基于碳纳米管-有机弹性体的柔性压力传感器及制备方法与流程

本发明属于柔性压力传感器制备，具体涉及一种基于碳纳米管-有机弹性体的柔性压力传感器及制备方法。

背景技术：

1、目前，可穿戴电子技术的发展推动了柔性压力传感器在生理信号监测方面的快速发展。与传统设备相比，基于柔性压力传感器的可穿戴电子设备具有舒适、方便、小型化及实时测量等优点，让其可以作为一个独立的单元来跟踪佩戴者在日常生活中的健康状况。由于敏感材料的多样性，许多柔性传感器被应用于监测关节运动和坐姿。此外，柔性压力传感器还可对人体不同部位的脉冲波和不同开放和封闭状态下的动脉血管行为进行实时监测。近年来，为了提高柔性压力传感器的灵敏度，科研人员对柔性压力传感器设计的研究主要集中在敏感层的微观结构设计上。研究表明在引入了微观结构(中控、联锁、金字塔、仿生结构等)后，柔性压阻传感器的性能得到了显著提高。

2、然而，制造这些微观结构的过程往往需要特定的设备和专业的人员进行操控，这阻碍了其商业化过程的低成本和易于制造。作为导电性能优异的材料，碳纳米管不仅具有出色的化学稳定性，而且在有机弹性体中容易均匀分散，提高柔性压力传感器的灵敏度，同时利用模板法能够快速得到各种微结构的柔性压力传感器。

3、由于柔性压力传感器的低成本效益、方便和高效的制造工艺，使得柔性压力传感器为健康监测、疾病诊断和医疗治疗提供了个性化的平台。

技术实现思路

1、本发明要解决的技术问题在于针对现有技术中的缺点而提供一种微结构的基于碳纳米管-有机弹性体的柔性压力传感器的制备方法，该制备方法具有分辨率高、高灵敏度、低延迟性。

2、为实现上述目的，本发明采用了以下技术方案：一种基于碳纳米管-有机弹性体的柔性压力传感器的制备方法，包括如下步骤：

3、s1、将碳纳米管添加到溶剂中，超声分散得到浓度0.1-10wt％的分散液a；

4、将分散液a转移到球磨机中，按照分散液与溶剂的体积比为2:1添加溶剂，球磨0.5-2h，再加入有机弹性体混合液，继续球磨0.5-2h，得到敏感层浆料；所述有机弹性体混合液由有机弹性体、固化剂和溶剂按照10:2:(2-10)的质量比混合而成；

5、将敏感层浆料倒入具有微结构凹槽的模具中，然后在上面覆盖一层聚合物薄膜，固化得到压力敏感层；

6、s2、另取一张聚合物薄膜，利用掩膜工艺进行磁控溅射，先镀上一层ti膜，再镀一层au膜，镀膜结束后去除掩膜板，在聚合物薄膜上制得叉指电极；

7、s3、将步骤s1制得的压力敏感层和步骤s2制得的具有叉指电极的聚合物薄膜粘合在一起，其中压力敏感层的聚合物薄膜与叉指电极中的聚合物薄膜相连接，即制得基于碳纳米管-有机弹性体的柔性压力传感器；

8、其中，步骤s1、s2不分先后顺序。

9、作为基于碳纳米管-有机弹性体的柔性压力传感器的制备方法进一步的改进：

10、优选的，所述敏感层浆料中碳纳米管与有机弹性体混合液中的有机弹性体的质量比为(0.1-10):10。

11、优选的，所述微结构凹槽的尺寸为0.5-2cm，深度为50-500μm。

12、优选的，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米管片、复壁碳纳米管、羟基化碳纳米管、羧基化碳纳米管中的一种或两种以上的组合。

13、优选的，所述有机弹性体为聚二甲基硅氧烷即pdms、聚氨酯即pu中的一种或两种的组合。

14、优选的，所述溶剂为二氯甲烷、冰乙酸、乙醇、乙酰丙酮、二甲基甲酰胺、丙酮、去离子水、四氯化碳、丙三醇、聚乙二醇、氯仿的一种或两种以上的组合。

15、优选的，步骤s1和s2所述的聚合物薄膜为聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯即pet中的一种或两种以上的组合，厚度为0.1mm-0.5mm。

16、优选的，所述叉指电极由两个相对设置的齿状叉指电极组成，两个齿状叉指电极的电极齿相互交错形成蛇形沟道，蛇形沟道的宽度为0.5-3mm，单个叉指电极中电极齿的数量为2-7个。

