CN113074624B - 一种基于双张纸的柔性防水弯曲应变传感器及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种基于双张纸的柔性防水弯曲应变传感器及其制备方法，属于传感器技术领域，以解决现有的纸基弯曲角度应变传感器检测范围窄、灵敏度低、防水性差的问题，包括长方形的导电纸张层，导电纸张层沿宽度方向的一侧并排设置有另一相同的导电纸张层，每个所述导电纸张层包括纸张及附着在所述纸张表面的导电材料，两个所述导电纸张层非接触的表面设置有封装层，两个所述导电纸张层上分别引出测试导线，每个测试导线延伸至所述封装层的外侧。利用纸张柔性、低成本和截面的界面间物理接触特性，制备成的传感器具有低成本、工艺简单、宽检测范围、高灵敏度和双向弯曲响应一致的特点；得益于封装层保护，制备的传感器同时具备良好的防水性。

Description

一种基于双张纸的柔性防水弯曲应变传感器及其制备方法
技术领域
一种基于双张纸的柔性防水弯曲应变传感器及其制备方法，本发明属于传感器技术领域，具体涉及应变传感器技术领域。
背景技术
随着现代医疗电子的快速发展，柔性可穿戴传感器受到了广泛的关注。目前，可穿戴柔性压力、拉伸应变传感器的发展十分迅速，然而与人体关节、肢体运动相关的柔性弯曲角度应变传感器的发展较为滞后。
为了获得柔性弯曲应变传感器，常见策略是：在单张柔性基底表面制备导电层，当基底受到弯曲拉伸应变时，在导电膜表面产生裂纹，阻碍导电膜的电子渗透传输，从而使传感器的电阻上升，进而产生弯曲拉伸应变响应；当基底受到弯曲挤压应变时，导电膜表面裂纹产生闭合，促进电子传输，导致传感器的电阻下降，产生弯曲挤压应变响应。这种方法缺点在于：(1)为了使导电膜表面在弯曲应变状态下形成连续、稳定的裂纹闭合或开裂现象，不能简单地用胶带对导电膜进行封装保护，一旦封装就破坏了导电膜表面裂纹的微结构，不能产生良好的弯曲应变响应；而缺少封装，则不能对弯曲应变传感器进行很好地防水、防污染等保护。(2)基于表面裂纹机制的柔性弯曲角度应变传感器在不同方向弯曲(挤压和拉伸弯曲)时，传感器的电学响应不同，使用时需要区别传感器的正反面，不便于实际使用，甚至出现错误的检测结果。(3)基于表面裂纹机制的柔性弯曲角度应变传感器存在工艺复杂、工艺稳定性差、检测量程窄、响应小和灵敏度低等不足。
纸张由于绿色环保、成本低、柔性和表面粗糙结构易与导电材料结合等特性，常用于柔性弯曲应变传感器的基底。比如，专利CN 104613860 A、CN 105115414 A、CN108318059A和CN207936978U公开了基于单张纸基弯曲应变传感器技术制备方法，均利用纸张表面导电膜材料在弯曲应变下，产生表面裂纹效应，所制备柔性弯曲应变传感器存在响应量程小、灵敏度低、工艺复杂、双向弯曲响应相反、不能防水等不足；专利CN 111189383 A公开了一种超疏水纸基应变传感器及其制备方法，为了提升传感器的灵敏度和抗湿性，在纸张表面制备了沟槽阵列和导电疏水层，该专利涉及二氧化硅、聚二甲基硅氧烷和导电材料等多种材料，以及表面切削、表面激光雕刻和模具压印等复杂工艺，且仍未能很好解决传感器的防水性，如水中使用。Qianming Li等人报道了基于碳黑/碳纳米管复合导电材料的柔性纸基弯曲应变传感器，并在导电材料表面制备了疏水气相二氧化硅膜，尽管起到了一定的抗湿效果，但响应不高、防水性仍不高，且制备工艺复杂(Li,Q.；Liu,H.；Zhang,S.；Zhang,D.；Liu,X.；He,Y.；Mi,L.；Zhang,J.；Liu,C.；Shen,C.；Guo,Z.SuperhydrophobicElectrically Conductive Paper for Ultrasensitive Strain Sensor with ExcellentAnticorrosion and Self-Cleaning Property.ACS Applied Materials&Interfaces2019,11(24),21904-21914)。
