一種可用于人體脈搏檢測(cè)的柔性電阻式壓力傳感器的研制的制作方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
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[0001]本發(fā)明涉及柔性納米材料及電阻式壓力傳感器領(lǐng)域。具體涉及一種基于聚合物與石墨烯復(fù)合材料的柔性脈搏壓力傳感器的制備方法。
【背景技術(shù)】
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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(yī)療保健系統(tǒng)面臨著成本上升的挑戰(zhàn)。常用的復(fù)雜醫(yī)療監(jiān)護(hù)設(shè)備不僅會(huì)大大的增加成本，還可能會(huì)給病人和醫(yī)生帶來許多的不變和痛苦。對(duì)于面臨的挑戰(zhàn)，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(shí)間的限制實(shí)現(xiàn)實(shí)時(shí)的健康監(jiān)測(cè)，以此來防患于未然和降低醫(yī)療成本。近年來，隨著柔性電子學(xué)的發(fā)展，輕、薄、柔的便攜式、可折疊、可穿戴的柔彈性器件備受國(guó)內(nèi)外研究者們的關(guān)注，逐漸成為當(dāng)前重要的前沿研究領(lǐng)域?；谌嵝詨毫鞲衅骷夹g(shù)可任意移動(dòng)、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(shè)備或者日用品上，這樣健康信息就可以不間斷、隨時(shí)隨地地獲取，使人們能夠隨時(shí)關(guān)注自己的健康生理指標(biāo)。
[0003]根據(jù)信號(hào)轉(zhuǎn)換機(jī)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(cè)壓力的變化轉(zhuǎn)變?yōu)閭鞲衅鞯碾娮柚档淖兓?。?duì)于電阻式壓力傳感器，專利號(hào)為CN 202793657 U的實(shí)用新型專利公開了一種陶瓷電阻式壓力傳感器的設(shè)計(jì);專利號(hào)為CN 102288354 A的發(fā)明專利提供了一種能夠?qū)崿F(xiàn)高靈敏度以及高精度的壓力測(cè)定的壓敏電阻式壓力傳感器的制備方法；專利號(hào)為CN101393058 A的專利發(fā)明了一種適用于穿戴式個(gè)人生理信息與狀態(tài)檢測(cè)的具有有機(jī)組織結(jié)構(gòu)的柔性電阻式壓力傳感器。
[0004]然而，上述專利由于其硬性襯底均不適用于應(yīng)用在可穿戴健康監(jiān)測(cè)系統(tǒng)中。而隨著社會(huì)的發(fā)展，可穿戴式醫(yī)療檢測(cè)系統(tǒng)的需求必將會(huì)越來越大。因此迫切需要發(fā)明一種柔性電阻式壓力傳感器應(yīng)用在健康監(jiān)測(cè)領(lǐng)域。韓國(guó)首爾大學(xué)Kahp-Yang Suh等人通過納米纖維相互咬合的結(jié)構(gòu)制備出了能夠感知不同機(jī)械形變的柔性電阻式應(yīng)力傳感器[Nat.Mater.2012，11,795-801]。中國(guó)科學(xué)院蘇州納米研究所張挺等人報(bào)道了一種基于柔性電阻式眼里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(jiǎn)單、成本低、抗干擾強(qiáng)、容易實(shí)現(xiàn)小尺寸等優(yōu)點(diǎn)，但也存在著靈敏度低、穩(wěn)定性差、遲滯大等缺點(diǎn)。
[0005]為此，需要發(fā)明出一種既具有柔性、高靈敏、快響應(yīng)、穩(wěn)定性好等特性，同時(shí)能夠更精確的隨時(shí)監(jiān)測(cè)身體信號(hào)的柔性電阻式壓力傳感器。

【發(fā)明內(nèi)容】

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[0006]本發(fā)明的目的是制備一種更高靈敏度、更快響應(yīng)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復(fù)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(xiàn)為自身電阻的變化，進(jìn)而用于人體脈搏或其它健康狀況的檢測(cè)。
