本發(fā)明涉及人體健康監(jiān)測(cè)技術(shù)領(lǐng)域，尤其是基于噴墨打印技術(shù)的需要用到微型的柔性壓力傳感器的可穿戴設(shè)備的制備方法，具體是一種柔性無線壓力檢測(cè)系統(tǒng)的制備方法。

背景技術(shù)：

可穿戴設(shè)備正如雨后春筍一般迅速發(fā)展，但是其中大多數(shù)元件，甚至包括傳感器、通訊天線都不是柔性的，因此可穿戴設(shè)備的體積和功耗都受到了很大限制。如果實(shí)現(xiàn)真正的柔性，必然能讓可穿戴設(shè)備能更貼合人體，體積更小，應(yīng)用領(lǐng)域更廣闊。雖然已有技術(shù)文章以及專利報(bào)道實(shí)現(xiàn)柔性傳感器的方法，如《基于柔性基板的具有自封裝功能的無源無線壓力傳感器》報(bào)道了一種組裝無線壓力傳感器的方法，但其本質(zhì)金屬電感線圈與柔性襯底是分離的。其他可穿戴領(lǐng)域的設(shè)備也存在同樣的問題，他們只是把傳感器和信號(hào)傳輸部分做得足夠小巧，而不是足夠柔軟。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的是針對(duì)現(xiàn)有可穿戴設(shè)備的“假柔性”提出了一種基于噴墨打印技術(shù)的柔性無線壓力檢測(cè)系統(tǒng)的制備方法，該方法在一塊柔性襯底上集成傳感器、天線等，從而實(shí)現(xiàn)一體化的可穿戴設(shè)備。

實(shí)現(xiàn)本發(fā)明目的的具體技術(shù)方案是：

一種基于噴墨打印技術(shù)的柔性無線壓力檢測(cè)系統(tǒng)的制備方法，特點(diǎn)是該方法包括以下具體步驟：

步驟1：制備柔性壓力傳感器

s1：將工業(yè)級(jí)石墨烯粉末和氧化石墨烯粉末分散在無水乙醇溶液中，保持濃度為0.01-2mg/ml，以300w超聲剝離0.5-1小時(shí)，再以3500-4000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速離心8-10分鐘，提取上清液，使之均勻分散，得到石墨烯—氧化石墨烯混合溶液；

s2：經(jīng)混合纖維濾膜將制得的石墨烯—氧化石墨烯混合溶液倒入抽濾裝置中，通過混合纖維濾膜將乙醇溶劑過濾掉，在混合纖維濾膜上得到石墨烯—氧化石墨烯混合薄膜，將混合纖維濾膜與石墨烯—氧化石墨烯混合薄膜取出，烘干，再用丙酮溶劑將混合纖維濾膜溶解，得到石墨烯—氧化石墨烯混合薄膜，60℃將該混合薄膜烘干，得到混合壓敏薄膜即柔性壓力傳感器；

步驟2：制備銀質(zhì)電路及柔性天線

s1：表面改性

將潔凈、干燥的聚酰亞胺薄膜放入堿溶液中，25℃恒溫下浸泡2.5-3小時(shí)，用去離子水清洗，去除聚酰亞胺薄膜表面殘留堿金屬離子，得到潔凈的、表面為聚酰胺酸鹽的薄膜；其中，堿溶液濃度為4mol/l；

s2：離子交換

將聚酰胺酸鹽的薄膜放入銀氨溶液中，使之與銀氨溶液充分接觸并浸泡10-40分鐘，用去離子水清洗，去除聚酰亞胺表面殘留的溶液，得到表面為銀離子—聚酰亞胺絡(luò)合物的薄膜；其中，銀氨溶液濃度為0.01-0.04mol/l；

s3：掩模打印

將銀離子—聚酰亞胺絡(luò)合物的薄膜平整得貼在a4紙上，通過噴墨打印機(jī)將設(shè)計(jì)好的電路及天線掩模圖案打印在該薄膜表面；

s4：還原

將打印有圖案的薄膜平整放置，在200毫升去離子水中加入濃度為30%的雙氧水1毫升，配置成溶液滴于打印有圖案的薄膜上，還原、生成銀質(zhì)電路及柔性天線；

步驟3：制備柔性無線壓力檢測(cè)系統(tǒng)

s1：將柔性壓力傳感器與銀質(zhì)電路及柔性天線連接，將處理電路連接銅質(zhì)線圈及顯示終端，柔性天線及銀質(zhì)電路通過電磁感應(yīng)與銅質(zhì)線圈耦合，在5～30cm無線連接；得到柔性無線壓力檢測(cè)系統(tǒng)。

