基于碎片化结构提升压阻式传感器灵敏度的方法
阅读：951发布：2023-02-06
专利汇可以提供基于碎片化结构提升压阻式传感器灵敏度的方法专利检索，专利查询，专利分析的服务。并且本 发明 公开了一种基于碎片化结构提升压阻式 传感器 灵敏度的方法，具体是通过向压阻式传感器中引入碎片化结构，该碎片化结构对应的 电阻 值能够在压阻式传感器所处的压 力 条件发生变化时产生变化，从而在压阻式传感器所处的压力条件发生变化时用于给该压阻式传感器的电阻值带来额外的变化；碎片化结构是由多个碎片化的多孔性材 料堆 叠形成的。本发明通过对压阻式传感器关键的活性材料结构等进行改进，向压阻式传感器中引入碎片化结构，增加样品应对外界压力的可变电阻，进而获得一种简单、普适性提升PRS的方法、以及相应压阻式 压力传感器 的制备方法，与 现有技术 相比能够有效解决PRS不能探测小压强的问题。，下面是基于碎片化结构提升压阻式传感器灵敏度的方法专利的具体信息内容。
1.一种基于碎片化结构提升压阻式传感器灵敏度的方法，其特征在于，该方法是通过向压阻式传感器中引入碎片化结构，该碎片化结构对应的电阻值能够在所述压阻式传感器所处的压力条件发生变化时产生变化，从而在所述压阻式传感器所处的压力条件发生变化时用于给该压阻式传感器的电阻值带来额外的变化；所述碎片化结构是由多个碎片化的多孔性材料堆叠形成的。
2.如权利要求1所述基于碎片化结构提升压阻式传感器灵敏度的方法，其特征在于，所述碎片化结构中，所述碎片化的多孔性材料为米粒状，每个所述碎片化的多孔性材料其长度满足136～364μm，径向宽度满足45～220μm。
3.如权利要求1所述基于碎片化结构提升压阻式传感器灵敏度的方法，其特征在于，所述多孔性材料为石墨烯凝胶、碳纳米管凝胶、Mxene凝胶、复合海绵中的至少一种。
4.如权利要求1所述基于碎片化结构提升压阻式传感器灵敏度的方法，其特征在于，所述碎片化结构密封在由多个壁包围形成的空间内；这多个壁中至少有一个壁自身存在弹性，当所述压阻式传感器所处的压力条件发生变化时，由这多个壁包围形成的空间其体积能够产生变化；优选的，这多个壁中存在与该压阻式传感器受力面相平行的一个壁，其自身存在弹性。
5.一种压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
(1)在聚酰亚胺PI基片上制备叉指电极；
(2)制备氧化石墨烯水分散液；
(3)利用所述步骤(2)中得到的所述氧化石墨烯水分散液通过水热的方式制备石墨烯水凝胶，然后通过搅拌的方式处理该石墨烯水凝胶得到预还原的石墨烯水凝胶碎片；
(4)采用冷冻干燥处理所述步骤(3)得到的预还原的石墨烯水凝胶碎片，然后以惰性气体或氮气为保护气体对其进行热处理，得到还原石墨烯凝胶rGA碎片；
(5)将所述步骤(4)得到的所述还原石墨烯凝胶rGA碎片置于所述步骤(1)得到的所述叉指电极的上方，形成堆叠结构；然后，将聚酰亚胺PI片放置于该结构上方，使其受力均衡；
(6)在所述步骤(5)得到的所述碎片化结构基础上，在加热的条件下使用聚丙烯薄膜PP使这些rGA碎片堆叠紧密，然后引入电极导线，封装后即可得到压阻式压力传感器。
6.如权利要求5所述压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(6)中，所述使用聚丙烯薄膜PP使这些rGA碎片堆叠紧密，具体是将所述聚丙烯薄膜PP与所述叉指电极所在的所述聚酰亚胺PI基片之间形成局部空间，这些rGA碎片则被密封在该局部空间内。
