一种表皮传感器的制备方法、其表皮传感器及应用

本技术涉及传感器领域，具体为一种表皮传感器的制备方法、其表皮传感器及应用。

背景技术：

1、自二十世纪八十年代开始，国外一些研究机构开始对柔性传感器进行研究，并应用于医学等领域。目前，以智能手表为代表的可穿戴设备已经用于身体生理参数(例如血压、心率(hr)脉搏、体温、血糖水平、运动模式等)的长期监测，以监测、改善人体健康，并变得越来越受欢迎。现有可穿戴设备这类传感器通常由不透气的柔性橡胶构成，如pdms、ecoflex、pvdf等；在长期使用过程中，传感器和皮肤之间的汗液会极大影响结果的准确性，并导致皮肤不适或过敏等问题。

2、为此，人们进行了大量的研究。例如，中国专利申请cn113237581a公开了一种皮肤硬度传感器及其制作方法，该方法包括：螺旋线电极和圆盘电极的制备步骤、压力敏感的电容材料的制备步骤。其中，螺旋线电极和圆盘电极的制备步骤如下：将纳米银线和碳纳米管按照质量百分比为一比一混合后分散在醇类溶液中；将贴在玻璃片上的聚酰亚胺薄膜图案化；在所述玻璃片上喷涂纳米银线/碳纳米管导电颗粒；在第一温度下干燥第一时长；去掉多余聚酰亚胺薄膜后，将聚二甲基硅氧烷倒在电极上，通过真空作用渗透进导电颗粒网络中，固化聚二甲基硅氧烷后将聚二甲基硅氧烷从所述玻璃表面揭下，所述纳米银线/碳纳米管导电颗粒嵌入在聚二甲基硅氧烷的表面，形成所述螺旋线电极和所述圆盘电极。该皮肤硬度传感器可应用于硬皮病患者的皮肤硬度定量分析，从而判断患者预后及治疗效果，更可以推广应用于健康人群的皮肤状态评估。

3、中国专利申请cn113049150a公开了一种柔性压力传感器及其制备方法和机器人皮肤、可穿戴设备，该柔性压力传感器包括柔性基层，柔性基层包括第一柔性基层、第二柔性基层。其中，第一柔性基层、第二柔性基层选自柔性绝缘材料，柔性绝缘材料选自硅橡胶、硫橡胶、聚乙烯、聚酰胺、聚四氟乙烯中的至少一种。

4、中国专利申请cn110693469a公开了一种具有分级压峰结构的电子皮肤及其制备方法，该方法包括以下步骤：制备表面溅射有压敏感应层的柔性衬底；制备带绝缘网层的电极封装层；制备保持架并封装。该结构中，柔性衬底、压敏感应层、保持架及电极封装层均可为柔性材料，可贴附于鼻子下端、手腕的桡动脉、手指和脚底等不同位置，因而可以很好地应用于人体生理信号检测和机器人领域。

5、中国专利申请cn110383021a公开了一种使用电阻式力传感器阵列的血压测量系统，其包括由作为衬底的导电膜构成的传感器元件。传感器元件可以以交叉指型或相对的构造实现。传感器阵列还包括在传感器元件的顶部上的用于将施加的压力传递或聚焦到导电膜的机械界面。

6、中国专利申请cn107345840a公开了一种基于载银纳米纤维的柔性力敏传感器及其制备方法，该传感器包括柔性力敏电阻薄膜，所述的柔性力敏电阻薄膜与电源和电流表串联，所述的柔性力敏电阻薄膜包括载银纳米纤维膜，所述的载银纳米纤维膜由海藻酸/银纳米颗粒复合纳米纤维组成，所述的海藻酸/银纳米颗粒复合纳米纤维是由静电纺丝法制得的海藻酸钠纳米纤维，经离子交换制得海藻酸银纳米纤维，再还原银离子制得的。该传感器的敏感电阻具有较好的柔韧性，可直接粘附于皮肤上，不会伤害皮肤，且具有较好的温度性和灵敏度，可以实现对脉搏、呼吸频率、心跳等生理活动的监测。同时，还具有抗菌作用直接与皮肤接触更加安全。

7、中国专利申请cn114739561a公开了一种基于蚕丝蛋白的抗汗湿柔性压力传感器及其方法、应用，其包含两层电极层和夹在中间的离子介电层，其中电极层为具有微凸起结构和金图案的蚕丝蛋白膜，离子介电层为蚕丝蛋白/离子液体纤维毡；且蚕丝蛋白材料自身和纤维结构的高透气性使传感器具有很好的透气性及抗汗湿能力，在长期佩戴或者皮肤出汗条件下能够准确测量血压。

8、发明人在实践中发现，在某些情形下，现有用于皮肤的表皮传感器难以满足实际应用的需求。例如，对于术后患者而言，通常会在患者皮肤表面粘贴非侵入式的柔性传感器，用以对患者的生命指征指标参数等进行持续监测；由于现有柔性传感器的透气性和生物相容性较差，当柔性传感器佩戴一段时间后，皮肤表面的汗液无法有效排出，累积在柔性传感器下方的汗液极易导致皮肤不适或过敏等问题，如红疹等，严重时可能发展为压疮，还会影响检测结果的准确性。因为术后皮肤敏感度高，对于胶布、胶水等通过化学成分提供粘黏性的方法，或通过绑带等基于压力的物理固定方法，长时间使用会造成不同程度的不适或炎症。更薄的薄膜类材料会产生更好的自贴敷能力，但是在材料学上，薄度和孔隙率存在一定的矛盾性。尤其是厚度低于1微米的薄膜材料，为了维持热力学的稳定性，能够提供百纳米以上孔径大小以及高孔隙率的材料是十分稀少的。市面上自支撑的薄膜材料，厚度在1微米以下的，几乎都是无孔致密的。另外，当薄膜材料的厚度在1微米以下时，将其制备成相应的传感器是困难。为此，迫切需要纳米量级的表皮传感器，尤其是一种透气透水性好的、可以自贴敷的用于皮肤表面检测的表皮传感器，以解决上述问题。

