[发明专利]一种可穿戴的柔性应力传感器及其制备方法和应用

说明书

本发明涉及一种可穿戴的柔性应力传感器及其制备方法和应用。首先制备适合于丝网印刷的功能性油墨，并通过丝网印刷方法，把油墨印刷在可穿戴基底上，制得所需规格的应力传感器。用于监测由小范围至大范围物理形变如拉伸，弯曲，触摸等。在人体关节、表情、脉搏、心跳等电子皮肤领域和生物医学应用领域，人机交互领域，虚拟现实和娱乐技术等领域有诸多应用。本发明的柔性应力传感器具有以下优点：具有优异的拉伸弹性，拉伸应变可达100%；极高的灵敏度，灵敏度参数(Gauge Factor)最高达到8000以上；工作曲线的线性关系优良，拉伸重复性好，以及拉伸循环滞后小；制备流程简单，成本低廉，适宜于大批量的集成器件制备，应用前景广泛。

技术领域

本发明涉及一种可穿戴的柔性应力传感器及其制备方法和应用，具体是一种基于印刷法制备的具有高灵敏度且大形变量的可穿戴应力传感器及其制备方法和应用。主要用于监测由小范围至大范围物理形变如拉伸，弯曲，触摸等。在人体关节、表情、脉搏、心跳等电子皮肤领域和生物医学应用领域，人机交互领域，虚拟现实和娱乐技术等领域有诸多应用。

背景技术

可穿戴力学传感器由于其广泛的应用有着巨大的前景。作为一种性能良好的力学传感器，需要满足很多要求如：高的灵敏性、大的拉伸性、快速响应速度、好的稳定性、低的制备成本与批量制备等。

若要将拉伸传感器在实际中广泛应用，除了制备成本等因素，最大的关键点在于处理工作范围与灵敏性之间的平衡。到目前为止，研究人员对于拉伸传感器进行的探索在处理高灵敏性与大拉伸范围的成果上仍然不够理想，在工作范围足够大的情况下，灵敏度过小不宜检测；在灵敏性足够的情况下，工作范围过小不能满足实际应用的要求。

中国专利公开号为CNIO7246929A公布了一种二维硒化铟力学传感器的制备方法。该发明通过机械剥离法制备了二维InSe纳米片并通过模板法制备了二维硒化铟力学传感器。该传感器的应变系数只有40，灵敏性较差。

中国专利公开号为CN 104251753 A 公布了一种基于氧化石墨烯电纺聚氨醋的弹性应力传感器。该发明公开了一种基于氧化石墨烯电纺聚氨醋的弹性应力传感器,包括由聚氨酯膜构成的基体,基体上浸润有氧化石墨烯。该传感器应变范围只有40%，拉伸性较差。

中国专利公开号为CN 107957303 A 公布了一种柔性可穿戴非晶碳基应力传感器的制备方法。然而该方法采用了酸腐蚀方法、蒸发镀银方法等手段，消耗过高步骤麻烦并且伴随污染。

总的来说，本发明制备了一种同时拥有大拉伸范围和高灵敏程度的传感器，能够探测人体如脉搏等微弱的信号和关节等较大的形变，这是当前大部分传感器所不能达到的。

发明内容

本发明目的是提供一种可穿戴的柔性应力传感器及其制备方法和应用。利用一维的金属纳米线提供网络结构并提供高的电导率，降低实际电阻，在实际应用过程中便于检测，降低检测成本。用二维纳米片层材料固定一维纳米线提供片层结构增强灵敏性，用高分子螯合剂和高价金属离子来增加工作范围，进而得到有较大工作范围、超高灵敏度的力学传感器。本发明制备简单，全水相绿色环保无污染，可大批量制备。首先将材料制备导电性油墨，通过印刷的手段可大量制备传感器。

本发明提供的一种可穿戴柔性应力传感器，包含基底材料和导电层，该导电层是通过丝网印刷基于多元功能复合材料的胶体油墨制备而成的，其中基于多元功能复合材料的胶体油墨原料的质量组成为：

一维金属纳米线 0.87-15%；

二维无机纳米片层材料 0.2-5%;

高分子螯合剂 0.02-1%；

高价金属离子 0.01-0.1%

水或有机醇类溶剂，78.9-98.8%

上述组份之和为100%;