7.如权利要求5所述压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(2)中，所述氧化石墨烯水分散液的浓度为3mg/ml；
所述步骤(3)中，所述制备石墨烯水凝胶是在125摄氏度下进行的；
所述步骤(4)中，所述冷冻干燥处理是采用温度为零下60摄氏度的冷井，冻干时间12h；
所述热处理是在500摄氏度的温度下进行的；
所述步骤(6)中，所述加热的条件是使用温度为120摄氏度的加热台，rGA碎片堆叠体则是放置于载玻片上。
8.如权利要求5所述压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，所述步骤(1)中，所述叉指电极为Ag/Ni电极，该Ag/Ni电极为表面覆盖有Ni的Ag电极；
所述步骤(6)中，所述封装是采用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行封装。
9.利用如权利要求1－8任意一项所述方法得到的压阻式传感器。
基于碎片化结构提升压阻式传感器灵敏度的方法
技术领域
[0001] 本发明属于传感器技术领域，更具体地，涉及一种基于碎片化结构提升压阻式传感器灵敏度的方法。
背景技术
[0002] 传感器是一种的检测设备，它能够通过某种形式采集被检测的信号，并能够将采集到的信号按照一定的排列规律转变为电信号或其它所需要的信息输出，以便满足人类对所需的信息进行采集、显示和控制等要求。当前，传感器被广泛应用于各个社会角落，例如工业生产、环境保护、医疗诊断、海洋探测等领域。压力传感器是传感器的一个重要分支，它主要包括压电式、电容式以及压阻式压力传感器(PRS)。其中，压电式压力传感器的原理在于强外力迫使其内部产生电极化现象，在其某两个表面产生异种电荷，进而通过外电路形成电流量或电压值，因此它不适用于低压传感；电容式压力传感器通过压力作用于某个电极导致其发生形变，进而使两个电极形成的电容量发生变化，因此，它的测量结果或多或少会受到操作环境的影响；PRS则是通过将压力信号转换为电阻信号，进而转换为电信号而被采集。
[0003] PRS的这种转换能力依赖于活性材料的“压阻效应”而获得，而“压阻效应”是指活性材料受到压阻作用时，其响应的电阻发生减少或增加的现象，因此一些多孔性的压缩材料非常适合作为活性材料进而制备PRS。这些多孔性的材料一般具有良好的导电性，例如碳纳米管凝胶，石墨烯凝胶(rGA)等等。这些材料在压力作用时，内部的空气孔洞被压缩，相当于内部的空气电阻被削减，因而导致整体的电阻降低，进而实现对压力信号的采集。所以，这种传感器具备有制备简单、快速响应、低成本和简单的信号采集等优点，具备有广泛的发展前景和应用价值，成为目前的研究热点之一。
[0004] 然而，这种传感器因为先天性的不足导致其应用受到极大地限制，而这种“不足”主要体现在其“压阻效应”上，以rGA为例，它的电阻可以分为2部分，空气孔洞而形成的空气电阻Rpor，以及石墨烯片层自身的电阻Rinh。当外界压力作用时，空气孔洞的电阻Rpor会随之发生改变，而石墨烯片层的电阻Rinh则为固定值。对于整体的rGA而言，它的电阻会有一个不变的量Rinh在制约，因而它的整体电阻变化不会很大，而且它存在着一个极限值Rinh，所以由它所制备的压力传感器均存在敏感度小，不能探测小压力应变等缺点。实际上，所有的多孔性活性材料均面临着这些缺点，因此，这些缺点普遍存在，解决该问题有利于扩大PRS的应用范围。
发明内容
