[发明专利]一种高灵敏大量程柔性传感器及其制备方法和应用

说明书

本发明公开了一种高灵敏大量程柔性传感器及其制备方法和应用。所述高灵敏大量程柔性传感器包括导电复合薄膜材料以及承载所述导电复合薄膜材料的柔性基底，所述导电复合薄膜材料至少由导电粒子和基体制备而成，所述导电粒子为碳黑、碳纳米管和银粉，所述的基体为聚酯、聚氨酯、硅胶、橡胶等材料。该传感器的制备方法简单、灵敏度高，并且应变检测范围广，在电子皮肤、人机交互、智能机器人、可穿戴电子产品、医疗健康和运动监测等多个领域具有很大的潜力。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种高灵敏大量程柔性传感器及其制备方法。

背景技术

随着科技和医疗水平的快速发展，电子皮肤、人机交互、智能机器人、可穿戴电子产品、医疗健康和运动监测等领域对电子应变传感技术提出了新的挑战。传统的应变传感器主要是基于金属和半导体材料，对形变具有一定的检测能力，但缺点是可检测的变形范围较小，在较大形变时表现出极低的灵敏度，且由于材料坚硬，无法与人体皮肤等柔性表面集成，限制了其在大应变环境中的应用，限制其应用场景。

随着柔性电子学的发展，可穿戴的柔弹性器件备受国内外研究者们的关注，逐渐成为当前重要的前沿研究领域。相对于传统电子器件，柔性电子器件具有更大的灵活性，满足客户对于设备的形变要求，电子皮肤、人机交互、智能机器人、可穿戴电子产品、医疗健康和运动监测等领域都有巨大的应用发展潜力。柔性应变传感器是柔性电子器件的典型代表之一，能够将器件的应变变化转化为电信号进行输出。将其编织或组装在衣物或者皮肤上，能够实时获取人体生理与活动信息，因而在医疗监测设备、机器人、人机交互等方面都有广泛的应用。然而，目前的柔性应变传感器大多灵敏度不高，应变测量范围窄，这些不足严重制约了柔性应变传感器对各种复杂生理信号、物理活动的综合分析检测。

在柔性应变传感器中，灵敏度和应变感应范围是其最为关键的两个性能参数。然而,获得高灵敏度需要器件在极小的应变下发生显著的结构变化,而宽的应变感应范围则要求器件在大应变下仍能保持导电结构的连通性，通常这二者互为矛盾，难以兼得。近年来，研究者们通过各种先进的制作方法制备各种性能优异的柔性应变传感器，主要的方法包括：

1、通过化学气相沉积方法将铬(Cr)纳米粒子沉积在柔性基材聚对苯二甲酸乙二醇酯(PET)上的银叉指电极之间，可以制造出高灵敏度的柔性应变传感器。与传统的金属箔或半导体应变传感器相比，这种应变传感器在应变范围为0-0.36％内显示出更高的应变系数，达到了20左右，并且可施加的最大施加应变为3％。

2、通过在柔性纺织基板上组装功能性碳系纳米杂化材料和具有压阻效应的氧化锌(ZnO)纳米线，制备了一种基于商用纺织品的具有高鲁棒性的柔性应变传感器。由于ZnO纳米线的结构特性，该纺织基应变传感器能够对不同程度的弯曲表现出高度稳定和即时的响应。所制备的传感器灵敏度系数为7.64，能很好地响应各种身体运动，精确地检测应变大小，并且可以通过与无线模块的集成实现遥控监测功能。

3、通过将导电炭黑材料与丙烯酸树脂、乙基纤维素以及无水乙醇混合后超声振荡获取导电油墨，再以掩膜印刷的方法将导电油墨刮涂到纸质基材上，当有机溶剂挥发后，即可在纸基表面得到一层由纳米炭黑颗粒组成的复合导电涂层。由于纸基与涂层之间的弹性模量差异性，器件弯曲状态下涂层表面将产生微尺度裂缝，依靠裂缝壁之间的接触状态与外力应变施加之间的响应关系，制备了一种压阻式高灵敏度柔性应变传感器。该传感器在应变为0％到0.14％区域内，灵敏度系数为647。

4、通过在多孔聚氨酯基材内部和表面上进行聚吡咯的表面扩散和原位聚合，设计并制备了一种新型可拉伸导电聚吡咯/聚氨酯弹性体柔性应变传感器。当拉伸时,聚氨酯基板发生形变，且弹性体表面出现网状微裂纹结构，这种微裂纹结构促进了传感器的灵敏性，其灵敏度在拉伸应变为10％时为0.5，拉伸至50％时，灵敏度为1.8。