[发明专利]基于离子可调控水凝胶的双模态电容传感器及应用

说明书

本发明涉及一种基于离子可调控水凝胶的双模态电容传感器及应用，属于传感器技术领域。本发明提供的基于离子可调控水凝胶的双模态电容传感器，使用可调控离子迁移能力的相变水凝胶作为介电层，以及导电薄膜如氧化铟锡导电薄膜作为上下电极制备了具有三明治结构的电容式传感器。基于该相变水凝胶相变前后离子浓度的巨大差异，使得以其为介电层制备的传感器能够在同一器件中分别实现两种传感模式。其中，高电容状态可作为高灵敏压力传感器使用，低电容状态可以作为空间距离传感器使用。通过调节温度使水凝胶发生相变，可实现传感器在两种模式之间切换。本发明传感器集成接触式与非接触式两种传感模式，制备工艺简单，成本较低，有很好的应用场景。

技术领域

本发明属于传感器技术领域，具体涉及一种基于离子可调控水凝胶的双模态电容传感器及应用。

背景技术

多模式传感器是新兴的高效多功能电子器件，它能够在同一器件中实现针对不同环境刺激的传感功能，这就使它成为实现可穿戴设备、人机交互、物联网等科技的重要技术。以电容式传感器为例，其结构往往由形态各异的传感介电层以及两端电极构成，传感原理是通过监测介电层功能材料的电容在外界环境刺激下的变化，从而精确快速的识别响应环境信号。由于电容式传感器结构简单、制备工艺简便、响应快速、信号稳定等优点而受到科研人员的广泛关注，被广泛应用于压力、拉力、空间位置等的识别传感。

目前，由于聚合物弹性体聚二甲基硅氧烷(PDMS)、聚丙烯酸酯(VHB)、共聚酯等易于加工、具有良好弹性，往往是传感器介电层材料的主流选择。利用这类材料在外力下的形变造成的电容变化可以构造高灵敏的应力传感器。同时，聚合物弹性体材料的电容往往较小，当接地导体，如人体等，靠近器件时，其边缘电场与人体的耦合作用可以被准确监测，因此也常被用于制作空间距离传感器。然而，在进行高灵敏的压力传感时，传感信号也会不可避免的受到耦合作用的干扰，影响器件灵敏度。而通过化学掺杂或者设计微结构等方法提高介电层的电容可以有效减弱位置传感的反馈信号，从而提高压力传感的灵敏度和信噪比。但是，传感材料普遍使用的高分子弹性体在传感器完成制备后，其结构性能往往无法再改变，因此如何兼具压力和空间距离传感功能，并准确的进行信号反馈，是传感材料设计的技术难题。

发明内容

本发明要解决现有技术中的技术问题，提供一种基于离子可调控水凝胶的双模态电容传感器及应用。本发明的电容传感器使用一种相转变水凝胶作为传感功能层，通过温度控制水凝胶中的离子浓度，实现水凝胶传感功能层在两种状态时电容差异可达10⁴倍，在高、低电容两种状态下依据不同的传感原理，在同一个器件中实现压力传感和空间距离传感功能的切换，提供了实现传感器可切换传感模式的新策略。

为了解决上述技术问题，本发明的技术方案具体如下：

本发明提供一种基于离子可调控水凝胶的双模态电容传感器，包括上电极、下电极、和置于所述上电极和下电极之间的介电层；

所述上电极和下电极均为导电薄膜；

所述介电层为具有微结构的离子可调控的相变水凝胶；

所述相变水凝胶是由下述方法制备得到：

将丙烯酰胺类单体分子溶于熔融的相变无机盐中，加入交联剂、光引发剂后混合均匀，接着加入成核剂，混合均匀后倒入微结构模具中，在紫外光照下光照聚合后制得相变水凝胶。

优选的是，所述导电薄膜为石墨烯导电薄膜、导电氧化铟锡(PET-ITO)薄膜、其他导电薄膜中的一种或多种；进一步优选导电薄膜为导电氧化铟锡(PET-ITO)薄膜。

优选的是，所述丙烯酰胺类单体具体为丙烯酰胺或者水溶性丙烯酰胺单体同系物，进一步优选为丙烯酰胺。

优选的是，所述交联剂为聚乙二醇二丙烯酸酯、聚乙二醇二丙烯酸酯同系物中的一种或多种，分子量为1000g/mol；进一步优选为分子量为1000g/mol的聚乙二醇二丙烯酸酯。