[0005] 针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明的目的在于提供一种基于碎片化结构提升压阻式传感器灵敏度的方法，其中通过对压阻式传感器关键的活性材料结构(包括内部连接方式及形貌等)等进行改进，与现有技术相比能够有效解决PRS不能探测小压强的问题，本发明通过向压阻式传感器中引入碎片化结构(该碎片化结构可以是将整块的活性物质分割为碎片堆叠状态)，增加样品应对外界压力的可变电阻，进而获得一种简单、普适性提升PRS的方法、以及相应压阻式压力传感器的制备方法；通过这种简单的方式，能极大地提升样品的灵敏度，使之能够测试小压强信号，扩展了传感器的应用范围；并且，由于普适性、简单的制备方法和低消耗的制作成本确保该传感器在各种各样的电子装置中有巨大的应用价值，例如智能化交通、运动性能检测和人机交互式装置。
[0006] 为实现上述目的，按照本发明的一个方面，提供了一种基于碎片化结构提升压阻式传感器灵敏度的方法，其特征在于，该方法是通过向压阻式传感器中引入碎片化结构，该碎片化结构对应的电阻值能够在所述压阻式传感器所处的压力条件发生变化时产生变化，从而在所述压阻式传感器所处的压力条件发生变化时用于给该压阻式传感器的电阻值带来额外的变化；所述碎片化结构是由多个碎片化的多孔性材料堆叠形成的。
[0007] 作为本发明的进一步优选，所述碎片化结构中，所述碎片化的多孔性材料为米粒状，每个所述碎片化的多孔性材料其长度满足136～364μm，径向宽度满足45～220μm。
[0009] 作为本发明的进一步优选，所述碎片化结构密封在由多个壁包围形成的空间内；这多个壁中至少有一个壁自身存在弹性，当所述压阻式传感器所处的压力条件发生变化时，由这多个壁包围形成的空间其体积能够产生变化；优选的，这多个壁中存在与该压阻式传感器受力面相平行的一个壁，其自身存在弹性。
[0010] 按照本发明的另一方面，提供了一种压阻式压力传感器的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
[0011] (1)在聚酰亚胺PI基片上制备叉指电极；
[0013] (3)利用所述步骤(2)中得到的所述氧化石墨烯水分散液通过水热的方式制备石墨烯水凝胶，然后通过搅拌的方式处理该石墨烯水凝胶得到预还原的石墨烯水凝胶碎片；
[0015] (5)将所述步骤(4)得到的所述还原石墨烯凝胶rGA碎片置于所述步骤(1)得到的所述叉指电极的上方，形成堆叠结构；然后，将聚酰亚胺PI片放置于该结构上方，使其受力均衡；
[0017] 作为本发明的进一步优选，所述步骤(6)中，所述使用聚丙烯薄膜PP使这些rGA碎片堆叠紧密，具体是将所述聚丙烯薄膜PP与所述叉指电极所在的所述聚酰亚胺PI基片之间形成局部空间，这些rGA碎片则被密封在该局部空间内。
[0018] 作为本发明的进一步优选，所述步骤(2)中，所述氧化石墨烯水分散液的浓度为3mg/ml；
[0019] 所述步骤(3)中，所述制备石墨烯水凝胶是在125摄氏度下进行的；
[0021] 所述步骤(6)中，所述加热的条件是使用温度为120摄氏度的加热台，rGA碎片堆叠体则是放置于载玻片上。
[0022] 作为本发明的进一步优选，所述步骤(1)中，所述叉指电极为Ag/Ni电极，该Ag/Ni电极为表面覆盖有Ni的Ag电极；
[0024] 按照本发明的又一方面，提供了利用上述方法得到的压阻式传感器。
