一种柔性电子传感器的制备方法与流程

1.本发明属于传感器技术领域，涉及一种柔性电子传感器的制备方法。


背景技术：

2.随着智能终端的普及,可穿戴电子设备呈现出巨大的市场前景。传感器作为核心部件之一，将影响可穿戴设备的功能设计与未来发展。传感器在人体健康监测方面发挥着至关重要的作用。近年来,人们已经在可穿戴可植入传感器领域取得了显著进步，许多智能化的检测设备已经大量地采用了各种各样的传感器，其应用早已渗透到诸如医学诊断、生物工程以及工业生产等方方面面。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。
3.新型传感器技术已向以下趋势发展：开发新材料、新工艺和开发新型传感器；实现传感器件的灵敏度。同时，希望传感器还能够具有柔韧、延展、可自由弯曲甚至折叠、便于携带、可穿戴等特点。随着智能终端的普及，可穿戴柔性电子器件呈现出巨大的市场前景。人们已经在可穿戴可植入传感器领域取得了显著进步，例如利用碳纳米管，石墨烯或者导电聚合物等功能性材料，去制备成响应压力或者形变的传感器。柔性可穿戴电子传感器具有轻薄便携、电学性能优异和集成度高等特点，使其成为最受关注的电学传感器之一。然而，实现柔性可穿戴电子传感器的高分辨、高灵敏、快速响应和复杂信号检测仍然是一个很大的挑战，比如感应人们说话时喉咙的微小震动来实现基音信号的感应，并且监测不同状态下的呼吸和脉搏的微震动。
4.随着柔性基质材料的发展，满足上述各类趋势特点的柔性传感器在此基础上应运而生。在各种新型传感器件中，以基于二维薄膜的传感器由于其制备和性能的多样性，在传感、催化和生物医学监测等方面具有潜在的应用前景，受到了广泛的关注。由导电聚合物(聚吡咯、聚苯胺和聚噻吩等)和金属纳米材料(金、银、铜等)组成的导电聚合物/金属二维薄膜被认为是制备集成器件的一种很有应用前景的方法，银纳米颗粒由于其高导电性、易延展性和低成本可以改善聚吡咯的导电稳定性不好并且韧性较差等缺点。聚吡咯薄膜提供了均匀且大的表面积来固定银纳米颗粒，而掺杂了银纳米颗粒的ppy的导电性进一步增强。基于导电聚合物/金属二维薄膜的传感器在发展过程中面临一个关键问题，即如何将二维导电膜与柔性导电膜有效地结合起来，以保持其高效的性能。


