CN107615031A - 电阻式微流体压力传感器 - Google Patents

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Abstract

提供了一种电阻式微流体压力传感器，其包括包含具有碳基导电液体的微流体通道的第一层，以及包含至少两个电极的第二层，该至少两个电极被适配成测量在微流体通道由于在该传感器的表面上施加的力的变化而变形之际测量碳基导电液体的电阻。

Description

电阻式微流体压力传感器
技术领域
本发明涉及电阻式微流体压力传感器，尤其涉及柔性的电阻式微流体压力传感器。
背景技术
具体地，基于微流体的感测设备由于其超常的灵敏性、柔性和适应性而已经被用于各种化学和生物测定、蜂窝操纵、以及电子皮肤应用。通过利用仅少量导电液体(例如，金属或离子液体)，可在基于微流体的设备中通过工作液体的几何或物理性质的改变(诸如其电容的变化)来检测对外部负载的响应。在液体的固有机械变形的情况下，液态设备技术提供用于改进能够经受极度变形而没有与常规的固态材料相关联的塑性变形、断裂和分层的适形设备的合适途径。在考虑要在基于微流体的传感器中使用的液体材料时，具有低粘性和高物理化学稳定性的工作流体是高度有利的。
通常使用的基于微流体的感测设备基于通过测量电容进行的检测。测量外部负载的力一般更为复杂。
此外，在其深远的技术影响下，压力感测是各种各样的新兴应用(诸如在软体机器人、可穿戴消费电子产品、智能医用假体装置和电子皮肤、以及实时医疗保健监控)的最关键组成部分之一。随着对这些应用的要求的持续增加，对压力感测的要求同样变得更为严格，尤其是对轻量、灵活和低成本的要求。
因此，存在对能够以简单和成本有效方式达成可靠测量，同时适合于至少在以上提及的应用中使用的改进的压力传感器的需求。
发明内容
本发明寻求解决这些问题，和/或提供改进的微流体压力传感器。
概括地说，本发明涉及电阻式微流体压力传感器。具体地，电阻式微流体压力传感器制造起来简单并相对便宜，同时具有优越的机械变形性和完整性，由此适合于广泛的应用。
根据第一方面，本发明提供了一种电阻式微流体压力传感器，包括：
-包括微流体通道的第一层，该微流体通道包括碳基导电液体；以及
-包括至少两个电极的第二层，至少两个电极被适配成，在微流体通道由于在该传感器的表面上施加的力改变而变形之际，测量碳基导电液体的电阻。
具体地，在该传感器的表面上施加力导致微流体通道变形，由此减少了微流体通道的横截面积并增大了碳基导电液体的电阻。施加在该传感器的表面上的力可以是任何合适的力。例如，力可以是按压力、弯曲力、剪切力和/或拉伸力。
根据特定方面，电阻式微流体压力传感器可以是柔性的。
碳基导电液体可包括石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨、富勒烯、碳纳米管、碳黑、官能化的碳基纳米材料或其组合。具体地，碳基导电液体可以是氧化石墨烯。氧化石墨烯可具有任何合适的浓度。例如，氧化石墨烯的浓度可≥0.2mg/mL。具体地，氧化石墨烯的浓度可≥0.5mg/mL，≥1.0mg/mL，≥1.5mg/mL，≥2.0mg/mL，≥2.5mg/mL，≥3.0mg/mL，≥3.5mg/mL。甚至更具体地，氧化石墨烯的浓度可≥3.0mg/mL。
根据特定方面，第一层和第二层可具有相同或不同的材料。具体地，第一层和第二层可由弹性体材料形成。第一层和第二层可由任何合适的弹性体材料制成。具体地，第一层和第二层可包括硅胶、聚甲基硅氧烷(PDMS)、聚丁酸(polybutyrate)、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)或其组合。甚至更具体地，第一层和第二层可以分别是硅胶和PDMS。
根据另一特定方面，第一层和第二层被安排成将碳基导电液体密封在微流体通道内，碳基导电液体夹在第一层与第二层之间。
根据第二方面，提供了一种用于压力感测的可穿戴设备。具体地，可穿戴设备包括如上所述的电阻式微流体压力传感器。
附图说明
为了本发明可被完全理解并且易于被付诸实施，现在应该藉由非限定示例来仅描述示例性实施例，该描述参照所附解说性附图。在附图中：
图1A示出了根据本发明的一个实施例的电阻式微流体压力传感器的示意表示，而图1B示出了根据本发明的一个实施例的电阻式微流体压力传感器的照片；
图2示出了图1A的电阻式微流体压力传感器的制造的示意表示；
图3示出了电阻式微流体压力传感器的工作机制；
图4A示出了针对剥离测试实验装置的示意解说，而图4B示出了柔性材料组件的最终剥离强度(kPa)。“*”表示基于t测试的ρ<0.05的统计学上显著的差异；
图5示出了具有不同浓度的GO悬浮液因变于时间的电阻(MΩ)稳定性。插图示出了GO悬浮液因变于其浓度(mg/mL)的电阻(MΩ)分布(profile)；
图6A到6D示出了所制造的电阻式微流体压力传感器的机械变形特性；以及
