[发明专利]一种基于预加载设计的宽频带柔性动态传感器及其制备方法

权利要求书

1.一种基于预加载设计的宽频带柔性动态传感器，其特征在于：所述的宽频带柔性动态传感器包括由具有均匀内张力的电极薄膜、柔性限位环、微结构离子水凝胶和下电极层构成的紧密配合传感器件；所述具有均匀内张力的电极薄膜固定在柔性限位环上，微结构离子水凝胶预压缩固定在具有均匀内张力的电极薄膜和下电极层间；通过预加载设计，使得柔性动态传感器的响应频带范围拓宽，即带宽增加。

2.根据权利要求1所述的一种基于预加载设计的宽频带柔性动态传感器，其特征在于：

所述具有均匀内张力的电极薄膜是由双向拉伸聚对苯二甲酸乙二醇酯薄膜以及其单侧表面喷涂的金属电极层构成；

所述柔性限位环是由3D打印的硬软相间一体成型的聚合物圆环，一方面柔性限位环中的硬相能够与具有均匀内张力的电极薄膜粘接固定，保证薄膜面内张力，另一方面其具有高柔性，能适应一定程度的弯曲变形；

所述微结构离子水凝胶是利用具有内凹微结构的硅模具通过预聚液聚合形成的离子水凝胶；导电离子采用Li⁺和Cl^-，水凝胶采用聚丙烯酰胺水凝胶；

所述下电极层是由3D打印一体成型的柔性聚合物基底和其上的金属电极薄膜构成。

3.根据权利要求2所述的一种基于预加载设计的宽频带柔性动态传感器，其特征在于：所述的喷涂的金属电极层的金属种类和厚度不限制；下电极层上的金属电极薄膜种类和厚度也不限制。

4.根据权利要求1所述的一种基于预加载设计的宽频带柔性动态传感器，其特征在于：所述预加载设计为具有均匀内张力的电极薄膜的预拉伸以及具有均匀内张力的电极薄膜与下电极层对微结构离子水凝胶的层间预压缩。

5.根据权利要求1所述的一种基于预加载设计的宽频带柔性动态传感器，其特征在于：所述宽频带柔性动态传感器的传感原理采用金属电极与离子水凝胶界面形成的双电层电容，其大小与接触界面的面积成正比；当外界载荷作用于柔性动态传感器时，金属电极与离子水凝胶界面的接触面积随着外载的变化而变化，从而进行传感。

6.根据权利要求1所述的一种基于预加载设计的宽频带柔性动态传感器，其特征在于：所述宽频带柔性动态传感器的工作带宽Δf与具有均匀内张力的电极薄膜的面内张力T、面密度ρ_s、半径r_m，以及微结构离子水凝胶的微结构初始高度D、微结构初始预压缩应变ε_pre、微结构间距s，微结构底边长b和凝胶杨氏模量E有关，计算公式如下：

通过选择适配的具有均匀内张力的电极薄膜参数和预拉伸张力，并调节微结构离子水凝胶的材料属性、几何尺寸、初始预压缩应变，能够使得柔性动态传感器的一阶共振频率后移，从而获得较宽频率范围的平坦频率响应。

7.根据权利要求1所述的一种基于预加载设计的宽频带柔性动态传感器，其特征在于：所述柔性限位环带肋，下电极层带槽，通过肋槽的紧密配合并胶接形成密封的能够防水防尘的柔性动态传感器。

8.根据权利要求1至7任一项所述的基于预加载设计的宽频带柔性动态传感器的制备方法，其特征在于：具体步骤如下：

首先，将具有均匀内张力的电极薄膜胶粘固定在柔性限位环上，作为上电极层；然后，将金属电极薄膜胶粘固定在3D打印的柔性聚合物基底上，作为下电极层；上电极层和下电极层均通过导线引出以用于传感信号导出；其次，将微结构离子水凝胶置于上电极层和下电极层之间，利用高精度位移平台精确控制上电极层和下电极层的间距，从而对微结构离子水凝胶产生初始预压缩；最后，固定好初始预压缩的应变之后，通过胶粘的方式固定以形成完整密封的柔性动态传感器。