技术实现要素：

5.本发明的目的是提供一种柔性电子传感器的制备方法，具有高柔韧性，高稳定性且灵敏度高、响应速度快的特点。
6.本发明所采用的技术方案是，一种柔性电子传感器的制备方法，具体按照以下步骤实施：
7.步骤1、构建图案化的聚二甲基硅氧烷薄膜；
8.步骤2、将10～600mmol/l的硝酸银水溶液和体积为5～200μl的吡咯溶液混合，在
紫外光下照射0.5～6小时分钟，在混合溶液表面形成自支撑聚吡咯/银复合薄膜；
9.步骤3、以图案化的聚二甲基硅氧烷薄膜为柔性基底，将自支撑聚吡咯/银复合薄膜转移到该柔性基底图案化的表面，然后将柔性导线用导电银浆固化于聚吡咯/银薄膜的两端，最后用另一个图案化的聚二甲基硅氧烷薄膜封装聚吡咯/银薄膜，且用于封装的聚二甲基硅氧烷薄膜的图案化表面与聚吡咯/银薄膜接触，得到柔性电子传感器。
10.本发明的特点还在于：
11.步骤1具体采用具有天然微结构的荷叶表面作为模具，构建图案化的聚二甲基硅氧烷薄膜。
12.步骤1具体为，将鲜荷叶或用超纯水完全浸透的干荷叶表面依次用乙醇和超纯水清洗后，擦干荷叶表面的水滴，并将其平整的贴在基材表面，然后将质量比为9:1的二甲基硅氧烷与固化剂的混合液旋涂在荷叶表面，进行真空除泡和固化，撕下固化后的聚二甲基硅氧烷，得到图案化的聚二甲基硅氧烷薄膜。
13.步骤1中真空除泡时间为20～30分钟。
14.步骤1中固化温度为70～80℃，时间为2～3小时。
15.自支撑聚吡咯/银复合薄膜的厚度为100～200nm。
16.步骤3中导电银浆固化的温度为60～70℃，固化时间为1～2小时。
17.柔性导线为铜线，铜线直径为0.3～0.4mm。
18.本发明的有益效果是：
19.本发明柔性传感器利用自支撑聚吡咯和银复合薄膜作为导电层、图案化的聚二甲基硅氧烷薄膜作为基底和封装层、铜线作为柔性电极，该传感器可感应压力、拉伸和弯曲应变和微小的震动，如说话时的喉咙震动，不同状态下的呼吸和脉搏震动，其不仅具有高柔韧性、高稳定性且灵敏度高、响应速度快，有望应用于运动探测、健康监测系统、以及信息传输等领域。
附图说明
20.图1是实施例1制备的柔性传感器的电流电压曲线图；
21.图2是实施例1制备的柔性传感器感弯曲应变的电阻循环周期曲线图；
22.图3是实施例1制备的柔性传感器感拉伸应变的电流时间曲线图；
23.图4是实施例1制备的柔性传感器感应压力的电流时间曲线图；
24.图5是实施例1制备的柔性传感器感应检测者说不同单词时喉咙震动的电流时间曲线图；
25.图6是实施例1制备的柔性传感器感应检测者不同状态下呼吸的电流时间曲线图；
26.图7是实施例1制备的柔性传感器感应检测者说不同状态下脉搏震动的电流时间曲线图。
具体实施方式
27.下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。
28.实施例1
29.干荷叶二甲基硅氧烷固化剂硝酸银
2
×
5cm10
‑
90重量份0.5
‑
10重量份0.1
‑
1重量份吡咯乙醇超纯水导电银浆1
‑
10重量份10
‑
200重量份50
‑
500重量份2
‑
10重量份
30.本发明一种柔性电子传感器的制备方法，具体按照以下步骤实施：
31.步骤1、将干荷叶泡于超纯水中约5小时，使荷叶完全浸透，然后用乙醇和超纯水依次清洗荷叶表面各3次，擦干荷叶表面的水滴，并将其平整的贴在50mm
×
20mm大小的载玻片上；将道康宁184中的二甲基硅氧烷与固化剂按质量比为9:1混合后旋涂于荷叶表面，并将其于真空干燥箱中进行除泡约30分钟，之后于80℃烘箱中固化2小时，小心的撕下固化后的聚二甲基硅氧烷，得到图案化的聚二甲基硅氧烷薄膜，膜厚约为0.3mm；
32.步骤2、将0.3重量份硝酸银加入超纯水中，配制成质量分数为12％的硝酸银水溶液，取2.5ml质量分数为12％的硝酸银水溶液置于20ml培养皿中，逐滴加入20μl的吡咯，用超纯水定容至10ml，得到质量分数为3％的硝酸银和吡咯混合溶液，在紫外光下辐照3小时，在混合液表面形成一层自支撑聚吡咯/银薄膜；
33.步骤3、以图案化的聚二甲基硅氧烷薄膜为柔性基底，将自支撑聚吡咯/银薄膜转移到该柔性基底图案化的表面，室温晾干，然后将直径为0.4mm的柔性铜线用导电银浆固化于银薄膜的两端，固化温度为80℃，固化时间为2小时；最后用另一个图案化的聚二甲基硅氧烷薄膜封装银薄膜，且用于封装的聚二甲基硅氧烷薄膜的图案化表面与银薄膜接触，得到柔性电子传感器。
34.采用上海辰华chi660e电化学工作站对传感器的电学性能、感应弯曲、拉伸应变的性能，以及感应压力的性能进行表征，结果见图1～4。由图1～4可见，该传感器具有优异的导电性能、感应拉伸、弯曲应变以及压力的能力。
35.采用上海辰华chi660e电化学工作站和拉力机对传感器的感应面内应变的性能进行表征，将该传感器固定于拉力机夹具中，并进行1000次的弯曲以及2000次20％的拉伸，所得电阻循环次数曲线如图3所示，电流循环次数循环次数如图4所示，说明该传感器具有优异的可拉伸性。
36.采用上海辰华chi660e电化学工作站对传感器感应人说话时喉咙微小震动的性能进行表征，将该传感器贴附于检测者(男)的喉结处，并以正常音量和速度分别读单词(a)hi、(b)no和(c)yes，所得电流时间曲线如图5所示，说明该传感器具有感应喉结微小震动的能力。
37.采用上海辰华chi660e电化学工作站对传感器感应人浅呼吸和深呼吸时吸收和呼出的气对传感器的微小震动进行表征，将传感器贴附在口罩的呼气孔处，并以两种呼气强度进行浅呼吸和深呼吸，所得电流时间曲线如图6所示，说明该传感器具有感应不同强度的呼吸震动的能力。
38.采用上海辰华chi660e电化学工作站对传感器的感应人运动后以及正常情况下脉搏的震动进行表征，将传感器贴附在手腕的脉搏处，分别测量(a)运动后和(b)正常情况下的脉搏震动，分别检测出运动后的冲击波(p)和舒张波(d)，以及正常状态下的冲击波(p)、潮汐波(t)和舒张波(d)，运动后潮汐波(t)的消失是由于血管舒张、肌动脉扩张和室
‑
血管的耦合，所得电流时间曲线如图7所示，说明该传感器具有感应不同情况下的脉搏震动的能力。
39.通过本发明的方法制备的传感器可感应压力、拉伸和弯曲应变和微小的震动，如说话时的喉咙震动，不同状态下的呼吸和脉搏震动，其不仅具有高柔韧性、高稳定性且灵敏度高、响应速度快，有望应用于运动探测、健康监测系统、以及信息传输等领域。