一种激光制备柔性压阻式拉力传感器的制备方法及其所得拉力传感器与流程

本发明涉及传感器领域，具体为一种激光制备柔性压阻式拉力传感器的制备方法及其所得拉力传感器。

背景技术：

压阻式传感器是利用压阻材料在外界力作用下产生形变从而导致电阻发生相应变化的特性，制备而成的传感器。柔性压阻传感器具有结构简单、集成和输出数据容易，良好的柔韧性和延展性等优点，也是目前研究最为广泛的一种柔性应力/应变传感器。

近年来，柔性压阻传感器以其突出的优势在各个领域展现出巨大的市场需求，引起了众多的科研工作者在这个领域的研究和工作。纳米金属材料、碳纳米管、石墨烯等先进纳米材料由于其优异的电学特性在这个领域得到高度关注，激光、真空压制、喷墨打印等先进方便的加工技术也得到了大量应用，因此，大量先进的柔性压阻传感器设计加工方法不断出现。

但是，当前制备的柔性压阻传感器往往存在一大矛盾，精度高的、超轻薄的柔性压阻传感器存在脆弱性，拉伸范围窄，容易损坏；追求高耐用性时容易使得传感器结构复杂、厚度大等从而丧失了轻薄性；追求较大使用范围时也容易丧失高精度性。

技术实现要素：

发明目的：为了克服现有技术中存在的不足，本发明目的是提供一种简单方便的激光制备柔性压阻式拉力传感器的制备方法，本发明的另一目的是提供一种超轻薄、贴合皮肤、耐用性好、高灵敏度的柔性压阻式拉力传感器。

技术方案：本发明所述的一种激光制备柔性压阻式拉力传感器的制备方法，包括以下步骤：

a、在表面光滑的pet、pdms、pi或pvc任意一种转移基底表面滴加1～2mg/ml氧化石墨烯分散液，氧化石墨烯分散液的片径小于500nm，室温干燥3-5h后形成氧化石墨烯薄膜层；

b、利用2～2.5w激光在氧化石墨烯层上刻蚀，还原形成石墨烯图案，石墨烯图案具备高度自定义性，通过不同图案的设计，使得传感器具备不同的压阻变化特性；

c、在去离子水中浸泡并冲洗残余的氧化石墨烯，保留石墨烯图案，然后室温干燥1-2h；

d、在转移基底表面的石墨烯层上加鼻膜，室温干燥2-3h后形成透明薄膜；

e、从转移基底上撕下形成的透明薄膜，即可获得附着石墨烯图案的压阻式拉力传感器。

步骤d中鼻膜包括水、聚乙烯醇、丙烯酸酯、乙醇、丙二醇和苯氧乙醇。鼻膜具有干燥成膜，湿润溶解的特性，鼻膜初始状态为胶体状，经过干燥脱水成膜后具有很好的柔性、透明性、生物相容性、轻薄性，可以很好的贴合皮肤。

上述激光制备柔性压阻式拉力传感器的制备方法制得的柔性压阻式拉力传感器。

工作原理：干燥后形成的鼻膜基底在控制好湿度范围的情况下具有一定的拉伸性，而石墨烯在转印步骤后稳定的黏附在鼻膜基底上，因此石墨烯图案就会随着鼻膜的拉伸而拉伸，从而传感器在拉伸的情况下就会随着拉伸程度产生相应规律的变化。具体地，传感器电阻随着拉伸距离地增加产生显著增加；相反，随着拉伸距离的减少，传感器电阻也会随之减小。

有益效果：本发明和现有技术相比，具有如下显著性特点：

1、本制备方法利用激光刻蚀图案，兼顾了制备方便以及可应付复杂电路的特点，所得石墨烯柔性压阻式拉力传感器具备超轻薄、贴合皮肤、耐用性好、高灵敏度等优点；

2、本制备方法所制得的石墨烯图案具有很好的稳定性及耐用性，不容易从基底上剥离，在不破坏基底的情况下仍能保留电路连通性。

附图说明

图1为本发明实施例1所得石墨烯图案的sem图；

图2为本发明实施例1所制石墨烯图案经过拉伸后的sem图；

图3为本发明实施例1灵敏度测试所用的石墨烯图案；

图4为本发明实施例1的拉伸测试数据图；

图5为本发明对比例所得石墨烯图案经过拉伸后的sem图；

图6是本发明的柔性压阻式传感器的电阻与拉伸距离关系图。

具体实施方式

以下各实施例中所用鼻膜为商用鼻膜，购于广州市欧丽源化妆品有限公司；氧化石墨烯分散液购于南京先丰纳米材料科技有限公司。

实施例1

一种激光制备柔性压阻式拉力传感器的制备方法，包括以下步骤：

a、在表面光滑的pdms转移基底表面滴加1mg/ml氧化石墨烯分散液，氧化石墨烯分散液的片径小于500nm，室温干燥3h后形成氧化石墨烯薄膜层；

b、利用2w激光在氧化石墨烯层上刻蚀，还原形成石墨烯图案；

c、在去离子水中浸泡并冲洗残余的氧化石墨烯，保留石墨烯图案，然后室温干燥1h；

d、在转移基底表面的石墨烯层上加鼻膜，室温干燥2h后形成透明薄膜；

e、从pdms转移基底上撕下形成的透明薄膜，即可获得附着石墨烯图案的压阻式拉力传感器。

对该传感器上石墨烯图案进行sem观察，如图1：表面由于是从pet基底上撕下，因此呈现一定的皱褶，整体相对平整，不存在常见的石墨烯片状结构，因此稳定性相对以往的石墨烯片状结构更好，不容易剥离。