图7A示出了在0.5N的负载被施加在电阻式微流体压力传感器上的情况下代表性负载(N)相对于伸展(mm)的轮廓。插图示出了在不同负载(范围从1到0.02N)被施加在压力传感器上的情况下相应的负载(N)相对于时间(s)的轮廓；图7B示出了与图7A相同的轮廓，只是在电阻式微流体压力传感器上施加了0.25N的负载；图7C示出了在施加从1跨越至0.02N的不同负载之际压力传感器的电阻的相对变化(MΩ)相对于时间(s)的轮廓；图7D示出了在施加0.5N负载的情况下设备因变于响应时间的压缩负载(N)和电阻(MΩ)的相对变化的叠加轮廓；图7E示出了针对0.02、0.05、0.1和0.25N的不同负载通过实验(黑点)以及理论建模(红线)获得的设备因变于负载(N)的电阻的相对变化率(R/R0)，其具有高相关系数(R2＝0.97)；图7F到7H示出了在1.8g(图7F)、1.0g(图7G)和0.7g(图7H)的机械旋拧的循环加载和卸载之际压力传感器的电阻(MΩ)相对于时间(s)的轮廓。图7H的插图示出了实际0.7g机械旋拧被加载于压力传感器上；
图8A示出了经受100个循环负载切换循环的压力传感器的电阻轮廓，而图8B示出了以(g)计的压力传感器的电阻轮廓的在95个加载－卸载循环之后的部分的经放大的视图；
图9示出了显示当压力传感器经受动态加载和卸载循环时它的电阻的相对变化的标绘：(A)按压，(B)拉伸，以及(C)弯曲；
图10示出了显示压力传感器的电阻对于手指的动态移动的相对变化的标绘：图10A示出了向前弯曲而图10B示出了向后弯曲。图10C示出了压力传感器的电阻响应对于动态握拳运动的相对变化；而图10D示出了普通握紧和弱握紧的特性响应；以及
图11A示出了本发明的电阻式微流体压力传感器的替换实施例的透视图，而图11B到11D示出了处于原始状态的图11A的压力传感器分别当与粗糙表面接触时以及当与较为光滑的表面接触时的横截面视图。
具体实施方式
本发明提供了一种电阻式微流体压力传感器。电阻式微流体压力传感器可以是柔性和适形电阻压力传感器，其包括封闭在微流体压力传感器内的微流体通道内的导电液体。具体地，导电液体的电阻的具体增大或减小对应于压力传感器上施加的不同机械力的特性响应。
电阻式微流体压力传感器可以是高度柔性的，并且能够抵抗和区分在其上施加的各种机械变形，如按压、拉伸、剪切和弯曲。此外，压力传感器是高度适形的、可穿戴的、并且能够区分众多手部肌肉刺激运动，诸如手指弯曲和握拳。可通过使用压力传感器来识别由握拳运动产生的握力的轻微差异。这些属性向如本文中所述的电阻式微流体压力传感器提供了用于实时和现场健康监视以及用于疾病诊断和预后的有吸引力和理想的平台。
电阻式微流体压力传感器还可以能够检测各种表面纹理。例如，表面纹理的轻微改变可通过使用传感器而引出不同的电子签名。
所描述的电阻式微流体压力传感器也是容易制造的，并且因此其制造过程可因此在不需要复杂和昂贵装备的情况下容易地扩大。
根据第一方面，提供了一种电阻式微流体压力传感器，包括：
-包括微流体通道的第一层，该微流体通道包括碳基导电液体；以及
-包括至少两个电极的第二层，至少两个电极被适配成在微流体通道由于在传感器的表面上施加的力改变而变形之际，测量碳基导电液体的电阻。
具体地，电阻式微流体压力传感器是柔性的。
电阻式微流体压力传感器可包括触觉传感器。出于本发明的目的，电阻式微流体压力传感器200可被定义为能够检测由机械力和/或运动产生的机械变形，并且可将该力或运动作为电信号或替换的可测量输出来测量的设备。
根据本发明的压力传感器是电阻压力传感器。因此，电阻压力传感器能够将压力作为因传感器的横截面积在所施加的压力下的变形导致的传感器电阻或电压的变化来测量。这与电容压力传感器相反，电容压力传感器基于因两个垂直板之间的材料性质或移位导致的介电性质的变化来测量压力。电阻压力传感器更易于制造和组合并且需要简单的仪器用于测量。
图1A示出了电阻式微流体压力传感器200，包括第一层202和第二层204。第一层202包括包含碳基导电液体的微流体通道206。第一层202还包括入口208和出口210。入口208和出口210可以是任何合适大小。例如，入口208和出口210的直径可各自约为1-3mm。具体地，入口208和出口210的直径可各自约为1.2mm。
第二层204包括两个电极212。电极212可放置在微流体通道206的相对侧处。第一层202和第二层204可被绑定在一起以形成夹在两个电极212之间的导电液体(未示出)的密封腔。
电极212可以是任何合适电极。例如，电极212可以是但不限于金属带、导线、导电润滑脂、导电油墨或导电膜。具体地，金属带可以是铜带，导电油墨可以是丝网印刷导电油墨，或者导电膜可以是ITO膜。甚至更具体地，电极212可以是铜带。电极212可放置在微流体通道206的相对端处以获得电信号。
入口208和出口210可被密封以将导电液体限定在电阻式微流体压力传感器200内。
图1B示出了电阻式微流体压力传感器200相对于硬币的大小。
第一层202和第二层204
第一层202和第二层204可具有任何合适的材料。具体地，第一层202和第二层204可具有合适的材料，以使得电阻式微流体压力传感器200能够显示高度的柔性和适形性，以及能够抵抗大范围的的机械变形，诸如按压、拉伸、剪切和弯曲。第一层202还是电阻式微流体压力传感器200的将与要被检测和测量的力接触的表面。因此，至关重要的是，用于形成第一层202的材料是高度灵敏的。
