一种硼烯柔性压力传感器及其制备方法和应用与流程

1.本技术属于传感器技术领域，特别涉及一种硼烯柔性压力传感器的及其制备方法和应用。


背景技术：

2.随着信息时代的到来，可穿戴设备、机器人和生物医学电子设备等技术快速发展，柔性压力传感器在健康监测、疾病诊断、运动检测等领域的应用也引起了密切关注。其中，电阻式压力传感器具有制造简单、灵敏度高，响应快等优点得到了广泛的应用。为了进一步提高传感性能并拓宽其工作范围，先进材料作为传感层一直是解决该问题的首选方法。
3.一些典型的纳米材料，如石墨烯和mxene以及导电金属纳米结构。尽管对外界压力的灵敏度很高，但是仍有以下几个缺点:(1)高滞后；(2)非线性；(3)高功耗。相比之下，半导体材料的压阻传感器具有较低的功耗和较快的响应性能。虽然半导体二硫化钼立即引起了人们的关注，但是较低的灵敏度响应还是极大限制了其实际应用。因此，新型半导体二维硼烯材料备受青睐。虽然硼烯已被预测具有优异的力学传感性能，但是基于硼烯的压力传感器的制造目前还未见实验报道。因此，采用硼烯制备压力传感器的方法，可以有效解决目前压力传感领域面临以上缺点限制，是一种亟待开发的技术。


