本發(fā)明涉及生物傳感器領(lǐng)域，具體是一種基于導(dǎo)電納米材料的柔性微薄膜應(yīng)力傳感器的制備方法。
背景技術(shù)：
柔性可佩戴電子設(shè)備由于與人體交互便捷而得到越來越多的重視。靈活、可伸縮的穿戴式傳感器可以容易地安裝在服裝或直接連接到身體上，以高伸縮和敏感的實現(xiàn)人體運動和溫度變化檢測。
PDMS又稱為有機硅，是一種高分子有機硅化合物。固化后的PDMS為一種硅膠，具有多種特性，比如透明、無毒、疏水性、不易燃性、易與多種材質(zhì)室溫接合等，并且由于其楊氏模量低而具備很好的彈性。同時PDMS具有非常好的耐溫性能，其最高可承受溫度為200oC。由于被它具有成本低、使用簡單、具有良好的化學惰性等優(yōu)點而被廣泛應(yīng)用于微流控、芯片封裝等領(lǐng)域，另外由于PDMS具有高透明、強彈性等特點而被用作柔性應(yīng)變傳感器的基底。
當微粒的大小是納米級時，其將具有量子尺寸效應(yīng)、表面效應(yīng)、體積效應(yīng)、宏觀量子隧道效應(yīng)等，在力學、熱學、磁學以及電學等方面也將有著其它特殊的性質(zhì)。由于導(dǎo)電材料在納米尺度上表現(xiàn)出來的種種優(yōu)勢，目前已經(jīng)有研究基于納米導(dǎo)電材料開發(fā)靈活、可伸縮和敏感的應(yīng)變傳感器，以此為基礎(chǔ)進一步研究該傳感器作為康復(fù)和個人健康監(jiān)測、身體結(jié)構(gòu)健康監(jiān)測、運動性能監(jiān)控以及娛樂人體運動捕獲系統(tǒng)（例如，對于游戲動作捕捉和動畫）等等。但目前報道的應(yīng)力復(fù)合柔性應(yīng)力傳感器的制備方法往往都較復(fù)雜，而且難以面向批量化生產(chǎn)。
技術(shù)實現(xiàn)要素：
本發(fā)明的目的是提供一種基于納米導(dǎo)電材料的柔性應(yīng)力傳感器的簡單制備方法，在提高傳感器穩(wěn)定性、柔韌性、靈敏度的同時有望實現(xiàn)批量化生產(chǎn)。在該制備方法中，以一定尺寸的薄片作為模板制備帶凹槽的PDMS薄膜，解決了現(xiàn)有基于納米導(dǎo)電材料的柔性應(yīng)力傳感器制備過程中存在的諸多問題。
本發(fā)明是采用以下技術(shù)方案實現(xiàn)的：一種基于導(dǎo)電納米材料的柔性應(yīng)力傳感器的制備方法，包括如下步驟：
1）取一個平底容器，在平底容器中心放一個薄片；
2）配置PDMS溶液，取主劑與固化劑質(zhì)量比為10:1置于培養(yǎng)皿中混合均勻，利用真空干燥箱抽真空10min，使混合液中的氣泡破裂得到表面無氣泡的PDMS溶液；
3）取步驟2）制得的PDMS溶液加入到步驟1）中準備好的平底容器中，使PDMS溶液將薄片覆蓋；
4）靜置流平后將盛有PDMS和薄片的平底容器放入70oC的干燥箱中加熱1.5h，PDMS溶液形成PDMS薄膜；
5）取出平底容器中的PDMS薄膜，去掉薄片，便得到了具有凹槽的PDMS柔性模板；
6）在PDMS柔性模板凹槽的兩個對邊分別引出一個電極后，在凹槽中填充納米導(dǎo)電材料；
7）待填充納米導(dǎo)電材料后的PDMS柔性模板徹底干燥后，配置PDMS溶液，方法如步驟2），在填充有納米導(dǎo)電材料的PDMS薄膜的那層表面上滴一層PDMS，利用真空干燥箱抽真空10min，靜置流平后將裝有PDMS柔性模板的容器放入70oC的干燥箱中加熱1h，得到復(fù)合薄膜柔性應(yīng)力傳感器。