[0007]為了實(shí)現(xiàn)上述目的，本發(fā)明設(shè)計(jì)了一種聚合物微納米纖維與石墨烯的新型復(fù)合結(jié)構(gòu)。這種復(fù)合結(jié)構(gòu)是通過攪拌沉積將石墨烯層有效地包覆在靜電紡絲技術(shù)制備的聚合物微納米纖維表面，其掃描電鏡圖片如圖1所示。然后將復(fù)合后的材料轉(zhuǎn)移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜襯底上，最后將另外一層^)似薄膜覆蓋在復(fù)合材料上用來封裝器件，進(jìn)而組裝成柔性電阻式壓力傳感器，圖2所示為其結(jié)構(gòu)示意圖。
[0008]這種器件結(jié)構(gòu)利用電紡聚合物微納米纖維作為骨架，石墨烯作為導(dǎo)電活性層，進(jìn)而構(gòu)成三維石墨烯網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，使得器件在受到微弱的力而發(fā)生微小形變的時(shí)候也能夠在材料內(nèi)部變現(xiàn)為產(chǎn)生較大的結(jié)構(gòu)形變，進(jìn)而輸出相應(yīng)的電信號(hào)變化，從而降低器件的檢測(cè)極限，有利于檢測(cè)人體脈搏等微弱的信號(hào)變化。同時(shí)，所制備柔性器件易于集成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，聚酰亞胺，聚甲基丙烯酸甲酯，聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，聚己內(nèi)酯中的一種或幾種。
[0010]本發(fā)明與現(xiàn)有技術(shù)相比具有以下特點(diǎn)和優(yōu)點(diǎn):(I)壓敏材料的制備方法簡(jiǎn)單環(huán)保且成本低，整個(gè)制備過程均在常溫下進(jìn)行；(2)本發(fā)明制備的聚合物微納米纖維骨架層和導(dǎo)電石墨烯層均可根據(jù)需要對(duì)其厚度隨意進(jìn)行控制；(3)所組裝的器件對(duì)人體的脈搏具有很好的信號(hào)檢測(cè)，如圖4所示為柔性電阻式壓力傳感器實(shí)時(shí)監(jiān)控脈搏信號(hào)圖片；(4)器件的制備流程易于操作，能夠隨時(shí)轉(zhuǎn)移到需要組裝的器件襯底上，可根據(jù)需要任意制作nXm的傳感器陣列，進(jìn)一步制作成柔性電子皮膚。
[0011 ]下面通過實(shí)施例并結(jié)合附圖做進(jìn)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(jié)構(gòu)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(shí)時(shí)監(jiān)控脈搏信號(hào)圖片。
圖5為柔性電阻式壓力傳感器的靈敏度隨壓強(qiáng)變化圖。
圖6為柔性電阻式壓力傳感器在壓強(qiáng)為10Pa時(shí)的循環(huán)響應(yīng)曲線圖。
【具體實(shí)施方式】:
[0012]實(shí)施例1:
[0013]1.聚偏氟乙烯微納米纖維的制備:首先，將2克聚偏氟乙烯溶于4克丙酮和4克N-N二甲基甲酰胺混合溶液中，在室溫下攪拌4小時(shí)至溶液均一透明。之后，取I毫升混合溶液于5毫升一次性塑料針管中開始靜電紡絲。紡絲參數(shù)為:電壓10千伏，接收板距離10厘米，紡絲時(shí)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銹鋼網(wǎng)。
