一种基于液滴微流控技术的柔性传感器及制作方法

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，特别涉及一种基于液滴微流控技术的柔性传感器及制作方法。

背景技术

柔性压力传感器是一种能够测量物体受到的压力或力的传感器，通常采用柔性材料或薄膜作为传感元件，因此具有柔软、薄型和可弯曲的特点。相比传统的压力传感器，它更适用于曲面或弯曲环境，以满足对柔性、轻便、可穿戴式传感器的需求，在医疗监护、智能健康产品、机器人技术、虚拟现实、运动监测等领域具有广泛的应用。它们可以用于测量人体接触的压力分布，监测手势或动作，实现触觉反馈或灵巧控制。

柔性压力传感器的工作原理通常基于压阻效应、压电效应和电容变化来测量压力大小。其中，电容式柔性压力传感器通常使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚酰亚胺(PI)等柔性聚合物作为传感器基底，在受压时形变可以有较高的灵敏度并且可以很好地贴合人体皮肤等弯曲表面，同时，它还保留着电容式传感器稳定性高、功耗低、动态响应特性好等优点。因此，电容式柔性传感器在电子皮肤、可穿戴、工业机器人等领域具有重要的应用潜力。

为进一步提高电容式柔性传感器的性能以满足传感器在不同领域的应用，研究人员通过设计微结构、复合薄膜和多孔结构等方法来提高传感器的性能。其中，多孔结构具有制造工艺简单和可扩展性强等特点，被用于提高各种压力传感器性能，但目前微球的制备往往采用机械搅拌法、纳米材料混合法和3D模具法，以上方法得到的多孔结构的孔径均匀性不易控制，从而影响不同批次传感器的性能不一致。因此需要探索稳定可靠的方法来制备均匀的多孔结构。。

发明内容

本发明的目的在于，提供一种基于液滴微流控技术的柔性传感器及制作方法。本发明制备的柔性传感器，具有灵敏度好，响应时间快的优点。

本发明的技术方案：一种基于液滴微流控技术的柔性传感器，包括介质层薄膜，所述介质层薄膜内分布孔径相等的不相连氧化石墨烯微孔，所述介质层薄膜的上下表面设有柔性电极。

上述的基于液滴微流控技术的柔性传感器，所述介质层薄膜的半径为10mm，高5mm。

前述的基于液滴微流控技术的柔性传感器，所述氧化石墨烯微孔的直径大小为300um。

前述的基于液滴微流控技术的柔性传感器，所述介质层薄膜由PDMS混合物与氧化石墨烯分散液通过peek三通接口混合后在模具内得到。

前述的基于液滴微流控技术的柔性传感器，所述PDMS混合物由PDMS与固化剂按10:1比例混合得到，所述氧化石墨烯水溶液浓度为2mg/ml，所述peek三通接口为内径0.5mm的等径三通。

前述的基于液滴微流控技术的柔性传感器，所述氧化石墨烯微孔内的氧化石墨烯尺寸为微纳米量级。

前述的基于液滴微流控技术的柔性传感器，所述柔性电极采用铜箔或导电胶布。

前述的基于液滴微流控技术的柔性传感器的制作方法，包括如下步骤：

步骤1：利用微量泵、针管、硅胶软管、peek三通接口搭建微流控平台，将聚二甲基硅氧烷与固化剂混合后备用，准备氧化石墨烯分散液；

步骤2：将PDMS混合物用针管吸入，将氧化石墨烯分散液用另一针管吸入，将两针管的输出端通过硅胶软管与peek三通接口连接，装有PDMS混合物与氧化石墨烯分散液的针管与微量泵连接，控制微量泵流速将两针管的物质混合并通入四氟乙烯模具中；

步骤3：将模具放入恒温干燥箱中使其固化，然后从模具中揭下得到PDMS混合物和氧化石墨烯混合的介质层薄膜；

步骤4：进一步固化干燥，

步骤5：在介质层薄膜上下两面粘贴电极并连接导线，导线和电极采用铜箔或导电胶布，得到传感器；

步骤6：用不导电的黑胶布对整个传感器进行封装，除导线外将整个传感器包裹，得到成品。

前述的基于液滴微流控技术的柔性传感器的制作方法，步骤3中的固化是先将恒温干燥箱事先预热至70℃之后，将传感器放入恒温干燥箱中2h以固化介质层薄膜中的PDMS混合物。

前述的基于液滴微流控技术的柔性传感器的制作方法，步骤4中的固化干燥是将恒温干燥箱事先预热至70℃之后，将介质层薄膜放入干燥箱中12h以蒸发氧化石墨烯微孔中的水分。

与现有技术相比，本发明的柔性传感器在当压力作用在其表面时，由于介质层薄膜上设计并制备了氧化石墨烯微孔，相比于纯PDMS的介质层，在受相同大小的力时氧化石墨烯微孔收缩使得介质层薄膜更容易发生形变，即两极板的距离在同等受力时具有氧化石墨烯微孔的介质层薄膜会变得更小从而电容变化则会更大，从而传感器灵敏度和响应时间得到提升。此外，由于在PDMS中添加氧化石墨烯等纳米材料也会使介质层薄膜的介电常数得到提升，介质层薄膜的灵敏度可以进一步地得到提升。本发明还可以识别带电体和非带电体，这一现象给未来人机互动，智能穿戴等领域提供了一定的借鉴作用。本发明相比于其他传感器的制备方法，该方法具有工艺简单、可控性好和成本低等优点，并且具有较好的均匀性和分散性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图。