第一层202和第二层204可各自具有相同的材料或不同的材料。例如，第一层202和第二层204可由柔性弹性材料形成。具体地，柔性弹性材料可以是弹性体材料。弹性体材料展现出弹性性质，因为响应于力弹性体的聚合物链容易经受扭转运动以准许主链展开，并在没有力的情况下主链反弹以采取先前的形状。一般地，弹性体在施加力时变形，但是随后在去除力时返回至其原始形状。弹性体材料展现的弹性可由杨氏模数来表征。具有约1Pa-1TPa的杨氏模数的弹性体材料可适合于本应用。具体地，弹性体材料的杨氏模数可约为10Pa-100GPa，20Pa-50GPa、50Pa-1GPa、100Pa-50MPa、500Pa-10MPa或750Pa-1MPa可适用于本应用。对于本领域技术人员将是清楚的是，取决于具体应用的需要，也可以使用具有这些范围以外的杨氏模数的弹性体材料。甚至更具体地，第一层202和第二层204可由包括以下的材料来形成：硅胶、乳胶、丁腈橡胶、聚氨酯(PU)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基硅氧烷(PDMS)、聚丁酸、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)或其组合。
根据特定方面，第一层202可由硅胶形成而第二层204可由PDMS形成。对于本领域技术人员将清楚的是，其它材料组合也是可能的。例如，第一层和第二层的组合可以是PDMS-PDMS、硅胶-硅胶、或PDMS-硅胶。
根据另一特定方面，第一层202和第二层204中的每一者可由多层形成。例如，可通过合适的方法将多层结合在一起。例如，多层软光刻可被用于形成第一层202和/或第二层204。弹性体的各层可被分开固化并且随后被结合在一起。该方案需要被固化的各层具有足够的反应性来结合在一起。各层可以具有相同的类型，并且能够与其自身结合，或者它们具有两种不同的类型，并且能够彼此结合。其它可能性包括在各层之间使用粘合剂以及使用热固性弹性体。
第一层202和第二层204可被安排成将碳基导电液体密封在微流体通道206内，从而碳基导电液体夹在第一层202与第二层204之间。具体地，第一层202和第二层204可结合在一起以密封微流体通道206。
微流体通道206
微流体通道206可以是任何合适类型的微流体通道。具体地，微流体通道206必须适合于能够抵抗施加在电阻式微流体压力传感器200表面上的机械压力。
微流体通道206可以具有任何合适的形状。微流体通道206可以是二维或三维结构。例如，微流体通道206可以是直通道、‘S’形通道或其它任何合适形状的通道。微流体通道206可具有任何合适的横截面形状，诸如正方形、长方形、圆形、半圆形、卵形等。
微流体通道206可具有合适的尺寸。具体地，微流体通道206的尺寸被选择成确保微流体通道206的体积被保持在最小值从而需要更少的导电流体。此外，尺寸还使得施加力的面积和电阻式微流体压力传感器200的灵敏性响应很高以确保更容易地检测压力变化。因为微流体通道206包括在第一层202中，所以还考虑第一层202的重量和弹性模量。具体地，如果微流体通道206的宽度过宽，则第一层202可在其自身重量下坍塌。
根据特定方面，微流体通道206可具有1μm-100mm的宽度和/或长度。具体地，微流体通道206的宽度和/或长度可以是10μm-50mm、50μm-10mm、100μm-5mm、50μm-1mm、100μm-1000μm、250μm-750μm、300μm-600μm、450μm-500μm。
根据特定方面，微流体通道206可以是直通道。直通道可具有任何合适的尺寸。例如，直通道具有15mm的长度l、500μm的宽度w和80μm的高度h。
碳基导电液体
微流体通道206包括合适的导电液体。该导体液体被封闭在微流体通道206内。因为微流体通道206包括液态的导电液体，电阻式微流体压力传感器200可以能够经受极度变形而没有与常规的固态材料相关联的塑性变形、断裂和分层。
导电液体可以是任何合适的导电液体。出于本发明的目的，导电液体可包括流体和水凝胶。导电液体可具有低粘性和高物理化学稳定性。因为电阻式微流体压力传感器200正通过测量电阻来感测压力，还要求导电液体有高电阻率。具体地，导电液体可显示低基电阻和电阻随时间具有高稳定性。
合适的导电液体包括但不限于金属纳米粒子、离子溶液、导电润滑脂等。导电液体可以是基于有机物的导电液体。具体地，导电液体可以是碳基导电液体。例如，导电液体可以是石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨、富勒烯、碳纳米管、碳黑、官能化的碳基纳米材料或其组合。甚至更具体地，导电液体包括氧化石墨烯。
氧化石墨烯具有良好的电性质和优越的机械强度和柔性。此外，氧化石墨烯是亲水性和水溶性的，这使得氧化墨烯更易于以均匀方式散布在溶液中。取决于与其相互作用的介质，氧化石墨烯还具有6.16-16.83mN/m的低表面张力。这是有利的，因为非常大的表面张力，诸如金属液体(如共晶GaIn金属合金)的非常大的表面张力将阻止以下情况：该液体占据和形成微流体通道206的特定形状，从而导致不准确的感测和测量。氧化石墨烯对从1-5×10-3S/cm的低差分导电率范围也是高电阻的，并且是非腐蚀性的，因此使得它适合于用作电阻式微流体压力传感器200中的导电液体。
