CN113916414B - 一种皮革基力学传感器及其制备方法 - Google Patents
一种皮革基力学传感器及其制备方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN113916414B CN113916414B CN202111160068.2A CN202111160068A CN113916414B CN 113916414 B CN113916414 B CN 113916414B CN 202111160068 A CN202111160068 A CN 202111160068A CN 113916414 B CN113916414 B CN 113916414B
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- leather
- laser
- carbonization
- suede
- mechanical sensor
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Active
Links
- 239000010985 leather Substances 0.000 title claims abstract description 350
- 238000002360 preparation method Methods 0.000 title abstract description 17
- 238000003763 carbonization Methods 0.000 claims abstract description 103
- 239000002861 polymer material Substances 0.000 claims abstract description 27
- 238000010000 carbonizing Methods 0.000 claims abstract description 9
- 239000000835 fiber Substances 0.000 claims description 25
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 15
- 238000000034 method Methods 0.000 claims description 14
- 239000002077 nanosphere Substances 0.000 claims description 14
- 239000002245 particle Substances 0.000 claims description 13
- 229910052814 silicon oxide Inorganic materials 0.000 claims description 13
- 238000001035 drying Methods 0.000 claims description 11
- 238000004519 manufacturing process Methods 0.000 claims description 10
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 9
- LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N Ethanol Chemical compound CCO LFQSCWFLJHTTHZ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 238000004140 cleaning Methods 0.000 claims description 8
- 230000001788 irregular Effects 0.000 claims description 8
- 238000005507 spraying Methods 0.000 claims description 7
- 238000009958 sewing Methods 0.000 claims description 6
- 238000004528 spin coating Methods 0.000 claims description 6
- 239000011159 matrix material Substances 0.000 claims description 5
- 239000008367 deionised water Substances 0.000 claims description 4
- 229910021641 deionized water Inorganic materials 0.000 claims description 4
- 238000004506 ultrasonic cleaning Methods 0.000 claims description 4
- XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N water Chemical compound O XLYOFNOQVPJJNP-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 3
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 3
- 238000000151 deposition Methods 0.000 claims description 3
- 239000002649 leather substitute Substances 0.000 claims description 3
- 239000000377 silicon dioxide Substances 0.000 claims 1