所述處理電路由阻抗匹配模塊、wifi傳輸模塊組成，銅質(zhì)線圈通過導(dǎo)線直接與阻抗匹配模塊相連，將結(jié)果通過wifi模塊發(fā)送到顯示設(shè)備接收。

所述柔性壓力傳感器電阻值隨壓力增大而減小。

所述堿溶液為氫氧化鈉或氫氧化鉀溶液。

所述柔性天線為平面矩形螺旋形狀，線寬為0.4-.06mm，間距為0.2-0.4mm，整體尺寸從0.75cm*1.5cm到1.5cm*3cm，工作頻率在100mhz-1ghz，優(yōu)選尺寸為1.5cm*3cm，工作頻率為170mhz，可以滿足壓力數(shù)值信號(hào)的實(shí)時(shí)、無線傳輸。

所述銀質(zhì)電路充當(dāng)柔性導(dǎo)線的作用，將各個(gè)部件連接在一起，本身的形狀、圖案只要符合電路要求即可，沒有特殊要求。

本發(fā)明通過柔性的碳基傳感器感受壓力，隨壓力增大而減小自身電阻，改變電路的電學(xué)性質(zhì)，使柔性天線發(fā)射信號(hào)的電流大小發(fā)生改變，檢測(cè)發(fā)射信號(hào)的變化可以推測(cè)壓力值的大小。柔性壓力傳感器、天線及銀質(zhì)電路可以任意彎曲、折疊，甚至粘貼在皮膚表面而不影響工作性能與準(zhǔn)確性。本發(fā)明可以采集、傳輸并處理機(jī)械電信號(hào)。金屬圖形化過程可用普通噴墨打印機(jī)打印，成本低，得到的銀質(zhì)電路連續(xù)、致密、電導(dǎo)率高；壓力敏感單元與銀質(zhì)電路以及柔性襯底之間結(jié)合力強(qiáng)、壓力響應(yīng)頻率達(dá)10000赫茲、壓力響應(yīng)范圍從10帕斯卡到1兆帕斯卡；柔性天線信號(hào)采集、傳輸可在0.02秒內(nèi)完成壓力響應(yīng)及傳輸；柔性設(shè)備穩(wěn)定性強(qiáng)，彎曲疲勞測(cè)試表明，整個(gè)系統(tǒng)在重復(fù)測(cè)試10000次后，仍保持電路特性的穩(wěn)定。因此可以整合至絕大多數(shù)可穿戴設(shè)備，進(jìn)一步減小體積、降低功耗、增強(qiáng)可靠性、延長(zhǎng)壽命。

附圖說明

圖1為本發(fā)明結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為本發(fā)明柔性壓力傳感器制作流程圖；

圖3為本發(fā)明銀質(zhì)電路及柔性天線制備流程圖；

圖4為本發(fā)明柔性壓力傳感器電阻變化與壓力關(guān)系曲線圖；

圖5為本發(fā)明柔性壓力傳感器的疲勞測(cè)試結(jié)果圖。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖及實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作詳細(xì)描述。

實(shí)施例

參閱圖1，本發(fā)明包括：柔性壓力傳感器1、柔性銀質(zhì)電路及天線2、銅質(zhì)線圈3、由阻抗匹配模塊及wifi芯片組成的處理電路4及顯示終端5，柔性壓力傳感器1與柔性銀質(zhì)電路及天線2連接；處理電路4連接銅質(zhì)線圈3及顯示終端5，柔性銀質(zhì)電路及天線2通過電磁感應(yīng)與銅質(zhì)線圈3耦合，在5～30cm無線連接。銅質(zhì)線圈3接收信號(hào)，由處理電路4進(jìn)行模數(shù)轉(zhuǎn)化，將數(shù)字信號(hào)通過wifi芯片處理輸出至顯示終端，通過銅質(zhì)線圈感應(yīng)到的信號(hào)變化由