在上述基础上，将实施例1所制得的传感器按一个方向拉伸50％，再对石墨烯图案进行sem观察，如图2：可以看出，在拉伸之后，石墨烯被撕裂成条状，且石墨烯表面相对平整，皱褶少。同样地，石墨烯没有呈现片状结构，条状石墨烯连接相对更加稳定，在实际测试下，石墨烯图案同样不容易剥离。

将实施例1所制得的柔性压阻式拉力传感器进行传感器灵敏度测试，在石墨烯图案两端施加导电银胶进行拉伸测试，测试结果如图3和4。可以看出，传感器灵敏度较高，拉伸极限接近50％，其中经过计算，gaugefactor能够达到500以上，该数据依赖于图3图案，可通过设计不同图案达到不同的特性。

对比例

在pdms表面施加1mg/ml氧化石墨烯分散液，利用同样2w功率的激光进行刻蚀之后，产生的石墨烯的sem图如图5，与实施例1的作对比。从图5中可以看出，表面呈现明显的片状石墨烯，这种片状石墨烯与基底连接不稳定，因此容易剥离。

实施例2

一种激光制备柔性压阻式拉力传感器的制备方法，包括以下步骤：

a、在表面光滑的pet转移基底表面滴加2mg/ml氧化石墨烯分散液，氧化石墨烯分散液的片径小于500nm，室温干燥5h后形成氧化石墨烯薄膜层；

b、利用2.5w激光在氧化石墨烯层上刻蚀，还原形成石墨烯图案；

c、在去离子水中浸泡并冲洗残余的氧化石墨烯，保留石墨烯图案，然后室温干燥2h；

d、在转移基底表面的石墨烯层上加鼻膜，室温干燥3h后形成透明薄膜；

e、从pet转移基底上撕下形成的透明薄膜，即可获得附着石墨烯图案的压阻式拉力传感器。

实施例3

一种激光制备柔性压阻式拉力传感器的制备方法，包括以下步骤：

a、在表面光滑的pi转移基底表面滴加1.5mg/ml氧化石墨烯分散液，氧化石墨烯分散液的片径小于500nm，室温干燥4h后形成氧化石墨烯薄膜层；

b、利用2.3w激光在氧化石墨烯层上刻蚀，还原形成石墨烯图案；

c、在去离子水中浸泡并冲洗残余的氧化石墨烯，保留石墨烯图案，然后室温干燥1.5h；

d、在转移基底表面的石墨烯层上加鼻膜，室温干燥2.5h后形成透明薄膜；

e、从pi转移基底上撕下形成的透明薄膜，即可获得附着石墨烯图案的压阻式拉力传感器。

实施例4

一种激光制备柔性压阻式拉力传感器的制备方法，包括以下步骤：

a、在表面光滑的pvc转移基底表面滴加1mg/ml氧化石墨烯分散液，氧化石墨烯分散液的片径小于500nm，室温干燥4.5h后形成氧化石墨烯薄膜层；

b、利用2.4w激光在氧化石墨烯层上刻蚀，还原形成石墨烯图案；

c、在去离子水中浸泡并冲洗残余的氧化石墨烯，保留石墨烯图案，然后室温干燥2h：

d、在转移基底表面的石墨烯层上加鼻膜，室温干燥3h后形成透明薄膜；

e、从pvc转移基底上撕下形成的透明薄膜，即可获得附着石墨烯图案的压阻式拉力传感器。

实施例5

一种激光制备柔性压阻式拉力传感器的制备方法，包括以下步骤：

a、在表面光滑的pdms转移基底表面滴加1.2mg/ml氧化石墨烯分散液，氧化石墨烯分散液的片径小于500nm，室温干燥3.5h后形成氧化石墨烯薄膜层；

b、利用2w激光在氧化石墨烯层上刻蚀，还原形成石墨烯图案；

c、在去离子水中浸泡并冲洗残余的氧化石墨烯，保留石墨烯图案，然后室温干燥1.2h：

d、在转移基底表面的石墨烯层上加鼻膜，室温干燥2.4h后形成透明薄膜；

e、从pdms转移基底上撕下形成的透明薄膜，即可获得附着石墨烯图案的压阻式拉力传感器。

实施例6

用实施例1的方法制备石墨烯柔性压阻式拉力传感器，采用同样的图案，通过调整石墨烯图案中间矩形宽度实现不同电阻变化特性，所采用宽度分别为：2mm，4mm，8mm。通过拉力电阻测试仪测试传感器电阻与拉伸距离的变化关系，如图6。从图中可以看出，随着图案变宽，传感器在最大相对电阻值减小的同时，拉伸范围变大。由此可知传感器上石墨烯图案对传感器的电阻变化特性有明显的影响，在本发明所述制备方法中可以采用激光刻蚀图案的方式实现自由的、方便的图案自定义功能，也就意味着本制备方法具有高自定义传感器电阻特性的特点。