技术实现思路

1、本技术的发明目的之一在于，提供一种表皮传感器的制备方法，其以超高分子量聚乙烯超薄膜为基底材料，制备出厚度纳米量级的传感器。

2、为了实现上述目的，本技术采用如下技术方案：

3、一种表皮传感器的制备方法，包括如下步骤：

4、(1)取厚度50-1000nm的超高分子量聚乙烯超薄膜，使用醇类有机溶剂对超高分子量聚乙烯超薄膜进行润湿，排出超高分子量聚乙烯超薄膜空隙内部的空气；再用去离子水浸泡，使超高分子量聚乙烯超薄膜的水接触角达到30-90°实现水溶剂化，取出后立即进行下一步；

5、(2)在水溶剂化后的超高分子量聚乙烯超薄膜表面设置水溶性掩膜层，水溶性掩膜层上设置有镂空形状；然后将设置有水溶性掩膜层的超高分子量聚乙烯超薄膜置于金属块件上，再进行导电电极制备；在导电电极制备过程中，通过金属块件为超高分子量聚乙烯超薄膜提供外部支撑，并导出热量；最后将导电电极制备完成后的超高分子量聚乙烯超薄膜置于水中，待水溶性掩膜层与超高分子量聚乙烯超薄膜分离后，得到表面设置有导电电极的超高分子量聚乙烯超薄膜，即表皮传感器。

6、还包括如下步骤：

7、(3)得到表面设置有导电电极的超高分子量聚乙烯超薄膜后，在表面设置电化学活性材料，得到超高分子量聚乙烯超薄膜、导电电极、电化学活性材料为一体的表皮传感器。

8、镂空形状是基于设计的电极电路确定的，不同的电极电路对应不同的形状，跟实际的设计者有关。

9、进一步，所述电化学活性材料采用沉积、涂覆方式固定设置在金属电路层上。

10、进一步，涂覆方式为手动涂覆或者3d打印涂覆。

11、所述醇类有机溶剂为乙醇、异丙醇中的一种或多种。

12、所述步骤(1)中，超高分子量聚乙烯超薄膜的孔隙率为30-70％，孔隙直径为10-200nm。

13、所述步骤(2)中，采用磁控溅射实现导电电极制备。

14、磁控溅射采用的溅射靶材为铬、金、铂中的一种或多种。

15、所述超高分子量聚乙烯超薄膜的制备方法如下：将uhmwpe树脂与膨胀溶剂在100～150℃下混合搅拌均匀，制成第一悬浮液；将第一悬浮液挤压成凝胶薄膜，再将制备的凝胶薄膜进行拉伸；将拉伸后的超凝胶薄膜进行时效处理，保持在120～140℃下30分钟；待时效处理完成后，再进行溶剂萃取，去除膨胀溶剂，而后在60℃下干燥1～10h，即得超高分子量聚乙烯超薄膜(简称：ltm)。

16、所述膨胀溶剂为凡士林、矿物油中的一种或多种。

17、所述萃取采用的溶剂为热六氯乙烷、丙酮、十氢化萘中的一种或多种。

18、采用双螺杆挤出机将第一悬浮液挤压成凝胶薄膜，再将制备凝胶薄膜在万能拉伸测试系统上进行两次拉伸。

19、时效处理条件为：125℃下30分钟。

20、所述表皮传感器采用前述的方法制得。

21、采用前述方法制备的表皮传感器，其以厚度50-1000nm的超高分子量聚乙烯超薄膜为基底材料，超高分子量聚乙烯超薄膜上设置有导电电极。

22、还包括电化学活性材料。

23、前述表皮传感器的应用，将该表皮传感器用于皮肤表面生理参数的测定。

24、进一步，将前述表皮传感器用作温度传感器、离子浓度测定传感器、血压传感器或有机物浓度测定传感器。

25、一种超高分子量聚乙烯超薄膜的应用，所述超高分子量聚乙烯超薄膜的厚度为50-1000nm，将该材料用作表皮传感器的基底材料；

26、包括如下步骤：

27、(1)取厚度50-1000nm的超高分子量聚乙烯超薄膜，使用醇类有机溶剂对超高分子量聚乙烯超薄膜进行润湿，排出超高分子量聚乙烯超薄膜空隙内部的空气；再用去离子水浸泡，使超高分子量聚乙烯超薄膜的水接触角达到30-90°实现水溶剂化，取出后立即进行下一步；

28、(2)在水溶剂化后的超高分子量聚乙烯超薄膜表面设置水溶性掩膜层，水溶性掩膜层上设置有镂空形状；然后将设置有水溶性掩膜层的超高分子量聚乙烯超薄膜置于金属块件上，再进行导电电极制备；在导电电极制备过程中，通过金属块件为超高分子量聚乙烯超薄膜提供外部支撑，并导出热量；最后将导电电极制备完成后的超高分子量聚乙烯超薄膜置于水中，待水溶性掩膜层与超高分子量聚乙烯超薄膜分离后，得到表面设置有导电电极的超高分子量聚乙烯超薄膜，即表皮传感器。