17、优选的，步骤s2中所述ti膜的厚度为20-50μm，所述au膜的厚度为40-80μm。

18、优选的，步骤s1中球磨的转速为500-1500r/min；固化的温度为30-160℃、固化时间为30-180min，真空度为-0.2至-0.7mpa。

19、优选的，所述模具中具有微结构凹槽为倒金字塔型、正方体型、圆柱型的一种。

20、本发明的目的之二是提供一种上述制备方法制得的基于碳纳米管-有机弹性体的柔性压力传感器。

21、本发明相比现有技术的有益效果在于：

22、1)本发明通过将碳纳米管分散在有机溶剂中，随后转移到球磨灌中和有机弹性体混合，通过球磨工艺制备浆料，随后倒入具有不同微结构的模具中，通过固化制备压力敏感层；同时在另外薄膜上溅射叉指电极，然后将溅射叉指电极的薄膜与压力敏感层粘合在一起，制得柔性压力传感器。利用具有微结构的模具制备的各种微结构压敏层能够提高柔性压力传感器的灵敏度，微结构的形状可以根据需要进行调整。

23、2)本发明中选用碳纳米管作为导电材料是因为以下三点原因：1、碳纳米管的管状结构更加容易形成导电通路，为电子迁移提供快速通道；2、高模量和高强度的力学性能赋予它优异的机械性能，能够随着有机弹性体长时间的形变而不会出现导电层的断裂和损坏；3、良好的化学稳定性不会因为外部环境的变化而产生导电性能的改变。

24、3)本发明制备的柔性压力传感器不仅能够贴附皮肤表面，实时监测脉搏频率，同时能够放置于模拟心室系统中，监测血管内的血压。采用心室模拟系统作为测试系统，以keithley2400源表作为信号处理端，当心室模拟系统内的压强改变时，微结构柔性压力传感器将受到形变，从而传感器的阻值就会发生相应地变化，最终源表就会实时的显示电信号的变化趋势。

技术特征：

1.一种基于碳纳米管-有机弹性体的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

2.根据权利要求1所述的基于碳纳米管-有机弹性体的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤s1的所述分散液a中碳纳米管与有机弹性体混合液中有机弹性体的质量比为(0.1-10):10。

3.根据权利要求1或2所述的基于碳纳米管-有机弹性体的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述微结构凹槽的尺寸为0.5-2cm，深度为50-500μm。

4.根据权利要求1或2所述的基于碳纳米管-有机弹性体的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述碳纳米管为单壁碳纳米管、多壁碳纳米管、碳纳米管片、复壁碳纳米管、羟基化碳纳米管、羧基化碳纳米管中的一种或两种以上的组合；或者，所述有机弹性体为聚二甲基硅氧烷即pdms、聚氨酯即pu中的一种或两种的组合。

5.根据权利要求1或2所述的基于碳纳米管-有机弹性体的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述溶剂为二氯甲烷、冰乙酸、乙醇、乙酰丙酮、二甲基甲酰胺、丙酮、去离子水、四氯化碳、丙三醇、聚乙二醇、氯仿的一种或两种以上的组合。

6.根据权利要求1所述的基于碳纳米管-有机弹性体的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤s1和s2所述的聚合物薄膜为聚乙烯醇、聚酰亚胺、聚乙烯、聚对苯二甲酸乙二酯、聚对苯二甲酸丁二酯、聚碳酸酯、聚对苯二甲酸乙二醇酯即pet中的一种或两种以上的组合，厚度为0.1mm-0.5mm。

7.根据权利要求1所述的基于碳纳米管-有机弹性体的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，所述叉指电极由两个相对设置的齿状叉指电极组成，两个齿状叉指电极的电极齿相互交错形成蛇形沟道，蛇形沟道的宽度为0.5-3mm，单个叉指电极中电极齿的数量为2-7个。

8.根据权利要求1所述的基于碳纳米管-有机弹性体的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤s2中所述ti膜的厚度为20-50μm，所述au膜的厚度为40-80μm。

9.根据权利要求1所述的基于碳纳米管-有机弹性体的柔性压力传感器的制备方法，其特征在于，步骤s1中球磨的转速为500-1500r/min；固化的温度为30-160℃、固化时间为30-180min，真空度为-0.2至-0.7mpa。

10.一种权利要求1-9任意一项的制备方法制得的基于碳纳米管-有机弹性体的柔性压力传感器。

技术总结
本发明属于柔性压力传感器技术领域，具体涉及一种基于碳纳米管‑有机弹性体的柔性压力传感器及制备方法。本发明通过将碳纳米管分散在有机溶剂中，随后转移到球磨灌中和有机弹性体混合，通过球磨工艺制备浆料，随后倒入具有不同微结构的模具中，通过真空高温固化制备压力敏感层；同时在另外薄膜上溅射叉指电极，然后将溅射叉指电极的薄膜与压力敏感层粘合在一起，制得柔性压力传感器。本发明制备的柔性压力传感器不仅能够贴附皮肤表面，实时监测脉搏频率，同时能够放置于模拟心室系统中，监测血管内的血压。以KEITHLEY2400源表作为信号处理端，微结构柔性压力传感器能感受到心室模拟系统内的压强改变，实时的显示电信号的变化趋势。

技术研发人员：李江,陈宏凯,戴明,刘欢,解启莲,解尧,李帅康
受保护的技术使用者：安徽通灵仿生科技有限公司
技术研发日：
技术公布日：2024/1/14