[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

说明书

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，该柔性动态传感器包括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；本发明还公开了该柔性动态传感器的制备方法，将具有均匀内张力的电极薄膜固定在柔性限位环上，利用其和下电极层对微结构离子水凝胶的层间预压缩，实现了动态信号的传感；本发明的预加载设计是通过电极薄膜的预拉伸使其具有内张力，结合层间预压缩，提升了柔性动态传感器在复杂动态载荷下的频率响应带宽，从而实现了传感器的宽频带效果。本发明具有柔性、宽频带等优点，并为柔性材料动态传感提供了通用的设计方法，可用于人体健康监测、语音识别和人机交互等动态信号传感领域。

技术领域

本发明涉及柔性动态传感器技术领域，具体涉及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。

背景技术

柔性动态传感器在人体健康监测、语音识别和人机交互等领域得到了广泛应用。相较于传统的硬质动态传感器，柔性动态传感器可与人体保持长时间、紧密、舒适的集成，更适合于和人密切相关的使用场景。柔性动态传感器是基于软材料或柔性结构设计制备而成的、对动态载荷敏感的一类传感器件。带宽和灵敏度是衡量一个柔性动态传感器性能的重要指标，其受多方面因素的影响，如传感原理，材料特性，器件结构等。带宽是指传感器输出响应下降或上升到其最大响应的根号二分之一的信号频率范围，在工作带宽范围内，传感器输出应尽量平坦或波动小。灵敏度是指传感器在带宽范围内的输出信号与外加载荷的比值，比值越高则动态传感器越灵敏。

在日常环境中，人体的呼吸、脉搏和语音交流等动态信号的频率范围主要集中在0.2Hz到1400Hz左右。由于柔性传感器的主体材料为软质材料，共振频率大约为5-30Hz，因此传统柔性动态传感器的频率响应多为非线性，且在低频附近存在明显的峰值，无法满足实际应用对器件工作频带的需求。在现有技术中，使用电阻、聚合物压电等传感原理的柔性动态传感器为了获得较大的带宽以及较高的灵敏度，通常使用多共振峰组合的技术，通过不同频率下多个共振峰的组合拓宽其带宽，但这类器件的工作原理决定了其频率响应依然存在非平坦和非单调的缺点，且灵敏度会在共振频率临近区域以外显著降低。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明的目的在于提供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，利用通用的设计方法以解决现有柔性动态传感器带宽窄的问题，拓宽柔性动态传感器的应用范围。

为了达到上述目的，本发明通过以下技术方案实现：

一种基于预加载设计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。

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。

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。

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上电极层与下电极层对微结构离子水凝胶的层间预压缩。