- 239000000463 material Substances 0.000 abstract description 11
- 239000008204 material by function Substances 0.000 abstract description 6
- 239000010410 layer Substances 0.000 description 18
- 239000004372 Polyvinyl alcohol Substances 0.000 description 9
- 229920002451 polyvinyl alcohol Polymers 0.000 description 9
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 8
- 239000011148 porous material Substances 0.000 description 7
- 230000004044 response Effects 0.000 description 7
- 230000008569 process Effects 0.000 description 5
- 239000011248 coating agent Substances 0.000 description 4
- 238000000576 coating method Methods 0.000 description 4
- 230000000875 corresponding effect Effects 0.000 description 4
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 description 4
- 230000009471 action Effects 0.000 description 3
- 230000015556 catabolic process Effects 0.000 description 3
- 238000005520 cutting process Methods 0.000 description 3
- 238000006731 degradation reaction Methods 0.000 description 3
- 239000000758 substrate Substances 0.000 description 3
- OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N Carbon Chemical compound [C] OKTJSMMVPCPJKN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000003491 array Methods 0.000 description 2
- 230000007547 defect Effects 0.000 description 2
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 2
- 238000009826 distribution Methods 0.000 description 2
- 229920001971 elastomer Polymers 0.000 description 2
- 238000000635 electron micrograph Methods 0.000 description 2
- 230000003993 interaction Effects 0.000 description 2
- 239000002184 metal Substances 0.000 description 2
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 description 2
- 239000002086 nanomaterial Substances 0.000 description 2
- 238000000879 optical micrograph Methods 0.000 description 2
- 102000008186 Collagen Human genes 0.000 description 1
- 108010035532 Collagen Proteins 0.000 description 1
- 229920000742 Cotton Polymers 0.000 description 1
- 241000208202 Linaceae Species 0.000 description 1
- 235000004431 Linum usitatissimum Nutrition 0.000 description 1
- 239000004642 Polyimide Substances 0.000 description 1
- 238000004026 adhesive bonding Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 239000006229 carbon black Substances 0.000 description 1
- 239000002041 carbon nanotube Substances 0.000 description 1
- 229910021393 carbon nanotube Inorganic materials 0.000 description 1
- 229920002678 cellulose Polymers 0.000 description 1
- 239000001913 cellulose Substances 0.000 description 1
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 1