显然，基于表面裂纹效应的单张纸基弯曲应变传感器难以兼顾高响应和防水特性。为了发展低成本、柔性、防水、宽量程和高灵敏度的纸基弯曲应变传感器，需要设计新型的传感器结构和封装保护层。
发明内容
本发明的目的在于：本发明提供了一种基于双张纸的柔性防水弯曲应变传感器及其制备方法，以解决上述现有的纸基弯曲角度应变传感器检测范围窄、灵敏度低、防水性差的问题，此外还解决了现有的应变传感器制备工艺复杂的问题。
本发明采用的技术方案如下：
一种基于双张纸的柔性防水弯曲应变传感器，包括长方形的导电纸张层，所述导电纸张层沿宽度方向的一侧并排设置有另一相同的导电纸张层，每个所述导电纸张层包括纸张及附着在所述纸张表面的导电材料，两个所述导电纸张层非接触的表面设置有封装层，两个所述导电纸张层上分别引出测试导线，每个所述测试导线延伸至所述封装层的外侧。
本申请的技术方案中：两个导电纸张层的截面对齐且物理接触，两个导电纸张层左右对称，两个导电纸张层沿接触线弯曲时，接触界面受力会被压紧，封装层将两个导电纸张层的外表面完全封装起来。本申请一种基于双张纸的柔性防水弯曲应变传感器的弯曲应变响应机理如下：当传感器受到弯曲作用时，两张纸张接触的截面会发生挤压，两张导电纸张截面之间的导电纸纤维的接触点增多，从而提升两张导电纸张接触界面间的电子渗透效率，从而降低传感器的电阻，进而产生弯曲应变响应，需要说明的是，由于导电纸张不分正反面，所提出的基于双张纸的柔性防水弯曲应变传感器对双向弯曲响应具有一致性。本申请的传感器摒弃了传统利用单张纸张弯曲应变下的表面裂纹效应，通过在双张导电纸张层截面之间构建内部界面接触，提升了纸基弯曲角度应变传感器的检测范围和灵敏度；同时，主要得益于截面内部的形变，可以不管纸张表面的裂纹结构破坏，从而可以利用防水性更好、机械性能更强的绝缘胶带直接对纸基弯曲角度应变传感器进行完全彻底地封装，起着良好的固定和防水效果。本发明所提出的基于双张纸的柔性防水弯曲应变传感器在人体关节、肢体运动监测等领域具有光明的应用前景。
优选的，所述纸张为打印纸、滤纸、包装纸或卡纸中的任一种。
优选的，所述导电材料为碳素墨水、碳黑、碳纳米管、石墨烯、石墨炔、富勒烯、银纳米线、聚苯胺和聚吡咯中的一种或多种。
优选的，所述导电纸张层的长度为1-10cm，所述导电纸张层的宽度为0.1-5cm。
优选的，所述封装层为绝缘聚酰亚胺胶带或聚丙烯胶带。
一种基于双张纸的柔性防水弯曲应变传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、将纸张剪切成长条形状；
步骤2、将纸张与导电材料复合，得到导电纸张层，导电纸张层的长度为1-10cm，宽度为0.1-5cm；
步骤3、两个导电纸张层沿任一导电纸张层宽度方向并排设置且截面对齐；
步骤4、在两个导电纸张层的两端分别引出测试导线，并用绝缘聚酰亚胺胶带将两个导电纸张层和测试导线封装固定。
优选的，纸张与导电材料复合的方法为浸渍、打印、喷涂、绘涂、磁控溅射或蒸镀中的任一种。
优选的，步骤2中导电纸张层的长度为2cm，宽度为0.5cm；导电纸张层的长度为5cm，宽度为1cm；导电纸张层的长度为10cm，宽度为5cm。
本申请的两张导电纸张层之间是物理接触。
包括长方形的导电纸张层，所述导电纸张层沿宽度方向的一侧并排设置有另一相同的导电纸张层，意思即：包括两个长方形的导电纸张层，其中一个所述导电纸张层沿另一个所述导电纸张层的宽度方向并排设置，两个导电纸张层之间是物理接触。
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、本发明中，利用纸张柔性、低成本和截面的界面间接触特性，制备成的柔性防水弯曲应变传感器具有低成本、制备工艺简单、宽检测范围、高灵敏度和双向弯曲响应一致的特点；
