一种传感器极板、柔性传感器及其制备方法

1.本发明涉及一种传感器极板、柔性传感器及其制备方法，尤其涉及一种传感器极板、可穿戴柔性传感器及其制备方法，属于可穿戴电子器件技术领域。


背景技术：

2.由于在医疗保健监测、软机器人、人工智能和人机界面中的有趣应用，皮肤启发的可穿戴设备在下一代智能便携式电子设备中具有巨大潜力。人们进行了大量的研究工作，致力于在厚度、便携性、灵活性、弯曲性和可拉伸性方面更智能地定制可穿戴设备，为了使人类交互式设备渗透到全球市场和家庭，经济的制造技术对于实现具有高通量能力的大规模灵活系统至关重要。
3.通过实现高灵敏度、大面积传感、超拉伸性以及设计，电容式应变传感器的性能和功能得到了改善。在过去的十年中，已经开发了几种基于光学，化学和电学现象的方法来检测来自环境的机械效应。而在最近，可伸缩和可穿戴应变传感器由于其在结构健康监测中的潜在应用而被研究。其中电容传感技术已被广泛研究，以在可达到平方厘米极限的大面积上获得空间分布的高特异性分辨率。然而，由于电池之间的重叠，电阻方法不能提供高性能；但是，电容传感器阵列避免了这个缺点。