計(jì)算柔性壓力傳感器1承受壓力的變化。

在柔性壓力傳感器1端施加壓力，柔性壓力傳感器1因壓力產(chǎn)生形變，導(dǎo)致自身電阻變小，使柔性壓力傳感器-柔性銀質(zhì)電路及天線這部分總電阻減小，柔性天線所發(fā)射的無線信號(hào)發(fā)生改變，銅質(zhì)線圈3對(duì)柔性電路發(fā)射電信號(hào)的耦合，得到一個(gè)隨柔性電路中電阻變化而變化的電流信號(hào)，通過處理電路4，將連續(xù)的電流信號(hào)（模擬信號(hào)）轉(zhuǎn)換為簡(jiǎn)短的數(shù)字信號(hào)并通過芯片發(fā)送至顯示終端，對(duì)數(shù)據(jù)進(jìn)行處理，計(jì)算出壓力傳感器承受壓力的數(shù)值。

參閱圖2，本實(shí)施例柔性的碳基壓力傳感器1的制備：將工業(yè)級(jí)石墨烯粉末和氧化石墨烯粉末分散在無水乙醇溶液中，保持濃度為2.0mg/ml，以300w超聲剝離1小時(shí)，再以4000轉(zhuǎn)/分鐘的轉(zhuǎn)速離心10分鐘，提取上清液，使之均勻分散，得到石墨烯—氧化石墨烯混合溶液8。

經(jīng)混合纖維濾膜7將制得的石墨烯—氧化石墨烯混合溶液8倒入抽濾裝置6中，通過混合纖維濾膜7將乙醇溶劑過濾掉，在混合纖維濾膜7上得到石墨烯—氧化石墨烯混合薄膜9，將混合纖維濾膜7與石墨烯—氧化石墨烯混合薄膜取出，烘干，再用丙酮溶劑將混合纖維濾膜7溶解，得到石墨烯—氧化石墨烯混合薄膜9，60℃將該混合薄膜烘干，可加工成任意形狀、任意大小的柔性壓力傳感器10。

由于團(tuán)聚現(xiàn)象，真空抽濾法得到的石墨烯層表面較蓬松，受到壓力時(shí)，蓬松的石墨烯變得致密，使得石墨烯層本身的電阻率減小，同時(shí)由于受到壓力作用，石墨烯層與銀電極的接觸電阻也會(huì)減小，故該壓力傳感器在受到壓力作用時(shí)電阻減小。釋放壓力后，緊密的石墨烯又恢復(fù)了原先蓬松的結(jié)構(gòu)，電阻也隨之增大，因此制成的壓力傳感器具有壓敏效應(yīng)。

所述壓力傳感器中氧化石墨烯的作用是幫助石墨烯分散成膜，并提高整體的機(jī)械強(qiáng)度、耐磨性。

本實(shí)施例的壓力傳感器具有以下特點(diǎn)：

1）完柔性，可任意彎曲、折疊而不影響其功能；

2）混合膜厚度僅200~500微米，極其輕薄，可集成在各種電路；

3）能制作成任意形狀，方便整合到各類設(shè)備中；

4）電阻式壓力傳感器，能夠響應(yīng)靜態(tài)、動(dòng)態(tài)壓力；

5）對(duì)動(dòng)態(tài)壓力響應(yīng)快，能夠達(dá)到10000的響應(yīng)頻率。

參閱圖4，柔性壓力傳感器電阻變化與壓力關(guān)系曲線圖，為檢測(cè)該壓力傳感器電阻變化與壓力關(guān)系，在傳感器兩端施加最小值為0牛頓、最大值為10牛頓的理想方波（即上升時(shí)間和下降時(shí)間均為0），對(duì)輸出電流進(jìn)行檢測(cè)。繪制曲線圖如圖4。從圖中可以看出，該壓力傳感器能隨壓力變化而改變自身電阻，影響電路中電流變化。且電路中電流變化規(guī)律與施加壓力變化規(guī)律相同，從一方面證實(shí)了傳感器的可用性。另外，從實(shí)驗(yàn)結(jié)果可以看出電流變化響應(yīng)時(shí)間短，施加壓力改變后電流立刻變化，反應(yīng)在圖中為電流圖形是與壓力圖形類似的方波。