- 229920001436 collagen Polymers 0.000 description 1
- 229920001940 conductive polymer Polymers 0.000 description 1
- 230000007423 decrease Effects 0.000 description 1
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 1
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 1
- 239000004744 fabric Substances 0.000 description 1
- 239000011521 glass Substances 0.000 description 1
- 229910021389 graphene Inorganic materials 0.000 description 1
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000005304 joining Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 238000000465 moulding Methods 0.000 description 1
- 239000002070 nanowire Substances 0.000 description 1
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 description 1
- 238000011056 performance test Methods 0.000 description 1
- 230000035699 permeability Effects 0.000 description 1
- 229920001721 polyimide Polymers 0.000 description 1
- 229920000642 polymer Polymers 0.000 description 1
- 229920002635 polyurethane Polymers 0.000 description 1
- 239000004814 polyurethane Substances 0.000 description 1
- 238000007639 printing Methods 0.000 description 1
- 239000011241 protective layer Substances 0.000 description 1
- 238000003828 vacuum filtration Methods 0.000 description 1
- 210000002268 wool Anatomy 0.000 description 1
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01L—MEASURING FORCE, STRESS, TORQUE, WORK, MECHANICAL POWER, MECHANICAL EFFICIENCY, OR FLUID PRESSURE
- G01L1/00—Measuring force or stress, in general
- G01L1/18—Measuring force or stress, in general using properties of piezo-resistive materials, i.e. materials of which the ohmic resistance varies according to changes in magnitude or direction of force applied to the material
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- Treatment And Processing Of Natural Fur Or Leather (AREA)
Abstract
本发明公开了一种一种皮革基力学传感器及其制备方法。所述皮革基力学传感器，包括第一皮革和第二皮革，第一皮革的第一表面和第二皮革的第一表面均设置有激光碳化区，第一皮革的第一表面与第二皮革的第一表面相对设置，且第一皮革的激光碳化区与第二皮革的激光碳化区位置相对应；各激光碳化区通过导线制作的电极与外部连接；所述第一皮革和第二皮革的第一表面喷涂了易于碳化的高分子材料；通过对喷涂了易于碳化的高分子材料的第一皮革和第二皮革的第一表面进行激光碳化得到所述激光碳化区。皮革基力学传感器通过激光碳化制备得到导电电路，不需要再铺设其他导电功能材料，结构简单，制备方法便捷，且材料易得、成本低、易降解。
Description
技术领域
本发明涉及柔性传感器领域，具体涉及一种皮革基力学传感器及其制备方法。
背景技术
在柔性传感器领域，常通过柔性基底材料(如聚合物、金属薄片、玻璃薄片)来增加传感器的柔性和弹性，但这些传统基底材料生物兼容性差，难以满足长时间舒适穿戴的要求。另外，为实现传感器的高灵敏度常需要在其表面制备微纳结构。而这种方法存在微纳结构制备工艺复杂，基底材料生物兼容性差、不易降解等缺点。而皮革具有柔弹性、透气性、穿戴舒适以及多级分层孔隙(nm-mm)的结构，将皮革制备为导电皮革使其作为柔性传感器的基底材料，可以大大提高柔性传感器的性能。
在导电皮革领域，传统的制备方法是通过皮革表面涂饰(包括喷涂、旋涂、打印以及真空抽滤等)导电功能材料(包括碳纳米管、石墨烯、金属纳米线、炭黑、导电聚合物等)，来改善皮革的导电性；导电皮革广泛应用于电磁屏蔽、抗静电、压力传感等应用场景。上述传统的制备方法存在操作步骤复杂、涂饰功能材料价格昂贵等问题。激光碳化技术是新兴的高效、规模化、无模成型的技术，利用光热转化现象，以激光作为光热源碳化可以碳化的基体材料，如织物、皮革、羊毛、棉花、亚麻、蚕丝、聚酰亚胺、聚氨酯等。该技术属于干法常温常压工艺，碳化响应时间毫秒级(ms)别，可以利用计算机辅助设计复杂的阵列图样，结合激光参数的可控调节，得到理想的导电皮革。激光碳化皮革的基本几何单元或称一个像素，可以是点、线、面或设计的图案等，也可以组成碳化皮革阵列。激光碳化皮革可以作为传感器的敏感和弹性元件，同时也可作为保护层直接与外界接触。激光碳化皮革用于压力传感器具有广阔前景。