图2为本发明的传感器原理示意图。

图3为本发明的制作方法流程示意图。

图4为介质层薄膜的电子显微镜图；

图5是本发明与多孔薄膜、纯PDMS薄膜的性能对比图。

图中标号含义：1-柔性电极；2-圆柱形薄膜；3-氧化石墨烯微孔；4-导线。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步的说明，但并不作为对本发明限制的依据。

实施例1：一种基于液滴微流控技术的柔性传感器，如图1所示，包括介质层薄膜2，所述介质层薄膜内分布多个孔径相等的不相连氧化石墨烯微孔3，所述介质层薄膜2的上下表面设有柔性电极1，柔性电极1连接有导线4。所述介质层薄膜的半径为10mm，高5mm。所述氧化石墨烯微孔的直径大小为300um。所述介质层薄膜由PDMS混合物与氧化石墨烯分散液通过peek三通接口混合后在模具内得到。所述PDMS混合物由PDMS与固化剂按10:1比例混合得到，所述氧化石墨烯水溶液浓度为2mg/ml，所述peek三通接口为内径0.5mm的等径三通；所述氧化石墨烯微孔内的氧化石墨烯尺寸为微纳米量级。所述柔性电极的材料采用铜箔。在其他实施例中，柔性电极的材料采用导电胶布。

实施例2：一种基于液滴微流控技术的柔性传感器的制作方法，如图3所示，包括如下步骤：

步骤1：利用微量泵、针管、硅胶软管、peek三通接口搭建微流控平台，将聚二甲基硅氧烷与固化剂混合后备用，准备氧化石墨烯分散液；

步骤2：将PDMS混合物用20ml针管吸入，将氧化石墨烯分散液用另一20ml针管吸入，将两针管的输出端通过硅胶软管与peek三通接口连接，装有PDMS混合物与氧化石墨烯分散液的针管与微量泵连接，控制微量泵流速将两针管的物质混合并通入四氟乙烯模具中；

步骤,3：将模具放入恒温干燥箱中使其固化，然后从模具中揭下得到PDMS混合物和氧化石墨烯混合的介质层薄膜；本步骤中的固化是先将恒温干燥箱事先预热至70℃之后，将传感器放入恒温干燥箱中2h以固化介质层薄膜中的PDMS混合物。

步骤4：进一步固化干燥，本步骤中的固化干燥是将恒温干燥箱事先预热至70℃之后，将介质层薄膜放入干燥箱中12h以蒸发氧化石墨烯微孔中的水分。

步骤5：在介质层薄膜上下两面粘贴电极并连接导线，导线和电极采用铜箔或导电胶布，得到传感器；

步骤6：用不导电的黑胶布对整个传感器进行封装，除导线外将整个传感器包裹，得到成品。

本发明制备的柔性传感器的原理参见图2，当压力作用在传感器上表面时，两柔性电极1之间的距离在受力时，压力的微小变化信号被转换为电容等电信号，然后通过柔性电极1及导线4传输到接收模块。本发明具有氧化石墨烯微孔结构的介质层薄膜会变得更小从而电容变化则会更大，从而传感器灵敏度得到提升。此外，在介质层薄膜2中添加氧化石墨烯3等纳米材料也会使薄膜的介电常数得到提升。

进一步地，使用电子显微镜对制备的多孔PDMS/GO薄膜(介质层薄膜)的内部氧化石墨烯微孔3形态进行了表征，结果如图4所示。其中4(a)和(b)显示了薄膜表层氧化石墨烯气泡形态的存在。黑色孔隙是氧化石墨烯的孔隙，它们均匀地分散在PDMS中。图4(c)为气孔的显微特征，可以看到气孔中间为中空的，周围为黑色的氧化石墨烯。图4(d)和(e)为切片后膜内氧化石墨烯气泡的形貌，图中黑色孔隙为氧化石墨烯孔隙，测试介质膜的厚度约为5mm。

再进一步地，为了测试了本发明制备的柔性传感器的灵敏度，分别对纯PDMS薄膜传感器、多孔PDMS压力传感器和多孔PDMS/GO压力传感器(即本发明的柔性传感器)进行了测试和比较。三种传感器的灵敏度测试曲线如图5所示，从图中可以看出，本发明的柔性传感器在低压下的灵敏度为0.627kPa-1，薄膜灵敏度在高压下约为0.032kPa-1。而多孔PDMS压力传感器的灵敏度为0.263kPa-1，纯PDMS薄膜传感器在低压下的灵敏度仅为0.031kPa-1，这表明本发明的柔性传感器在低压下的灵敏度分别是多孔PDMS压力传感器和纯PDMS薄膜传感器的2.38倍和20.2倍。可见，与纯PDMS的介电层相比，本发明柔性传感器的介质层薄膜分布有微孔，这使得介质层薄膜在受到相同大小的力时更容易变形，因此电容变化会更大，从而提高了传感器的灵敏度。此外，在PDMS中添加氧化石墨烯等纳米材料也会提高薄膜的介电常数。因此，薄膜的灵敏度也得到了提高。

综上所述，本发明相比于其他传感器的制备方法，本发明具有工艺简单、可控性好和成本低等优点，本发明制备的柔性传感器，具有灵敏度好，响应时间快的优点。