[0014]2.石墨烯包覆聚偏氟乙烯納米纖維的制備: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(gè)小時(shí)后，將聚偏氟乙烯納米纖維膜懸于上述溶液中，室溫?cái)嚢?小時(shí)后，滴加0.5毫升水合肼，室溫下攪拌12小時(shí)。將所制備的復(fù)合材料用去離子水清洗，最后在60度真空條件下干燥12小時(shí)。復(fù)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制作:首先，利用旋涂法制作出厚度為0.5毫米的聚二甲基硅氧烷(PDMS)薄膜襯底，之后將石墨烯復(fù)合材料轉(zhuǎn)移到PDMS襯底上，材料兩端引出銅導(dǎo)線，并用銅膠帶進(jìn)行固定，最后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(cè)試及對(duì)人體脈搏的測(cè)量:將器件兩端導(dǎo)線與測(cè)試儀器相連(吉時(shí)利2636B)，通過施加不同的壓強(qiáng)導(dǎo)致器件兩端阻值的變化的不同，進(jìn)而使得器件的電流發(fā)生變化，如圖5所示柔性電阻式壓力傳感器隨壓強(qiáng)變化的靈敏度。同時(shí)還可將器件封裝在表帶中，佩戴在被測(cè)試人的手腕處，能夠準(zhǔn)確的監(jiān)視被測(cè)人脈搏的變化情況，進(jìn)而可實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)被測(cè)人的身體健康狀況。
[0017]本發(fā)明組裝的柔性電阻式壓力傳感器對(duì)于微弱的壓力具有極高的靈敏度、極快的響應(yīng)恢復(fù)速度和穩(wěn)定的響應(yīng)性能，且對(duì)于人體脈搏的跳動(dòng)具有良好的檢測(cè)能力，圖6所示為柔性電阻式壓力傳感器在壓強(qiáng)為10Pa時(shí)的循環(huán)響應(yīng)曲線。
[0018]實(shí)施例2:
[0019]1、將聚偏氟乙烯微納米纖維的紡絲收集時(shí)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(shí)驗(yàn)參數(shù)與器件的制作方法均與實(shí)施例1相同，測(cè)試傳感器的壓力性能以及對(duì)于人體脈搏的檢測(cè)能力與實(shí)施例1的不同。發(fā)現(xiàn)聚合物微納米纖維的紡絲收集時(shí)間越長(zhǎng)，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(shù)越多，這均會(huì)導(dǎo)致器件的導(dǎo)電性提高，但是其靈敏度會(huì)減小，從而降低對(duì)于人體脈搏的檢測(cè)能力;PDMS薄膜的厚度提升會(huì)降低器件對(duì)于壓力形變的感應(yīng)，進(jìn)而阻礙對(duì)于人體脈搏的檢測(cè)，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(quán)項(xiàng)】
1.一種可用于人體脈搏檢測(cè)的柔性電阻式壓力傳感器，利用靜電紡絲技術(shù)制備的聚合物微納米纖維作為骨架，石墨烯作為導(dǎo)電活性層包覆在骨架外層，構(gòu)成傳感器的敏感層;然后將敏感層轉(zhuǎn)移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)襯底上，最后另外一層PDMS薄膜覆蓋在復(fù)合材料上來封裝器件，經(jīng)過組裝形成柔性電阻式壓力傳感器。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的一種可用于人體脈搏檢測(cè)的柔性電阻式壓力傳感器，其特征在于: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，聚酰亞胺，聚甲基丙烯酸甲酯，聚對(duì)苯二甲酸乙二醇酯，聚己內(nèi)酯中的一種或幾種。
【專利摘要】一種可用于人體脈搏檢測(cè)的柔性電阻式壓力傳感器，利用靜電紡絲技術(shù)制備的聚合物微納米纖維作為骨架，石墨烯作為導(dǎo)電活性層包覆在骨架外層，構(gòu)成傳感器的敏感層；然后將敏感層轉(zhuǎn)移到聚二甲基硅氧烷(PDMS)襯底上，最后另外一層PDMS薄膜覆蓋在復(fù)合材料上來封裝形成器件。該器件可根據(jù)需要任意制作n×m的傳感器陣列，制作成柔性電阻式壓力傳感器。本發(fā)明的柔性電阻式壓力傳感器對(duì)于微弱的壓力具有極高的靈敏度、極快的響應(yīng)恢復(fù)速度和穩(wěn)定的響應(yīng)性能，且對(duì)于人體脈搏的跳動(dòng)具有良好的檢測(cè)能力。
【IPC分類】D06M11/74, A61B5/02, D01F6/12
【公開號(hào)】CN105708425
【申請(qǐng)?zhí)枴緾N201610211447
【發(fā)明人】姜?jiǎng)P, 陳照軍, 沈國(guó)震, 婁正, 陳帥, 姜源, 孫德帥, 杜輝, 宗培杰
【申請(qǐng)人】姜?jiǎng)P, 陳照軍