技术实现要素：

4.针对现有技术的不足，本发明的目的之一在于提供一种灵敏性优异的传感器极板及其制备方法；本发明的目的之二在于提供一种柔性传感器。
5.为了解决上述技术问题，本发明的技术方案如下：
6.一种传感器极板，包括至少1层石墨烯层和至少1层硫化钼层，石墨烯层由氧化石墨烯构成，所述石墨烯层和硫化钼层相互堆叠形成层状结构；当石墨烯层和硫化钼层的总层数≥3层时，所述石墨烯层和硫化钼层相间堆叠。
7.如此，石墨烯层和硫化钼层相互堆叠形成层状结构，可使得极板具有更好的柔韧性，同时，使得不同层之间的电子转移更加的频繁，在同等受力的情况下表现的要比单层极板更加活跃，有助于提高极板的灵敏度以及抵抗应变的能力。
8.进一步地，所述石墨烯层的厚度为2-10μm，优选为4-8μm。
9.进一步地，所述硫化钼层的厚度为2-10μm，优选为4-8μm。
10.进一步地，所述硫化钼层的厚度是石墨烯层的厚度为1-4倍，优选为1.5-3.5倍。
11.进一步地，石墨烯层和硫化钼层的总层数为3-5层。
12.如上所述的传感器极板的制备方法，包括如下步骤：
13.s1、将氧化石墨烯的水分散液倒入真空抽滤机，抽滤，在真空抽滤机的滤膜上获得石墨烯层；
14.s2、将硫化钼的水分散液倒入所述真空抽滤机，抽滤，在所述石墨烯层的表面形成硫化钼层；
15.s3、根据需要重复s1、s2，在滤膜上获得传感器极板；
16.s4、将所述传感器极板连同滤膜浸泡于有机溶剂中，将传感器极板与滤膜分离，即可。
17.将氧化石墨烯作为最底层，既可方便使用溶液法快速将传感器极板从滤膜上剥离，后续将传感器极板连同滤膜浸泡于有机溶剂中，即可使得传感器极板自动从滤膜上脱落；并且，氧化石墨烯蓬松的结构特点也适合作为传感器的压力接触层，有助于进一步提升柔性传感器的灵敏度。
18.进一步地，所述氧化石墨烯的水分散液中氧化石墨烯的浓度为0.5-3mg/ml，更进一步为1-2mg/ml，优选为2mg/ml。
19.可选地，所述氧化石墨烯的水分散液是将氧化石墨烯通过超声分散于水中获得。
20.进一步地，所述硫化钼的水分散液中硫化钼的浓度为0.5-3mg/ml，更进一步为1-2mg/ml，优选为1mg/ml。
21.可选地，所述硫化钼的水分散液是将硫化钼通过超声分散于水中获得。
22.优选地，所述硫化钼是少层硫化钼。
23.进一步地，所述滤膜呈圆形，直径为40-60mm，抽滤范围与滤膜大小一致。
24.进一步地，s1中，向真空抽滤机倒入1-6ml氧化石墨烯的水分散液，更进一步地，向真空抽滤机倒入3-4ml氧化石墨烯的水分散液。
25.进一步地，s2中，向真空抽滤机倒入1-6ml硫化钼的水分散液，更进一步地，向真空抽滤机倒入1-4ml硫化钼的水分散液。
26.优选地，抽滤时，控制抽气速度为8-12m3/h。
27.进一步地，s4中，所述有机溶剂为乙醇、甲醇、乙醚中的一种或几种，优选为乙醇。
28.进一步地，所述滤膜为微孔滤膜，优选为水系微孔滤膜。
29.进一步地，s4中，浸泡3-7min，使得传感器极板与滤膜分离。
30.可选地，s4中，在所述有机溶剂中将传感器极板转移到柔性基底上，获得带有柔性基底的传感器极板。
31.一种柔性传感器，包括柔性基底，所述柔性基底上设有如上所述的传感器极板或如上所述的制备方法制备而成的传感器极板。
32.可选地，所述传感器极板的两侧设有与传感器极板连接的电极。
33.可选地，所述电极为银电极。
34.可选地，在传感器极板的两侧涂抹银浆，形成银电电极。
35.可选地，所述传感器极板远离柔性基底的表面设有封装层。可选地，所述封装层为vhb胶带层。
36.可选地，所述柔性基底为pdms基底、pet基底、纸质基底中的一种。
37.如上所述的柔性传感器的制备方法，包括如下步骤：
38.(1)采用如上所述的制备方法制备传感器极板；
39.(2)将所述传感器极板转移至柔性基底上，获得带有柔性基底的传感器极板；
40.(3)在所述传感器极板的周围均匀涂抹银浆并使得银浆与传感器极板接触，干燥，获得柔性传感器。
41.可选地，步骤(3)中，将银浆均匀旋涂在传感器极板两侧。
42.可选地，在步骤(3)之后，还包括封装步骤。可选地，采用vhb胶带对柔性传感器进行封装。
43.本发明的柔性传感器不仅具有良好的柔韧性、延展性、舒适性、大面积测试的高灵敏性，还可在大应变情况下依然能保持高度灵敏的测试性能，可广泛应用于器件检测、生物皮肤检测以及大面积检测等环境。柔性传感器的压阻部分为易处理材料，在环境保护方面也具有积极的意义。
44.本发明的传感器极板的结构可控，本身具有较好的可加工性和柔韧性，可根据所需要的形状、尺寸加工成目标样式，可较好地适用于工业器件检测、人工智能穿戴和医疗检测等多个领域。
45.本发明的柔性传感器，不仅具有良好的舒适性和可贴合性，而且具有良好的传感性能，在具有良好的可重复使用次数和响应时间的同时，在大应变工作环境下的灵敏度要远高于传统结构的电容式传感器，并且均匀的传感器极板分布使得整个传感范围具有更多的接触点，封装于传感器极板外层的柔性基底和封装层大大降低了传感器极板的损耗，有助于提高使用寿命，并且也使得传感器在大应变环境下可以保持更高的灵敏度和传感性能。
附图说明
46.图1为本发明的一种柔性传感器的剖面结构示意图。
47.图2为本发明实施例1的传感器极板的sem切面图。
48.图3为本发明实施例1的柔性传感器在大应变下灵敏度情况图。
49.图4为传统传感器(即文献：wan s,bi h,zhou y,et al.graphene oxide as high-performance dielectric materials for capacitive pressure sensors[j].carbon,2017,114:209-216.中所设计的氧化石墨烯传感器)在大应变下灵敏度情况对照图。
[0050]
图5为本发明实施例1的柔性传感器的时间相应情况图。
[0051]
图6为0应变条件下，实施例1、3、4的柔性传感器的灵敏度情况图。
[0052]
图7为实施例3的传感器极板的实物图。
[0053]