[0025] 通过本发明所构思的以上技术方案，与现有技术相比，由于向压阻式传感器中引入碎片化结构，能够增加用于对压力条件进行响应的活性材料样品、以及该压阻式传感器整体应对外界压力的可变电阻，进而获得基于碎片化结构提升压阻式传感器灵敏度这种简单、普适性提升PRS敏感度的方法，以及相应压阻式压力传感器的制备方法；通过引入由多个碎片化的多孔性材料堆叠形成的碎片化结构(多孔性材料可以采用现有压阻式传感器中用于对压力条件进行响应的活性材料，如石墨烯凝胶、碳纳米管凝胶、Mxene凝胶、复合海绵等)，能极大地提升样品的灵敏度，使之能够测试小压强信号，扩展了传感器的应用范围；并且，该提升压阻式传感器灵敏度的方法及相应压阻式压力传感器的制备方法，普适性强、工艺流程简单、成本低廉，可进一步确保该传感器在各种各样的电子装置中巨大的应用前景。以多孔性材料为石墨烯凝胶为例，本发明通过将氧化石墨烯水分散液的浓度控制为3mg/ml，并将石墨烯水凝胶的制备温度控制为125摄氏度，能确保所获得的凝胶的机械性能，保证其具备优良的性能
[0026] 本发明的工作原理具体分析如下：
[0027] 本发明是使用碎片堆叠结构代替原先的整体结构(当然，也可以在保留整体结构的基础上，额外增加碎片堆叠结构；此外，该碎片堆叠结构需注意堆叠方向上的层数，如纵向方向上，至少包括2个碎片层，从而使得在纵向方向上形成有因堆叠造成的孔隙)，使活性材料响应外界压力的可变电阻增加，进而提升其灵敏度性能(其原理如图1所示，碎片化结构可以与压阻式压力传感器PRS的引出叉指电极通过欧姆接触的方式相连接；当它被压缩时，引出叉指电极之间的电阻值随压力而动态变化)。
[0028] 与碎片化海绵堆叠成几何块体相类似，例如，可以将一整块的海绵碎片化，形成很小的碎片，再将它们堆叠成几何块体，由于小块海绵具有一定的几何形状，这会导致小海绵块与块之间不能紧密地相连，形成大量的孔径；相似的，rGA切成碎片并相互堆叠形成的碎片堆叠结构，也符合上述堆叠规律；而且根据日常的生活常识，堆叠形成的孔径尺寸与所堆叠物品的尺寸相当，本发明中多个碎片化的多孔性材料堆叠形成的孔洞，在未施加外力的条件下，其尺寸约为几百微米，与rGA碎片的尺寸相当。正如PRS的工作机制在于压阻效应。对于类似于rGA这样的多孔材料，它的电阻改变取决于内部张开或闭合孔径的数量，闭合的孔径越多，相应的电阻就会很小。而提升PRS的灵敏度S在于增大可变的电阻。如果将整块的rGA块体分散为许多的小碎片，这些小碎片的相互堆叠会形成的孔洞电阻(Radpor)，另一方面，这些小碎片的相互接触而形成接触电阻(Rcont)。当外界压力作用时，这些小的rGA碎片之间的接触会由松弛状态转变为紧密接触的状态，Rcont也会因为外界压力的变化迅速的变化；此外，相互堆叠形成的孔洞也会随之变小，Radpor会因为外界压力的作用而减小。因此，将整块rGA凝胶分散成小碎片之后，会额外地增加2部分的电阻：增加的孔径电阻Radpor和Rcont。
根据上述描述的PRS工作机制，这些增加的额外电阻会导致其灵敏度S的极大提升。
根据上述描述的PRS工作机制，这些增加的额外电阻会导致其灵敏度S的极大提升。
[0029] 为验证上述理论分析，本发明制备了2种PRS，分别是由整块rGA作为活性材料的UFGA、以及由rGA碎片作为活性材料的FGA。在外界压力的作用下，UFGA的工作过程及相应的等效电阻如图1所示。对于整块的rGA而言，其电阻分为2部分，一个为所有石墨烯片的固有电阻(Rinh),另一个为孔洞中填充空气的电阻(Rpor)。他们以并联的方式共同组成整个电阻，根据其等效电路图(如图1，右侧)，因此其总电阻RUFGA为：
[0030]