激光碳化技术应用于压力传感器面临如下主要的技术难题：(1)激光工艺将皮革纤维碳化形成导电网络，但是碳化后皮革纤维会变脆，在大压力作用下已造成损坏，可靠性是较大问题；(2)导电皮革纤维为孔隙结构，通过压力作用下孔隙闭合形成新的导电位点，从而导电性能发生改变，实现力学传感，但是孔隙结构较易闭合而导致器件易饱和，力学传感量程较小，且闭合速率为非线性过程而导致器件非线性响应。
发明内容
本发明的目的在于克服现有技术中所存在皮革压力传感器制备方法存在量程较小与非线性响应等不足，提供一种大量程线性程度高可靠性好的皮革基力学传感器及其制备方法。
为了实现上述发明目的，本发明提供了以下技术方案：
一种皮革基力学传感器，包括第一皮革和第二皮革，第一皮革的第一表面和第二皮革的第一表面均设置有激光碳化区，第一皮革的第一表面与第二皮革的第一表面相对设置，且第一皮革的激光碳化区与第二皮革的激光碳化区位置相对应；各激光碳化区通过导线制作的电极与外部连接；所述第一皮革和第二皮革的第一表面喷涂了易于碳化的高分子材料；通过对喷涂了易于碳化的高分子材料的第一皮革和第二皮革的第一表面进行激光碳化得到所述激光碳化区。
优选地，所述第一皮革的第一表面和第二皮革的第一表面均为皮革的绒面。
优选地，所述第一皮革和第二皮革的激光碳化区为碳化皮质纤维网络结构，纤维网络内部填充有氧化硅纳米球颗粒。
优选地，所述激光碳化区的形状是矩形、圆形、带形或其他不规则形状。
优选地，所述皮革基力学传感器包括多个激光碳化区，多个激光碳化区成矩阵阵列、圆形阵列、或其他规则/不规则的阵列排布。
优选地，所述单位面积的激光碳化区在压力作用下的电阻变化范围为100 Ω/cm2-1MΩ/cm2。
一种皮革基力学传感器制备方法，包括以下步骤：
S1，清洗第一皮革和第二皮革，清洗后的第一皮革和第二皮革的绒面上喷涂易于碳化的高分子材料，烘干第一皮革和第二皮革；
S2，采用激光器对第一皮革和第二皮革的绒面的预设区域进行碳化处理，得到具有激光碳化区的第一皮革和第二皮革；
S3，将第一皮革与第二皮革的绒面相对放置，且第一皮革与第二皮革的激光碳化区位置相对应。
优选地，所述步骤S1包括以下详细步骤：
选取第一皮革和第二皮革，用去离子水、乙醇清洗第一皮革和第二皮革的绒面；然后进行超声清洗；在人造革的绒面上喷涂易于碳化的高分子材料；进行烘干固化。
优选地，所述步骤S2还包括在碳化导电皮革绒面沉积氧化硅纳米球颗粒，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21，采用激光器对第一皮革和第二皮革的绒面的预设区域进行碳化处理，得到具有激光碳化区的第一皮革和第二皮革；其中激光器的激光功率高于易于碳化的高分子材料的碳化功率，且低于皮革纤维的碳化功率；
S22，在第一皮革和第二皮革的激光碳化区绒面的区域上滴涂或旋涂氧化硅纳米球颗粒溶液，并烘干。
优选地，所述步骤S3中还包括第一皮革和第二皮革的连接操作：将第一皮革与第二皮革的绒面通过粘合或缝纫的方式连接。
与现有技术相比，本发明的有益效果：
1、皮革基力学传感器通过激光碳化制备得到导电电路，不需要再铺设其他导电功能材料，结构简单，制备方法便捷，且器件易得、成本低、易降解、生物安全性好，柔软可拉伸。
2、激光碳化之前在皮革绒面微结构上喷涂一层易于碳化的高分子材料，将有助于降低激光碳化功率，降低激光对皮革纤维微结构的破坏；该工艺既获得的具有力敏特性的导电网络，也使得皮革整体机械特性无明显变化，保障皮革应变可靠性、稳定性无明显衰退。
3、在激光碳化后的具有导电性的第一皮革和第二皮革的绒面间沉积氧化硅纳米球颗粒，将在皮革纤维孔隙中形成支撑位点，将增强导电皮革力敏微结构层的力学应变特性，提升器件的压力传感量程；同时滴涂或者旋涂工艺使得激光碳化区内氧化硅纳米球颗粒分布密度为从表面向内为梯度减小，从而使得碳化皮革材料力学应变特性从表面向内为梯度分布，这将优化器件的力电响应线性度。
附图说明：
图1为本发明示例性实施例1的皮革基力学传感器的第一示意图；
图2为本发明示例性实施例3中皮革激光碳化后的光学显微镜照片；
图3为本发明示例性实施例3中皮革激光碳化后的电子显微镜照片；
图4为本发明示例性实施例3的皮革基力学传感器的实物图；
图5为本发明示例性实施例4的皮革基力学传感器电流相对变化量与压力的关系图；
图6为本发明示例性实施例4的皮革基力学传感器不同压力作用时的电流响应图；
图7为本发明示例性实施例4中激光碳化皮革后的阵列式的皮革基力学传感器实物图。
图中标记：1-第一皮革，2-第二皮革，3-激光碳化区，4-电极
具体实施方式
下面结合试验例及具体实施方式对本发明作进一步的详细描述。但不应将此理解为本发明上述主题的范围仅限于以下的实施例，凡基于本发明内容所实现的技术均属于本发明的范围。
实施例1
本实施例提供一种皮革基力学传感器，包括第一皮革1和第二皮革2，第一皮革1的第一表面和第二皮革2的第一表面均设置有激光碳化区3，第一皮革1 的第一表面与第二皮革的第一表面相对设置，且第一皮革1的激光碳化区与第二皮革2的激光碳化区位置相对应；各激光碳化区通过导线制作的电极4与外部连接；所述第一皮革1和第二皮革2的第一表面喷涂了易于碳化的高分子材料；通过对喷涂了易于碳化的高分子材料的第一皮革1和第二皮革2的第一表面进行激光碳化得到所述激光碳化区。
设置有激光碳化区的第一皮革和第二皮革相对设置，第一皮革和第二皮革的激光碳化区为通过激光碳化技术按照预设图案制作的导电电路，且第一皮革和第二皮革的激光碳化区间具有空腔；第一皮革和第二皮革的激光碳化区分别通过导线电极与电源连接。通电状态下，皮革基力学传感器受力时，空腔的形状发生变化，第一皮革和第二皮革的激光碳化区的接触面积会随着受力的大小发生变化，即接触电阻会随着受力的大小发生变化，通过检测皮革基力学传感器的电流即可间接检测皮革基力学传感器的受力情况。本实施例所述的皮革基力学传感器通过激光碳化制备得到导电电路，不需要再铺设其他导电功能材料，结构简单，制备方法便捷，且材料易得、成本低、易降解。