技术实现要素：

4.本发明的目的是针对现有材料的不足，提供一种硼烯柔性压力传感器及其制备方法和应用。
5.为了实现上述目的，本发明采用以下技术方案：一种硼烯柔性压力传感器，所述压力传感器采用硼烯处理的柔性基体作为传感层置于柔性叉指电极表面并封装后形成。
6.进一步的，柔性基体采用可降解纸或具有粗糙表面和多孔结构的塑料类柔性材料制成。
7.进一步的，柔性叉指电极是采用磁控溅射、电子束热蒸发、真空热蒸发、丝网印刷、喷墨打印、3d打印或手工涂银胶技术在柔性基底上形成的导电叉指电极。
8.一种硼烯柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
9.(1)将硼烯分散液和柔性基体放入培养皿中混合，使硼烯分散液完全浸泡润湿柔性基体，随后将浸泡过的柔性基体进行烘干处理，得到硼烯柔性传感层；
10.(2)采用磁控溅射、电子束热蒸发、真空热蒸发、丝网印刷、喷墨打印、3d打印或手工涂银胶技术在柔性基底上形成导电叉指电极，并使用导电银浆引出金属导线；
11.(3)将一层以上的硼烯柔性传感层放整齐置于预制电极表面，并用柔性薄膜进行封装，露出金属导线的端头，得到硼烯柔性压力传感器。
12.进一步的，步骤(1)中的硼烯分散液的溶剂为水、乙醇、乙二醇、丙酮、n-甲基吡咯烷酮、n,n-二甲基甲酰胺、二甲基亚砜、n,n-二甲基丙烯酰胺或四甲基脲，硼烯分散液的浓度为1～30mg/ml。
13.进一步的，步骤(1)中的烘干处理的条件为温度在30～100℃，烘干时间为1～12h。
14.进一步的，步骤(1)中的柔性基体为纸巾、滤纸、打印纸或生活用纸，或以合成树脂聚乙烯、聚苯乙烯、聚氯乙烯、聚丙烯、聚氨酯为基体的多孔塑料薄膜。
15.进一步的，步骤(2)中的导电叉指电极材料采用金属膜或导电碳胶、金胶、银胶，所述金属膜为金、银、铜、铝或氧化铟锡；柔性基底为打印纸、聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺薄膜、聚丙烯薄膜、聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜或聚偏二氯乙烯薄膜。
16.进一步的，步骤(3)中的柔性薄膜为聚二甲基硅氧烷、聚酰亚胺薄膜、聚丙烯薄膜、聚乙烯薄膜、聚氯乙烯薄膜或聚偏二氯乙烯薄膜。
17.一种硼烯柔性压力传感器在健康监测和人体运动检测中的应用。
18.进一步的，健康监测为人体脉搏信号检测；人体运动为关节弯曲和跑步。
19.本发明的有益效果：(1)由于制备方法简单，有利于高效率生产；(2)采用可降解的纸、塑料材料和硼烯作为传感层，具有绿色无污染的显著优点；(3)选择的环保可降解的纸张、塑料材料，还具有优异的柔性，有利于可穿戴柔性设备的设计；(4)具有低能耗和高灵敏度，可用于实时医疗健康监测、人体运动检测。此外，本发明的传感器具有环境稳定性和的耐久性，满足长期和不同场合的使用。
附图说明
20.图1是本发明实施例1制得的硼烯传感层的扫描电子显微镜(sem)照片。
21.图2是本发明实施例1制得的硼烯柔性压力传感器示意图。
22.图3是本发明实施例1制得的硼烯柔性压力传感器对不同压力的静态响应曲线。
23.图4是本发明实施例1制得的硼烯柔性压力传感器对微小压力响应曲线。
24.图5是本发明实施例1制得的硼烯柔性压力传感器对不同压力的动态响应曲线。
25.图6本发明实施例1制得的硼烯柔性压力传感器对脉搏信号的动态响应曲线。
26.图7本发明实施例1制得的硼烯柔性压力传感器对典型的人体运动(关节弯曲和跑步)的响应曲线。
27.图8是本发明实施例2制得的硼烯柔性压力传感器在不同压强载荷下的相对电流变化。
具体实施方式
28.为了使本技术领域的人员更好地理解本技术方案，下面将结合本技术实施例中的附图，对本技术实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本技术部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本技术中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本技术保护的范围。
29.需要说明的是，本技术的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
30.实施例1
31.基于硼烯的柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
32.(1)传感层的制备。将纸巾平整地放入培养皿中，用3mg/ml的硼烯水溶液滴入培养皿中，使硼烯分散液完全浸泡润湿纸，随后将浸泡过的纸巾转移至60℃的环境中进行烘干处理4小时，得到纸巾基硼烯传感层；
33.(2)叉指电极的制备。采用磁控溅射方法，在柔性的打印纸基底上制备金叉指电极，并使用导电银浆引出铜金属导线。
34.(3)器件的封装。将1层的传感层置于预制电极表面，并用柔性pi薄膜进行封装，露出金属导线的端头，得到基于硼烯的柔性压力传感器。
35.制得的硼烯/纸巾传感层形貌如图1所示，硼烯材料具有较大的比表面积，且呈现出超薄特性，纸巾则具有微米级的纤维状和多孔结构。结果表明该制备方法能有效地均匀分散硼烯在纸巾的表面。制得的基于硼烯的柔性压力传感器结构示意图如图2所示。
36.制得的硼烯的柔性压力传感器在0～120kpa大范围的压力下具有灵敏的响应，在静态压力测试下，该传感器在120kpa压力的相对电流变化超过1000％。传感器的相对电流变化能够随着施加压力的不断增加而增加。静压测试结果如图3所示。
37.制得的硼烯的柔性压力传感器对微小压力(10pa)具有敏感性能，器件显示出较快的响应和较小的功率消耗(《0.6μw)，微力测试结果如图4所示。此外，器件随着压力增加敏感性能增强，在相同频率不同压力的动态施加/释放压力实验中，对不同压力的动态响应曲线显示出良好的稳定性和可重复性，如图5所示。
38.图6为实施例1制得的硼烯的柔性压力传感器用医用胶带固定于测试者的手腕动脉，测试者脉搏跳动的实时电流变化曲线。图7为实施例1制得的硼烯的柔性压力传感器用医用胶带固定于测试者的肘关节和足底，当测试者肘关节弯曲和跑步时的实时电流变化曲线。从图6和图7可以看出，本实施例制备的硼烯的柔性压力传感器对脉搏和典型的人体运动均具有优异的响应，表明其能应用于健康监测和人体运动检测。
39.实施例2
40.基于硼烯的柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
41.(1)传感层的制备。将滤纸平整地放入培养皿中，用3mg/ml的硼烯水溶液滴入培养皿中混合，使硼烯分散液完全浸泡润湿滤纸；随后将浸泡过的滤纸转移至60℃的环境中进行烘干处理4小时，得到滤纸基硼烯传感层；
42.(2)叉指电极的制备。采用磁控溅射方法，在柔性的pet基底上制备银叉指电极，并使用导电银浆引出铜金属导线。
43.(3)器件的封装。将1层传感层置于预制电极表面，并用柔性pi薄膜进行封装，露出金属导线的端头，得到基于硼烯的柔性压力传感器。
44.制得的硼烯的柔性压力传感器对0～120kpa大范围的压力具有灵敏的响应，但相对电流响应要低于实施例1。器件的灵敏度能够随着施加压力的不断增加而增加。该器件在不同压强载荷下的相对电流变化结果如图8所示。
45.实施例3
46.基于硼烯的柔性压力传感器的制备方法，包括以下步骤：
47.(1)传感层的制备。将以合成树脂聚乙烯为基体的多孔塑料平整地放入培养皿中，用4mg/ml的硼烯乙醇溶液滴入培养皿中混合，使硼烯分散液完全浸泡润湿多孔塑料；随后将浸泡过的滤纸转移至70℃的环境中进行烘干处理6小时，得到多孔塑料基硼烯传感层；
48.(2)叉指电极的制备。采用磁控溅射方法，在柔性的聚酰亚胺薄膜基底上制备金叉指电极，并使用导电银浆引出铜金属导线。
49.(3)器件的封装。将10层传感层平整堆叠，并置于预制电极表面，再用柔性pdms薄膜进行封装，露出金属导线的端头，得到基于硼烯的柔性压力传感器。
50.所制得的基于硼烯的柔性压力传感器的相对电流响应要低于实施例1，但传感范围要略大于实例1。
51.最后应说明的是：以上所述仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，对于本领域的技术人员来说，其依然可以对前述各实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。