本發(fā)明以一定尺寸的硅片作為模板制備帶凹槽的PDMS薄膜，在其中加入導(dǎo)電納米材料并引出電極，上層再用PDMS層固定納米材料和電極，制備出柔性應(yīng)力傳感器，制備過程如圖1所示。步驟5）中是將薄膜反過來，底部朝上，將薄片取出，形成凹槽；步驟6）中是電極由凹槽的兩個相對的邊沿向外側(cè)引出；步驟7）中在有凹槽的薄膜表面滴一層PDMS溶液，將納米導(dǎo)電材料封住，同時將電極固定在PDMS薄膜的表面。
本發(fā)明以一種簡單的方法將導(dǎo)電納米材料與柔性基地相結(jié)合，進一步提高應(yīng)力傳感器的靈敏度以及伸縮性能，首先以柔性材料（如PDMS等）為原料作出具有凹槽（凹槽的形狀、大小、厚度可變）的柔性模版；接著用導(dǎo)電納米材料（碳納米管、銀納米線等）填充到上述模板的凹槽中；在填充的納米導(dǎo)電材料兩端引出電極；最后用柔性聚合物材料（如PDMS等）在上層固定納米材料及電極，增強結(jié)構(gòu)穩(wěn)定性（此步驟可根據(jù)現(xiàn)實需求省略）。
本發(fā)明方法工藝簡單、成本低廉、可控性強，制備得到的基于導(dǎo)電納米材料的柔性應(yīng)力傳感器的靈敏度高、穩(wěn)定性強、伸縮性好，同時適用于針對不同應(yīng)用場合制備各種不同形狀大小的柔性應(yīng)力傳感器，有望實現(xiàn)微型化、低成本、批量化生產(chǎn)。
附圖說明
圖1為本發(fā)明方法制備柔性應(yīng)力傳感器的過程示意圖。
具體實施方式
一種基于導(dǎo)電納米材料的柔性應(yīng)力傳感器的制備方法，包括如下步驟：
1）取一個平底容器，在平底容器中心放一個薄片；
2）配置PDMS溶液，取主劑與固化劑質(zhì)量比為10:1置于培養(yǎng)皿中混合均勻，利用真空干燥箱抽真空10min，使混合液中的氣泡破裂得到表面無氣泡的PDMS溶液；
3）取步驟2）制得的PDMS溶液加入到步驟1）中準備好的平底容器中，使PDMS溶液將薄片覆蓋；
4）靜置流平后將盛有PDMS和薄片的平底容器放入70oC的干燥箱中加熱1.5h，PDMS溶液形成PDMS薄膜；
5）取出平底容器中的PDMS薄膜，去掉薄片，便得到了具有凹槽的PDMS柔性模板；
6）在PDMS柔性模板凹槽的兩個對邊分別引出一個電極后，在凹槽中填充納米導(dǎo)電材料；
7）待填充納米導(dǎo)電材料后的PDMS柔性模板徹底干燥后，配置PDMS溶液，方法如步驟2），在填充有納米導(dǎo)電材料的PDMS薄膜的那層表面上滴一層PDMS，利用真空干燥箱抽真空10min，靜置流平后將裝有PDMS柔性模板的容器放入70oC的干燥箱中加熱1h，得到復(fù)合薄膜柔性應(yīng)力傳感器。
所述平底容器以及薄片的形狀皆可根據(jù)應(yīng)用場所進行調(diào)整，其形狀可采用長方形、圓形、三角形、正方形、四角形、五邊形、五角星、六邊形、六角形、七邊形、七角形、八邊形、八角形、九邊形、九角形、十邊形、十角形、十一邊形、十一角形、十二邊形、十二角形。
所述薄片采用硅片、玻璃片、有機玻璃片、塑料片。
在PDMS柔性模板的凹槽中填充的納米導(dǎo)電材料可以根據(jù)不同應(yīng)用要求進行調(diào)整，以更加高靈敏的檢測所需測量的物理量；所述納米導(dǎo)電材料采用金、銀、銅、锎、鐵、鋁、碳的各種形貌納米材料的其中一種或它們其中一種的氧化物或其中兩種或幾種的復(fù)合物和混合物。
步驟6）中制備的兩個電極結(jié)構(gòu)呈對稱分布，所述電極從傳感器基底上凹槽的邊緣向外引出；該電極采用銀、銅或ITO中的一種或幾種。
實施例1
1）取一個2*1cm的長方形矮壁平底容器，在中心放一個0.8*0.3*0.05cm的硅片；
2）配置PDMS溶液，取主劑與固化劑質(zhì)量比為10:1置于培養(yǎng)皿中混合均勻，利用真空干燥箱抽真空10min，使混合液中的氣泡破裂得到表面無氣泡的PDMS溶液；
