[发明专利]一种悬臂梁式纸基传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种悬臂梁式纸基传感器，其特征在于，包括感应部、信号转换部和信号输出部，感应部包括纸基和碳膜，纸基包括一体成型的载体和悬臂梁，碳膜设置在悬臂梁表面与载体连接的一端，信号转换部设置在载体上，信号转换部包括电路导线和电子元器件，电路导线与电子元器件组成连接碳膜的信号转换电路，信号输出部包括输出导线，信号转换电路通过输出导线与外部测量仪器连接，通过悬臂梁式的设计放大纸基的变形，提高纸基传感器的灵敏度，且不会对载体造成影响，使得信号转换电路能够设置在载体上，提高纸基传感器的集成度。

技术领域

本发明涉及传感器技术领域，具体涉及一种悬臂梁式纸基传感器及其制备方法。

背景技术

传感器作为一种精密的装置或器件，能将各种不易捕捉或度量的非电量信号转变为易于检测和显示的电量信号，它是现代工业生产、医疗卫生、航空航天、可穿戴式等应用领域中必不可少的一部分。其中，力学量传感器是将检测到的力或位移信号转变为相应的电信号，主要用于压力、拉力、张力、力矩等各种直接力的测量或者位移、加速度、角度、角速度、液位等物理量的转换，也是目前使用范围最广、需求量最大的传感器之一。目前常用的力传感器主要以半导体硅、金属、陶瓷、聚合物等材料作为传感器的敏感材料或基体。随着可穿戴医疗、柔性电子学等技术发展以及电子器件绿色、环保等要求的不断提高，对于高灵敏度、可测量大变形、低成本，并且绿色环保的传感器的研究已成为传感器发展的趋势之一。

纸作为中国古代的四大发明之一，长期以来一直用于书写、记录、印刷、绘画或包装等多种用途。纸由悬浮在水中的纸浆，在造纸机成形网上沉积出错综复杂的纤维层、再经压榨、干燥等工序制成，具有价廉易得、重量轻、可通过剪裁、折叠、冲压、激光切割等简单工艺进行形状加工、可通过书写、打印、印刷、喷涂、微纳加工等方法进行表面的图案化和处理、并且具有绿色环保、容易回收和处理等优点，因此利用纸制备传感器，可从一定程度上降低传感器的制备成本、提高传感器的环保等级，同时利用纸表面的天然结构或通过折叠制备的大尺寸结构还能大幅度提高传感器的灵敏度以及实现大变形测量。

近年来，随着柔性电子技术的发展以及电子器件的绿色、环保等要求，纸基传感器因表面微纳结构、易折叠以及低成本等特点而逐渐成为新的发展趋势，但对于纸基力学量传感器的研究仍较少，并且目前报道的纸基力学量传感器主要以纸作为载体，在纸基表面上涂敷一层碳膜，并利用纸基表面微纳结构的变形，实现碳膜压阻效应。但这种变形往往很小，造成传感器的灵敏度不高。同时，传统纸基传感器制备工艺复杂，并要实现信号的转变，需要外接信号转换电路板，其集成度很低。

因此，本发明提出一种制备工艺简单、成本低且灵敏度和集成度高的悬臂梁式纸基传感器。该纸基传感器不仅采用纸作为载体，利用悬臂梁末端部位碳膜应力集中，易产生大变形，从而提高其灵敏度。同时在其表面上涂敷了信号转换电路，直接实现信号转换，并降低了外接电路板的成本。

发明内容

本发明要解决的技术问题是提供一种高灵敏度且高集成度的纸基传感器，通过悬臂梁式的设计放大纸基的变形，提高纸基传感器的灵敏度，且不会对载体造成影响，使得信号转换电路能够设置在载体上，提高纸基传感器的集成度。

为了解决上述技术问题，本发明提供了一种悬臂梁式纸基传感器，其特征在于，包括感应部、信号转换部和信号输出部，所述感应部包括纸基和碳膜，所述纸基包括一体成型的载体和悬臂梁，所述碳膜设置在所述悬臂梁与所述载体的连接处，所述信号转换部设置在所述载体上，所述信号转换部包括电路导线和电子元器件，所述电路导线与电子元器件组成连接所述碳膜的信号转换电路，所述信号输出部包括输出导线，所述信号转换电路通过所述输出导线与外部测量仪器连接。

进一步的，所述碳膜为U型结构。

可选择的，所述碳膜的材料为石墨、石墨烯或碳纳米管。

可选择的，所述纸基通过裁切、冲压或者激光切割工艺形成。