[0031] 由于rGA中的石墨烯片之间相互连通并以此构成三维的导电网络，所以公式(1)中的Rinh不跟随外界压力的变化而变化，可以被认定为一个常数。因此，当施加外界的压力作用时，RUFGA的改变在于Rpor的变化，由于有不变量Rinh的存在，这直接导致了RUFGA的变化量相对较少。对于碎片化的rGA而言，如图1,它的电阻除了Rpor与Rinh以外，还有2个引入电阻项，分别是相邻rGA碎片之间的接触电阻Rcont和相邻rGA碎片堆叠引起的孔洞电阻Radpor。根据其等效电路图(如图1,右侧),它的总电阻RFGA满足以下公式：
[0032]
[0033] 当外界压力作用时，如图1所示，rGA碎片直接的接触由原先的松弛状态迅速变为紧密状态，并且由碎片堆叠所形成的孔洞因为具有较大尺寸的压缩也会迅速变小，因而Rcont与Radpor的数值也会迅速地减少。综述所示，RUFGA的变化量只有1个(公式1)，为Rpor；而RFGA的变化量有3个(公式2)，分别是Rpor、Rcont以及Radpor。所以当外界压力作用时，RFGA的变化量要远大于RUFGA。根据PRS的工作机制，这会极大地提升其PRS的灵敏度S。附图说明
[0034] 图1是本发明能够增强传感器性能的原理图。
[0035] 图2是本发明制备实施例的制备流程及结构图。
[0036] 图3是本发明使用PP封装的原理图。
[0037] 图4是本发明实施例活性材料内部结构变化的扫描电镜图。图4中的(a)-(c)展示的是rGA碎片堆叠状况随外界压力变化的动态过程，(a)对应压缩前，(b)对应压缩时，(c)对应恢复后；图4中的(d)-(f)展示的是rGA固有的多孔结构随外界压力变化的动态过程，(d)对应压缩前，(e)对应压缩时，(f)对应恢复后。
[0038] 图5是本发明实施例的灵敏度测试图。
[0039] 图6是本发明案例的脉搏测试图。
具体实施方式
[0040] 为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
[0041] 本发明的实施例结构图如图2所示，整个PRS呈现立体的结构，该结构能够使PRS的活性材料(例如石墨烯凝胶、碳纳米管凝胶、Mxene凝胶、复合海绵等，以下实施例中为rGA或其碎片)充分发挥作用。传统PRS的活性材料主要是通过活性材料之间2维平面的接触与脱离实现其功能，本发明的这种立体结构有利于实现rGA碎片的3维空间接触，增加有效的接触与脱离点，有助于实现性能的提升。
[0042] 本发明案例中，存在一个问题需要解决：当整块rGA被分散为小碎块后，rGA原有的稳定性三维、网络状结构会遭受到部分的破坏。当压力作用时，堆叠起来的rGA碎片会向四周倒塌，如图3所示。当外界压力撤销后，由于rGA碎片之间没有强有力的牵扯作用，导致原先的堆叠结构不能得到有效的恢复。在压缩的过程中，如何一直维持rGA碎片相互堆叠的结构是本发明所需解决的重要问题。针对这个问题，我们采用了包覆结构。具体而言，使用超薄的PP薄膜(本实施例PP薄膜的厚度可以为20μm，可根据实际应用要求灵活调整；当然，过厚或过薄可能影响封装效果，进而影响测试性能)包覆整个rGA碎片堆叠体的5个面，剩余的底面用于接触叉指电极ANIDE。如图3所示，当外界的作用力施加在样品上时，柔性的PP薄膜强有力地束缚住rGA碎片，避免出现它们因为没有束缚而向四周坍塌的现象；当外界作用力撤销后，rGA与PP的弹性促使其快速的恢复至初始状态。通过PP的包裹结构实现了rGA碎片堆叠结构的维持，而且PP非常的柔软，它的厚度约为20μm，因而它对外界的压力并没有很大的影响。
[0043] 下面就整块rGA、以及rGA碎片分别作为活性材料的PRS进行制作，概括来说，包括以下步骤：
[0044] S1：选取合适尺寸的聚酰亚胺薄片(PI)并清洗，使用Ag/Ni作为磁控材料，制备叉指电极；
[0045] S2：选取石墨粉为原材料，使用改进的Hummer方法制备氧化石墨烯(GO)；