示例性的，第一皮革1的第一表面和第二皮革2的第一表面均为皮革的绒面。激光碳化之前在皮革绒面微结构上喷涂一层易于碳化的高分子材料，所述易于碳化的高分子材料指的是碳化处理时激光功率低于碳化皮革纤维的碳化功率的材料。喷涂高分子材料后，激光器的激光功率可设置为高于易于碳化的高分子材料的碳化功率，且低于皮革纤维的碳化功率，将有助于降低激光碳化功率，降低激光对皮革微结构的破坏，保障皮革应变可靠性无明显衰退。优选的，所述易于碳化的高分子材料为聚乙烯醇，聚乙烯醇将包裹于皮革绒面的纤维微结构表面，碳化处理时激光功率高于聚乙烯醇的碳化功率，且低于皮革纤维的碳化功率；在得到碳化导电网络的同时，降低激光对皮革纤维微结构的破坏。
示例性的，所述第一皮革(1)和第二皮革(2)的激光碳化区(3)为碳化皮质纤维网络结构，纤维网络内部填充有氧化硅纳米球颗粒。在激光碳化后的具有导电性的第一皮革和第二皮革的绒面间沉积氧化硅纳米球颗粒，将增强导电皮革力敏微结构层的力学应变特性，提升器件的工作量程并优化力电响应线性度。
示例性的，所述激光碳化区的形状可以是矩形、圆形、带形或其他不规则形状。激光碳化后形成的激光碳化区的形状可以是点、线、面或由点线面组合设计的图案。第一皮革的一个激光碳化区和其对应的第二皮革的一个激光碳化区可以称为皮革基力学传感器的基本几何单元或称一个像素，用于检测一个位置的受力状况等。
示例性的，所述皮革基力学传感器包括多个激光碳化区，多个激光碳化区成矩阵阵列、圆形阵列、或其他规则/不规则的阵列排布。当皮革基力学传感器所加电压一定时，单个激光碳化区所在位置受力时，不同压力下其电流值不同，且电流相对变化值与压力存在较好的线性关系。多个激光碳化区成阵列排布，可以检测不同位置的受力状况。
示例性的，第一皮革1和第二皮革2之间通过粘合或缝纫等方式连接。在第一皮革和第二皮革激光碳化区域以外的其他区域内通过粘合或缝纫将第一皮革和第二皮革组合在一起，使其成为一个整体，便于在非水平方向的场景应用。
本实施例所述的第一皮革和第二皮革可以是市面上常见的皮革。按照动物种类来分类，本实施例所述的第一皮革和第二皮革可以采用猪皮、羊皮、牛皮以及马皮等任意一种类型的皮革，优选牛皮；按照层次来分类，本实施例所述的第一皮革和第二皮革可以采用头层皮和二层皮中的任意一种类型的皮革，优选二层皮；按制造方式来分类，本实施例所述的第一皮革和第二皮革可以采用蓝湿皮革和天然皮革中的任意一种类型的皮革。以二层牛皮为例，本实施例采用厚度为0.5-3mm的二层牛皮来作为第一皮革和第二皮革。其中，优选厚度为 2mm的二层牛皮。
示例性的，所述单位面积的激光碳化区在压力作用下的电阻变化范围为100 Ω/cm2-1MΩ/cm2。
示例性的，所述皮革基力学传感器应用于智能机器人、人机交互、可穿戴设备、电子皮肤或康复医疗领域。本实施例所述的皮革基力学传感器应用场景广泛，可用于制作智能机器人外层，以感知机器人外层的受力状况，对其受力状况进行分析，实现相应功能；还可应用于人机交互领域，以感知人的相应动作；除此之外还可应用于可穿戴设备、电子皮肤或康复医疗领域。
实施例2
本实施例提供一种皮革基力学传感器制备方法，包括以下步骤：
S1，清洗第一皮革和第二皮革，清洗后的第一皮革和第二皮革的绒面上喷涂易于碳化的高分子材料，烘干第一皮革和第二皮革；
S2，采用激光器对第一皮革和第二皮革的绒面的预设区域进行碳化处理，得到具有激光碳化区的第一皮革和第二皮革；
S3，将第一皮革与第二皮革的绒面相对放置，且第一皮革与第二皮革的激光碳化区位置相对应。
本实施例通过激光器的碳化处理得到具有导电特性的激光碳化区，制备好导电皮革。第一皮革和第二皮革的激光碳化区为通过激光碳化技术按照预设图案制作的导电电路，第一皮革和第二皮革通过导电电极与电源连接。通电状态下，皮革基力学传感器受力时，第一皮革和第二皮革的激光碳化区间的空腔的形状发生变化，第一皮革和第二皮革的激光碳化区的接触面积会随着受力的大小发生变化，即激光碳化后的导电电路间的电阻会随着受力的大小发生变化，通过检测皮革基力学传感器的电流即可间接检测皮革基力学传感器的受力情况。
具体的，步骤S1包括以下步骤：
选取第一皮革和第二皮革，用去离子水、乙醇清洗第一皮革和第二皮革的绒面；然后进行超声清洗；
在人造革的绒面上喷涂易于碳化的高分子材料；
进行烘干固化。
其中，所述易于碳化的高分子材料为聚乙烯醇。
本实施例中，皮革的绒面具有微结构，可以提高其上电路的灵敏性，因此本实施例将第一皮革和第二皮革的绒面作为设置电路的一面。激光碳化之前在皮革绒面微结构上喷涂一层易于碳化的高分子材料，将有助于降低激光碳化功率，降低激光对皮革微结构的破坏。第一皮革和第二皮革的绒面喷涂了聚乙烯醇后，激光碳化处理时，通过激光将皮革表面的胶原蛋白、胶原蛋白纤维素以及喷涂的聚乙烯醇进行碳化得到导电皮革。聚乙烯醇将包裹于皮革绒面的纤维微结构表面，碳化处理时激光功率高于聚乙烯醇的碳化功率，且低于皮革纤维的碳化功率；在得到碳化导电网络的同时，降低激光对皮革纤维微结构的破坏。
其中，所述步骤S2还包括在碳化导电皮革绒面沉积氧化硅纳米球颗粒，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21，采用激光器对第一皮革和第二皮革的绒面的预设区域进行碳化处理，得到具有激光碳化区的第一皮革和第二皮革；其中激光器的激光功率高于易于碳化的高分子材料的碳化功率，且低于皮革纤维的碳化功率；
S22，在第一皮革和第二皮革的激光碳化区绒面的区域上滴涂或旋涂氧化硅纳米球颗粒溶液，并烘干。
在激光碳化后的具有导电性的第一皮革和第二皮革的绒面间沉积氧化硅纳米球颗粒，将在皮革纤维孔隙中形成支撑位点，将增强导电皮革力敏微结构层的力学应变特性，提升器件的压力传感量程；同时滴涂或者旋涂工艺使得激光碳化区内氧化硅纳米球颗粒分布密度为从表面向内为梯度减小，从而使得碳化皮革材料力学应变特性从表面向内为梯度分布，这将优化器件的力电响应线性度。