3）取步驟2）制得的PDMS溶液加入到步驟1）中準備好的容器中；
4）靜置流平后將乘有PDMS和硅片的容器放入70oC的干燥箱中加熱1.5h；
5）取出容器中的PDMS薄膜，去掉硅片，便得到了具有凹槽的PDMS柔性模板；
6）在凹槽兩個窄邊用導(dǎo)電銅膠帶引出電極后，在凹槽中填充納米導(dǎo)電材料銀納米線；
7）待溶膠徹底干燥后，配置PDMS溶液，方法如步驟2），在凹槽上方滴一層PDMS，利用真空干燥箱抽真空10min，靜置流平后將將裝有PDMS柔性模板和硅片的容器放入70oC的干燥箱中加熱1h，得到具有三明治結(jié)構(gòu)的柔性應(yīng)力傳感器。
實施例2
一種核殼結(jié)構(gòu)導(dǎo)電聚苯胺/Co3O4粉末的制備方法，包括如下步驟：
1）取一個直徑2cm的圓形矮壁平底容器，在中心放一個直徑0.8cm厚度為0.05cm的硅片；
2）配置PDMS溶液，取主劑與固化劑質(zhì)量比為10:1置于培養(yǎng)皿中混合均勻，利用真空干燥箱抽真空10min，使混合液中的氣泡破裂得到表面無氣泡的PDMS溶液；
3）取步驟2）制得的PDMS溶液加入到步驟1）中準備好的容器中；
4）靜置流平后將乘有PDMS和硅片的容器放入70oC的干燥箱中加熱1.5h；
5）取出容器中的PDMS薄膜，去掉硅片，便得到了具有凹槽的PDMS柔性模板；
6）在凹槽兩個窄邊用導(dǎo)電銅膠帶引出電極后，在凹槽中填充碳納米管；
7）待溶膠徹底干燥后，配置PDMS溶液，方法如步驟2），在凹槽上方滴一層PDMS，利用真空干燥箱抽真空10min，靜置流平后將將裝有PDMS柔性模板和硅片的容器放入70oC的干燥箱中加熱1h，得到具有三明治結(jié)構(gòu)的柔性應(yīng)力傳感器。
實施例3
1）取一個直徑2的圓形矮壁平底容器，在中心放一個0.8*0.3*0.05cm的硅片；
2）配置PDMS溶液，取主劑與固化劑質(zhì)量比為10:1置于培養(yǎng)皿中混合均勻，利用真空干燥箱抽真空10min，使混合液中的氣泡破裂得到表面無氣泡的PDMS溶液；
3）取步驟2）制得的PDMS溶液加入到步驟1）中準備好的容器中；
4）靜置流平后將乘有PDMS和硅片的容器放入70oC的干燥箱中加熱1.5h；
5）取出容器中的PDMS薄膜，去掉硅片，便得到了具有凹槽的PDMS柔性模板；
6）在凹槽兩個窄邊用導(dǎo)電銅膠帶引出電極后，在凹槽中填充石墨烯；
7）待溶膠徹底干燥后，配置PDMS溶液，方法如步驟2），在凹槽上方滴一層PDMS，利用真空干燥箱抽真空10min，靜置流平后將將裝有PDMS柔性模板和硅片的容器放入70oC的干燥箱中加熱1h，得到具有三明治結(jié)構(gòu)的柔性應(yīng)力傳感器。
實施例4
1）取一個2*1cm的長方形矮壁平底容器，在中心放一個直徑0.8cm厚度為0.05cm的硅片；
2）配置PDMS溶液，取主劑與固化劑質(zhì)量比為10:1置于培養(yǎng)皿中混合均勻，利用真空干燥箱抽真空10min，使混合液中的氣泡破裂得到表面無氣泡的PDMS溶液；
3）取步驟2）制得的PDMS溶液加入到步驟1）中準備好的容器中；
4）靜置流平后將乘有PDMS和硅片的容器放入70oC的干燥箱中加熱1.5h；
5）取出容器中的PDMS薄膜，去掉硅片，便得到了具有凹槽的PDMS柔性模板；
6）在凹槽兩個窄邊用導(dǎo)電銅膠帶引出電極后，在凹槽中填充銀納米顆粒包覆的碳納米管；
7）待溶膠徹底干燥后，配置PDMS溶液，方法如步驟2），在凹槽上方加蓋一層PDMS，利用真空干燥箱抽真空10min，靜置流平后將將裝有PDMS柔性模板和硅片的容器放入70oC的干燥箱中加熱1h，得到具有三明治結(jié)構(gòu)的柔性應(yīng)力傳感器。