參閱圖5，柔性壓力傳感器疲勞測(cè)試結(jié)果圖，為保障本實(shí)施例的可靠性以及實(shí)用性，進(jìn)行疲勞測(cè)試。通過對(duì)柔性壓力傳感器施加一定的負(fù)荷，長(zhǎng)時(shí)間連續(xù)運(yùn)行系統(tǒng)，檢測(cè)對(duì)系統(tǒng)性能造成的影響。測(cè)試中每隔0.5秒鐘對(duì)柔性壓力傳感器施加1牛頓的垂直壓力，持續(xù)時(shí)間為0.5秒，反復(fù)進(jìn)行試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)經(jīng)過10000次循環(huán)后依然具有良好的性能，轉(zhuǎn)換能力接近實(shí)驗(yàn)前，結(jié)果見圖5。

參閱圖3，本實(shí)施例柔性銀質(zhì)電路及天線的制備：

?。┍砻娓男?/p>

將潔凈、干燥的聚酰亞胺薄膜放入氫氧化鈉溶液中，25℃恒溫下浸泡3小時(shí)，用去離子水清洗，去除聚酰亞胺薄膜表面殘留堿金屬離子，得到潔凈的、表面為聚酰胺酸鹽的薄膜；其中，氫氧化鈉溶液濃度為4mol/l。

ⅱ）離子交換

將聚酰胺酸鹽的薄膜放入銀氨溶液中，使之與銀氨溶液充分接觸并室溫下浸泡20分鐘，用去離子水清洗，去除聚酰亞胺表面殘留的溶液，得到表面為銀離子—聚酰亞胺絡(luò)合物的薄膜；其中，銀氨溶液濃度為0.02mol/l；

ⅲ）掩模打印

將銀離子—聚酰亞胺絡(luò)合物的薄膜平整得貼在a4紙上，通過噴墨打印機(jī)將設(shè)計(jì)好的電路及天線掩模圖案打印在該薄膜表面；暴露的表面將在還原過程中生長(zhǎng)出銀層，而噴墨打印的墨粉易溶于丙酮等有機(jī)溶劑，后續(xù)很容易去除。

ⅳ）還原

將打印有圖案的薄膜平整放置，在200毫升去離子水中加入濃度為30%的雙氧水1毫升，配置成溶液滴于打印有圖案的薄膜上，還原、生成銀質(zhì)電路及柔性天線。其天線為平面矩形螺旋形狀，線寬為0.4mm，間距為0.2mm，整體尺寸1.5cm*3cm，工作頻率為170mhz；其銀質(zhì)電路起到的是導(dǎo)線作用，對(duì)于線寬、線間距無嚴(yán)格要求。

制備原理：先用氫氧化鈉溶液對(duì)聚酰亞胺薄膜進(jìn)行表面改性處理，聚酰胺環(huán)受到oh-的攻擊而開環(huán),形成聚酰胺酸鹽(paa)的形式，堿性金屬離子嵌入，隨后使用銀氨溶液處理,使得na+離子與目標(biāo)銀金屬鹽進(jìn)行離子交換，最終獲得帶有金屬鹽的絡(luò)合物；通過熱處理或化學(xué)反應(yīng)將銀離子還原成金屬銀。

再采用雙氧水作為還原劑進(jìn)行一次氧化還原反應(yīng)，這是一個(gè)固-液交界面處發(fā)生的反應(yīng)。反應(yīng)中，銀離子將先被還原成銀納米顆粒,，在交界面上聚集，而后逐漸形成枝晶、花椰菜狀和圓盤狀的結(jié)構(gòu)，最后成為緊密連續(xù)的銀納米層。