其中，步骤S3中还包括第一皮革和第二皮革的连接操作：将第一皮革与第二皮革的绒面通过粘合或缝纫的方式连接。在第一皮革和第二皮革激光碳化区域以外的其他区域内通过粘合或缝纫将第一皮革和第二皮革组合在一起，使其成为一个便于移动的整体。
其中，所述步骤S2中激光器碳化处理时，激光器的功率为0.3-3W，雕刻速度为10-50mm/s，步距为0.05-0.5mm，深度为0.1-0.5mm。优选的，激光器的功率为1W，雕刻速度为25mm/s，步距为0.2mm，深度为0.2mm。当选用上述参数值时，皮革上碳化得到的电路性能较好。
具体的，本实施例所述的激光碳化区的形状可以是矩形、圆形、带形或其他不规则形状。激光碳化后形成的激光碳化区的形状可以是点、线、面或由点线面组合设计的图案。
步骤S1中所述的预设区域包括多个激光碳化区，多个激光碳化区成矩阵阵列、圆形阵列、或其他规则/不规则的阵列排布。
实施例3
本实施例结合具体的参数详述皮革基力学传感器的制备方法。
选择皮革。皮革的种类多种，按照动物种类来分类，皮革包括猪皮、羊皮、牛皮以及马皮等；按照层次来分类，皮革包括头层皮和二层皮等；按制造方式来分类，皮革包括蓝湿皮革和天然皮革等。本实施例选择2mm厚的二层牛皮。
剪裁皮革。利用剪刀、切割机或激光器等工具仪器，将牛皮裁剪成两块所需大小和形状的皮革，得到第一皮革和第二皮革。本实施例中第一一皮革和第二皮革的大小为10*10mm。
清洗烘干。用去离子水、乙醇清理皮革表面异物，接着进行超声清洗30分钟，将清洗过的皮革置于60℃烘箱，干燥30分钟。
激光碳化皮革。利用激光器(型号为LYJA1610)雕刻二层牛皮的绒面，得到具有激光碳化区的第一皮革和第二皮革，称作碳化皮革或导电皮革。碳化皮革的光学显微镜和电子显微镜照片分别如图2和图3所示。本实施例选择的激光器碳化时的参数如下，1w，雕刻速度25mm/s，步距0.2mm，深度0.2mm。
电极制备。在两块碳化皮革的一侧分别制作导线电极。皮革基力学传感器的激光碳化区即为皮革基力学传感器的采集电路，但采集电路需要与电源接通，皮革基力学传感器才能工作。因此激光碳化时，还碳化出用于连接激光碳化区与电源的连接线，且所述连接线连接至皮革基力学传感器的边缘。在边缘处制备导线电极，用于将连接线与电源连接。
传感器制作。将完成上述制备步骤的第一皮革与第二皮革通过PVA双面橡胶粘合固定，得到用于检测压力的皮革基力学传感器。本实施例的压力传感器仅包括一个激光碳化区，实物照片如图4所示。
实施例4
对实施例3中利用激光碳化皮革双层集成方式制作的压力传感器进行性能测试。
在10-4000kPa压力范围内，给传感器一定电压(0.1V)，压力传感器电流相对变化量(I)与压力P的关系(如图5)。电流由源表(型号为Tektronix Keithley 2450)测试。压力由万能电子压力机(型号为SBA-50S)测试。
经测试得到的压力传感器的初始电流I0＝7.7E-6A，初始电阻R0＝13kΩ。
进一步，将传感器电流的相对变化量和对应压力进行线性拟合。得到拟合线性方程：y＝948.369+2.087x，R2＝0.971。其中，y表示电流的相对变化量，x表示压力。
在10-40000kPa量程范围内，其灵敏度S＝2.087kPa-1。
性能测试时，不同压力下电流的变化量如图6所示，表示分别在80kPa、 135kPa、270kPa、320kPa、370kPa、560kPa、750kPa、950kPa下，电压为0.1V 时，压力传感器中电流的相对变化。
校正压力传感器的压力和电流值。
当未知压力施加在传感器上时，将实时监测到的电流进行处理得到电流的相对变化量，然后代入线性方程，就可以得到施加在传感器上压力的大小。
实施例5
按实施例3所述的制备过程制作包括多个激光碳化区的皮革基力学传感器。如图7所示，本实施例中在牛皮上激光碳化的多个激光碳化区按照8*8正方形阵列排布。各激光碳化区记作像素单元，且各激光碳化区的碳化面积为10*10 mm2。
将两块相同的具备8*8正方形阵列的激光碳化去的牛皮，通过橡胶粘合，构成一个阵列式的皮革基力学传感器。其中两块牛皮上激光碳化区的位置一一对应，
阵列式的皮革基力学传感器可以将每个像素单元获得的电流值换算成电流的相对变化量，利用电流相对变化与压力的线性方程，可以得到阵列式的皮革基力学传感器各像素单元的实时压力值。测量的值可用于检测区域压力成像。
在本发明提供的实施方案中，本发明中的皮革基力学传感器为全皮革，无添加其他导电功能材料；制备方法简单、材料易得、成本低、易降解；基于激光碳化技术的皮革基力学传感器制作高效、无模成型、便于工业化规模制作；利用皮革的分层立体孔隙结构可得到大量程、高线性、高灵敏度的压力传感器。
以上所述，仅为本发明具体实施方式的详细说明，而非对本发明的限制。相关技术领域的技术人员在不脱离本发明的原则和范围的情况下，做出的各种替换、变型以及改进均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (8)
1.一种皮革基力学传感器，其特征在于，包括第一皮革（1）和第二皮革（2），第一皮革（1）的第一表面和第二皮革（2）的第一表面均设置有激光碳化区（3），第一皮革（1）的第一表面与第二皮革（2）的第一表面相对设置，且第一皮革（1）的激光碳化区与第二皮革（2）的激光碳化区位置相对应；各激光碳化区通过导线制作的电极（4）与外部连接；所述第一皮革（1）和第二皮革（2）的第一表面喷涂了易于碳化的高分子材料；通过对喷涂了易于碳化的高分子材料的第一皮革（1）和第二皮革（2）的第一表面进行激光碳化得到所述激光碳化区；
其中激光器的激光功率高于易于碳化的高分子材料的碳化功率，且低于皮革纤维的碳化功率；
所述第一皮革（1）和第二皮革（2）的激光碳化区（3）为碳化皮质纤维网络结构，纤维网络内部填充有氧化硅纳米球颗粒；
所述激光碳化区的形状是矩形、圆形、带形或其他不规则形状。
2.根据权利要求1所述的皮革基力学传感器，其特征在于，所述第一皮革（1）的第一表面和第二皮革（2）的第一表面均为皮革的绒面。