图8为实施例5的传感器极板的实物图。
[0054]
图9为对比例2的传感器极板的实物图。
[0055]
图中，1-柔性基底，2-石墨烯层，3-硫化钼层，4-电极，5-封装层。
具体实施方式
[0056]
以下将结合实施例来详细说明本发明。需要说明的是，在不冲突的情况下，本发明中的实施例及实施例中的特征可以相互组合。
[0057]
实施例1
[0058]
本实施例的柔性传感器的制备方法包括如下步骤：
[0059]
s1:将pdms基底放入去离子水中冲洗干净，干燥，备用。
[0060]
s2:重复使用真空抽滤的方法使氧化石墨烯和mos2在滤膜(直径为50mm、孔径为0.45μm的水系微孔滤膜)上形成传感器极板，传感器极板的具体制备方法包括如下步骤：
[0061]
s21:将氧化石墨烯超声分散在水中制作成浓度为1mg/ml的水分散液倒入，将4ml该水分散液倒入真空抽滤装置(真空抽滤的范围和滤膜大小一致，直径为50mm)中，打开真空抽滤机(抽气速度：10m3/h)抽滤5min，使氧化石墨烯均匀地覆盖在滤膜上，形成一层致密的氧化石墨烯层。
[0062]
s22:将少层的mos2超声分散在水中，制成1mg/ml的分散液，将4ml该水分散液倒入真空抽滤装置中，打开真空抽滤机抽滤(抽气速度：10m3/h)10min使mos2均匀的覆盖在氧化石墨烯层之上形成一层致密的硫化钼层。
[0063]
s23:重复s21一次，在滤膜上得到由下至上依次由氧化石墨烯层、硫化钼层和氧化石墨烯层堆叠而成的传感器极板。
[0064]
s3:将传感器极板连同滤膜浸入乙醇溶液中，采用溶液法将滤纸上的传感器极板转移至pdms基底上。
[0065]
s3:将银浆(美国spi导电银浆31g，下同)均匀旋涂在传感器极板两侧，放入真空干燥箱内干燥，在传感器极板两侧形成银电极。
[0066]
s4:采用vhb胶带将传感器极板及银电极部分进行封装，即可得到柔性传感器。
[0067]
在标准测试条件下，0-20kpa的压力范围内测得的传感器响应时间为0.012s，传感器灵敏度为1.2kpa-1
，在63.33％的大应变测试条件下传感器的灵敏度依旧能达到0.25kpa-1
，传感器极板的电容为0.64pf。
[0068]
实施例2
[0069]
本实施例的柔性传感器的制备方法包括如下步骤：
[0070]
s1:将pdms基底放入去离子水中冲洗干净，干燥，备用。
[0071]
s2:重复使用真空抽滤的方法使氧化石墨烯和mos2在滤膜(直径为50mm、孔径为0.45μm的水系微孔滤膜)上形成传感器极板，传感器极板的具体制备方法包括如下步骤：
[0072]
s21:将氧化石墨烯超声分散在水中制作成浓度为0.5mg/ml的水分散液倒入，将4ml该水分散液倒入真空抽滤装置(真空抽滤的范围和滤膜大小一致，直径为50mm)中，打开真空抽滤机(抽气速度：10m3/h)抽滤5min，使氧化石墨烯均匀地覆盖在滤膜上，形成一层致密的氧化石墨烯层。
[0073]
s22:将少层的mos2超声分散在水中，制成2mg/ml的分散液，将4ml该水分散液倒入真空抽滤装置中，打开真空抽滤机抽滤(抽气速度：10m3/h)10min使mos2均匀的覆盖在氧化石墨烯层之上形成一层致密的硫化钼层。
[0074]
s23:重复s21一次，在滤膜上得到由下至上依次由氧化石墨烯层、硫化钼层和氧化石墨烯层堆叠而成的传感器极板，参见图2。
[0075]
s3:将传感器极板连同滤膜浸入乙醇溶液中，采用溶液法将滤纸上的传感器极板转移至pdms基底上。
[0076]
s3:将银浆均匀旋涂在传感器极板两侧，放入真空干燥箱内干燥，在传感器极板两侧形成银电极。
[0077]
s4:采用vhb胶带将传感器极板及银电极部分进行封装，即可得到柔性传感器。
[0078]
在标准测试条件下，0-20kpa的压力范围内测得的传感器响应时间为0.012s，传感器灵敏度为1.2kpa-1
，在63％的大应变测试条件下传感器的灵敏度依旧能达到0.25kpa-1
(由图3上63％应变下灵敏度曲线计算得出)，传感器极板的电容为0.35pf。
[0079]
由图2可知，本发明所制得的电容式柔性传感器的传感器极板为致密的氧化石墨烯层和mos2层垂直堆叠而成。
[0080]
图3和图4分别为本发明实施例1的柔性传感器在大应变下的灵敏度变化与传统结构的电容式传感器灵敏度变化情况图，从图中也可以直观的看出随着应变的增加，本实施例的传感器灵敏度失效的极限值为73％，而传统传感器的失效值为53％，显然，本发明的传感器灵敏度失效的极限值要远大于传统结构的电容式传感器。
[0081]
由图4可知，本发明实施例1所制得的柔性传感器的响应时间为100ms，具备良好的响应速度。
[0082]
对比例1
[0083]
重复实施例1，区别仅在于：先在滤膜上制备硫化钼层。
[0084]
结果发现，s3的转移过程中，极板与滤膜的剥离困难。
[0085]
实施例3
[0086]
重复实施例1，区别在于：本实施例的氧化石墨烯的水分散液每次倒入量为3ml，mos2的水分散液倒入量为1ml。
[0087]
实施例4
[0088]
重复实施例1，区别在于：
[0089]
本实施例的氧化石墨烯的水分散液每次倒入量为5ml。mos2的水分散液倒入量为1ml。
[0090]
由图6可知，通过对实施例1、3、4的对比可以看出，在0应变条件下，不同的氧化石墨烯和mos2层厚度会使得传感器的灵敏度发生一定程度的变化。
[0091]
实施例5
[0092]
重复实施例3，区别仅在于：
[0093]
本实施例的真空抽滤机抽滤速度为8m3/h。
[0094]
对比例2
[0095]
重复实施例3，区别仅在于：本实施例的真空抽滤机抽滤速度为7m3/h。
[0096]
由图7-图9可以看出，当抽滤的速度未能达到实验所需速度时，所制备的传感器极板会变得不均匀和不致密。
[0097]
上述实施例阐明的内容应当理解为这些实施例仅用于更清楚地说明本发明，而不用于限制本发明的范围，在阅读了本发明之后，本领域技术人员对本发明的各种等价形式的修改均落入本技术所附权利要求所限定的范围。