当用作碳基导电液体时，可使用任何合适浓度的氧化石墨烯。例如，氧化石墨烯的浓度可以≥0.2mg/mL。具体地，氧化石墨烯的浓度可≥0.5mg/mL，≥1.0mg/mL，≥1.5mg/mL，≥2.0mg/mL，≥2.5mg/mL，≥3.0mg/mL，≥3.5mg/mL。甚至更具体地，氧化石墨烯的浓度可≥3.0mg/mL。
根据特定方面，碳基导电液体包括高浓度的氧化石墨烯纳米混悬液，该氧化石墨烯纳米混悬液包括同质地散布在蒸馏水中的随机取向的氧化石墨烯纳米片。
导电液体为基于有机物的导电液体(尤其是碳基导电液体)的优势在于可在电性质(诸如但不限于导电率和化学反应性)方面以及在材料性质(诸如但不限于结构、柔性、热稳定性和疏水性)方面调谐该导电液体。碳基导电液体对于增强的设备灵敏性、特异性和响应时间方面是官能化的和可调谐的。碳基导电液体还是生物相容和非腐蚀性的，这使得它对于处置和确保向其添加导电液体的压力传感器的耐用性是安全的。
制造电阻式微流体压力传感器200的方法
现在将描述制造电阻式微流体压力传感器200的方法。图2中示出了制造电阻式微流体压力传感器200的一般方法。
可使用任何合适的方法在第一层上形成微流体通道206。例如，微流体通道206可通过切割、冲压、铸造等被形成为第一层中的开放通道。具体地，包括微流体通道206的第一层202可使用标准光刻技术由晶片上的主模形成。例如，晶片可以是硅晶片并且主模可由SU-8光致抗蚀剂来形成。第一层202可由硅胶形成。因此，软硅胶可以是基与硬化剂按1：1(重量/重量)的比率混合而成。可出于本发明的目的来使用任何合适的基和硬化剂。根据特定方面，基可以是任何合适的弹性体。例如，基可以是但不限于聚氩氨酯、硅树脂弹性体、聚氨酯弹性体或聚甲基硅氧烷。具体地，基可以是EcoflexTM、DragonSkinTM、Sylgard 184TM。甚至更具体地，基可以是铂固化硅胶基，且硬化剂可以是铂固化硅胶硬化剂。
混合物随后可被倒入到硅晶片上并且在合适温度处固化达第一预定时间段以形成第一层202。具体地，固化可在约15-150℃的温度处。例如，固化在25-100℃,50-75℃,55-65℃的温度处。甚至更具体地，固化可在约70℃处实施。第一预定时间段可以是10分钟到24小时。例如，第一预定时间段可以是30分钟到15小时、1-12小时、2-10小时、3-9小时、4-8小时、5-7小时。具体地，预定时间段可以约为1小时。随后可从模具中去除经固化的硅胶。
随后，可在第一层202上形成入口208和出口210。入口208和出口210可通过任何合适的方法来形成。具体地，入口208和出口210可通过冲孔来形成。
第二层204可通过任何合适的方法来形成。具体地，第二层204由PDMS形成并且通过将预聚物混合与固化剂以10：1(重量/重量)的比率混合来形成。混合物可被倒入到夹在两个电极(诸如，铜带)之间的培养皿中，并且在适合温度处固化达第二预定时间段。具体地，固化可在约60-150℃处。例如，固化可在约50-125℃、75-100℃、85-90℃的温度处。甚至更具体地，固化可在约70℃处实施。第二预定时间段可以是30分钟到48小时。例如，第二预定时间段可以是1-40小时、5-35小时、10-30小时、12-25小时、15-24小时、16-20小时。具体地，第二预定时间段可以约为2小时。
在分开形成第一层202和第二层204之际，第一层202和第二层204就可被安排成密封微流体通道206。具体地，第一层202和第二层204被结合在一起。第一层202和第二层204的结合可以是任何合适的方法。例如，结合可以是但不限于热处理、紫外臭氧处理、等离子清洁处理、高压结合、化学结合、环氧结合、机械结合、或其组合。甚至更具体地，通过第一热结合，之后是紫外臭氧(UVO)处理和氧等离子体处理来结合第一层202和第二层204。该热结合可在对流烤箱中在约70℃处被执行达约12小时。该UVO处理可被执行达约3分钟，并且该氧等离子体处理可被执行达约2分钟。
一旦第一层202和第二层204被结合在一起，碳基导电液体被添加至微流体通道206中。然而，在第一层202和第二层204被结合在一起之前将导电液体添加至微流体通道206中也是可能的。具体地，使用注射器通过入口208将具有约5mg/mL的浓度的预定量的氧化石墨烯注入到微流体通道206中。预定量的氧化石墨烯可以约为1mL。入口208和出口210随后可被密封以将碳基导电液体限定在微流体通道206内。密封可以是任何合适的方法。例如，密封可通过在入口208和出口210的顶表面上应用UV粘合剂。
电阻式微流体压力传感器的使用
电阻式微流体压力传感器200基于取决于变形性的电阻感测机制来操作，如图3中所示并且如式(1)中所描述的：
其中R是碳基导电液体的电阻，ρ是碳基导电液体的电阻率，l是微流体通道206的长度，而A是微流体通道206的横截面积。
具体地，在电阻式微流体压力传感器200的表面上施加力可导致微流体通道的变形，由此减少了微流体通道206的横截面积并增大了碳基导电液体的电阻。力可以是按压力、弯曲力、剪切力和/或拉伸力。