3.根据权利要求1所述的皮革基力学传感器，其特征在于，所述皮革基力学传感器包括多个激光碳化区，多个激光碳化区成矩阵阵列、圆形阵列、或其他规则/不规则的阵列排布。
4.根据权利要求1所述的皮革基力学传感器，其特征在于，单位面积的激光碳化区在压力作用下的电阻变化范围为100Ω/cm2-1MΩ/cm2。
5.一种皮革基力学传感器制备方法，其特征在于，用于制备权利要求1-4任一项所述的皮革基力学传感器，包括以下步骤：
S1，清洗第一皮革和第二皮革，清洗后的第一皮革和第二皮革的绒面上喷涂易于碳化的高分子材料，烘干第一皮革和第二皮革；其中激光器的激光功率高于易于碳化的高分子材料的碳化功率，且低于皮革纤维的碳化功率；
S2，采用激光器对第一皮革和第二皮革的绒面的预设区域进行碳化处理，得到具有激光碳化区的第一皮革和第二皮革；
S3，将第一皮革与第二皮革的绒面相对放置，且第一皮革与第二皮革的激光碳化区位置相对应。
6.根据权利要求5所述的皮革基力学传感器制备方法，其特征在于，
步骤S1包括以下详细步骤：
选取第一皮革和第二皮革，用去离子水、乙醇清洗第一皮革和第二皮革的绒面；然后进行超声清洗；在人造革的绒面上喷涂易于碳化的高分子材料；进行烘干固化。
7.根据权利要求6所述的皮革基力学传感器制备方法，其特征在于，所述步骤S2还包括在碳化导电皮革绒面沉积氧化硅纳米球颗粒，所述步骤S2具体包括以下步骤：
S21，采用激光器对第一皮革和第二皮革的绒面的预设区域进行碳化处理，得到具有激光碳化区的第一皮革和第二皮革；其中激光器的激光功率高于易于碳化的高分子材料的碳化功率，且低于皮革纤维的碳化功率；
S22，在第一皮革和第二皮革的激光碳化区绒面的区域上滴涂或旋涂氧化硅纳米球颗粒溶液，并烘干。
8.根据权利要求5所述的皮革基力学传感器制备方法，其特征在于，步骤S3中还包括第一皮革和第二皮革的连接操作：将第一皮革与第二皮革的绒面通过粘合或缝纫的方式连接。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111160068.2A CN113916414B (zh) | 2021-09-30 | 2021-09-30 | 一种皮革基力学传感器及其制备方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202111160068.2A CN113916414B (zh) | 2021-09-30 | 2021-09-30 | 一种皮革基力学传感器及其制备方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN113916414A CN113916414A (zh) | 2022-01-11 |
| CN113916414B true CN113916414B (zh) | 2024-04-26 |
Family
ID=79237476
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202111160068.2A Active CN113916414B (zh) | 2021-09-30 | 2021-09-30 | 一种皮革基力学传感器及其制备方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN113916414B (zh) |
Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05211381A (ja) * | 1991-11-12 | 1993-08-20 | Nec Corp | 混成集積回路の製造方法 |
| CN103658986A (zh) * | 2012-09-26 | 2014-03-26 | 株式会社迪思科 | 激光加工装置以及保护膜覆盖方法 |
| CN104014936A (zh) * | 2013-02-28 | 2014-09-03 | 深圳市大族激光科技股份有限公司 | 高分子材料工件的激光加工方法及激光切割系统 |
| CN104875264A (zh) * | 2015-05-21 | 2015-09-02 | 南京林业大学 | 一种木材表面的碳化装置及方法 |
| CN110006334A (zh) * | 2019-04-26 | 2019-07-12 | 华东理工大学 | 一种基于激光直写柚子皮的柔性应变传感器及其制备方法 |
| CN110716667A (zh) * | 2019-10-08 | 2020-01-21 | 清华大学深圳国际研究生院 | 具有定位和压力检测功能的柔性传感器及其制作方法 |
| CN111084975A (zh) * | 2019-12-25 | 2020-05-01 | 陕西科技大学 | 一种用于记录行走轨迹的皮革基压力传感器、制备方法及应用 |
| CN111211002A (zh) * | 2019-09-16 | 2020-05-29 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种在聚合物基底上制备集成化平面型超级电容器的方法 |
-
2021
- 2021-09-30 CN CN202111160068.2A patent/CN113916414B/zh active Active
Patent Citations (8)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| JPH05211381A (ja) * | 1991-11-12 | 1993-08-20 | Nec Corp | 混成集積回路の製造方法 |
| CN103658986A (zh) * | 2012-09-26 | 2014-03-26 | 株式会社迪思科 | 激光加工装置以及保护膜覆盖方法 |
| CN104014936A (zh) * | 2013-02-28 | 2014-09-03 | 深圳市大族激光科技股份有限公司 | 高分子材料工件的激光加工方法及激光切割系统 |