2、得益于封装层的保护，柔性防水弯曲应变传感器同时具备良好的防水性，可在水中使用；
3、相比报道的基于单张纸张表面裂纹效应的柔性应变弯曲传感器，基于双张导电纸内部截面的界面效应的柔性防水弯曲应变传感器具有更宽的检测范围、高灵敏度，以及更简单的制备工艺；
4、相比报道的基于单张纸张表面裂纹效应的柔性应变弯曲传感器，基于双张导电纸内部截面的界面效应的柔性防水弯曲应变传感器具有双向弯曲响应一致性，更方便实际使用；
5、相比传统的疏水纳米材料防水抗湿策略，绝缘胶带封装极大提升了纸基弯曲角度应变传感器的防水性，同时具备更加低的成本和简单的工艺；
6、本申请的柔性防水弯曲应变传感器结构简单、制备方法简便、成本低，利于大规模制造和推广应用。
附图说明
图1为本发明柔性防水弯曲应变传感器的(a)剖面结构示意图和(b)俯视图；
图2为本发明导电纸张截面不同放大倍数下的扫描电子显微镜图；
图3为本发明柔性防水弯曲应变传感器在不同弯曲角度下的响应/恢复曲线；
图4为本发明双张纸结构与单张纸结构柔性防水弯曲应变传感器在不同弯曲角度下的响应-角度拟合对比曲线；
图5为本发明柔性防水弯曲应变传感器在35.7°下2000次重复性响应/恢复曲线；
图6为本发明柔性防水弯曲应变传感器在35.7°下的单个响应/恢复周期曲线；
图7为本柔性防水弯曲应变传感器(a)向下和向上弯曲响应/恢复曲线，(b)空气和水中响应/恢复曲线(注：为了连续测试，均用手施加弯曲应变)。
图8为本发明柔性防水弯曲应变传感器用于不同弯曲角度的颈椎和手指关节运动监测响应曲线。
图中标记：1-导电纸张层，2-封装层，3-测试导线。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
实施例1
如图1所示，一种基于双张纸的柔性防水弯曲应变传感器，包括长方形的导电纸张层1，所述导电纸张层1沿宽度方向的一侧并排设置有另一相同的导电纸张层1，每个所述导电纸张层1包括纸张及附着在所述纸张表面的导电材料，两个所述导电纸张层1非接触的表面设置有封装层2，两个所述导电纸张层1上分别引出测试导线3，每个所述测试导线3延伸至所述封装层2的外侧；纸张为打印纸，导电材料为碳素墨水，导电纸张层1的长度为2cm，宽度为0.5cm。
一种基于双张纸的柔性防水弯曲应变传感器的制备方法，包括如下步骤：
步骤1、将纸张剪切成长条形状；
步骤2、将纸张与导电材料复合，得到导电纸张层1，导电纸张层1的长度为2cm，宽度为0.5cm，纸张与导电材料复合的方法为浸渍；
步骤3、两个导电纸张层1沿任一导电纸张层1宽度方向并排设置且截面对齐；
步骤4、在两个导电纸张层1的两端分别引出测试导线3，并用绝缘聚酰亚胺胶带将两个导电纸张层1和测试导线3封装固定。
实施例2
在实施例1的基础上，纸张为滤纸，封装层2为聚丙烯胶带，其他均与实施例1相同。
实施例3
在实施例1的基础上，导电材料为碳纳米管，其他均与实施例1相同。
实施例4
在实施例1的基础上，导电纸张层1的长度为10cm，宽度为5cm，其他均与实施例1相同。
实施例5
在实施例1的基础上，导电材料为银纳米线，导电纸张层1的长度为5cm，宽度为1cm，其他均与实施例1相同。
实施例1-5中，纸张还可以是包装纸或卡纸中任一种。
实施例1-5中，导电材料还可以是碳黑、石墨烯、石墨炔、富勒烯、聚苯胺和聚吡咯中的任一种。
实施例1-5中，纸张与导电材料复合方法为打印、喷涂、绘涂、磁控溅射或蒸镀中的任一种。
实验例
如图2-8所示，根据实施例1制备的一种基于双张纸的柔性防水弯曲应变传感器，性能测试按照本领域已公开的方法进行，具体方法为：(a)用吉时利Keithley 4200-SCS对上述制备的柔性防水弯曲应变传感器的电流信号进行测试，测试电压10V，不同的弯曲角度由拉伸测试设备产生，通过计算可得到不同的弯曲角度(θ)；(b)为了证实柔性防水弯曲应变传感器的正反面弯曲的响应一致性，用手直接对传感器的进行不同方向的弯曲；(c)为了证实柔性防水弯曲应变传感器的防水性，用手直接对传感器的进行空气中和水中的弯曲；(d)为了证实柔性防水弯曲应变传感器的应用，将柔性防水弯曲应变传感器贴在颈椎和手指关节进行监测，通过采集柔性防水弯曲应变传感器的输出电流，可获得人体不同的生理信号。
由图2导电纸张截面不同放大倍数下的扫描电子显微镜图知，导电纸张截面由纸纤维结构组成，通过高倍显微镜图，可以看到纸纤维表明沉积有导电碳纳米颗粒。
由图3柔性防水弯曲应变传感器在不同弯曲角度下的响应/恢复曲线知，传感器在不同弯曲角度下具有稳定的响应/恢复特性。
由图4双张纸结构与单张纸结构柔性防水弯曲应变传感器在不同弯曲角度下的响应-角度拟合对比曲线可知，双张纸结构比单张纸结构柔性防水弯曲应变传感器具有更大的响应和更高的灵敏度。
由图5柔性防水弯曲应变传感器在35.7°下2000次重复性响应/恢复曲线知，该弯曲应变传感器具有良好的重复稳定性。
由图6柔性防水弯曲应变传感器在35.7°下的单个响应/恢复周期曲线知，传感器具有快速的响应/恢复时间(0.34秒和0.35秒)。
由图7柔性防水弯曲应变传感器(a)向下和向上弯曲响应/恢复曲线，(b)空气和水中响应/恢复曲线知，弯曲应变传感器双向弯曲响应具有一致性，且具有良好的防水性。
由图8柔性防水弯曲应变传感器用于不同弯曲角度的颈椎和手指关节运动监测响应曲线知，该弯曲应变传感器在可穿戴电子领域具有广阔的应用前景。
以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种基于双张纸的柔性防水弯曲应变传感器，其特征在于：包括长方形的导电纸张层，所述导电纸张层沿宽度方向的一侧并排设置有另一相同的导电纸张层，每个所述导电纸张层包括纸张及附着在所述纸张表面的导电材料，两个所述导电纸张层非接触的表面设置有封装层，两个所述导电纸张层上分别引出测试导线，每个所述测试导线延伸至所述封装层的外侧；当传感器受到弯曲作用时，两张纸张接触的截面会发生挤压，两张导电纸张截面之间的导电纸纤维的接触点增多，从而提升两张导电纸张接触界面间的电子渗透效率，从而降低传感器的电阻，进而产生弯曲应变响应。
2.根据权利要求1所述的一种基于双张纸的柔性防水弯曲应变传感器，其特征在于：所述纸张为打印纸、滤纸、包装纸或卡纸中的任一种。
3.根据权利要求1所述的一种基于双张纸的柔性防水弯曲应变传感器，其特征在于：所述导电材料为碳素墨水、碳黑、碳纳米管、石墨烯、石墨炔、富勒烯、银纳米线、聚苯胺和聚吡咯中的一种或多种。
4.根据权利要求1所述的一种基于双张纸的柔性防水弯曲应变传感器，其特征在于：所述导电纸张层的长度为1-10cm，所述导电纸张层的宽度为0.1-5cm。
5.根据权利要求1所述的一种基于双张纸的柔性防水弯曲应变传感器，其特征在于：所述封装层为绝缘聚酰亚胺胶带或聚丙烯胶带。
6.如权利要求1-5任一项所述的一种基于双张纸的柔性防水弯曲应变传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：
步骤1、将纸张剪切成长条形状；
步骤2、将纸张与导电材料复合，得到导电纸张层，导电纸张层长度为1-10cm，宽度为0.1-5cm；
步骤3、两个导电纸张层沿任一导电纸张层宽度方向并排设置且截面对齐；
步骤4、在两个导电纸张层的两端分别引出测试导线，并用绝缘聚酰亚胺胶带将两个导电纸张层和测试导线封装固定。
7.根据权利要求6所述的一种基于双张纸的柔性防水弯曲应变传感器的制备方法，其特征在于：纸张与导电材料复合的方法为浸渍、打印、喷涂、绘涂、磁控溅射或蒸镀中的任一种。
8.根据权利要求6所述的一种基于双张纸的柔性防水弯曲应变传感器的制备方法，其特征在于：步骤2中导电纸张层的长度为2cm，宽度为0.5cm；导电纸张层的长度为5cm，宽度为1cm；导电纸张层的长度为10cm，宽度为5cm。
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