中进行烘干(70℃，1h)，得到带电极的柔性基底。
S2：另取无纺棉，在其表面气相聚合形成的PEDOT聚合物，清洗并烘干，得到压阻层；具体为：
S21：将无纺棉用乙醇和去离子水洗涤并干燥；
S22：将0.5mol/L的FeCl3.6H2O作为氧化剂，通过超声波在异丙醇中溶解15分钟，然后滴加并渗透到无纺棉上，得到渗透了FeCl3的柔性底板；
S23：将渗透了FeCl3的柔性底板与EDOT溶液放入真空容器中，进行气相聚合反应，24小时后反应完全停止，取出用去离子水冲洗2分钟，然后用甲醇清洗，最后在1mol/L的硫酸中搅拌5分钟，干燥(60℃，30min)，得到压阻层。
S3：在玻璃基板上滴覆PDMS前驱体溶液，采用旋涂工艺制得PDMS封装层(500rpm，30s，0.2μm)，并将所形成的混合薄膜放在热台上固化(60℃，4h)。
S4：采用VHB胶带将带电极的柔性基底、压阻层以及PDMS封装层进行组装，并通过银浆稳定导线，即得到可穿戴柔性传感器。
在标准测试条件下，0-50kPa的压力范围内测得传感器的灵敏度S＝3.46kPa-1，响应时间τ＝18ms，压阻层面电阻为51.60±8.42KΩ/sq。
最后应说明的是：以上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实施例技术方案的范围，其均应涵盖在本发明的权利要求和说明书的范围当中。

Claims (8)

1.一种可穿戴柔性传感器，其特征在于，包括从下到上依次设置的柔性基底，电极，压阻层和PDMS封装层，所述压阻层由柔性底板以及在柔性底板表面气相聚合形成的PEDOT聚合物组成。
2.根据权利要求1所述的一种可穿戴柔性传感器，其特征在于，所述柔性基底和柔性底板采用无纺棉、纸或者PDMS。
3.根据权利要求1所述的一种可穿戴柔性传感器，其特征在于，所述压阻层表面具有符合高斯分布的微结构。
4.根据权利要求1所述的一种可穿戴柔性传感器，其特征在于，所述电极为丝网印刷的银电极。
5.一种可穿戴柔性传感器的制备方法，其特征在于，包括以下制备步骤：
S1：通过丝网印刷工艺将导电银浆印刷在柔性基底上，烘干得到带电极的柔性基底；
S2：真空环境下，EDOT在柔性底板表面气相聚合形成PEDOT聚合物，清洗并烘干，得到压阻层；
S3：在玻璃基板上滴覆PDMS前驱体溶液，采用旋涂工艺制得PDMS封装层；
S4：采用VHB胶带将带电极的柔性基底、压阻层以及PDMS封装层进行组装即得到可穿戴柔性传感器。
6.根据权利要求5所述的一种可穿戴柔性传感器的制备方法，其特征在于，步骤S2具体为：
S21：将柔性底板用乙醇和去离子水洗涤并干燥；
S22：将FeCl3.6H2O通过超声波在异丙醇中溶解15分钟，然后滴加并渗透到柔性底板上，得到渗透了FeCl3的柔性底板；
S23：将渗透了FeCl3的柔性底板与EDOT溶液放入真空容器中，进行气相聚合反应，反应完成后取出清洗，干燥，得到压阻层。
7.根据权利要求6所述的一种可穿戴柔性传感器的制备方法，其特征在于，所述FeCl3.6H2O的浓度为0.5-1mol/L。
8.根据权利要求6所述的一种可穿戴柔性传感器的制备方法，其特征在于，步骤S23中，反应完成后，采用甲醇进行冲洗，并放入1mol/L的H2SO4溶液中搅拌5min。
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