[发明专利]基于铁磁纳米线/碳材料的复合型柔性三维力传感器及其制备方法

说明书

本发明公开了一种基于铁磁纳米线/碳材料的复合型柔性三维力传感器及其制备方法，该柔性传感器包括柔性基体，铁磁纳米线/碳材料敏感层和电极引线；所述铁磁纳米线/碳材料敏感层封装于柔性基体内，所述电极引线分别固定于铁磁纳米线/碳材料敏感层的两端。在制备该传感器敏感单元时，采用首先在磁场作用下，利用高分子泡沫浸渍铁磁纳米线溶液，然后再浸渍碳材料溶液；在检测三维力时，通过不同电极引线所构成的不同电阻其阻值变化的不同去检测三维力，进而实现柔性三维力传感器的制备。本发明的柔性三维力传感器能够同时实现较低的非线性误差和良好的稳定性，并且制备工艺简单，可操作性强，在人机交互、医疗健康等领域有着广阔的前景。

技术领域

本发明属于应变传感器技术领域，主要涉及一种基于铁磁纳米线/碳材料复合型的柔性三维力传感器的制备方法。

背景技术

随着新材料的不断开发以及微纳米技术的进步，基于柔性功能复合材料的柔性传感器在未来智能设备以及新型可穿戴设备方面具有越来越重要的地位，柔性传感器在健康监测以及人工智能等方面展现出广阔的应用前景。

传统的传感器大都采用半导体或者金属作为敏感单元制备而成，但是由于此类传感器存在易脆性、能耗大等问题，在柔性电子皮肤、可穿戴传感器领域不能得到广泛的应用。金属纳米材料由于具备良好的导电性、柔韧性、高度的光电性能和易于加工的特点广泛应用在健康监测、可穿戴领域。目前常用的金属纳米材料有Au、Ag、Cu、Ni以及纳米颗粒和纳米线的复合材料等，但是由于金纳米线和银纳米线在制备的过程中工艺较为复杂且材料本身价格昂贵，限制了金纳米线、银纳米线柔性传感器的广泛利用。铁磁纳米线在制备的过程中工艺简单且材料本身价格便宜，但由于铁磁纳米线易于被氧化，其制备的柔性传感器长期稳定性不佳。

传统的柔性传感器大都只能在一维上进行测量，只能检测一个方向上电阻的变化，因而它的应变检测范围较窄。

发明内容

本发明的目的在于提供一种基于铁磁纳米线/碳材料的复合型柔性三维力传感器及其制备方法。为了改善电阻式柔性拉伸传感器的线性度，本发明采取通过在高分子泡沫三维骨架表面浸渍铁纳米线和碳材料作为导电网络，旨在解决现有柔性传感器稳定性差、线性度不好以及导电层制备工艺繁琐等问题，在电阻式柔性传感器的研究中具有更加广阔的应用前景。

为实现上述目的，本发明采用的技术方案是：基于铁磁纳米线/碳材料的复合型柔性三维力传感器，包括第一柔性基体、第二柔性基体、敏感层、电极引线Ⅰ、电极引线Ⅱ、电极引线Ⅲ和电极引线Ⅳ，所述敏感层置于第一柔性基体和第二柔性基体之间构成三明治结构，四根电极引线分别连接在敏感层的四个面上；所述敏感层采用在磁场的作用下，由高分子泡沫骨架浸渍铁磁纳米线溶液中，再浸渍在碳材料溶液中，以自组装方式制备。四根电极引线分别连接在敏感层四个面的中心位置。

本发明还提供了一种基于铁磁纳米线/碳材料的复合型柔性三维力传感器的制备方法，包括以下步骤：

(1)将制备好的铁磁纳米线溶液加入施加有平行磁场的培养皿中，铁磁纳米线溶液的浓度为0.05mol/L到0.1mol/L，然后将清洗好的高分子泡沫按平行于磁场的方向放置于培养皿中，浸渍一段时间后，放入真空干燥箱中干燥，得到附着铁磁纳米线颗粒的高分子泡沫。在浸泡的过程中按压几次高分子泡沫，利用负压使其内部均匀覆盖铁磁纳米线，再利用超声震荡浸泡一段时间。

(2)将培养皿中的溶液替换成碳材料溶液，浓度为0.01mol/L到0.1mol/L，然后将步骤(1)中得到的高分子泡沫浸渍在碳材料溶液中，浸渍一段时间后，放入真空干燥箱中干燥，得到铁磁纳米线/碳材料敏感层。

(3)取一定量的聚二甲基硅氧烷(PDMS)中的预聚物A和交联剂B混合搅拌并真空，得到混合液体，利用匀胶机将该液体涂覆在柔性基体薄膜上，制备两块所述柔性基体薄膜。