[0046] S3：GO溶液经过水热反应生成石墨烯水凝胶并分成二部分，一部分通过搅拌的方法形成预还原的石墨烯水凝胶碎片，另一部分不做处理(分别对应整块rGA、以及rGA碎片)；
[0047] S4：通过冷冻干燥的方法冻干两种预还原的石墨烯水凝胶。在双温区管式炉中，以氩气为保护气体(当然，也可以采用氮气或其他惰性气体)，还原rGA；
[0048] S5：对于以rGA碎片作为活性材料的PRS：取一定量的rGA碎片，放置于叉指电极上方，形成堆叠结构。取一定量的PI片，放置于该堆叠结构上方。
[0049] 对于以整块rGA作为活性材料的PRS：取一整块rGA，放置于叉指电极上方；
[0050] S6：对于以rGA碎片作为活性材料的PRS：在加热的条件下使用聚丙烯薄膜(PP)使碎片堆叠紧密，并使之与叉指电极接触良好。引入电极导线，使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行封装。
[0051] 对于以整块rGA作为活性材料的PRS：取一定量的PI片，放置于整块rGA上，使受力均匀。引入电极导线，使用聚二甲基硅氧烷(PDMS)进行封装。
[0052] 步骤S3中所使用GO溶液的浓度可以为3mg/ml，形成凝胶所需的温度(即水热反应温度)为125摄氏度。
[0053] 步骤S4中所冻干的冷井温度为零下60摄氏度，冻干时间12h。还原石墨烯的温度为500摄氏度。
[0054] 更进一步，步骤S5中(即在步骤S6使用PP封装前)，取合适尺寸(应覆盖整个rGA碎片堆叠体的上表面)的聚酰亚胺放置于堆叠结构上，使所受外力均一。
[0055] 更进一步，步骤S6中使用PP封装所使用的加热台温度可以为120摄氏度，样品(即rGA碎片堆叠体)放置于载玻片上。
[0056] 按照上述发明的实验步骤(S1)，本发明案例可采用喷墨打印－磁控溅射的方式制备电极，使用该方法能够实现大规模的制备，并且与现在的工业体系能够完好的相耦合。使用Ag作为主体的导电纹路材料在于其优良的导电能力，然而在空气的环境下，Ag材料溶液被氧化而导致该导电材料不能长久保持优良的导电性。由于Ni材料有一定的导电性和优良的抗氧化能力，因此在本发明案例中在Ag材料上覆盖一层Ni材料，充当Ag材料的保护层，保护叉指电极能长久的使用。
[0057] 按照上述发明的实验步骤(S2)，本发明案例采用改进的Hummer方法制备GO，该方法具有产量大、成本低的优点，有利于本案例的大规模应用。其次，这种方法制备的GO含有大量的官能团，具有很强的亲水性，极易形成良好的水溶液，有利于后续的凝胶形成。
[0058] 按照上述发明的实验步骤(S4)，本发明案例采用冷冻干燥的方式获得预还原的石墨烯凝胶。冷冻干燥的方法是获得多孔性材料的常用方法，该方法采用临界物相转换原理，能极大地保持物体的内部微结构。就本案例而言，它可以保持气凝胶的多孔结构，避免石墨烯的孔洞因为水份的去除而坍塌。此外，在本实验步骤(S4)中采用高温还原的形式制备rGA，该方法的优势在于方法简单，易于与现代的工业系统集成。氩气应为廉价、惰性，常被用于高温环境，本案例使用氩气作为保护气体是为防止石墨烯被空气中的氧气所氧化，进而提升所制备rGA的质量。
[0059] 按照上述发明的实验步骤(S6)，本发明案例采用加热PP膜的方式进行rGA碎片的初步封装，该PP材料具有较低的热变形温度(100摄氏度)和低维卡软化温度(150摄氏度)，能保证封装程序的简单、易操作等优点。此外，该材料具有非常好的抗冲击强度等优点，能确保活性材料在反复压缩过程中保持稳定的性能。
