[发明专利]基于有序石墨烯的可检测应力方向的柔性力学传感器及其制备方法

说明书

本发明提供了一种基于有序石墨烯的可检测应力方向的柔性力学传感器，其包括：第一有序石墨烯传感单元，其包括有序排列的石墨烯片层、包埋所述石墨烯片层的聚二甲基硅氧烷、以及从聚二甲基硅氧烷引出的导线和电极；以及第二有序石墨烯传感单元，其包括有序排列的石墨烯片层、包埋所述石墨烯片层的聚二甲基硅氧烷、以及从聚二甲基硅氧烷引出的导线和电极；其中第一有序石墨烯传感单元的石墨烯排列平行的方向与第二有序石墨烯传感单元的石墨烯排列垂直的方向对齐并重叠，用聚二甲基硅氧烷黏附接触面并固化、封装。本发明的柔性力学传感器能够同时测量应力大小和应力方向。

背景技术

本发明属于柔性传感技术领域，具体涉及一种基于有序石墨烯的可检测应力方向的柔性力学传感器及其制备方法。

技术领域

传感器是现今社会测量、测控和智能自动化系统的重要功能单元之一，因此传感技术的研究与发展具有重要的科研和社会价值。近年来，柔性电子、仿生皮肤、可穿戴电子等柔性传感技术成为国内外研究的热点之一，以柔性传感技术替代传统的传感技术，颠覆了对传统电子器件、传感器件及系统等形态和功能的认知。柔性传感技术通过柔性功能单元感知力学信号触发，实现对柔性形态系统的测量。

目前柔性形态系统中力学信号测试主要有两种方法：力电敏感检测和力光敏感检测方法。通过力敏功能单元感知力学信号，结合测试电路进行信号处理实现信号传感，但存在着拉伸导致导线断裂、引线互连接口脱落、功能单元与金属粘附等问题。

力电敏感检测作为力学信号测试较为常用的方式，其主要通过压阻式传感器实现功能：传感材料在应力作用下电阻值发生规律变化实现测量。由于功耗低，应力量程范围大，信号易读取，器件结构和制造工艺较为简单等优势，得到了广泛的研究。近几十年来，研究者开发出了各种各样的材料来发展高性能压阻式传感器。通常，压阻传感填料为导电性较好的材料，如导电聚合物(CPs)、金属颗粒、碳纳米管(CNTs)和还原氧化石墨烯(rGO)和弹性聚合物〔如聚氨酯(PU)和聚二甲基硅氧烷(PDMS)〕的复合材料，此外，导电纤维、金属纳米线和薄膜也可用作压阻传感器的感测材料。例如，马来西亚理科大学Hanif等人报道了一种具有典型压阻效应的缺陷石墨烯片构建的柔性压力传感器。与完整的石墨烯片相比，引入缺陷的石墨烯在0～50kPa的压力范围内都能保持良好的线性传感特性；此外还研究了一些具有生物相容性、超疏水性等特性的导电聚合物在压阻式压力传感器的应用。然而，大多数基于平面结构的弹性体聚合物复合压阻型传感器在低载荷状态下表现出较差的感测性能，无法准确相应应力的变化，从而限制了其在柔性力学传感方面的应用，因为大部分柔性力学传感器的设计应用场景是人体的皮肤表面、关节处等应力相对较小的位置。因此，研究者们开发设计出新的材料和结构来提高其低载荷性能，如3D网格结构、多孔结构和其他微结构的传感材料等。例如韩国首尔大学Ko等人提出了一种使用互锁微圆柱阵列的电阻式电子皮肤传感器：将2片具有微圆柱阵列的CNT复合膜贴合，构成联锁的几何结构。联锁微圆柱阵列压力传感器，通过利用微圆柱体上的纳米线在应力作用时互相之间接触面积和拉伸比的变化，实现微弱应力信号的测量。与平面复合膜结构相比，联锁微圆柱器件在响应时间(约18ms)和恢复时间(约10ms)上快3～4倍。快速的响应使得联锁微圆柱传感器还能识别一定频率的机械震动信号模式。同时这样优良的压力感测性能可实现对脉搏波的检测从而实现血压的测量，以及用于实时监测其他人体生理信号等。可见，仅通过材料微观结构的创新，使得“传统”的弹性聚合物复合感测材料实现了高灵敏度的电阻式压力传感。稍显不足的是，这种压力传感器仍仅限于测量单一方向的应力。