甚至更具体地，当在电阻式微流体压力传感器200的表面上施加外部机械压力时，发生微流体通道206的轻微压缩变形。这导致微流体通道206的横截面积减小，进而导致跨微流体通道206的碳基导电液体的电阻增大。另一方面，在释放外部压力之际，由于第一层202的弹性性质，微流体通道206将恢复到其原始状态。这随后导致微流体通道206内的碳基导电液体的电阻减小。碳基导电液体的电阻的具体增大或减小对应于对电阻式微流体压力传感器200上施加的不同机械力的特性响应。
电阻式微流体压力传感器200可连接至至少一个电源和/或电性质测量设备。例如，电源可以是恒定电压源且电性质测量设备可以是电流表、欧姆表或电压表。根据特定实施例，欧姆表可被用作电源和测量设备两者。电阻器或其它电路组件可与电极并联或串联放置，这将允许将电流表与恒定电流源一起使用，或将电压表与恒定电压源一起使用。电压表可测量跨串联电阻器的电压降以确定电极的电性质。
电阻式微流体压力传感器200是高柔性的、可穿戴的且具有出色的机械变形和稳定性，以及制造起来简单且成本低，这使得它适合于许多应用，诸如在柔性可穿戴诊断和预后设备中以及在实时现场健康监视应用中。电阻式微流体压力传感器200还能够区分众多类型的用户施加力，诸如按压、拉伸、剪切和弯曲力，以及表征和识别不同的肌肉引入的运动，诸如手部肌肉引入的运动。
根据本发明的电阻式微流体压力传感器还可以能够检测各种表面纹理，诸如不同粗糙度的那些纹理。例如，表面纹理的轻微改变可通过使用传感器而引出不同的电子签名。图11A中示出了能够检测表面粗糙度的电阻式微流体压力传感器的示例。电阻式微流体压力传感器300可包括第一层302，第一层302进而可包括具有凸起306a的微流体通道306。根据替换实施例，微流体通道306可包括两个或更多个突出部，或突出部阵列。微流替通道306和突出部306a可包括导电液体。导电液体可以是任何合适的导电液体，诸如以上描述的那些导电液体。未示出包括电极的电阻式微流体压力传感器300的第二层。对电阻式微流体压力传感器300的制造可如上所述具有合适的改动以能够在微流体通道306中形成突出部306a。因此，第一层302和第二层可由如上关于第一层202和第二层204所述的材料来制成。
突出部可具有适合于本发明的目的的尺寸。例如，突出部306a可具有约1μm到10mm的高度。具体地，突出部306a的高度可以是10μm-5mm、50μm-3mm、75μm-1mm、100μm-800μm、200μm-750μm、300μm-600μm、450μm-500μm。甚至更具体地，高度可以是1mm-3mm。
一般地，电阻式微流体压力传感器300可被制造成形成取决于剪切力的电阻式感测机制，如图11B到11D中所示。更具体地，当在电阻式微流体压力传感器300的突出部306a上施加外部机械剪切力时，微流体通道306经历轻微的压缩变形。这导致微流体通道306的横截面积减小，进而导致跨微流体通道306的导电液体的电阻增大。另一方面，在释放外部压力之际，并且由于第一层302的弹性性质，微流体通道306将恢复到其原始状态。这随后导致导电液体的电阻减小。导电液体的电阻的具体增大或减小对应于对施加在压力传感器上的不同剪切力的特性响应。图11B示出了电阻式微流体压力传感器300的突出部306a的原始状态。图11C示出了突出部306a在与粗糙表面接触之际的变形，而图11D示出了突出部306a在与较光滑表面接触之际的变形。因此可以看出，当接触较粗糙表面时，突出部306a有较高变形，由此导致电输出的较大变化。
根据第二方面，提供了一种用于压力感测的可穿戴设备。具体地，可穿戴设备包括如上所述的电阻式微流体压力传感器，并且可以是但不限于手套、手表、臂带、头饰、袜子或鞋垫。
尽管前述描述已经描述了示例性实施例，但本领域技术人员将理解，可作出许多改动而不会脱离本发明。
现在已经一般地描述了本发明，通过参照藉由解说提供并且并不旨在限定的以下示例将更容易地理解本发明。
示例
电阻式微流体压力传感器的制造
0.5mg/mL的高浓度氧化石墨烯(GO)纳米混悬液(Graphene Laboratories Inc.(石墨烯实验有限公司)，卡尔弗顿，纽约)在DI水中被稀释至20μg/mL的低浓度，并且随后被沉积在2％(v/v)的3-氨丙基三乙氧基硅烷(APTES，Sigma Aldrich，圣路易斯，MO)处理的SiO2/Si衬底上，之后是空气干燥。使用轻敲模式原子力显微镜(AFM)(Bruker，billerica，MA)来表征沉积态的GO纳米片的表面形貌。随后通过使用图像J软件(NIH，美国)来分析所获得的AFM图像来评估GO纳米片的横向大小分布。检查并测量500个以上的GO纳米片以获得横向大小分布。
可以观察到，各个体GO纳米片具有约1.2nm的厚度，这指示悬浮液中的这些GO纳米片是单层。此外，GO纳米片的悬浮液的平均大小是0.487±0.286μm(均值±标准差)。
通过使GO纳米片遭受2000×g的离心分离作用达5秒(s)、30s、和2分钟的不同历时来进一步表征DI水中GO纳米片的散布。作为控制，GO纳米片也散布在不同的溶液，即乙醇中。甚至在经历加强的离心分离作用后，GO纳米片在DI水中的散布仍维持其同质。相反，散布在乙醇中的那些纳米片在离心分离作用之后形成沉淀并且稳定在底部。所有这些突出了在DI水中GO纳米片散布的同质性以及将GO纳米混悬液用作本发明的电阻式微流体压力传感器中的导电液体的适合性。一旦形成GO纳米片，电阻式微流体压力传感器就制成了。具体地，压力传感器包括采用软硅胶(EcoflexTM)的微流体通道的第一层和采用PDMS的第二层。软硅胶具有1070kg/m3的密度以及250kPa的杨氏模数。PDMS具有970kg/m3的密度以及2MPa的杨氏模数。直微流体通道具有15mm×500μm×80μm(长度×宽度×高度)的尺寸。
使用标准光刻技术硅晶片上由SU-8光致抗蚀剂制造第一层的主模。具体地，软硅胶为基与硬化剂按1：1(重量/重量)比率混合而成并被倒入到硅烷化晶片上，并且在70℃处固化达1小时以形成第一层。从模具中去除经固化的硅胶并通过冲孔(1.2mm)来形成流体入口和出口。由使用标准光刻技术以10：1(重量/重量)比率与固化剂混合的预聚合物来形成PDMS第二层。混合物被倒入到夹在两个铜带之间的60mm培养皿中，并且在70℃烧制达2小时以形成第二层。在PDMS和硅胶层的排列上执行各种结合处理：在对流烤箱中在70℃热结合达12小时，UV臭氧(UVO)处理达3分钟，以及氧化等离子体处理达2分钟。5mg/mL的GO纳米混悬液随后被填充到1mL针状注射器中并且引入到微流体通道中。UV粘合剂随后被应用到顶表面以密封流体端口来将GO纳米混悬液限定到微流体设备内。具体地，如图2中示出了用于制造压力传感器的过程。
结合强度和机械变形评估
为了稳健和有效地执行其指定功能，电阻式微流体压力传感器需要显示高度的柔性和适形性以及能够抵抗大范围的机械变形，例如按压、拉伸、剪切和弯曲。
如此，对要在我们的设备制造中使用的材料的适合选择是至关重要的。为了获得用于压力感测应用的柔性材料的最优组合，制备为PDMS-PDMS、Ecoflex-Ecoflex和Ecoflex-PDMS的三种不同的材料组合。对PDMS和硅胶衬底的排列执行三种不同的结合策略：在70℃热结合达12小时，UV臭氧(UVO)处理达3分钟，以及氧化等离子体处理达2分钟。
这些组合经受漏流测试以评估不同材料的第一层与第二层的结合完整性。红色食用燃料被填充到1mL的注射器中并且使用注射泵经由柔性套管连接引入到微流体通道中。流速最初是100μL/分并且逐渐增大直到观察到漏泄。选择6中不同的流速：100、200、300、500、1000和1500μL/分。最大流速固定在1500μL/分。为了进一步验证其结合完整性，使用通用加载设备(5848微测试机，Instron，Norwood，MA)对以上描述的衬底组合执行剥离测试。简要地说，经结合的组合的测量为40mm乘20mm的纵向端被夹紧在Instron机器的夹具上并且用10mm/分的伸展率被加载至发生故障。接着，UVO结合的GO纳米混悬液压力传感器经受各种机械变形，诸如拉伸、扭转、剪切和弯曲，以便评估设备柔韧性、耐用性和完整性。在每次施加变形之后，随后在4倍光学显微镜下观察GO纳米混悬液在微流体通道内的完整性和限制性。
基于经验设计，可以观察到，经热结合的Ecoflex-Ecoflex组合发生100μL/分的初始流速的漏流，而经热结合的Ecoflex-PDMS组合经历200μL/分的漏流。然而，除了这两种材料组合以外，染料溶液即使在1500μL/分的高流速下也成功通过其它柔性材料的所有微流体通道而没有漏泄。考虑到微流体通道的总内部体积和所施加的最高流速分别约为0.6μL或0.6mm3(即，长度＝15mm，宽度＝0.5mm，而高度＝0.08mm)和1500μL/分，经结合的组合设法在不损坏该结合的情况下抵挡其每分钟注入体积约为微流体通道的总内部体积的2500倍的强烈的染料溶液涌入。这验证在经受了氧化等离子体和UVO处理的所有材料组合中形成了稳健的结合。
另外，可使用Darcy-Weisbach式即式2来简单地描述归因于由通过长度L和水力直径D的微流体信道的流速Q产生的管流阻力的压力损耗ΔP：
其中ρ是流体密度而f是范宁摩擦系数。在给定最大容积流率为1500μL/分的情况下，压力传感器可经受超过114kPa的工作压力，这超过大多数基于微流体的应用的要求。因此，除了经热结合的Ecoflex-Ecoflex和Ecoflex-PDMS组合以外，其余经结合的柔性材料展现出极高的结合强度。
为了进一步评估和量化各种柔性材料组合的结合强度，使用通用加载设备来执行剥离测试。图4A解说了在剥离测试中使用的实验装置的示意图。通过完全剥离压力传感器的两层，材料组合的结合强度被测量。
结果在图4B中示出。可以观察到，无论所使用的结合策略如何，在9种柔性材料排列中，Ecoflex-PDMS组合持续显示出比其PDMS-PDMS和Ecoflex-Ecoflex对应物明显更高的剥离强度(ρ<0.05)。相反，注意到PDMS-PDMS和Ecoflex-Ecoflex组合之间相当的剥离强度，该剥离强度明显低于Ecoflex-PDMS组合的剥离强度。检查个体结合技术，可以观察到，热结合形成具有最低的剥离强度的材料组合，而具有最高剥离强度的材料可用UVO处理制备。
接着，评估个体柔性材料排列的剥离强度，注意到经热结合的Ecoflex-Ecoflex展现出约13.91±3.83kPa的最低剥离强度，而经UVO处理的Ecoflex-PDMS组件显示了约200±6.28kPa的最高最终剥离强度。因此，基于从漏流和剥离测试导出的所有实验结果，选择制造具有在1500μL/分时不显示任何漏流并展现出约200±6.28kPa的最高剥离强度的经UVO结合Ecoflex-PDMS组合的压力传感器。
为了使电阻式压力传感器最佳地执行，电基线信号和循环稳定性是至关重要的。理想地，压力传感器的导电液体应该显示出低基电阻外加随时间的高电阻稳定性。因此，寻求根据GO纳米混悬液的浓度评估所制造的压力传感器的电输出随时间的稳定性。以7种不同的浓度(范围从0.2到5mg/mL)制备纳米混悬液中的GO。液体悬浮液随后被填充到压力传感器中，并且随时间监视压力传感器的输出信号。有趣的是，对于GO纳米混悬液的所有浓度都观察到稳定的电输出响应。然而，触觉传感器的基线电阻值指数地减小并且当GO悬浮液的浓度增加到约3mg/mL时达到具有最小变化的饱和，如图5中以及图5的插图中所见。因此，推导出具有高于3mg/mL的浓度的GO纳米混悬液是作为所制造的压力传感器的导电液体的良好候选。
在针对压力传感器的个体组件，即硅胶-PDMS微流体设备和GO纳米混悬液的一系列表征之后，执行对如所制造的压力传感器的机械变形表征以评估GO悬浮液在微流体通道内的完整性和限制性。图6A描绘了在压力传感器经受任何用户施加变形之前，被限制在微流体通道内的GO纳米混悬液的状态。首先，在平行于微流体通道的方向上拉伸压力传感器并且观察到，GO悬浮液被很好地限制在微流体通道内，如图6B中所示。接着，相同的压力传感器受到各种机械变形，如扭转和弯曲，如图6C中所示。从这些测试中，注意到压力传感器的机械稳定性，因为它经历不同形式的变形并且重要的是，GO悬浮液在微流体通道内良好维持的结构(图6D)。换句话说，作为液态设备，制造的压力传感器在较好的工作流体约束下显示了极好的机械变形性。基于液相的固有机械性质的优势，这些结果证明了液态设备技术的鲜明特点和潜力。
压力感测和耐用性性能
一般地，在假设在线性弹性区中有基于胡克定律的小负载导致的变形的情况下，压力传感器如图3中所示基于取决于变形性的电阻式感测机制，该取决于变形性的电阻式感测机制可由式3描述。在长度为l、直径为d的微流体通道上存在所施加力F的情况下，经标准化的电阻的变化(R/R0)等于
其中E是第一衬底的杨氏模数而A是微流体通道上的负载接触面积。当外部机械力施加到压力传感器的表面上时，微流体通道经历轻微的压缩变形。这导致微流体通道的横截面积减小，进而导致跨微流体通道的GO纳米混悬液的电阻增大。另一方面，在释放外部压力之际并且由于第一层的硅胶的弹性性质，微流体通道将恢复到其原始状态。这随后导致GO纳米混悬液的电阻减小。GO纳米混悬液的电阻的具体增大或减小对应于对施加在压力传感器上的不同机械力的特性响应。
为了表征以上制造的压力传感器针对静态和动态机械力两者的压力感测性能和耐用性，压力传感器经受不同的加载条件。首先，使用通用负载机器(5848微测试机，Instron，Norwood，MA)以超过5mm的接触直径对压力传感器执行从1N开始下降至0.02N的压缩渐变-保持-释放负载循环。具体地，选择6个外部负载：1、0.5、0.25、0.1、0.05和0.02N。图7A和7B解说了在0.5和0.25N的负载被施加在压力传感器上的情况下代表性负载相对于伸展的轮廓。渐变率被设为5mm/分，并且压力传感器在被释放至其初始位置(图7A和7B的插图)之前被保持受压缩下达30秒。随后，对压力传感器重复地加载和卸载1.8、1.0和0.7g的三个不同质量的机械旋拧以探究其电响应。从所获得的结果注意到，压力传感器显示了对下降至0.02N的所有所施加负载一致和稳定响应(参见图7C)。同时，压力传感器的电阻在每个负载条件下的相对变化是恒定的。这表明压力传感器的高稳定性。
此外，通过叠加和比较因变于响应时间的压缩负载和相对电阻变化的轮廓，注意到由压力传感器显示的快速响应(图7D)。值得注意的是，强调通过实验获得的压力传感器对于所施加的压缩负载的电响应以高相关系数(即，R2＝0.97)(图7E)接近地匹配那些基于理论模型导出的压力传感器对于所施加的压缩负载的电响应是重要的。基于这一点，断定压力传感器以约3.38×10-2kPa-1的灵敏性来操作。
此外，对于动态负载测量而言，使用具有1.8g、1.0g和0.7g的质量(其分别对应于约0.018N、0.01N和0.0007N的力)的机械旋拧进行众多加载-卸载测试。机械旋拧被重复地施加和去除以在一定范围的动态力上验证压力感测能力和稳定性。类似地，压力传感器显露出对全部3个负载的稳定电响应，以及该设备电阻的相对变化对于任何负载条件是恒定的(图7F和7H)。还示出了压力传感器能够以可分辨的分辨率来稳定地检测下降至0.007N的循环负载(图7H)。
如此，可观察到，压力传感器的工作范围落入从约0.007N上升至约0.25N的范围中。除了所有压力感测性能评估以外，通过循环负载切换表征来进一步探究压力传感器的稳定性和耐用性(图8A和图8B)。压力传感器经受100个连续的加载-卸载测试循环。基于实验结果，可观察到，存在可忽略的其电阻轮廓随时间的变化。重要的是，在经历密集的加载-卸载循环之后，压力传感器展现出超常的信号稳定性和高度的耐用性。