[0060] 按照上述发明的实验步骤(S6)，本发明案例采用PDMS作为最后的封装材料，该材料具有成本低、使用简单、具有良好粘附性、良好弹性以及良好化学惰性等优点，本案例使用该材料有助于传感器性能的稳定。
[0061] 按照上述发明的原理：FGA灵敏度的提升来自于增加的接触电阻Rcont与孔径电阻Radpor。为了证实本案例制备的器件是否符合这一设想，本案例分析了FGA在压缩过程中，它的活性材料微结构发生改变的动态过程。本案例使用了高分辨的SEM获取了FGA压缩前后的形貌图片，如图4所示。正如本案例上述的设想，压缩过程中FGA的结构变化分为2部分，一部分为rGA碎片堆叠孔洞的变化，另一部分为rGA内部固有孔洞的变化。图4中的(a)-(c)展示的是rGA碎片堆叠状况随外界压力变化的动态过程。初始时，rGA碎片(呈米粒状，每个碎片的长度约为136～364μm，宽度约为45～220μm)相互堆叠，形成一系列的孔洞，如图4中的(a)所示。这些孔洞的尺寸约为几百微米，与rGA碎片的尺寸相当，这种结构与本案例最初的设想完全一致。当外界压力作用时，如图4中的(b)所示，rGA碎片之间的接触由松弛的状态变为紧密的状态，具体表现为原先的堆叠孔洞变的狭小甚至消失(图4，1号虚线曲形区域)。当外界压力撤销后，rGA碎片与PP的高弹性促使每个rGA碎片恢复至最初的堆叠状态，如图4中的(c)所示，这些孔径重新出现并大致恢复至原先的尺寸。另一方面，rGA固有的多孔结构也表现出同样的变化趋势。如图4中的(d)-(f)所示，当外界压力作用时，固有的孔洞变小甚至消失；当外力撤销后，这些孔洞又重新出现。这些SEM图片(d-f)分别来自图4中的(a)-(c)的2号实线方框区域，并与之一一对应。此外，从图4中可以明显地观察到：rGA固有孔径远小于因rGA碎片堆叠而形成的孔径。相比较堆叠孔径的200μm尺度，固有孔径的尺度仅为10μm，这与本方案上述的设想保持一致。实际上，图4中的(d)-(f)不仅仅揭示了rGA固有结构应对外界压力时其内部结构的变化过程，也表明了UFGA响应外界压力时其内部结构的变化过程，它们的变化效果保持一致。因此，图4的这2种变化过程实际上是FGA与UFGA工作时，内部结构的主要变化过程。当然，在FGA的结构变化中，这2种变化都存在，但图(a-c)的变化更为明显，占主导因素。
[0062] 按照上述设想与实验步骤，本案例对所获得的2种PRS进行性能对比测试。测试系统的主要器件包含有测力器、安捷伦、7S运动控制器及相应的软件等。灵敏度(Sensitivity，S)是传感器的重要参数之一，是衡量传感器质量好与坏的重要指标。不同传感器的灵敏度定义方式略有不同，其中占据主流地位的方式是电阻变化率(ΔR/Roff)与压强的相对关系，即该的关系曲线斜率的绝对值为灵敏度S，它的关系式为：
[0063]
[0064] 其中ΔR为负载与不负载时的电阻改变量，Roff为不负载状态下的电阻值，δP为外界施加压强的改变量。如图5所示，右图为左图的虚线方形区域的放大图。根据上述公式，当压强处于0.5～2.0kPa区域时，FGA的灵敏度S＝0.46kPa-1，UFGA的灵敏度S＝0.034kPa-1，FGA的灵敏度是UFGA的10倍。
