[发明专利]一种强度线型双响应的柔性应变传感器及其制备方法

说明书

本发明涉及一种强度线型双响应的柔性应变传感器及其制备方法。所述种强度线型双响应的柔性应变传感器包括：敏感材料，所述敏感材料为单层或少层MXene纳米片在有机溶剂中两级堆积形成的导电薄膜；柔性衬底，所述柔性衬底用于负载所述敏感材料；电极，所述电极位于敏感材料的两端；以及封装层，所述封装层用于保护所述敏感材料。

技术领域

本发明涉及一种柔性可穿戴传感器及其制备方法，特别是涉及一种基于MXene且强度线型双响应的柔性应变传感器，属于柔性及可穿戴电子学领域以及新材料技术领域。

背景技术

近年来，柔性电子器件逐渐成为研究热点，因其具有柔弹性等特点，可以代替传统的刚性器件实现与柔性基体的良好贴合以及满足设备的形变要求。其中，柔性电子传感器与人体皮肤功能类似，可用于感应和监测各种外界信号的变化，在运动感应、健康监测、通信娱乐以及人机交互等诸多领域拥有巨大潜力。

在诸多外界信号中，压力和应变等力学信号最为常见，因此实现电子皮肤对力学信号的传感是至关重要的。柔性应变传感器按照其信号转换的机理主要分为电阻式传感器、电容式传感器和压电式传感器。尽管柔性应变传感器将外界力学刺激转化成的信号种类有所差异，但衡量传感器性能好坏的指标都是一致的。主要包括：灵敏度、稳定性、检测极限、响应时间、分辨率、迟滞等。其中，电阻式传感器由于工艺简单、成本低、抗干扰能力强、容易实现小尺寸、可大形变等优点而备受关注。然而，柔性应变传感器在实际应用场景中对应变的检测，往往仅依靠电学信号的变化作出判断，这并不准确，进而导致测量值与实际之间存在较大误差，开发电学信号强度变化的同时显示出特征线型的柔性应变传感器能够减少此类误差的产生。

MXene，即二维过渡金属碳化物或碳氮化物，是一种类石墨烯的新型层状二维晶体材料，其化学式为M_n+1X_n，n＝1、2、3、4，M为过渡金属元素，X为碳或/和氮元素。MXene具有类似石墨烯的六边形层状结构，空间符号为P63/mmc，其晶体结构与其刻蚀前的母相MAX相同(文献1)。母体材料MAX相是一类化学式为M_n+1AX_n的三元层状化合物，其中A为主族元素(最常见的为Al，Si)。MXene由于其良好的导电性，丰富的表面端基以及可调控的微观形貌(文献2)，在储能、电磁屏蔽、催化以及柔性电子领域显示出巨大的应用潜力，进而被研究者广泛关注(文献3、文献4)。

柔性应变传感器中使用的是宏观MXene薄膜，它是由大量微观MXene纳米片结合形成的导电网络。因此，纳米片之间的堆积方式以及界面结合强度，也会对柔性应变传感器的输出信号产生巨大影响。目前，通过真空抽滤、旋涂、滴涂、喷涂等方法可以制备MXene薄膜，但是通过这些方法得到的薄膜均呈现平行于滤膜表面的大片层堆叠结构，纳米片之间结合紧密，极大地限制了内部微观结构的调控。一种调控MXene薄膜微观结构的方法是将其他材料添加其中，例如酸碱试剂、高分子材料、低维导电材料等。但是通过此种方法构建得到的复合材料稀释了MXene纳米片原有的优异性能。而且，现有柔性应变传感器在不同应变下只是强度信号的变化，其不存在线型的变化，其测试的准确度和可靠性较低。如何提供一种简单高效并且无添加剂的方法构筑具有不同堆积方式以及界面强度的MXene敏感层，对于其在柔性应变传感器领域中的性能设计具有很大的意义。

现有技术文献：

文献1Naguib M,Kurtoglu M,Presser V,et al.Two-Dimensional NanocrystalsProduced by Exfoliation ofTi3AlC2[J].AdvancedMaterials,2011,23(37):p.4248-4253.