机械力区分
除了按压力以外，由于所制造的压力传感器的高度柔性，实际上它也可被用于检测和区分其它类型的机械力，诸如拉伸和弯曲力。压力传感器经受循环按压、拉伸和弯曲力并且其电响应被检查，如图9A-9C中所示。值得注意的是，由压力传感器生成的电响应曲线是该设备正经受的不同类型的机械力的特性。此外，注意到所有三种类型的力测量中的高信噪比，进一步显示了压力传感器的感测和区分能力。
为了表明压力传感器的适用性和可穿戴性，压力传感器被附连至人的手部并且探究其识别不同手势的能力。作为对压力传感器在检测和区分各种手部肌肉引发的运动中的应用的概念验证，它被附连至手指和手腕并且在执行不同的手部运动时监视其动态压力响应(参见图10A-10D)。贯穿所有实验，在设备经受不同类型的外部压力的同时，使用具有数字记录功能的数字万用表(诸如，EX542，Extech仪器，Nashua，NH)来记录压力传感器的电阻。
当放置到食指上的设备经受向前(图10A)和向后(图10B)两者的弯曲运动时，研究该设备的电输出。对于向前弯曲运动而言，传感器被放置到指腹侧，而针对向后弯曲运动，传感器被附连至指背侧。传感器输出被表征为因变于手指肌肉的弯曲差异。对于两种弯曲运动而言，当食指弯曲时，观察到较高的电输出方面的峰值。当手指伸展时，压力传感器的电阻返回至其初始状态。从手指弯曲和伸展的两个手势中，注意到不同的信号模式。与压力传感器经受向后弯曲相比，当压力传感器经历向前弯曲时施加更大的力。重要的是，通过重复相同的向前和向后弯曲运动众多次，该设备稳定性得以例证。
通过将压力传感器附连至靠近旋前方肌的手腕并检测从对应于握力的握拳导出的电输出来研究压力传感器的力识别和区分能力。握拳手势被分为四个步骤：“松开”、“握紧”、“保持”和“松开”(参见图10C的插图)并且记录从这些运动中生成的相应电响应(图10C)。对于每个步骤，注意唯一的输出。有趣的是，压力传感器能够区分处于“保持”运动中的不同信号(图10D)。实际上，该特定步骤与握力紧密相关。普通握紧和弱握紧条件下的压力传感器的电阻的相对变化是明显不同且可区分的。在普通条件下，可观察到具有尖锐峰值的脉冲波形外加直肩。更具体地，针对“保持”运动获得的典型波形将处于水平直线形状。相反，在弱握手条件下，“保持”波形将是不规则线。这些结果表明，可用所制造的压力传感器来识别握力的轻微差异以及持续肌肉收缩的动态响应。显著地，一般来说，这突出了其作为一般用于不同条件下的实时健康监视，尤其用于握力和手部灵巧度评估的可穿戴诊断和预后设备的应用。手部灵巧度需要各种肌肉群的协调并且是对于日常生活活动的重要要求。老人的较弱握力通常与肌肉减少症相关并且已经与营养不良、慢性疾病、认知功能障碍、甚至死亡相关联。在病人中，握力的评估对于住院时间、术后并发症及康复进展具有预测的潜力。

Claims (12)

1.一种电阻式微流体压力传感器，包括：
-包括微流体通道的第一层，所述微流体通道包括碳基导电液体；以及
-包括至少两个电极的第二层，所述至少两个电极被适配成在所述微流体通道由于在所述传感器的表面上施加的力的改变而变形之际测量所述碳基导电液体的电阻。
2.如权利要求1所述的传感器，其特征在于，碳基导电液体包括：石墨烯、氧化石墨烯、还原氧化石墨烯、石墨、富勒烯、碳纳米管、碳黑、官能化的碳基纳米材料或其组合。
3.如权利要求1或2所述的传感器，其特征在于，所述碳基导电液体是3.0mg/mL的氧化石墨烯。
4.如任一前述权利要求所述的传感器，其特征在于，所述传感器是柔性的。
5.如任一前述权利要求所述的传感器，其特征在于，所述第一层和所述第二层具有相同或不同的材料，并且由弹性体材料形成。
6.如任一前述权利要求所述的传感器，其特征在于，所述第一层和所述第二层具有相同或不同的材料，其中所述材料包括：硅胶、乳胶、丁腈橡胶、聚氨酯(PU)、聚偏二氟乙烯(PVDF)、乙烯-醋酸乙烯共聚物(EVA)、聚乙烯醇(PVA)、聚乙烯(PE)、聚丙烯(PP)、聚苯乙烯(PS)、聚甲基硅氧烷(PDMS)、聚丁酸、聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)、聚碳酸酯(PC)、聚酰亚胺(PI)或其组合。
7.如权利要求6所述的传感器，其特征在于，所述第一层包括硅胶而所述第二层包括PDMS。
8.如任一前述权利要求所述的传感器，其特征在于，所述力的改变来自按压力、弯曲力、剪切力、和/或拉伸力的改变。
9.如任一前述权利要求所述的传感器，其特征在于，所述第一层和所述第二层被安排成将所述碳基导电液体密封在所述微流体通道内，所述碳基导电液体夹在所述第一层与所述第二层之间。
10.如任一前述权利要求所述的传感器，其特征在于，在所述传感器的表面上施加力导致所述微流体通道的变形，由此减少了所述微流体通道的横截面积并增大了所述碳基导电液体的电阻。
11.一种用于按压感测的可穿戴设备，包括如任一前述权利要求所述的电阻式微流体压力传感器。
12.如权利要求11所述的可穿戴设备，其特征在于，所述可穿戴设备包括手套、手表、臂带、头饰、袜子或鞋垫。
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