[0065] 进一步，本案例使用这2种传感器分别对人体的脉搏进行探测。如图6所示，UFGA与FGA均能探测脉搏的起伏状态。在相同的脉搏压力下，FGA的电流变化率(ΔI/Ioff)的平均最高值为0.69％，而UFGA的平均最高值为0.21％。这说明FGA的探测能力明显优于UFGA。此外，通过单个脉搏测试图(右侧)，我们可以明显地观察到：UFGA不能分辨出单个脉搏曲线的Pn(n＝1、2、3)峰。一般而言，单个脉搏曲线分为2部分的压强区域，即收缩压强区域与舒张压强区域，它们分别由心脏的收缩与舒张活动引起。在脉搏测试图中，这2个区域分别对应一个压强的最大值峰，即P1与P3峰。随着年纪的增长，在收缩压强区域，会出现另一个峰P2，它表示血管的健康状况。右图中，FGA可以清晰地探测出这些峰位，但UFGA不能有效地探测出来。这份测试的结果图进一步表明UFGA的性能远胜于FGA。
[0066] 利用本发明基于碎片化结构提升压阻式传感器灵敏度的方法得到的压阻式传感器，包括由多个碎片化的多孔性材料堆叠形成的碎片化结构，碎片化结构对应的电阻值能够在所述压阻式传感器所处的压力条件发生变化时产生变化，从而在所述压阻式传感器所处的压力条件发生变化时用于给该压阻式传感器的电阻值带来额外的变化。上述实施例在利用聚丙烯薄膜PP包裹多个相互堆叠的rGA碎片，形成被密封在局部空间内的碎片化结构后，还可以在该碎片化结构的上方(即最上方的聚丙烯薄膜PP)放置聚酰亚胺PI片，使受力均匀。
[0067] 上述实施例仅以rGA为例，本发明中的基于碎片化结构提升压阻式传感器灵敏度的方法也可适用于其他压阻式传感器活性材料，如碳纳米管凝胶、Mxene凝胶、复合海绵等。
[0068] 本发明所采用的改进的Hummer方法获得氧化石墨烯，再利用氧化石墨烯制备石墨烯水凝胶。可参考现有技术，如Yihua Gao.Freestanding and flexible graphene wrapped MnO2/MoO3nanoparticle based asymmetric supercapacitors for high energy density and output voltage[J].RSC Adv.May 2015.Issue 56.Page 45129to 45135。
| 标题 | 发布/更新时间 | 阅读量 |
|---|---|---|
| 一种多壁碳纳米管的修饰方法 | 2020-05-11 | 689 |
| 一种多壁碳纳米管混凝土 | 2020-05-11 | 462 |
| 聚合物涂覆的多壁碳纳米管 | 2020-05-11 | 669 |
| 氮掺杂多壁碳纳米管的制备方法 | 2020-05-11 | 873 |
| 一种多壁碳纳米管电极的制作方法 | 2020-05-11 | 639 |
| 一种多壁碳纳米管电极的制作方法 | 2020-05-12 | 246 |
| 多壁碳纳米管薄膜气敏传感器 | 2020-05-12 | 981 |
| 定位裁剪多壁碳纳米管的方法 | 2020-05-12 | 162 |
| 一种多壁碳纳米管的制备方法 | 2020-05-13 | 941 |
| 单壁碳纳米管与多壁碳纳米管分离方法 | 2020-05-11 | 886 |
高效检索全球专利专利汇是专利免费检索,专利查询,专利分析-国家发明专利查询检索分析平台，是提供专利分析，专利查询，专利检索等数据服务功能的知识产权数据服务商。
我们的产品包含105个国家的1.26亿组数据，免费查、免费专利分析。
分析报告
专利汇分析报告产品可以对行业情报数据进行梳理分析，涉及维度包括行业专利基本状况分析、地域分析、技术分析、发明人分析、申请人分析、专利权人分析、失效分析、核心专利分析、法律分析、研发重点分析、企业专利处境分析、技术处境分析、专利寿命分析、企业定位分析、引证分析等超过60个分析角度，系统通过AI智能系统对图表进行解读，只需1分钟，一键生成行业专利分析报告。
QQ群二维码
意见反馈
意见反馈