| CN104875264A (zh) * | 2015-05-21 | 2015-09-02 | 南京林业大学 | 一种木材表面的碳化装置及方法 |
| CN110006334A (zh) * | 2019-04-26 | 2019-07-12 | 华东理工大学 | 一种基于激光直写柚子皮的柔性应变传感器及其制备方法 |
| CN111211002A (zh) * | 2019-09-16 | 2020-05-29 | 中国科学院大连化学物理研究所 | 一种在聚合物基底上制备集成化平面型超级电容器的方法 |
| CN110716667A (zh) * | 2019-10-08 | 2020-01-21 | 清华大学深圳国际研究生院 | 具有定位和压力检测功能的柔性传感器及其制作方法 |
| CN111084975A (zh) * | 2019-12-25 | 2020-05-01 | 陕西科技大学 | 一种用于记录行走轨迹的皮革基压力传感器、制备方法及应用 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN113916414A (zh) | 2022-01-11 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US10064270B2 (en) | Flexible interconnects, systems, and uses thereof | |
| Liu et al. | Advance on flexible pressure sensors based on metal and carbonaceous nanomaterial | |
| CN110736559B (zh) | 柔性温度-压力传感器及其制备方法和应用 | |
| Yokus et al. | Printed stretchable interconnects for smart garments: design, fabrication, and characterization | |
| CN110207866A (zh) | 一种基于改性纸基的高灵敏度柔性压力传感器及其制备方法 | |
| Fan et al. | Highly conductive, stretchable, and breathable epidermal electrode based on hierarchically interactive nano-network | |
| US20230200247A1 (en) | Method for preparing static/dynamic 3d microcrack propagation sensor, sensor and equipment | |
| CN110701992B (zh) | 以砂纸表面微结构为模板的电容式应变传感器制作方法 | |
| CN114323360B (zh) | 基于双面雕刻激光诱导石墨烯的柔性压力传感器 | |
| CN111855036A (zh) | 超宽量程柔性传感器及其制备方法和分布式压力监测系统 | |
| Zhong et al. | Piezoresistive design for electronic skin: from fundamental to emerging applications | |
| Liang et al. | Direct stamping multifunctional tactile sensor for pressure and temperature sensing | |
| CN107101752A (zh) | 一种基于具有尖锥结构石墨烯的高灵敏度压力传感器及其制备方法 | |
| CN113916414B (zh) | 一种皮革基力学传感器及其制备方法 | |
| CN206114156U (zh) | 一种石墨烯压力传感器阵列系统 | |
| Liu et al. | Superstretchable and Linear-Response Strain Sensors With Carbon Nanotubes Ultrasonically Assembled on Silicone Rubber Film | |
| Garakani et al. | Effects of process parameters and isothermal fatigue cycling on electromechanical properties of screen-printed interconnect on nonwovens for wearable electronics | |
| KR101925288B1 (ko) | 직물 고분자 복합소재 기판 및 기기, 및 이의 제조 방법 | |
| CN113701619B (zh) | 一种一体式皮革基柔性应变传感器及其制备方法和应用 | |
| CN107389234B (zh) | 一种基于纳米线作隔离层的压阻式传感器及其制备方法 | |
| Huang et al. | Wearable Organic Nano‐sensors | |
| CN109269394A (zh) | 一种以pdms为基底材料的导电薄膜及其制备方法 | |
| WO2021102178A1 (en) | Potentiometric mechanical sensors and temperature sensors | |
| CN114088258A (zh) | 一种包含cnt复合有机材料的柔性压力传感器及其制备方法 | |
| Ruoqin et al. | Miura-ori Microstructure Enhanced Flexible Piezoresistive Pressure Sensor for Human Physiological Signal Monitoring |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |