一種可用於人體脈搏檢測的柔性電阻式壓力傳感器的研製的製作方法
2023-09-17 22:04:30 3
一種可用於人體脈搏檢測的柔性電阻式壓力傳感器的研製的製作方法
【技術領域】
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[0001]本發明涉及柔性納米材料及電阻式壓力傳感器領域。具體涉及一種基於聚合物與石墨烯複合材料的柔性脈搏壓力傳感器的製備方法。
【背景技術】
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[0002]人口老齡化，慢性疾病和傳染病的普遍存在使全球醫療保健系統面臨著成本上升的挑戰。常用的複雜醫療監護設備不僅會大大的增加成本，還可能會給病人和醫生帶來許多的不變和痛苦。對於面臨的挑戰，研究者們正在積極尋找新的方案和解決方法使得患者能夠擺脫空間和時間的限制實現實時的健康監測，以此來防患於未然和降低醫療成本。近年來，隨著柔性電子學的發展，輕、薄、柔的可攜式、可摺疊、可穿戴的柔彈性器件備受國內外研究者們的關注，逐漸成為當前重要的前沿研究領域。基於柔性壓力傳感器技術可任意移動、彎曲、壓縮而保持良好的傳感性能，可編制或組裝在衣物，輔助設備或者日用品上，這樣健康信息就可以不間斷、隨時隨地地獲取，使人們能夠隨時關注自己的健康生理指標。
[0003]根據信號轉換機理，壓力傳感器主要分為電阻式傳感器、電容式傳感器和壓電式傳感器。其中電阻式壓力傳感器的基本工作原理是將被測壓力的變化轉變為傳感器的電阻值的變化。對於電阻式壓力傳感器，專利號為CN 202793657 U的實用新型專利公開了一種陶瓷電阻式壓力傳感器的設計;專利號為CN 102288354 A的發明專利提供了一種能夠實現高靈敏度以及高精度的壓力測定的壓敏電阻式壓力傳感器的製備方法；專利號為CN101393058 A的專利發明了一種適用於穿戴式個人生理信息與狀態檢測的具有有機組織結構的柔性電阻式壓力傳感器。
[0004]然而，上述專利由於其硬性襯底均不適用於應用在可穿戴健康監測系統中。而隨著社會的發展，可穿戴式醫療檢測系統的需求必將會越來越大。因此迫切需要發明一種柔性電阻式壓力傳感器應用在健康監測領域。韓國首爾大學Kahp-Yang Suh等人通過納米纖維相互咬合的結構製備出了能夠感知不同機械形變的柔性電阻式應力傳感器[Nat.Mater.2012，11,795-801]。中國科學院蘇州納米研究所張挺等人報導了一種基於柔性電阻式眼裡傳感器的柔性仿生電子皮膚[Adv.Mater.2014,26，1336-1342].這些柔性電阻式壓力傳感器雖然具有工藝簡單、成本低、抗幹擾強、容易實現小尺寸等優點，但也存在著靈敏度低、穩定性差、遲滯大等缺點。
[0005]為此，需要發明出一種既具有柔性、高靈敏、快響應、穩定性好等特性，同時能夠更精確的隨時監測身體信號的柔性電阻式壓力傳感器。
【發明內容】
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[0006]本發明的目的是製備一種更高靈敏度、更快響應速度的柔性電阻式壓力傳感器，該器件利用一種聚合物微納米纖維和石墨烯複合的納米材料作為傳感器的敏感層，通過感知外界微弱壓力的變化表現為自身電阻的變化，進而用於人體脈搏或其它健康狀況的檢測。
[0007]為了實現上述目的，本發明設計了一種聚合物微納米纖維與石墨烯的新型複合結構。這種複合結構是通過攪拌沉積將石墨烯層有效地包覆在靜電紡絲技術製備的聚合物微納米纖維表面，其掃描電鏡圖片如圖1所示。然後將複合後的材料轉移到聚二甲基矽氧烷(PDMS)薄膜襯底上，最後將另外一層^)似薄膜覆蓋在複合材料上用來封裝器件，進而組裝成柔性電阻式壓力傳感器，圖2所示為其結構示意圖。
[0008]這種器件結構利用電紡聚合物微納米纖維作為骨架，石墨烯作為導電活性層，進而構成三維石墨烯網狀結構，使得器件在受到微弱的力而發生微小形變的時候也能夠在材料內部變現為產生較大的結構形變，進而輸出相應的電信號變化，從而降低器件的檢測極限，有利於檢測人體脈搏等微弱的信號變化。同時，所製備柔性器件易於集成nXm的傳感器陣列，如圖3所示為5 X 5柔性觸覺傳感。
[0009]上述聚合物微納米纖維材料包括:聚偏氟乙烯，聚苯乙烯，聚氨酯，聚醯亞胺，聚甲基丙烯酸甲酯，聚對苯二甲酸乙二醇酯，聚己內酯中的一種或幾種。
[0010]本發明與現有技術相比具有以下特點和優點:(I)壓敏材料的製備方法簡單環保且成本低，整個製備過程均在常溫下進行；(2)本發明製備的聚合物微納米纖維骨架層和導電石墨烯層均可根據需要對其厚度隨意進行控制；(3)所組裝的器件對人體的脈搏具有很好的信號檢測，如圖4所示為柔性電阻式壓力傳感器實時監控脈搏信號圖片；(4)器件的製備流程易於操作，能夠隨時轉移到需要組裝的器件襯底上，可根據需要任意製作nXm的傳感器陣列，進一步製作成柔性電子皮膚。
[0011 ]下面通過實施例並結合附圖做進一步說明。
【附圖說明】:
圖1為石墨烯包覆聚合物微納米纖維的掃描電鏡圖。
圖2為柔性電阻式壓力傳感器的結構示意圖。
圖3為5 X 5柔性觸覺傳感器的照片。
圖4為柔性電阻式壓力傳感器實時監控脈搏信號圖片。
圖5為柔性電阻式壓力傳感器的靈敏度隨壓強變化圖。
圖6為柔性電阻式壓力傳感器在壓強為10Pa時的循環響應曲線圖。
【具體實施方式】:
[0012]實施例1:
[0013]1.聚偏氟乙烯微納米纖維的製備:首先，將2克聚偏氟乙烯溶於4克丙酮和4克N-N二甲基甲醯胺混合溶液中，在室溫下攪拌4小時至溶液均一透明。之後，取I毫升混合溶液於5毫升一次性塑料針管中開始靜電紡絲。紡絲參數為:電壓10千伏，接收板距離10釐米，紡絲時間30秒。為了石墨烯能夠完全包覆在納米纖維表面，所用收集裝置為中空不鏽鋼網。
[0014]2.石墨烯包覆聚偏氟乙烯納米纖維的製備:首先，取0.75毫升氧化石墨烯溶液倒入29.25毫升去離子水中，攪拌半個小時後，將聚偏氟乙烯納米纖維膜懸於上述溶液中，室溫攪拌2小時後，滴加0.5毫升水合肼，室溫下攪拌12小時。將所製備的複合材料用去離子水清洗，最後在60度真空條件下乾燥12小時。複合材料的掃描電鏡圖片如圖1所示。
[0015]3.柔性電阻式壓力傳感器的製作:首先，利用旋塗法製作出厚度為0.5毫米的聚二甲基矽氧烷(PDMS)薄膜襯底，之後將石墨烯複合材料轉移到PDMS襯底上，材料兩端引出銅導線，並用銅膠帶進行固定，最後將另外一片同樣厚度的PDMS薄膜扣在材料表面，組裝成厚度為I毫米的柔性電阻式壓力傳感器。
[0016]4.傳感器的性能測試及對人體脈搏的測量:將器件兩端導線與測試儀器相連(吉時利2636B)，通過施加不同的壓強導致器件兩端阻值的變化的不同，進而使得器件的電流發生變化，如圖5所示柔性電阻式壓力傳感器隨壓強變化的靈敏度。同時還可將器件封裝在錶帶中，佩戴在被測試人的手腕處，能夠準確的監視被測人脈搏的變化情況，進而可實時監測被測人的身體健康狀況。
[0017]本發明組裝的柔性電阻式壓力傳感器對於微弱的壓力具有極高的靈敏度、極快的響應恢復速度和穩定的響應性能，且對於人體脈搏的跳動具有良好的檢測能力，圖6所示為柔性電阻式壓力傳感器在壓強為10Pa時的循環響應曲線。
[0018]實施例2:
[0019]1、將聚偏氟乙烯微納米纖維的紡絲收集時間提高到60s;
[0020]2、氧化石墨烯的溶液濃度提高到原來的2倍；
[0021]3、PDMS襯底的厚度提高為原來的2倍；
[0022]其它實驗參數與器件的製作方法均與實施例1相同，測試傳感器的壓力性能以及對於人體脈搏的檢測能力與實施例1的不同。發現聚合物微納米纖維的紡絲收集時間越長，纖維膜厚度越大，或提高氧化石墨烯的濃度，沉積得到的石墨烯層數越多，這均會導致器件的導電性提高，但是其靈敏度會減小，從而降低對於人體脈搏的檢測能力;PDMS薄膜的厚度提升會降低器件對於壓力形變的感應，進而阻礙對於人體脈搏的檢測，因此，PDMS襯底的厚度在不影響器件封裝的情況下，越小越好。
【主權項】
1.一種可用於人體脈搏檢測的柔性電阻式壓力傳感器，利用靜電紡絲技術製備的聚合物微納米纖維作為骨架，石墨烯作為導電活性層包覆在骨架外層，構成傳感器的敏感層;然後將敏感層轉移到聚二甲基矽氧烷(PDMS)襯底上，最後另外一層PDMS薄膜覆蓋在複合材料上來封裝器件，經過組裝形成柔性電阻式壓力傳感器。2.根據權利要求1所述的一種可用於人體脈搏檢測的柔性電阻式壓力傳感器，其特徵在於:所述聚合物微納米纖維材料包括聚偏氟乙烯，聚苯乙烯，聚氨酯，聚醯亞胺，聚甲基丙烯酸甲酯，聚對苯二甲酸乙二醇酯，聚己內酯中的一種或幾種。
【專利摘要】一種可用於人體脈搏檢測的柔性電阻式壓力傳感器，利用靜電紡絲技術製備的聚合物微納米纖維作為骨架，石墨烯作為導電活性層包覆在骨架外層，構成傳感器的敏感層；然後將敏感層轉移到聚二甲基矽氧烷(PDMS)襯底上，最後另外一層PDMS薄膜覆蓋在複合材料上來封裝形成器件。該器件可根據需要任意製作n×m的傳感器陣列，製作成柔性電阻式壓力傳感器。本發明的柔性電阻式壓力傳感器對於微弱的壓力具有極高的靈敏度、極快的響應恢復速度和穩定的響應性能，且對於人體脈搏的跳動具有良好的檢測能力。
【IPC分類】D06M11/74, A61B5/02, D01F6/12
【公開號】CN105708425
【申請號】CN201610211447
【發明人】姜凱, 陳照軍, 沈國震, 婁正, 陳帥, 姜源, 孫德帥, 杜輝, 宗培傑
【申請人】姜凱, 陳照軍